構 造 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第28卷 第2A 號·2008年 3月 pp. 207 ~ 214
혼합구조의 성능 향상을 위한 개선된 접합부의 개발 (II):
개선된 접합방식의 성능확인을 위한 모형실험 및 해석
Developments of Advanced Connection Type for Improvements of Mixed Structures (II)
윤익중*·노병철**·김문겸***·조성용****
Yun, Ik Jung
·
Lho, Byeong Cheol·
Kim, Moon Kyum·
Cho, Sung Young···
Abstract
This study presents a way to validate the quality level of the proposed connection type and verify the experimental test, and performs a 3D nonlinear analysis corresponding to the experimental test. Two mixed-structure beams were cast and tested under a four-point static loading. Force-displacement relation, force-strain relation, force-opening width, and failure mode were observed from comparing the numerical results of the adopted FE model. Nonlinear analysis of mixed structures was carried out by utilizing the contact elements of a general purpose structural analysis computer program (ABAQUS). The results of numerical and experimental simulation show that the proposed L-shaped connection has greater stiffness under flexural load- ing and better structural performance with regard to the connection.
Keywords :mixed structure, Experimental tests, discontinuity, advanced connection type
···
요 지
본 논문에서는 연계논문에서 제안된 혼합구조 접합부의 개선정도를 확인하기 위하여 2개의 혼합구조 실험체에 대하여 4절 점 휨시험을 수행하였다. 혼합구조 접합부의 거동 분석을 위하여 3차원 비선형해석 결과와 실재하 실험 결과를 하중-처짐 관계, 하중-변형률 관계, 접합부 개구폭, 균열과 파괴모드를 통하여 비교하였다. 3차원 비선형 해석을 위하여 접촉요소를 사 용하였으며 해석프로그램은 범용 구조 해석프로그램인 아바쿠스를 이용하였다. 실험과 해석의 결과로부터 제안된 L 모양의 접합부가 휨하중에서 기존안보다 강성이 크게 나타났으며, 보다 나은 구조적 성능을 나타냄을 확인하였다.
핵심용어
:혼합구조, 실재하 실험, 불연속면, 개선된 접합부 형식
···
1.
서 론
혼합구조는 복합구조의 한 형태로, 구조성능의 향상과 재 료의 경제적 사용을 위하여 다양한 형태로 시도되어 왔으며, 혼합구조의 효과적인 적용을 위하여 접합부 성능개선에 대 한 요구가 커지고 있다. 이를 위해, 전편논문에서는 혼합구 조의 부분합성거동특성을 분석하고, 3차원 비선형 해석 결과 을 수행하여 접합부 성능향상을 위한 개선안을 제시하였다.
혼합구조 접합부의 거동은 마찰력이나 프리스트레싱 긴장력 감소현상(Relaxation) 등과 같은 다수의 외적 변수에 의하여 양상이 크게 달라지므로, 본 연구에서는 실재하 실험을 통하 여 전편논문에서 도출된 개선된 접합부와 기존안과의 거동을 비교·분석하였다. 특히, 접합부내에는 다수의 스터드와 프리 스트레싱 긴장재가 설치되므로 시공상의 난점이 발생하므로
접합부를 실제로 설계·제작하여 현장적용시에 발생할 수 있 는 문제점을 미리 확인하고자 하였다.
실재하 실험을 위하여 개선안과 기존안을 적용한 2개의 실 험체를 설계·제작하였으며, 하중-처짐, 하중-변형률, 접합부 개구폭, 균열 및 파괴모드 등을 통하여 분석하였다. 경제적·
시간적 여건상 다수의 실재하 실험 대신 수치해석을 실시하 여 결과의 신뢰성을 확보하였다.
2.
