주요어: 강판콘크리트, 정적가력실험, 파괴모드
Corresponding author: Kim, Jin-Sup
Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 900 Gajwa-dong, Jinju 660-701, Korea.
Tel: +82-55-759-0538, Fax: +82-55-772-1799, E-mail: [email protected]
투고일: 2013년 10월 14일 / 수정일: 2013년 11월 29일 / 게재확정일: 2013년 12월 2일 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 4, No. 4, pp. 9-14, December 2013
DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2013.4.4.009
단조하중을 받는 SC 전단벽의 휨강도 평가
권민호
1· 김진섭
2· 서현수
2· 임정희
2경상대학교 토목공학과 공학연구원 교수1, 경상대학교 토목공학과 박사과정2
Flexural Strength Evaluation of Steel Plate Concrete Shear wall subject to Monotonic Loading
Kwon, Min-Ho
1· Kim, Jin-Sup
2· Seo, Hyun-Su
2· Lim, Jeong-Hee
21Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
Abstract: In this study, flexural strength properties of SC shear walls were investigated through static pushover test.
Failure modes and stiffness characteristics of SC shear walls under lateral loads were inspected by analyzing the experimental results. Main failures of unstiffened SC shear walls were found to be the type of bending shear failure due to the unbonding of the steel plate at the concrete interface. The ductility capacity of SC structures was also confirmed to be improved, which is considered to be a confining effect on steel plates in the longitudinal behavior of SC shear walls.
Key Words: Steel plate concrete, Pushover test, Failure mode
1. 서 론
에너지 가격의 급등과 지구온난화의 주범인 이산화 탄소 배출량 저감을 위하여 원자력 발전은 주목받고 있다. 이러한 가운데 세계적으로 더 안전하고 경제적 인 원자력발전을 위한 다양한 신기술 개발이 우리나 라를 비롯한 미국 , 일본 등 원전 선진국들에 의해 지 속적으로 추진되고 있다. 강판콘크리트(Steel Plate Concrete, 이하 SC)구조는 기존 원자력발전소의 주요 구조인 RC구조를 대체하여 모듈화 시공이 가능하도 록 고안된 구조체로 향후 원자력발전소 , 일반 플랜트, 군용 시설 및 건축물에 적용될 경우 공기단축 및 구 조 성능 향상 등 많은 장점을 가지고 있다.
SC구조는 콘크리트가 철근을 감싸는 형태가 아닌 강판이 콘크리트를 감싸고 있는 형태로, 양면 강판 내 에 콘크리트를 채워 넣은 합성구조체이다 . 강판 내에 부착된 전단 스터드(Shear Stud) 및 타이바(Tie-bar)를
통한 강판과 콘크리트의 합성 작용으로 구조적 기능 을 수행한다. SC 구조의 구조특성으로 인해 시공시 콘크리트 타설을 위한 거푸집이 필요하지 않을 뿐만 아니라 철근콘크리트부재에 비하여 우수한 구조성능 을 갖는다 . 또한, 구조부재를 공장에서 제작하므로 시 공품질을 향상시킬 수 있고, 제작한 부재를 현장에서 각 모듈을 연결 ·조립하여 설치함으로써 병행시공이 가 능하여 건설공기를 단축시킬 수 있는 장점이 있다 . 이 러한 SC구조는 새롭게 시도하는 구조형식으로 국가별 로 연구가 진행되고 있다 .
