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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.1 pp.17-25
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.1.017

The Flexible Capacity Evaluation about Composite-stage of Semi Slim AU Composite Beam for Saving Story Height

Do-Bum Kim1, Mi-Hyang Lee2, Yong-Soo Lee3, Dae-Jin Kim4, Myeong-Han Kim5
1Senior researcher, ACT Partner Co., Ltd., Korea
2Managing director, IST Co., Ltd., Korea
3Professor, Dept. of Architectural Engineering, Wonkwang University, Korea
4Associate Professor, Dept. of Architectural Engineering, Kyung Hee University, Korea
5Associate Professor, Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University, Korea
Corresponding author: Kim, Myeong-Han Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University, Korea +82-61-450-2456, +82-61-450-6454, mhk314@mokpo.ac.kr
January 29, 2018 March 14, 2018 March 14, 2018

Abstract


Recently, composite beams have been developed in which concrete is filled in a U-shaped steel plate for saving height of story. And due to high flexural stiffness and bending strength, it is widely applied in the field where high load and long span are required. The AU composite beam was improved the instability of the existing beams because it makes a closed section by attaching a cover type shear connection to the existing U - shaped composite beam with open upper section. In this study, AU composite beam resisted by composite-section during the using phase was evaluated the safety through the finite element analysis. The analysis is performed on the five specimens of AU composite beams according to applied deck-system and compared with the results of 2 - point bending test. As a result of the analysis, behavior of beam was shown by integrated composite section. And the evaluation of flexible capacity was p



층고절감을 위한 세미슬림 AU 합성보의 합성단계 휨성능 평가

김 도범1, 이 미향2, 이 용수3, 김 대진4, 김 명한5
1㈜액트파트너 과장, 공학박사
2㈜아이스트 이사
3원광대학교 건축공학과 교수, 공학박사
4경희대학교 건축공학과 부교수, 공학박사
5국립목포대학교 건축공학과 부교수, 공학박사

초록


    N.I STEEL Co., Ltd.
    ACT Partner

    1. 연구 배경 및 목적

    합성보는 상부 콘크리트 슬래브와 하부 강재보의 각 재료적 특성을 상호보완적으로 사용한 합성부재이다. 이러한 구조적⋅경제적인 장점을 바탕으로 합성보의 적용이 증가하고 있으며, 지속적인 형상개량, 성능개 선 등의 기술개발이 이루어지고 있다. 합성보는 기존 의 H형강을 사용한 강재보와 비교하여 건축평면의 장스팬 구현, 공기단축과 시공성 개선을 통한 경제성 확보 등 이점을 가지고 있다. 최근에는 층고절감을 위해 U형으로 강판을 절곡한 강재보와 내부에 콘크 리트를 채운 강판-콘크리트 합성보가 개발되어 사용 되고 있다. 그러나 이러한 U형 합성보는 스터드볼트 로 대표되는 강재앵커(전단연결재)를 통해 콘크리트 슬래브와 강재보의 합성효과를 유도하고 있기 때문에, 콘크리트 슬래브에 균열이 발생하여 최대내력이 결정 된 후에는 급격하게 휨강도가 저하되는 경향을 나타 낸다.

    이러한 기존 U형 합성보를 개선하기 위해 Fig. 1 과 같이 층고절감형 세미슬림 AU 합성보를 개발하였 다[5]. AU 합성보는 강판을 성형⋅조립하여 하부 U 형 단면을 구성하고, A형의 성형 강판을 단면 상부에 부착하여 폐합단면 혹은 부분폐합단면을 구성하였다. 보 춤내에 위치한 단턱에 데크플레이트를 거치하고, 폐합된 단면 내부에 콘크리트를 채움으로써 강재량과 층고 절감이 가능하다. 또한 상부의 A형 성형강판은 형상의 기하학적 특성으로 콘크리트와 강재의 합성효 과를 유도한다. Fig. 1(a)와 같이 연속된 덮개형 전단 연결재는 강판면의 부착력과 지압력으로 저항하며, Fig. 1(b)와 같은 비연속된 덮개형 강재앵커는 스터드 와 같은 거동을 나타냈다.

