철근콘크리트 기둥과 철골 보 접합부의 상세에 따른 전단강도

Abstract

최근에는 이질재료를 혼합한 복합구조의 개발이 활발히 진행되고 있으며 이는 단일 재료가 갖는 장점을 최대한 활용하기 위해 시도되고 있다. 이러한 복합화 공법에서 철근콘크리트와 철골로 이루어진 합성구조(RCS)는 최근에 국내?외에서 다양한 연구가 시도되고 있으며 구조체의 시공 및 성능에 있어 다양한 장점을 갖는 것으로 보고되고 있다. RCS 구조에 관한 연구는 1980년대부터 미국과 일본을 중심으로 접합부의 강도, 변형 및 설계식의 개발을 위한 기초자료의 확보를 위해 다수의 연구가 진행되고 있다. 그러나 RCS 접합부의 구성은 철근콘크리트와 강재의 이질재료로 구성됨에 따라 이들 재료간의 응력전달기구가 복잡하여 접합부의 거동에 관한 규명은 미비한 실정이다. 이와같은 RCS 접합부의 구조적 특성 이외에도 철근콘크리트 기둥에 철골보가 관통되어 설치됨에 따라 접합부의 시공성이 열악한 단점이 있다. 특히 접합내에 배치되는 횡보강근은 기존의 철근콘크리트 기둥에서와 유사하게 폐쇄형을 지향함에 따라 접합부내에 배치되는 강재보에 구멍을 성형하여 코너부 기둥에서 조립해야 하는 문제점을 갖고 있다. 따라서 접합부내의 횡보강근 상세는 접합부의 시공성에 가장 큰 영향인자를 지적되고 있으며 RCS 복합화 구조의 장점을 충분히 얻지 못하는 결과를 초래할 수 있다. 이에 본 연구에서는 RCS 접합부의 응력전달기구 파악과 접합부 보강요소에 따른 전단성능을 파악하기 위하여 다양한 횡보강근 상세와 접합부 보강상세를 변수로 실험적 연구를 수행한다. 본 실험연구의 주요 보강상세로는 FBP, 전단키인 E-FBP 및 밴드 플레이트와 가로보를 대상으로 한다. 실험체는 13개의 내부 접합부와 2개의 외부접합부로 구성되며 보강상세에 따른 전단성능 파악과 실제 구조물을 대상으로 계획된 실험을 통하여 내진성능을 파악하고자 한다. 본 실험적 연구결과의 비교분석을 통하여 기존연구에서 제안하고 있는 외부패널의 전단저항기구인 압축장 이론과는 달리 코너부 기둥의 구속만으로도 접합부의 전단 구속효과가 충분히 확보되는 것으로 나타났다. 따라서 외부패널의 전단저항기구로서 기존의 ASCE 제안식에서 제시하는 압축장 이론 보다는 단일 압축스트러트로 고려하는 것이 보다 적절할 것으로 판단된다. 철근콘크리트 기둥와 강재보로 이루어진 혼합구조 접합부의 전단성능을 규명하기 위하여 수행된 실험 및 해석적 연구로부터 얻은 주요한 결론은 다음과 같다. (1) 가로보로 분할되는 코너부 기둥의 구속만으로 기존의 횡보강근 상세와 동등 이상의 전단성능을 나타내어 4분할 폐쇄형 횡보강근에 의해서도 접합부 전단에 대한 충분한 구속효과가 확보되는 것으로 나타났다. (2) 본 연구의 실험결과 및 기존 RCS 보 관통형 접합부 실험결과의 비교를 통하여 외부패널 및 가로보의 전단강도 산정방법을 다음과 같이 제안한다. 외부패널의 전단저항기구는 단일 압축스트러트와 이를 구속하는 횡보강근의 구속효과로 고려하여 외부패널의 전단기여도를 산정한다. ◁원문참조▷ 가로보의 전단저항은 내외부 패널 모두에 영향을 미치는 것으로 나타나 가로보의 전단기여도는 내외부 패널의 증가된 강도값으로 산정한다. ◁원문참조▷ (3) 비교적 보강상세가 간단한 보 관통형 접합부를 대상으로 본 연구에서 제안한 강도식과 기존 제안식의 비교결과, 기존의 내력식에 비해 실험 결과값과 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다. (4) RCS 보 관통형 접합부의 응력전달 순서는 접합부의 전단변형각 1% 이전에 철골웨브가 전면 항복에 도달하고 이후 최대강도의 50～60%에서 전단균열 발생과 함께 내부 및 외부패널의 콘크리트로 응력이 급격하게 전달되는 것으로 나타났다. (5) 전단키로 사용된 밴드 플레이트의 주요기능은 기존연구에서 제시하는 외부패널로의 응력전달 보다는 기둥의 효과적인 구속과 강재보의 연속성 확보로 접합부의 전단강도 증진에 기여하는 것으로 판단된다. (6) 무보강인 실험체와 형상비를 변수로한 실험체의 실험결과, 지압강도를 전단강도에 비해 1.25배 높게 계획되었음에도 지압파괴의 영향이 큰 것으로 나타났다. 따라서 접합부의 내력산정시 강도비(지압/전단)와 형상비(기둥춤/보춤)에 대한 세심한 검토가 필요할 것으로 판단된다. (7) 실제 구조물을 대상으로 한 내진성능형 실험결과, 독립된 4개의 코너부 기둥을 구속한 실험체에서도 기존의 ㄱ자형 4조각 조립 및 용접형과 비교하여 동등 이상의 전단성능, 에너지 소산능력을 나타내었다. 또한, ACI Proposed Provisional Standard의 권고사항인 0.035 부재각까지 강성 및 강도의 저하 없이 안정적인 이력거동을 확보하는 것으로 나타났다. (8) 외부판넬의 전단기여도 평가결과 외부콘크리트의 전단기여도는 (kN) 정도로 무근 콘크리트의 전단강도값과 유사한 것으로 나타났다. 또한 4분할 폐쇄형 횡보강근으로 계획된 외부판넬의 전단강도값은 (kN)로 ASCE 제안식을 상회하였으며 구속효과는 (kN)로 나타났다. (9) 외부접합부의 강재 보 매입길이를 기둥 중심선 이상으로 연장하는 경우 기존의 설계식에 의해서도 충분한 안전성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. (10) 철골 항복강도를 기준으로 탄성강성에 대한 실험강성의 비교결과 전단성능형 실험체는 66.1～70.5%를 나타내었으며 내진성능형 실험체는 72～77% 정도로 접합부내의 횡보강근 형상에 의한 차이는 없는 것으로 나타났다.; Recently engineers are designing composite and mixed building systems of structural steel and reinforced concrete to produce more efficient structures than realized using either material alone. Hybrid structures with reinforced concrete and steel(RCS) members have gained popularity. Several advantages have been reported regarding the