다른 국가에 비해 일본이 선도적으로 SC구조를 개
발해 왔고 다른 나라에서는 강판 전단벽체의 강성특
성( Li et al., 2011) 과 지진거동( Berman, 2011) , SC모멘트
프레임의 내진성능( Braconi et al., 2011 ) 등의 연구가
수행되었지만 , SC전단벽 구조의 내진성능에 대한 실
험적 연구사례는 부족하다. 국내에서는 SC구조의 거
동특성에 관한 기초 연구 (Moon et al., 2006)를 시작
으로 최근에 SC 구조의 역학특성(( Lee et al., 2009),
SC구조의 내진설계를 위한 감쇠비( Lee & Kim, 2010 ), SC 구조의 압축강도 및 강성(Han et al., 2011), 부재 의 강도평가 (Lee et al., 2008), 접합부의 거동특성 (Kim et al., 2008)등 SC구조를 대상으로 한 연구가 진행되고 있다. 하지만, SC 구조요소의 강성특성분석 이나 파괴모드에 대하여 분석결과를 제시한 국내의 연구사례는 선진외국에 비하여 부족하다(Cho et al., 2012). SC 구조형식을 원전의 안전관련 구조물에 채 택하기 위해서는 정확한 구조적 거동 분석과 역학적 특성에 대한 연구가 필요하다.
이에 , 본 연구에서는 SC벽체 시편을 제작하여 정적 하중 가력실험을 수행하여 SC 벽체 시편의 합성거동 에 관한 파괴형상을 관찰하고 강성을 분석하였다 .
2. 실험 개요
2.1 시험체 계획
이 연구에서는 비보강 SC 전단벽 구조의 횡하중 거동을 분석하였다 . 이를 위해 관련 설계기준의 규정 을 적용하여 비보강 SC 벽체 모형 시편을 제작하였 다. 그리고 시편 벽체의 길이방향과 두께방향으로 단 조증가하중 가력실험을 계획하였다 . 계획한 시편의 명 칭을 Table 1에 정리하였다.
SC벽체시편은 선행 연구에서 제작한 SC구조시편을 참고하고, KEPIC SNG의 규정을 반영하여 강판의 두 께와 스터드의 수량을 결정하였다 . Fig. 1에 시편의 제원을 나타내었다 . 시험체의 전체높이는 1120mm, 벽 체의 높이는 1100mm이다. 벽체와 기초판이 접한 부 분은 100×100mm의 철판 리브(rib) 4개로 보강하였다.
강판에 직경 10mm, 길이 40mm인 스터드를 용접법으 로 벽체와 기초판의 전단연결에 대한 보강을 위하여 벽체 하단의 중앙부를 따라 기초판에 3개, 측면부에 24개, 상단부에 12개로 총 39개를 강판 내측에 접합 하였다 . 시험체 하단에는 두께 20mm의 기초판을 형 성하여 실험실 반력대에 고장력 볼트를 이용하여 고 정하였다 . 시편의 상부에는 가력에 의한 파손을 방지 하고 벽체의 동특성을 고려하여 질량을 추가하기 위 해 25mm의 철판을 양 벽체에 부착하였다. 벽체의 강 판은 SS400의 강재를 사용하고, 3mm의 두께로 제작 하였다. 강판의 속은 35MPa의 고강도 콘크리트로 타 설하였다 .
Load-direction Specimen name
Longitudinal wall X-M
Through thickness of wall Y-M
Table 1. Specimen Name
(a) Front view (b) Side view Fig. 1 Details of Test Specimen
콘크리트 재료실험은 KS F 2402의 규정에 따라 공 시체를 제작하여 콘크리트 압축강도 시험을 하였다.
Table 2에 콘크리트 공시체의 압축강도의 시험결과를 나타내었고 , Fig. 2에 응력-변형률 곡선을 나타내었다.