    본 연구에서는 콘크리트 슬래브가 있는 실험체를 대상으로 휨에 대한 안전성을 평가하였다. 평가는 Fig. 1의 두 가지 형상에 대해 2점가력 휨실험을 수 행하고, 유한요소해석 결과와 실험결과의 비교검증을 통해 합성단면 휨성능 평가의 적정성과 구성요소의 거동을 분석하였다.

    2. AU 합성보의 합성단계 휨성능실험

    2.1 실험계획

    AU 합성보의 각 구성요소가 사용단계에서 역학적 거 동에 미치는 영향을 검증하기 위해 형상에 대한 휨성 능 실험을 계획하였다. 다양한 데크의 적용성을 검토 하기 위해 Deep deck용과 Truss deck용 형상을 구 분하였고, 조립방법에 대해 강판을 U형으로 절곡한 경우와 고강도 강판을 하부에 용접 부착한 경우로 구 분하여 실험체를 제작하였다. 또한 Deep deck용에 대 해 보 춤을 증가시킨 대형단면을 검토하였다. 사용된 강판두께는 6㎜(SM490), 9㎜(ATOS60)를 적용하였으 며, 단면 하부에 인장보강근 2-HD29 (fy,re=500 MPa), 보강근(SS400)을 사용하였다. 실험체를 Table 1에 정리하였고, 상세는 Fig. 2와 같다.

    가력은 10,000 kN U.T.M을 사용하여 변위제어로 하 였으며, 0.05 ㎜/s의 속도로 가력하였다. 실험체 세팅 은 Fig. 3(a)와 같이 양단 단순지지된 지간(L = 6,000 ㎜)에 1,800 ㎜의 가력보를 사용하여 2점가력 하였다. 가력부와 중앙부의 처짐을 측정하기 위해 실 험체 하부에 3개의 변위계(LVDT)를 설치하였고 강 재보 단면에서의 변형도를 측정하기 위해 Fig. 3(b)(c)와 같이 Strain gauge를 부착하였다.

    2.2 실험결과

    지속적인 하중증가에 따라, CC-3UD-S는 최대하중의 약 85%인 1,330 kN에서 미세한 균열이 시작되었으 며, 중앙부의 콘크리트 슬래브가 압괴되었고, 압축철 근에 좌굴이 발생하며 최대내력에 도달하였다. 이에 따라 소폭 내력저하를 보였으나, 충전합성보의 효과로 인해 내력을 유지하며 지속적으로 변위가 발생하는 연성적인 거동을 보였다. CD-3BD-S 실험체도 유사 하게 최대하중의 약 82%인 1,790 kN에서 미세 균열 이 시작하였으며, 1,800 kN에서 가력점 하부에 균열 이 발생하였다. 이후 하중이 증가됨에 따라 가력점 하부의 균열이 수평방향으로 진전되었으며, 중앙부에 서 연결되어 최대강도점에 도달하였다. 이에 따라 소 폭 내력저하가 있었으며, 이후에는 CC-3UD-S와 동 일한 거동을 보였다. CD-5BD-S 실험체는 가력점에 서 시작된 균열은 최대하중의 약 77%인 하중 2,480 kN에서 발생하였으며, 하중증가와 함께 균열이 진전 되었으나 균열이 수평방향으로 진전되지 않았다. 단면 의 중앙부에서 콘크리트 슬래브가 압괴되어 최대강도 에 도달하였고, 소폭 내력저하를 보인 후 상기 두 실 험체와 유사한 충전합성보의 거동을 보였다.

    Truss deck를 적용한 CC-5UT-S 실험체는 슬래 브의 균열이 1,270 kN에서 발생하였고, 1,290 kN에서 최대강도점에 도달하였다. 콘크리트가 압축내력을 발 휘하지 못하기 때문에 U형 강판에 국부좌굴이 발생 하였으며, 완만한 내력저하와 함께 중앙부에서 국부좌 굴이 심화되었다. CD-5BT-S 실험체는 1,920 kN에 서 가력점에 균열이 시작되었고, 이후 중앙부의 슬래 브가 압괴되며 최대내력에 도달하였다. 균열이 발생한 가력점 하부에서 강판에 국부좌굴이 발생하였으며, 이 후 동일한 거동을 보였다. 실험결과는 Table. 2와 Fig.4에 정리하여 나타내었다. 항복점은 1/3접선법을 사용하여 선정하였으며, 실험변위값은 중앙부의 측정 값을 사용하였다.