실험계획 및 방법
2.1
실험체 설계 및 제작
혼합구조는 강형부와 PSC 형부를 잇는 접합부로 구성되며, 접합부는 단면력이 극대화 되는 위치 가까이에 설치를 요하 는 경우가 많기 때문에 접합부에는 부재와 동등 이상의 내
*교신저자ㆍ연세대학교 토목공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])
**정회원ㆍ상지대학교건설시스템공학과부교수ㆍ공학박사 (E-mail : [email protected])
***정회원ㆍ연세대학교 토목공학과 교수ㆍ공학박사 (E-mail : [email protected])
****GS건설(주) 토목구조팀기술본부과장ㆍ공학박사 (E-mail : [email protected])
력 및 강성이 요구된다. 따라서, 이종부재간의 원활한 단면 력 전달을 위하여 여러 가지 형태의 접합형태가 개발되었으 며 이중 전·후면판 병용 방식이 가장 우수한 것으로 알려 져 있다(연세대학교, 2004). 본 논문에서는 전편논문에서 도 출한 스터드 설치 면적이 넓고 전단키형태의 L 접합부를 갖 는 개선안과 기존안을 비교·검토하기‚ 위하여 그림 2와 같 이 실험체를 설계 하였다. 표 1에는 대상 모형의 단면치수 와 가해진 프리스트레싱력의 크기를 정리하였다.
콘크리트 거더부를 제작하기 위하여 사용한 콘크리트는 표
2에 나타난 배합표에 따라 설계된 레미콘 제품을 사용하였다.
콘크리트 시편의 재령 28일 압축강도는 31 MPa이 발현되 었다. 접합부의 일체화를 위하여 프리스트레싱력이 가해지므 로 이를 이용하여 콘크리트 거더를 PSC 거더로 하여 인장 철근을 대신하도록 하였다. 기존의 연구에 의하면, 프리스트 레싱 강봉과 강봉을 수용하기 위해 콘크리트 속에 삽입하는 강재 쉬스관이 하중전달메카니즘에 영향이 있으므로, 본 연 구에서는 직경 54 mm의 플라스틱 쉬스관속에 순단면적
554.8 mm2
강선을 설치하고 그라우팅 처리하였다(노병철,
2006).
도입된 프리스레싱 강선의 물성은 일반상용제품을 이
용하여 극한강도는 1900 MPa, 탄성계수는 210 GPa로 하였 다. 강거더부는 인장강도가 400 MPa인 구조용 강재를 이용 하여 두께 11 mm의 I 형 단면으로 제작하였다. 복합부의 밀폐판은 강거더에 용접하여 일체화시켜 제작하고, 이종부재 간의 응력 흐름을 원활하게 하기 위하여 직경 16 mm, 길이
50 mm
의 전단연결재를 복합형부 접합면에 100 mm간격으로
설치하였다. 복합형부 내부는 무수축 모르타르로 충진하였으 며, 작업의 난이는 개선안과 기존안에 큰 차이가 없었다.
2.2
실험 방법
하중 재하 방법은 개선안의 휨 거동 특성을 파악하기 위 하여 순수 휨 상태를 유도할 수 있는 4점지지방식을 취하였 으며, 하중의 재하는 가력보를 사용하여 중앙부에서 각각
500 mm
씩 떨어진 위치에 하중을 가력하였다. 가력은 2000
kN
용량의 유압식 가력기를 사용하여 0.02 m/sec의 속도로 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 실험체의 변위를 측 정하기 위하여 실험체의 중앙부에 변위계(LVDT)를 설치하 여 하중에 따른 변위를 측정하였다. 또한 PSC형부와 강형부 의 변형률을 측정하기 위하여 변형률 게이지(strain gauge)를 부착하여 각각의 변형률을 측정하였으며, 접합부의 개구폭을 측정하기 위해 실험체의 L/2지점인 PSC형부와 복합형부의 접합면 하단에 균열게이지를 설치하였다. 또한 로드셀과 시 험체 사이에는 집중하중으로 인한 국부파괴를 방지하기 위 하여 300×300×20 mm의 강판과 하부에는 하중 재하시 발 생할 수 있는 응력집중을 완화하기 위해 고무패드를 삽입·
설치하여 하중을 재하하였다. 하중 재하 지점과 계측기의 위
치는 그림 2에서 확인할 수 있다.
2.3
수치해석모형
본 논문에서는 실재하 실험을 통하여 접합부의 성능 개선 정도의 확인과 시공성등의 적용성을 검토하는데 목적이 있 음으로 적용이 간편하고 범용성이 있는 상용 소 프로그램
ABAQUS 6.6-1
을 사용하여 수치해석을 수행하였다(허택녕
등, 2006). 유한요소망은 그림 1과 같이 구성하였고, 단부조 건은 강성이 큰 강거더측을 힌지로 하고, 콘크리트 거더측은 롤러로 선정하였다. 하중재하점에서 하중을 분산시키기 위하 여 재하실험에 사용되는 고무패드와 프리스트레싱 재하판을 모델링하였다.
