철근콘크리트 기둥과 이중 H형강 보의 접합부 전단성능에 대한 실험연구

Abstract

지하층에 대한 수요가 증가되면서 공기단축, 공사비 절감 등의 필요성이 증가되고 있으므로, 새로운 공법이 활발히 연구되고 있다. 이의 일환으로 개발된 공법이 이중 H-형강보이다. 이중(double) H-형강보를 적용하면 토압으로 발생된 흙막이 벽체의 횡력에 대한 내력을 향상시킬 수 있다. 즉, 그전에 사용되어 왔던 H-형강 단일 보 지지방식은 플랜지 방향으로는 내력이 충분하나, 웨브(web) 방향으로는 좌굴에 취약한 점이 많았다. 이를 해결하기 위한 방안으로 스팬의 간격을 줄여 H-형강을 촘촘히 설치하거나, 슬래브를 타설하면서 터파기를 진행하는 방식이 일반적이었다. 하지만, 스팬을 줄여서 H-형강을 많이 설치하면, 지하 구조물의 스팬(span)과 맞지 않아서 가설구조물로서 밖에 설치할 수 없었고, 터파기를 하는 건설장비의 작업공간이 부족하게 되고, 지하층 작업을 위한 자재의 양중 등이 불편하여 시공속도가 저하되는 문제가 발생하게 된다. 슬래브를 타설하는 방법도 개구부가 부족해지면서 자재의 양중, 토사 반출, 환기 및 채광 등에 불편을 초래하고, 슬래브를 타설하고 양생되는 동안 작업이 지연되는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하고자 제안된 방안으로 본 구조체의 기둥을 중심으로 H-형강을 이중으로 배치하여, 약축에 대한 내력을 증가시키고, 슬래브 콘크리트를 타설하지 않고도 토압에 대한 횡력을 분산하여 내력을 향상시킬 수 있게 된다. 하지만, 기둥과 H-형강보가 직접적으로 연결되지 않기 때문에 응력의 전달이 가능하지를 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 기둥과 H-형강보의 접합에서 전단 내력이 설계 기준값에 적합한지를 실험을 통하여 확인하고, 여러 설계기준식 중에서 본 공법에 가장 합리적인 식을 선택하고, 전단에 영향을 미치는 영향인자의 종류와 값을 확인하고자 한다. 이에 본 실험체는 총 13개로 구성하여 RC 실험체(철근콘크리트 기둥과 이중 H-형강보의 접합부에 대한 전단내력 실험체)를 기본으로 하고, SRC 실험체와 비교 시험하며, 기둥 단부로부터 철골보까지의 이격거리, 기둥을 관통하는 내부 철판의 유무, 스터드의 유무, 슬래브의 유무에 따라 전단내력을 비교 분석하여 이중 H-형강보의 구속 영향인자를 찾고자 한다. 철근콘크리트 기둥과 이중 H-형강보의 접합부에 대한 전단내력 성능을 확인하기 위하여 수행된 실험과 해석적 연구로부터 얻은 주요한 결론은 다음과 같다. 1. 이중 H-형강의 ‘#’접합부(기둥-보)는 합성거동으로 설계기준 이상의 전단내력을 확보하는 것으로 판단된다. 2. SRC 계열의 실험체를 제외하고는 스트럿-타이 모델식이 가장 적합한 설계식이라고 본다. 하지만, 스트럿-타이 모델식으로 예측한 파괴하중값보다 실험치의 결과값이 140~160%를 상회함으로써 철골의 인장력을 평가하는 식이 추가되어야 하며, 이격거리에 대한 영향인자에 대한 설계식이 반영되어야 할 것이다. 3. SRC 계열의 실험체는 철골면과 콘크리트의 미끄러짐과 철골 기둥의 스터드에 영향을 많이 받으며, 철골보와의 이격거리에는 영향이 적은 것으로 나타났지만, 철골보의 구속효과로 전단내력이 향상되는 것으로 판단된다. 4. RC 실험체와 RCST 실험체는 이격거리가 100mm를 기준으로 할 때 140mm는 6.8%, 180mm는 13.2%가 감소되어, 이격거리의 영향이 큰 것으로 판단된다. 그래서, 설계에 적용할 경우에는 이격거리에 대한 영향인자를 반드시 고려하여야 한다. 5. RC 실험체와 RCST 실험체를 비교한 결과, 내부 전단접합철판에 부착된 스터드의 영향은 2.5%내외로 미소한 차이를 나타내어 영향이 적은 것으로 보여 진다. 6. RC 실험체와 RCST 실험체에 적용된 내부 전단접합철판은 철골보의 전체 크기(보의 두께)로 적용하는 것이 유리하다고 판단된다. 7. 슬래브의 영향은 이격거리가 작은 실험체의 경우에는 슬래브가 있는 실험체가 없는 실험체보다 전단내력이 증가하지만, 이격거리가 180mm로 넓어지면, 슬래브의 영향은 적어진다. 이는 이격거리가 작을 때는 압축 스트럿의 지배와 철골기둥과 콘크리트의 미끄럼전단이 지배하여 슬래브의 두께에 비례하여 전단내력도 증가하지만, 이격거리가 넓어지면, 슬래브에 발생되는 균열에 의하여 슬래브의 영향이 적어지는 것으로 보여짐으로 슬래브의 보강이 필요하다고 판단된다.; thus, work is delayed while curing the concrete. The proposed strategy to solve the aforementioned issues is to center two H-Beam beams around the column, so it becomes possible to increase the strength of the lesser axis as well as the strength without slab concrete by dispersing the horizontal force from the earth pressure. Even so, there is still a need to investigate whether it is possible to transmit stress, since the column and H-Beam beam are not directly connected. The target of this research is to confirm through experimentation that the shear force of the union of the column and H-Beam beam is suitable with the design, to choose from a variety of designs the approach most compatible with this construction method, and to verify the type and value of factors which affect shear force. This test is comprised by a total of 13 test specimens. With the RC test specimens as the constant, it is tested in comparison to the SRC test specimens. The intention is to discover the effects related to restrictions of the Double H-Beam by analyzing the comparisons of shear force in accordance with the distance between the column edge and the H-Beam beam, the presence of inner steel plate within the column, the presence of stud, and the presence of slab. In order to verify the shear behavior on the joint of RC Column and Double H-Beam, starting from the executed experiment and the analytic research, the ensuing conclusion is as follows: 1. There is confirmation that double H-Beam by its synthesis behavior, has shear force in excess of the design standard. 