construction and behavior of these structures. Even though RCS structures have been carried out in the US and Japan to study the strength, deformation and to provide a data for developing design equations. However, complete understanding of the joint behavior has not yet been achieved because of the inherent complexity of the internal mechanisms. Other issues are the difficulties of constructing interior column having four steel beams framing into them. Transverse ties in the joint region must pass through predrilled holes in the four steel beams webs framing into the joint. This transverse reinforcement required in the joint is one of the main constructability that can reduce the cost competitiveness of RCS building systems. This paper is to analyze the test results of RCS beam-column joint with various type of transverse reinforcement and enhancing details to investigate the shear strength and the internal force transfer mechanisms of the RCS joint. The details considered include the following attachments to the steel beams : face bearing plates(FBP), shear keys(E-FBP, steel band plates) and transverse beams. Thirteen interior and two exterior beam-column joints specimen were constructed and tested under the inelastic cyclic loadings investigating the shear strength for reinforcing details and conforming to applicability in real structures. From the experimental study, it is found that the shear strength of the outer concrete panel in RCS joints provided by transverse reinforcement does not show any big difference by the type of transverse reinforcement. Therefore compression strut model is more reasonable in predicting the shear strength of outer concrete panel than compression field model. Also, the design equation and confining coefficients for the calculation of shear strength by the transverse reinforcement are suggested by the compression strut model. Design equations for through beam type beam-column joint presented herein are evaluated through comparison with existing experimental results. The comparisons between experimental and calculated results show an excellent agreement. This dissertation consists of six chapters given below : In chapter 1 which is the purpose, scope, and methodology of this study are presented. In chapter 2, internal and external studies about RCS composite connections are investigated and their results are summarized. Additionally, the effect by parameters is analyzed. Chapter 3 contains all information concerning the experimental work including experimental program and description of specimens. The comparison and discussions of test results for each variable are presented. Chapter 4 presents the degging method of beam-through type RCS joint and comparison proposed equation and others method. Chapter 5, the results through finite elementary analysis are compared with test results. In the final chapter, the main conclusion from the present study are drawn together with recommendations for further research and developments concerning both the experimental and analytical work.