각 부재별로, 콘크리트는 8절점 솔리드 요소로, 강판은 4절 점 쉘요소로, 강연선은 2절점 트러스요소로, 스터드는 2절점 빔요소를 적용하였다. 비선형 거동을 고려하기 위하여 재료비 선형모델과 경계비선형 모델이 적용되었다. 재료비선형모형 중 이선형 모델은 스터드와 강판에 적용되어 항복응력에 도 달하기 전에 선형 탄성의 거동을 보이고, 항복 후에는 완전소 성거동을 하도록 하였다.
Concrete damaged plasticitymodel
은 콘크리트와 같이 압축강도와 인장강도가 상이한 재
료 특성과, 하중의 재하와 제하시의 거동을 나타내기에 적합 하므로 이를 콘크리트의 재료모델로 사용하였다. 접합부에서 발생하는 부분합성을 고려하기 위하여 컨택요소를 적용하였다.
3.
실험 결과 및 분석
3.1
하중
-처짐
강-PSC 혼합구조 접합부의 휨 실험에 따른 하중-처짐 곡 선을 그림 3에 나타냈으며, 주요 강성값을 표 3에 정리하였 다. 실험체의 강성은 할선강성값을 사용하여 비교하였으며 그림 4에 강성-처짐 곡선을 도시하였다. 기존안의 경우 초기 균열이 290 kN에서 발생하였으며 처짐은 6.42 mm가 발생 하였다. 개선안은 320 kN에서 6.47 mm의 처짐을 나타내며 균열이 발생하였다. 초기균열시의 기존안은 45.2 kN/mm이 고 개선안은 49.5 kN/mm로 더 높은 하중에서도 기존안보다 강성이 약 9%가량 큰 것을 확인할 수 있다. 설계 하중인
469 kN
하중에서는 기존안은 35.7 kN/mm이고 개선안은
41.1 kN/mm
로 개선안의 강성이 약 13% 가량 크게 나타났
다. 파괴시까지 가장 크게 재하된 하중은 기존안이 634 kN 으로 개선안의 624 kN 보다 1%가량 크게 나타났으나 두 실 표
1.해석 및 실험 모형의 종류
구 분 단 면
(mm)
길 이
(mm)
접합부 형상 프리스트레싱력
(kN)기존안
300×600 5,400직사각형
5602개선안
300×600 5,400 L형
5602그림
1.강
-PSC혼합구조모형의 유한요소망
험체 모두 설계 하중 이상의 강도를 발현하였고, 이때의 접선 강성 역시 개선안이 30.6 kN/mm로 기존안의 19.45 kN/mm보 다 큰 것을 확인하였다. 또한, 최고하중에 도달한 뒤 최종 파 괴시까지 발생한 추가적인 처짐이 기존안의 경우 2.37 mm, 개 선안은 16.61 mm가 발생하였다. 이를 미루어 기존안 보다 개
선안이 항복 후 변형능력이 뛰어남을 확인하였다.
