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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.1 pp.46-52
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.1.046

A Study on Hydrauli Test of Composite Mega Column with 1m Width Confined Inner Binding frame

Ji-Su Kang1, Jeong-Su Ju2, Sun-Hee Kim3, Yong-Pil Park4, Kyong-Soo Yom5, Sung-Mo Choi6
1Graduate Student, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
2BaroConKey Co., LTD., Seoul, Korea
3Research Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
4Engineer, AAwon Structural Engineering Co, Korea
5Engineer, Actpartner Co., Ltd., Korea
6Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
Corresponding author: Choi, Sung-Mo Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea +82-2-6490-2759, +82-2-6490-2749, cfst62@gmail.com
February 21, 2017 March 13, 2017 March 16, 2017

Abstract

Composite columns are increasingly used due to the construction of super-tall buildings and large-scale buildings. Studies on the shapes of and construction technologies for structural members using steel tubes are being conducted actively. Welded built-up CFT columns previously developed and commercialized by the authors of this study (ACT-1 columns) are structurally stable and economically efficient. However, the 1m limit in the width of the columns and their small interior spaces impose a difficulty in installing reinforcing materials and thus deteriorate the ease and efficiency with which they are constructed. This study suggests placing thick plates at the centers of the surfaces of the existing ACT-1 column and installing a binding frame (binding frames) at the central thick plates to enhance the integrity and resist lateral pressure caused by concrete casting. Finite element analysis was conducted with the variables of the number and cross-sectional size of the binding frame and the cross-sectional size of the steel tube to estimate the structural behavior of the steel tubes. Hydraulic tests were conducted to analyze load-displacement relations and identify the influence of the binding frames on the relations. The variables in the tests were the number and cross-sectional size of the binding frame, welding details, column joint and the cross-sectional size of the steel tube


내부 바인딩프레임으로 구성된 폭 1m 이상 합성메가기둥의 수압실험

강 지수1, 주 정수2, 김 선희3, 박 용필4, 염 경수5, 최 성모6
1서울시립대학교 건축공학과 석사과정
2㈜바로건설기술
3공학석사, 서울시립대학교 건축학부 공학박사 연구교수
4㈜아원구조엔지니어링 소장
5㈜액트파트너 소장
6서울시립대학교 건축학부 교수

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    16TBIP-C111803-01

    1.개 요

    1.1.연구 배경

    최근 인터넷 거래의 상승에 따라 물류보관과 배송 위 해서 IT/물류 산업발달에 의해 대형 물류센터 건물이 건설되고 있고, 도심지의 건물은 한정된 부지의 효율 적인 이용을 위하여 고층화되고 있다. 골조형식의 구 성은, 근래 들어 철골철근콘크리트(SRC)구조와 프리 캐스트(Precast Concrete, PC)구조가 채택되어 적용하 고 있으나 고가의 공사비와 공사의 복잡함 등으로 새 로운 공법의 도출을 요구하고 있다. 또한 콘크리트충 전 각형강관(Concrete Filled Steel Tube, CFT)구조는 강관의 두께와 상관없이 4개의 판을 모서리 면에서 용접하여 제작해야 하므로 특수 장비의 필요로 인해 대량생산 능력이 떨어진다. 이러한 IT/물류 산업용건 물과 초고층건물에 사용되는 기둥은 대체로 고(高)하 중을 받은 1m 이상의 대형기둥이 요구되기 때문에 강관 내에 콘크리트를 채우는 충전형 합성기둥의 장 점을 활용하여 강판을 절곡하는 방식으로 응력집중 위치의 용접을 피해 제작성을 높이고, SRC기둥의 최 대 난점인 거푸집 공사를 제거하여 경제성을 확보 할 수 있는 대형 각형 합성메가기둥이 등장하게 되었다.