Specimen Compressive
Strength(MPa)
No. 1 37.0
No. 2 34.9
No. 3 33.6
Avg. 35.2
Table 2. Properties of Concrete
2.2 실험방법
본 실험은 하중가력을 벽체 길이방향과 두께방향으 로 구분하여 수행하였고, 시험체가 파괴에 도달할 때 까지 횡방향으로 변위를 제어하며 가력하였다. 시험체 가력은 50ton용량의 서보식 엑추에이터를 이용하였고, 실험 전 시험체와 엑추에이터 가력빔을 볼트 및 너트 를 이용하여 고정하였다 . 시험체의 기초는 반력바닥에
Fig. 2 Stress-Strain Relation Curve of Concrete
고정시켜 하중을 가할 때 기초의 이동이 없도록 하 였다. Fig. 3에는 LVDT 설치 위치와 스트레인 게이지 부착위치를 나타내었다 . LVDT는 가력부 반대편 중앙 에 설치하여 횡 변위를 측정하였다 . 또한, 실험이 진 행되는 동안 벽체의 비틀림 여부를 확인하기 위하여 가력면의 직각인 양면에 LVDT를 하나씩 설치하였다.
강판의 변형률을 측정하기 위하여 강판에 수직, 수평, 경사방향을 측정하는 강재용 3축 스트레인게이지를 4 개씩 양 측면에 총 8개와 콘크리트의 양 측면에 콘크 리트용 1축 스트레인게이지를 수직, 수평방향으로 2개 씩 총 4개를 부착하였다. Fig. 4(a)는 벽체 길이방향의 가력장치구성이고 Fig. 4(b)는 벽체 두께방향의 가력 장치구성을 나타낸 것이다 .
(a) LVDT(X-M) (b) LVDT(Y-M) (c) Strain Gauge Fig. 3 Location of LVDT, Strain Gauge
(a) Test setup of X-M (b) Test setup of Y-M Fig. 4 Test Setup
3. 실험 결과
3.1 파괴형태 3.1.1 X-M 시험체
벽체 길이방향으로 가력한 X-M의 가력실험에서 나 타난 파괴양상은 Fig. 5와 같다. 변위 약 13mm에서 콘크리트 휨 균열이 발생하고 약 21mm에서 콘크리트 압축균열이 발생하였다 . 약 110mm에서 인장부의 보 강재가 파괴되면서 전단균열과 휨 균열의 폭이 증가 하였다 . 이후 약 118mm에 도달할 때까지 변형이 증 가하였다.
Fig. 5 Crack Patterns of X-M
3.1.2 Y-M 시험체
벽체 두께방향으로 가력한 Y-M의 가력실험에서 나 타난 파괴양상은 Fig. 6과 같다. 약 3mm에서 하부에 콘크리트 균열이 발생하였다 . 최대 가력하중에 도달하 는 약 43mm의 변위에서 측면을 가로지르는 전단균열 로 인하여 급격한 하중의 감소가 발생하였다 .
Fig. 6 Crack Patterns of Y-M
3.2 하중-변위 관계곡선
X-M 시험체는 Fig. 7(a)와 같이 약 40mm의 횡변위 가 발생할 때까지 하중은 점진적으로 증가하다가 약 70mm정도의 변위에서 최대하중이 작용하고 이후 하 중은 서서히 감소하면서 약 118mm까지 시편은 큰 연 성을 보인다 . 반면 Y-M 시험체의 경우에는 Fig. 7(b) 와 같이 변위가 약 43mm일 때 시편이 취성파괴를 일 으키며 하중이 급격하게 감소한다 .
실험결과에서 X-M, Y-M시험체는 횡하중이 증가함
에 따라 강판의 좌굴이 발생하고, 이후 콘크리트와 스
터드의 분리가 발생하였다 . 이로 인하여 콘크리트-강
판 합성기능이 상실되어 시험체 강도가 저하되는 것
으로 판단된다 . X-M의 시험체 거동이 Y-M 시험체에
비해 훨씬 더 큰 연성을 보인다. 이것은 강판의 합성
거동으로 인하여 강재의 연성이 발휘되었기 때문인 것으로 판단된다. 반면에 Y-M 시험체는 급격한 취성 파괴를 일으킨다 . 이는 압축측 강판에 좌굴이 발생하 고 , 강판이 벌어지면서 더 이상 강판콘크리트의 합성 거동을 발휘하지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 이 를 통하여 SC 벽체는 강판과 콘크리트가 부착되어있 지 않으면 성능을 발휘하기 힘든 것으로 판단된다. 이 에 충분한 전단연결의 보강이 마련되어야 할 것으로 보인다.