3.2
하중
-변형률
개선안과 기존안의 거동특성 비교를 위하여 그림 5와 7에
나타난 위치에서 변형률을 측정하였다. 그림 6에 나타난 바
그림
2.대상 모형
와 같이 PSC형부의 하중-변형률 곡선은 전형적인 PSC 부 재의 변형률 분포를 나타내었다. 기존안의 경우 압축변형률
-0.002
근방에서 변형률이 급격히 감소하고 있는데, 이는 압
축파괴에 의한 강성손실에 의한 것으로 판단된다. 반면에 개 선안의 경우 최종파괴하중에 근접하기 전까지 하중변형률이 완만하게 증가하는 모습을 보이고 있다. 단면변형률은 전 하 중영역에서 압축측에서 기존안이 개선안에 비해 큰 변형이 일어났으며, 인장측에서는 작게 나타났다. 설계하중의 단면 변형률 분포를 통해 볼 때, 개선안의 중립축이 기존안에 비 하여 낮게 발생함으로 기존안이 개선안 보다 압축영역에서 표
2.콘크리트 배합표
굵은골재 최대치수
(mm)설계기준 강도
(MPa)슬럼프 범위
(cm)공기량 범 위
(%)멘트비 물-시
W/C (%)잔골재율
S/a (%)단위량(kN/cm
3)물
W시멘트
C
잔골재
S
굵은골재
G
혼화재료
AD
25 30 15
±2.5
4.5±1.5
43.4 49.1 1,430 4,000 9,120 8,820 34.2표
3.실험체의 균열하중 및 극한하중과 처짐 구 분 접합부 형상 초기균열강성
(kN/mm)
설계하중강성
(kN/mm)
기존안 직사각형
45.2 35.7개선안
L형
49.5 41.1그림
3.휨 실험에 따른 하중
-처짐 곡선
그림
4.휨 실험에 따른 할선강성
-처짐 곡선
그림
5. PSC형부의 변형률 측정 위치
그림
6. PSC형부의 변형률
보다 큰 하중을 부담하고 있음을 의미한다. 또한, PSC 거더 상부에서 550 kN에서 상부측에서 강도손실이 확연히 나타 나는 기존안에 비하여 개선안의 경우 600 kN까지 안정적인 변형능력을 보이므로 개선안의 하중저항능력이 큰 것을 확 인할 수 있다. 인장영역의 경우, 기존안은 설계강도인 469
kN이하에서 모두 탄성영역을 벗어나 비선형거동을 보이고 있 으나, 개선안은 비교적 높은 하중까지 탄성거동을 보이는 것 으로 판단되므로 개선안의 하중저항성능이 더 큰 것을 확인 할 수 있다.
강형부의 변형률은 실험결과 기존안과 개선안이 전형적인 변형률 분포를 나타냈으며 이를 그림 8에 도시하였다. 설계 하중에서의 단면변형률 분포를 통하여 볼때 개선안의 중립 축이 기존안보다 높게 나타나므로 강형부의 거동은 인장력 에 의해 지배됨을 알 수 있다. 강재의 재료 특성상 인장에 의한 파괴시 충분한 연성을 획득할 수 있으므로 개선안이 기존안에 비하여 안전성을 가진다고 판단 할 수 있다. 또한, 강형부에서의 변형률은 극한 하중까지 선형거동을 나타내고 있음으로, 혼합구조의 거동은 강거더보다는 PSC 형부의 균 열 및 부분파손에 의한 영향이 큰 것으로 분석된다.
3.3
접합부 개구폭
강-PSC 혼합구조는 이종 재료인 강과 PSC로 접합되어 있기 때문에 하중 재하에 따라 발생하는 접합부의 개구에 의해 거동특성이 달라지므로 하중개구폭 곡선을 그림 11에 제시하였다. 그림 10은 하중 재하에 따라 발생되는 접합부의 개구폭을 측정하기 위해 부착된 균열게이지를 나타낸 것이 다. 초기 하중 재하 단계에서 개선안과 기존안의 개구폭은 매우 비슷한 크기를 가지며, 설계하중인 469 kN에서의 개구 폭은 기존안이 0.975 mm로 개선안의 1.022 mm로 소폭 작게 나타났으나, 하중이 증가하여 약 502 kN을 상회하면서 개선안의 개구폭이 기존안에 비해 작아지는 경향을 보였다.
개구폭 차이가 가장 큰 하중은 600 kN으로서 최고 20%
(0.618 mm)
정도 개선안이 기존안 보다 작은 개구폭이 나
타났다.
3.4
균열 및 파괴모드
하중 재하시 실험체에 발생된 균열을 그림 11과 12에 나 타내었으며, 균열은 최초 균열이 발생된 시점부터 실험체가
파괴되는 시점까지 측정하여 나타내었다. 기존안의 경우 초 기 균열은 PSC형부와 복합형부가 접합하는 접합부 하단에서
290 kN
하중에 의해 발생하였으며, 이후 상단으로 균열이
진행되었다. 420 kN하중 이후부터 PSC형부 하단에서 휨 균열이 발생하여 하중이 증가함에 따라 균열이 계속 진행되 었으며, 634 kN의 하중에 이르러 하중이 재하 되는 위치의 접합부 주변 PSC형부에서 압축파괴 되었다. 개선안은 초기 균열은 기존안 실험체 초기 균열과 마찬가지로 PSC형부와 복합형부가 접합하는 접합부 하단에서 320 kN 하중에 의해 발생하였으며, 복합형부 내부에도 미세균열이 발생하였다.