    1.2.합성메가기둥의 구성과 연구목적

    선행연구에서 개발된 용접조립 각형기둥은 크기에 제 한이 있고(최대:618×618) 다양한 구조물에 적용하기에 는 한계가 있으며, 4개의 얇은 강판 요소로 조합된 BOX형 기둥의 특성상 모멘트 골조의 모멘트 접합부 구성에 불편한 면이 있었다. 또한, 좁은 내부공간으로 인해 구조적으로 추가되는 보강부재의 설치를 기둥의 외부에서 처리해야만 하는 한계가 있다. 따라서 기둥 외단면 중앙부에 후판을 추가한 합성메가기둥의 단면 형상을 제시하고 강관제작 시 제작틀의 역할과 콘크 리트 타설하중에 대한 측압 제어를 위해 설치한 바인 딩프레임이 CFT기둥의 콘크리트 타설시 시공단계에 미치는 영향을 분석하고자 한다.Fig. 1

    2.합성메가기둥의 단면구성과 바인딩프레임의 역할

    2.1.합성메가기둥의 구성

    용접조립 각형기둥은 콘크리트와 강관의 합성효과를 극대화하기 위해 모서리에 4개의 강판을 ㄱ형으로 절 곡하는 방식을 적용하여 제작성을 높이고, 모서리의 응력집중을 피하기 위해 기둥 중앙부 쪽에 용접부를 위치시킴으로써 강관 모서리 절곡과 용접 열에 의한 잔류응력의 영향을 최소화 하며, 기둥단면의 확장을 위해서 모서리 강재사이에 후판을 끼워넣어 기둥의 단면크기를 확장할 수 있다. 또한, 판폭두께비가 큰 합성메가기둥은 내부에 부착된 바인딩프레임은 콘크 리트 타설 타설압에 대한 강관의 변형을 지연시키는 역할이 될 것이라 기대할 수 있다. 합성메가기둥의 형상 및 제작방법은 Fig. 2와 같다.

    2.2.판폭두께비

    판폭두께비는 기둥의 좌굴내력과 관련되며 각국의 판 폭두께비 제한은 Table 1과 같다. 합성메가기둥의 강 판 두께는 6∼10.5㎜로 개정된 KBC 2016의 판폭두께 비에 의해 조밀단면/비조밀단면/세장단면으로 구분되 며, 이에 따라 합성단면의 압축강도를 산정할 수 있 다. 콘크리트 충전된 합성메가기둥은 리브를 가지는 모서리 강재와 강관 내부에 바인딩프레임을 부착함으 로써 합성단계에서 면외변형을 제어할 수 있기 때문 에 강관의 판폭두께비를 완화할 수 있다. 강재는 SM490(용접구조용 압연강재)을 사용하였기에 판폭두 께비는 57이하이며, 해석과 실험에서는 55를 적용하 였다. 두께가 다른 경우 강판의 두께는 평균 두께로 설정하였다.

    2.3.중앙후판과 모서리단면의 용접

    강판의 용접은 Fig. 3과 같이 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 방식으로 맞댐 홈 플레어용접(Flare Welding) 을 사용하였으며 절곡원의 중심에서 강판 바깥방향으 로 5㎜ 떨어진 위치로부터 바깥면까지 용접 목두께를 확보하는 것으로 하였다. 추가적인 용접방법으로 후 판의 바깥면에서 10㎜ 떨어진 곳에서 30°로 더 용접 부위를 크게하여 용접 융착량에 대해서 내력성능을 확인하고자 실험변수로 두었다.

    2.4.단면구속용 바인딩프레임

    합성메가기둥의 내부 구속효과를 주는 바인딩프레임 의 형상은 Fig. 4와 같이 L형강과 플레이트가 8각으 로 용접되어있다. 절곡된 L형강은 후판에서 전달되는 하중의 인장력 효과를 구속 하며, L형강을 받치고 있 는 플레이트는 L형강의 각도와 후판과의 용접을 용이 하기 위해서 설치하였다. L형강은 콘크리트 타설시 작용하는 타설압에 저항하기 위해서 필요 단면적으로 산정되며, 콘크리트 타설압은 대한건축학회-콘크리트 충전 강관구조 요설의 강관기둥 검토 중 각형강관의 강도와 변형에 대한 산정식에 의해서 계산된다.