    가력부 하부에서 균열이 발생하여 최대내력에 도 달한 CD-3BD-S 실험체를 제외하고, 춤이 깊은 데크 (Deep deck)를 사용한 실험체는 평균 3.84, Truss deck를 사용한 실험체는 평균 3.16의 변위연성도를 나타내어, Deep deck 실험체가 상대적으로 큰 변위연 성도를 나타내었다.

    3. 유한요소해석(FEM Analysis)

    비선형 유한요소 해석을 통해 AU 합성보의 사용단계 에서의 휨성능을 평가하고, 실험 결과와의 비교 및 분석을 수행하였다. 또한 단면 설계식에 의한 휨강도 와 유한요소 해석 및 실험에 의한 강도를 비교 및 분 석하여 설계식의 유효성을 평가하였다. 유한요소 해석 을 위해 범용 해석 프로그램인 ABAQUS Ver. 6.9-EF1을 사용하였으며, Fig. 25개 실험체에 대 해 비교 평가를 수행하였다.

    3.1 유한요소 재료모델

    유한요소 해석모델에 이용된 콘크리트 및 강재의 재 료모델로 Fig. 5과 Fig. 6에 나타난 응력-변형률 그 래프를 활용하였다. 콘크리트의 경우 Fig. 5(a)에 나 타난 비선형 구조해석에 널리 쓰이고 있는 Hognestad 모델을 이용하였으며 식(1)의 응력-변형 률로 정의된다.

    σ c = f c [ 2 ε c ε 0 ( ε c ε 0 ) 2 ]
    (1)

    여기서 f′c 는 콘크리트의 압축강도로 27 MPa의 값을 가지며, ε0 는 콘크리트의 항복강도에 해당하는 변형률로 식(2)에 의해 계산된다.

    ε 0 = 2 × f c E c = 0.0026
    (2)

    위의 식에서 Ec는 콘크리트의 탄성계수로 20,500 MPa의 값을 이용하였으며, 포아송 비 값은 0.1667 이 다. 콘크리트의 인장 거동에 대한 응력-변형률 그래 프로 Fig. 5(b)에 나타난 tensioning stiffening 모델 을 이용하였으며, 인장강도 ft로 2.1 MPa의 값을 이 용하였다. 다축응력상태에서의 콘크리트는 횡구속효과 에 의하여 강도의 증가 현상이 발생되는데 이를 고려 하기 위해 등압응력(hydrostatic stress) 성분과 편차 응력 (deviatoric stress) 성분의 조합에 의하여 표현 되는 2변수 모델인 Drucker-Prager의 소성모델에 의 한 파괴기준을 적용하였다.

    유한요소해석에 이용된 강재 구조요소 모델링을 위해 Fig. 6에 나타난 선형탄성-완전소성 재료모델을 이용하였으며 탄성계수 Es는 205,000 MPa, 포아송 비는 0.3 이다. 항복강도는 플랜지와 웨브에 해당되는 판형 구조요소의 경우 325 MPa의 값을(Fy1), 합성보 하부보강에 이용되는 강판의 경우 420 MPa의 값을 (Fy2) 사용하였다. Fy1Fy2에 해당하는 항복변형률 은 각각 εy1 =0.00163 및 εy2 =0.0021로 두 가지 항복변형률은 부재의 항복 및 최대하중 도달 시 실험 및 해석결과의 변형률 분포를 분석하기 위해 이용된 다. 합성보의 보강을 위해 사용된 선형 구조요소의 항복강도는 인장보강근(HD-29)의 경우 500 MPa, 그 리고 압축 보강근(□-25×25)의 경우 235 MPa이다.