370 kN
하중 이후부터 PSC형부 하단에서 휨 균열이 발생하
여 하중이 증가함에 따라 균열이 계속 진행되다가 634 kN 의 하중에 이르러 하중이 재하 되는 위치의 접합부 주변
PSC형부에서 압축파괴 되었다. 두시험체 모두 접합부 주변 그림
7.강형부의 변형률 측정 위치
그림
8.강형부의 변형률
PSC
형부 상단에서 압축파괴 되는 것은 PS강선과 철근의 인 장력에 비해 PSC형부 콘크리트의 압축력이 상대적으로 작기 때문에 발생된 것으로 판단된다.
3.5
수치해석결과와 실험결과 비교분석
수치해석에 의한 하중-처짐곡선을 실험결과와 같이 그림
13과 14에 도시하였으며, 수치해석의 경우 프리스트레싱 가 력에 의하여 상부로 솟음이 발생함으로 솟음량을 원점으로 보정하였다. 기존안의 해석값에 의하면 설계하중인 469 kN 에서 처짐은 14.78 mm 발생하였고 이때의 할선강성은 32.6
kN/mm
로 실험값인 35.7 kN/mm 보다 다소 작았다. 개선안
의 해석값은 설계하중에서 처짐량은 12.34 mm이며, 할선강
성은 38.0 kN/mm로 실험값인 41.1 kN/mm보다 작게 나 타났다. 해석에 의한 하중-처짐 곡선에 나타나는 접선강성 이 실험보다 기존안과 개선안 모두 작게 나타났으나, 이는 해석시 보수적인 결과를 유도하기 위하여 마찰력을 고려하 지 않아 나타난 결과로 보인다. 기존안과 개선안 모두 해석 값보다 실험값의 강성이 크게 나타나며, 해석으로부터 개선 안의 강성이 더욱 큰 것을 그림 15로부터 확인할 수 있다.
실험과 해석 모두 600 kN에서 개선안과 기존안의 처짐값 의 차이가 가장 크게 나타났다. 이는 혼합구조에서 일반적 으로 강과 콘크리트 사이의 합성작용이 우수할수록 하중저 항성능 측면에서 유리한 사실에 비추어 보면 L형의 접합부 가 직사각형의 접합부 보다 다소 우수한 합성작용을 제공하 기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 혼합구조의 합성작용은 접합부 스터드와 프리스트레싱력 등과 밀접한 관련이 있으 므로 향후 보다 심도 깊은 연구가 이루어져 전단연결재의 설치와 프리스트레싱력의 적절한 기준이 설정되어야 할 것 으로 생각된다.
강-PSC 혼합구조의 해석 및 실험에 따른 파괴형상은 그림
16과 그림 17에 나타내었다. 해석 및 실험결과, 접합부 형상 이 직사각형인 기존안의 경우 복합형부와 PSC형부가 접합되 는 접합면 하단에서 균열이 발생하였으며, 하중이 증가함에 따라 PSC형부 하단에서 휨 균열이 발생하고 이후 극한하중 그림
9.균열게이지 부착 사진
그림
10.휨 실험에 따른 하중
-개구폭
그림
11.기존안의 균열도
그림
12.개선안 실험체의 균열도
에 이르러 하중이 재하 되는 위치의 접합부 주변 PSC형부 상단에서 압축파괴 되는 형상을 나타냈다. 접합부 형상이 L 형인 개선안의 경우는 기존안의 거동 특성과 거의 유사하게 나타났으며, 기존안와 마찬가지로 극한하중에 이르러 하중이 재하 되는 위치의 접합부 주변 PSC형부 상단에서 압축파괴 되는 형상을 나타냈다. 접합부 주변 PSC형부 상단에서 압축 파괴 되는 것은 PS강선과 철근의 인장력에 비해 PSC형부 콘크리트의 압축력이 상대적으로 작기 때문에 발생된 것으 로 판단된다.