    2.5.바인딩프레임의 간격과 크기 결정

    (1)개요

    바인딩프레임의 설치 목적은 첫째로 콘크리트 타설 시 발생되는 압송압과 측압에 대한 변형에 저항하기 위한 것이며, 둘째로 충전된 콘크리트 파괴 시 바인 딩프레임의 설치 위치에 따라 연속적인 구속효과의 거동을 평가하고자 함이다. 따라서 바인딩프레임의 형상과 단면적에 대해서는 설치위치를 변수로 평가하 고자 하였으며, 이를 유한요소 해석으로 분석하였다.

    (2)바인딩프레임 단면결정을 위한 유한요소해석

    해석변수는 설치 위치와 형상에 대해 진행하였으며, Table 2와 Fig. 6과 같다. 해석대상은 Fig. 5와 같이 SM490 □-1,200×10t×25t(단면 폭, 절곡된 부재의 두 께, 후판(TP)의 두께)에 중앙부 후판 직각방향으로 플 랜지 300×55㎜를 설치하고 단순인장 가력하여 내부 바인딩프레임의 내력을 비교하였다. 이는 충전된 콘 크리트 파괴 시 바인딩프레임의 영향을 분석하고자 한 것이며 연성적인 거동에 적합한 설치 위치를 평가 하기 위함이다.

    (3)해석방법

    해석은 Solid 요소를 사용하였고, 경계조건은 플랜지 한쪽을 U1, U2, U3=0으로 고정하고 반대편 플랜지의 끝에서 U1에 대해 200㎜ 변위제어를 수행하였다. 해 석에 적용된 재료의 항복강도는 SM490의 공칭항복강 도인 325㎫이며, 응력-변형률 특성은 Bi-linear isotropic Hardening 모델을 사용하였다. 탄성계수는 205㎬ 이며 접선계수는 탄성계수의 1/100을 적용하였 다. 가력은 200㎜ 변위제어로 플랜지 반력으로 내력 을 평가하였다.

    (4)해석 결과

    유한요소해석 결과 바인딩프레임의 설치위치는 기둥 중간후판의 외각(0.125TP)인 경우가 내력이 우수한 것 으로 확인되었다. 해석결과는 Fig. 7과 같다. 유한요소 해석 결과를 바탕으로 바인딩프레임 설치위치는 후판 의 가장자리에 설치하는 것이 내력상승에 유리한 것 으로 판단되었다. 다만, 후판의 가장자리는 절곡된 앵 글부재(Rib)와 용접되는 위치이기에 리브의 간섭을 고 려하여야 한다.

    2.6.소 결

    바인딩프레임 형상이 직사각형인 경우, 용접되는 부 위에 응력 집중 현상이 발생하게 된다. 이는 바인딩 프레임 양단에 인장력 뿐 만 아니라 모멘트가 발생하 여 중앙부 대비 상대적으로 빠르게 항복하는 것으로 판단이 된다. 이러한 현상은 국부좌굴을 야기 시켜 내력 저하를 가져 오게 된다. 이를 방지하기 위해서 인장력 및 모멘트 저항과 콘크리트 합성효과를 위한 형상을 Fig. 4와 같이 L형강으로 제안을 하였고 이를 수압실험으로 평가하였다.

    3.콘크리트충전 영향평가를 위한 수압실험

    3.1.실험계획

    유한요소해석의 결과를 바탕으로 합성메가기둥의 콘 크리트 타설압 평가(바인딩프레임의 구조거동)와 용접 의 개선에 따른 강관의 구조거동을 평가하기 위하여 수압실험을 수행하였으며, 실험변수는 강관의 단면크 기, 바인딩프레임의 단면적과 설치 간격인 해석변수 에 추가적으로 용접 개선 유무와 기둥의 이음이 추가 되었다. 실험체는 Table 3 및 Fig. 8과 같이 3m길이의 SM490 □-1000×10t×25t(단면 폭, 절곡된 부재의 두께, 후판의 두께) 1개, 1.5m길이의 SM490 □-500× 6t×12t (단면 폭, 절곡된 부재의 두께, 후판의 두께) 5개 등 총 6개로 제작하였으며, CMC-5 실험체 기둥 상⋅하 부에는 26㎜ 두께의 플레이트를 용접하고 그 외 실험 체에는 12㎜ 두께의 플레이트를 용접하고 상부 플레 이트에 주입구와 배출구를 설치하였다.