2. With the exception of the SRC test sample, the Strut-Tie Model is the most suitable design method. However, because the resulting values of the Strut-Tie Model test specimens exceeds the estimated failure value by 140~160%, a way to assess the strength of the steel and the effect of the distance factor must be reflected in the design method. 3. The SRC test specimens are highly affected by the slip between steel and concrete as well as the stud attached to the steel column. Although it turned out that distance had a small effect on steel beams, the restriction of steel beams improves the shear force. 4. When a distance of 100mm is set as the basis for the RC test specimens and the RCST test specimens, distance is shown to have a high influence as the shear force decreases by 6.8% at 140mm and by 13.2% at 180mm. Therefore, the factor of distance must undoubtedly be taken into consideration for the design. 5. In comparing the results from the RC test specimens and the RCST test specimens, the effect of the adhered stud on the internal shear joint steel plate is within 2.5%, and this negligible disparity shows that the influence is small. 6. For the internal shear joint steel plate applied to the RC test specimens and the RCST test specimens, it is advantageous to apply the entire size (thickness of beam) of the steel beam. 7. In the case of test specimens where slab has a small effect on distance, test specimens with slab had stronger shear force than ones without slab, but when the distance is greater than 180mm, the effect of slab decreases. When the distance is short, shear force increases in proportion to the thickness of the slab, since it is influenced by the compressive strut as well as the slip shear of the steel column and the concrete. But as the distance increases, reinforcement of the slab is necessary because the effectiveness decreases due to a crack generated in the slab.; As demand for underground construction has increased, the need to reduce time expenditures and construction expenses have also increased hence, new techniques are actively being researched. As part of this objective, the construction technique of the Double H-Beam was developed. When the Double H-Beam is applied, the strength of the horizontal force of the retaining wall can be improved by the generation of earth pressure. In other words, although H-Beam the utilized single beam support method had sufficient strength for the flange approach, it proved weak when used with the web approach due to its vulnerability to buckling. The common strategy to resolve this was to shorten span intervals by either elaborately installing many H-Beam beams or by digging the soil while simultaneously pouring concrete on the slab. However, when many H-Beam beams are used with a shortened span, the resulting span doesnot correspond with that of underground structures and so this method can only be used with temporary structures, the workspace becomes too small for the construction equipment, and the difficulty of loading and unloading construction materials causes a decline in work speed. Because the method of pouring concrete on the slab produces a lack of openings, inadequate ventilation and lighting causes inconvenience in loading and unloading construction materials and in removing soil