(a) X-M
(b) Y-M
Fig. 7 Load-Displacement Relation Curve
3.3 하중-변형률 관계곡선
(a) X-M
(b) Y-M
Fig. 8 Location of Strain Gauge
X-M 시험체 실험에서 측정한 시편의 강판과 콘크 리트의 변형률을 Fig. 9에 나타내었다. 강판에 부착한 게이지는 Fig. 8(a)와 같이 가력하는 면과 가까운 쪽 에 부착한 측정기로부터 측정된 변형률로써 ST-1은 수평, ST-2는 수직, ST-3은 경사방향을 나타낸다. Fig.
9(a)에서 수직과 경사방향 측정기는 인장을 나타내고, 수평방향의 측정기는 압축을 나타내었다. 수직 방향 측정기인 ST-2의 변형률이 가장 크게 측정되었고, 구 조물의 항복과 동시에 강판이 항복함을 보여준다.
Fig. 9(b)는 가력면 반대편 하단에 부착한 측정기로부 터 측정된 콘크리트 변형률로써 수직방향을 나타낸다 . 구조물이 항복한 후 콘크리트가 항복함을 알 수 있다.
(a) Steel plate
(b) Concrete
Fig. 9 Load-Strain Relation Curve : X-M
Y-M 시험체 실험에서 측정한 시편의 강판과 콘크 리트의 변형률을 Fig. 10에 나타내었다. 강판에 부착 한 게이지는 Fig. 8(b)와 같이 가력면 아래 왼편에 부 착한 측정기로부터 측정된 변형률로써 ST-1은 수평, st-2는 수직, st-3은 경사방향을 나타낸다. 수직 방향 계측기의 변형률이 가장 크게 나타나고 강판이 항복 한 후 곧 구조물이 항복함을 나타낸다. 전체적인 곡선 의 형태는 X-M 시험체의 실험결과와 유사하다. Fig.
10(b)는 가력면 좌측 하단에 부착한 측정기로부터 측
정된 콘크리트 변형률로써 수직방향을 나타낸다. 콘크
리트는 약 3ton의 하중이 재하될 때까지 거의 변형되
지 않고 이후에 큰 인장 변형이 발생하면서 항복한 것을 볼 수 있다.
(a) Steel Plate
(b) Concrete
Fig. 10 Load-Strain Relation Curve : Y-M
3.4 강성
시편의 강성을 평가하기 위하여 하중-변위 곡선의 초기구간에 접하는 직선을 기울기인 초기강성과 하중 - 변위 곡선에서 하중 0과 최대하중
일 때의 점을 연결한 직선의 기울기인 극한강성을 평가하였다.
초기강성은 하중이 0인 점과
일 때의 점을 연결하는 직선의 기울기로 하였다 . 실험을 통한 하중- 변위 곡선으로부터 계산된 강성을 Table 3에 나타내 었다 . Table 3에서
는
가 작용할 때 발생 된 변위 ,
는 최대하중이 작용할 때의 변위이다 .
계산결과 X-M 시험체의 초기강성은 Y-M 시험체에 비하여 크지만 극한강성은 Y-M 시험체가 더 큰 것으 로 나타났다. 이는 X-M 시험체의 연성이 Y-M 시험 체에 비하여 더 크기 때문인 것으로 사료된다 .
Specimen
Load (ton)
Displacement (mm)
Rigidity (ton/mm)
Initial rigidity
Ultimate rigidity X-M 5.59 11.17 13.92 72.93 0.40 0.15 Y-M 4.47 8.93 15.18 42.80 0.29 0.21
Table 3. Initial Rigidity and Ultimate Rigidity of Specimens
4. 결 론