    3.2.실험체 세팅 및 가력방법

    수압실험은 Fig. 9과 같이 강관 내부에 콘크리트가 가 하는 타설압 및 압송압을 대신하여 체적탄성계수가 낮은 수압을 이용하여 바인딩프레임에 따른 강관기둥 의 구조거동을 평가하고자 하며, 실험장비는 수압을 가하는 Water Pump, 역류방지를 위한 Check Valve, Pressure Gauge, 수압을 조절하기 위한 Flow Control Valve로 구성된다.

    강관의 변형률과 변위를 측정하기 위하여 그림 15. 과 같이 후판의 중앙부와 절곡된 부재의 중앙에 설치를 하였으며, 스트레인 게이지는 실험체의 길이 방향인 수직방향과 수평방향으로 Fig. 10(a), (b)와 같 이 기둥의 중앙부와 바인딩프레임이 설치된 부분에 부착하였다. 변위계는 Fig. 10(c)와 같이 기둥 정명과 뒷면을 제외한 측면에 각각 2개씩 설치하였다. 실험 체 세팅은 Fig. 11과 같다.

    수압을 이용한 기둥의 가력은 강관 내부에 수압을 0.3MPa/min의 속도로 증가시켜 수압에 따라 나타나 는 기둥의 거동을 파악한다. 물 주입구 엘보에 설치 된 호스에 연결되어있는 Flow control valve를 조정하 여 배출되는 물의 양을 줄여가며 수압을 1.0MPa까지 가력한다.

    3.3.재료시험

    본 실험에서 사용된 강재는 SM490 6, 10, 12, 24㎜ 두께의 강판에 대하여 KS B 0801규준에 적용하여 3 개의 인장시험을 수행하였다. 시혐결과는 Table 4와 같다. SM490 강재의 항복강도는 만족하지만, 인장강 도는 2% 적게 나타났다.

    3.4.수압실험 결과

    Fig. 12에 실험체의 수압에 따른 강관의 중앙부 압력- 변위 관계를 나타냈으며, Table 5에 실험체 별 초기강 성과 항복압력을 정리하여 나타내었다. 항복압력은 1/3 접선법을 사용하여 압력-변위곡선과 만나는 점으 로 정의하였으며, 초기강성은 항복압력의 1/3인 위치 까지 강성으로 정하였다. 무보강 CMC-1와 보강된 CMC-2의 초기강성은 각각 0.042, 0.131㎫로 나타났으 며, 항복압력은 0.854, 1.017㎫로 나타났다. 용접개선 의 차이를 비교하기 위하여 CMC-2 대비 CMC-6의 초기강성은 157% 증가하였고, 항복압력은 32% 낮게 나타났다. 바인딩프레임의 간격과 단면적 관계를 비 교하기 위해 CMC-2 대비 CMC-3, CMC-4의 초기강성 은 각각 0.389, 0.259㎫로 각각 197, 97% 증가하였으 며, 항복압력은 각각 1.41, 0.85㎫로 나타났다. 끝으로 단면 1,000㎜인 CMC-5의 경우 초기강성과 항복압력 이 0.337, 0.693㎫로 나타났다. 수압실험체 모두 강관 면의 중앙부에서 최대 변형이 발생하였으며, CMC-3 의 경우 바인딩프레임 간격사이에서 크게 발생되었다.

    3.5.소 결

    수압실험결과 각각의 실험체의 보강 유무와 바인딩프 레임의 간격 및 면적 등 을 변수로 하중-변위 관계를 분석하였다.

    (1)보강유무에 따른 거동

    Fig. 13은 CMC-1, CMC-2의 압력-변위 관계를 타나낸 다. 바인딩프레임 설치 시 항복압력은 1.017 ㎫로 변 형에 대한 각형강관면 평탄도 허용차 3㎜ 이하를 현 장 타설압인 0.23㎫에서 만족한다. 설계된 바인딩프레 임의 면적은 타설압 0.23㎫로 산정되었기 때문에 바 인딩프레임 설치는 기둥의 안전성을 확보한다.