4.
결 론
본 연구를 위하여 전·후면판 공용방식의 기존 접합부를 갖는 강-PSC 혼합구조와 개선된 접합부를 갖는 강-PSC 혼 합구조를 실시험체에 적용하여 설계·제작하였으며, 이에 대 하여 수치해석과 실재하실험을 실시하였다. 실재하 실험과 수치해석 결과를 분석하여 개선된 접합부의 성능향상을 확 인하고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.
하중-처짐 관계를 통하여 강성을 분석하였으며, 개선안과 기존안 모두 설계하중인 469 kN 이상의 강도를 발현함을 확인하였다. 또한, 설계하중에서 개선안이 기존안 보다 그림
13.기존안의 하중
-처짐곡선 비교
그림
14.개선안의 기존안의 하중
-처짐곡선 비교
그림
15.해석에 의한 강성
-처짐곡선 비교
표
4설계하중에서 해석 및 실험의 처짐과 강성 구 분 처짐(mm) 할선강성(kN/mm)
해 석 실 험 해 석 실 험
기존안
14.78 13.14 32.6 35.7개선안
12.34 11.43 38.0 41.1그림
16.강
-PSC혼합구조 휨 해석에 따른 파괴형상
그림
17.강
-PSC혼합구조 휨 실험에 따른 파괴형상
9%
가량 강성이 크게 나타났다.
2.
두 실험체 모두 휨 하중하에서 일반적인 변형률 분포를 보였다. 또한, 혼합구조의 극한거동에 직접적인 영향을 미 치는 PSC 거더의 경우 모든 하중영역에서 개선안은 중립 축이 기존안에 비해 낮게 발생하고, 인장측에서 비교적 높 은 하중까지 탄성거동을 보이므로 개선안의 하중저항성능 이 기존안보다 큰 것을 확인하였다.
3.
수치해석 및 실험결과에 의하면, 개선안과 기존의 전·후 면판 접합부 방식이 설계하중하에서 유사한 크기의 개구 폭이 발생하였으나, 설계하중이상에서 개선안이 기존안에 비하여 작은 개구폭을 보였다. 특히, 600 kN 하중에서 기존안이 개선안보다 20%이상 큰 개구폭이 발생하였다.
개구폭이 클수록 구조물의 안정성 획득과 완전합성작용을 기대하기 힘듦으로, 개선안이 기존안 보다 혼합구조의 합 성에 보다 유리한 것으로 판단되며, 개선된 접합부 방식을 강-PSC 혼합구조에 적용할 경우 구조적 성능 향상이 가 능할 것으로 판단된다.
4.
기존안의 경우 수치해석에 의한 하중-처짐곡선과 실재하 실험에 의한 결과가 비교적 잘일치하였다. 기존안과 개선 안 모두 실재하실험에 의한 강성이 수치해석에 의한 강성 보다 크게 나타났는데 이는 수치실험시 보수적인 결과 도 출을 위하여 마찰계수를 0으로 산정한데 의거하는 것으로
보인다. 이를 통하여 볼 때, 마찰면적과 스터드 설치간격 이 큰 개선안의 강성이 기존안 보다 크게 됨을 유추할 수 있다. 또한, 파괴하중에 근접하기 전까지 개선안의 강 성이 기존안 보다 큼을 확인하였다.
감사의 글
본 논문은 GS건설과 VSL KOREA의 지원으로 수행된 연구의 성과로 이에 감사드립니다.
참고문헌
김문겸, 노병철, 김정훈, 박현철(2006) 강-콘크리트 혼합거더 접 합부의 정적 거동에 관한 연구, 한국콘크리트학회 봄학술대회 논문집, 한국콘크리트학회, Vol. 18, No. 1, pp. 426-429.
연세대학교 건설공학연구소(2004) 복합구조형식 교량의 접합부 거 동분석 및 안전성 검토에 관한연구
.허택녕, 윤익중, 김문겸, 조성용(2006) 개선된 접합부 방식을 갖 는 혼합구조의 3차원 비선형 해석,
2006년 대한토목학회 정 기 학술대회, 대한토목학회, pp. 702-705.
ABAQUS (2006) ABAQUS User's Manual, Version 6.6.1, Dassault System, 2004.
(