    (2)바인딩프레임 보강 간격과 보강량에 따른 초기강 성과 내력

    Fig. 14는 CMC-2, CMC-3, CMC-4의 압력-변위 관계 를 비교하였다. CMC-2를 기준으로 보강간격 1/2배한 CMC-3의 초기강성과 항복압력은 각각 197%. 38% 높 게 나타났으며, 보강면적을 2배한 CMC-4의 초기강성 과 항복압력은 97% 높게, 16% 낮게 나타났다. 이는 면적을 보강하기 보다는 간격을 줄이는 것이 타설압 에 크게 저항하는 것으로 사료된다.

    4.결 론

    합성메가기둥의 단면크기와 바인딩프레임의 단면적, 설치 간격, 용접개선 및 기둥의 이음을 변수로 유한 요소해석과 수압실험을 수행하여 다음의 결론을 도출 하였다.

    • (1) 제안한 합성메가기둥의 적합한 최적의 바인딩 프레임 형상을 평가하였다. 제안된 형상은 콘 크리트 측압과 보 플랜지의 단순 인장력에 저 항 할 수 있는 L형강으로 후판의 외각으로 설 치할수록 면외변형을 감소시킬 수 있다. 기둥 의 폭이 1,000㎜보다 작은 경우 절곡된 리브의 영향으로 리브의 길이를 고려하여 설치하여야 할 것이다.

    • (2) 콘크리트 타설 시 압송압과 콘크리트 타설압에 저항 할 수 있는 바인딩프레임의 필요 면적을 산정하여, 10m 타설 기준 타설압 0.23㎫을 만 족시키는 것을 확인하였다.

    • (3) 강관 내부에 동일 압력을 견딜 수 있는 설치간 격 1/2배와 바인딩프레임 단면적 2배에 대해 비교 결과 설치간격을 1/2배하는 것이 초기강성 과 항복강도가 높게 나왔다.

    • (4) 합성메가기둥 단면의 확장을 위해서 모서리 강 재 사이에 후판을 끼워넣어 강관의 단면크기를 확장 시킬 수 있다. 또한, 강관 내부에 일정간 격으로 부착된 바인딩프레임은 콘크리트 타설 압에 저항하며, 강관의 면외변형을 제어하기 때 문에 강관의 국부좌굴을 방지하고 콘크리트 구 속효과가 증진된다.

    감사의 글

    이 연구는 2016년도 국토교통부 국토교통기술사업화 지원사업의 연구비 지원에 의한 결과의 일부임. 과제 번호 : 16TBIP-C111803-01

    Figure

    KOSACS-8-46_F1.gif
    Composite Mega Column
    KOSACS-8-46_F2.gif
    Production Process for Composite Mega Columns
    KOSACS-8-46_F3.gif
    Welding Details
    KOSACS-8-46_F4.gif
    Shape of a Binding Frame
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    Analysis Model
    KOSACS-8-46_F6.gif
    Binding Frame Locations and Column Cross-Sections
    KOSACS-8-46_F7.gif
    Load-Displacement Relations Obtained from Finite Element Analyses
    KOSACS-8-46_F8.gif
    Details of Composite Mega Column Specimens
    KOSACS-8-46_F9.gif
    Hydraulic Test Plan
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    Locations of Strain Gauges & LVDTs
    KOSACS-8-46_F11.gif
    Specimen Setup
    KOSACS-8-46_F12.gif
    Pressure-displacement Relations
    KOSACS-8-46_F13.gif
    Pressure-displacement Relation (Unreinforced vs. Reinforced)
    KOSACS-8-46_F14.gif
    Pressure-displacement Relations (Changes in the Number and Size of Binding Frame(s))

    Table

    Width-Thickness ratio Limits
    Analysis models
    Specimen List
    Material Test result
    Initial Stiffness & Yield Pressure

    Reference

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