    3.2 해석 모델링

    실험체 해석을 위해 이용된 유한요소 모델을 Fig. 7 에 나타내었다. 플랜지 및 웨브에 해당되는 판형 구 조요소 모델링을 위해 3차원 육면체 요소(linear hexahedron)를 이용하였으며, U형 단면 내부에 충전 된 콘크리트 모델링을 위해 마찬가지로 3차원 육면체 요소가 이용되었다. 충전 콘크리트에 포함된 내부 철 근 모델링을 위해 1차원 선형요소를 이용하였으며, 콘크리트 영역을 embedded region으로 설정하여 콘 크리트와 철근의 거동을 일체화시켰다. 구조물의 형상 및 하중 그리고 지점조건이 대칭이므로 해석 시간 단 축을 위해 Fig. 7에 나타난 것과 같이 구조물의 절반 만을 모델링하고 절단면에 단면에 수직한 방향으로만 구속이 존재하는 롤러를 삽입하였다.

    3.3 유한요소해석 결과

    3.3.1 하중-변위 관계

    각 실험체의 유한요소 해석 및 실험에 의한 하중-변 위 관계를 Fig. 8에 나타내었다. 계산에 의한 소성모 멘트 (Mp) 값을 근거로 계산한 실험체의 최대하중 값(Pp)을 그래프에 일점쇄선으로 각각 표시하였다. 하중-변위 관계에서의 해석 및 실험, 그리고 계산에 의한 최대값 및 실험 최대값 대비 해석 및 계산에 의 한 강도비를 Table. 3에 정리하였다. 계산값은 KBC2016에서 제시하는 소성응력분포를 사용하여 휨 강도를 계산하였으며, 재료시험값을 적용하였다.

    CC-3UD-S, CD-3BD-S는 유한요소 해석의 최대 하중과 실험 최대값의 비가 1.0으로 실험결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 이 외 3개의 실험체는 해석값 이 실험값을 4 ∼ 14%를 상회하였으며, 실험 결과를 약간 과대평가하는 것으로 나타났다. 계산에 의한 최 대휨강도는 실험값 대비 0.74 ∼ 0.89의 비로 실험결 과를 상당 부분 저평가하는 것으로 나타났다. 계산에 의해 합성보의 휨강도를 산정할 경우, 콘크리트의 인 장강도를 무시할 뿐 아니라 다축응력 상태 시 증가되 는 콘크리트 압축강도를 고려하지 않기 때문에 일반 적으로 유한요소해석 및 실험에 의한 결과보다 작게 산정된다. 따라서 AU 합성보 부재의 휨강도 산정 시 소성모멘트를 근거로 강도평가가 가능한 것으로 판단 된다. 또한 U형 단면 하부에 보강강판을 설치하지 않 은 실험체 대비 35% 이상의 휨강도를 나타낸 실험결 과와 해석 결과로부터 하부에 부착한 보강강판이 AU 합성보의 휨강도를 증가시키는데 크게 기여함을 알 수 있다.

    3.3.2 응력 분포 비교

    최대하중 도달시 유한요소 해석에 의한 CC-3UD-S 실 험체의 von Mises 응력 분포를 실험체별로 Fig. 913 에 각각 나타내었다. 합성보를 구성하는 구조요소별 응력분포를 확인하기 위해 실험체 전체, 콘크리트 구조 요소, 판형 강재 구조요소, 상부 사각근에 대한 응력분 포를 각각 구분하여 그림에 나타내었다. Fig. 913에 서 응력의 최대값은 붉은색, 그리고 최솟값은 파란색 으로 나타난다. 이들 결과로부터 실험체의 최대 처짐 및 최대 응력이 발생하는 위치를 확인할 수 있다. 5 개의 해석모델에서 강재요소의 응력분포는 스팬의 중 앙부에서 항복이 발생하였으며, 콘크리트 상부의 응력 이 높아짐에 따라 콘크리트 압괴에 의해 최종적으로 휨파괴에 도달하는 실험결과와 유사한 거동을 나타내 고 있다. 또한 최대하중 도달 시 중앙부의 판형 강재 요소가 대부분 항복하여 하중-변위 그래프에서 나타 난 연성적 거동과 잘 일치하며, 전(全)단면이 항복응 력을 나타내는 소성응력분포에 의한 휨강도 산정이 합리적이라고 판단된다.

    3.3.3 단면의 변형율 분포 비교

    해석모델의 거동을 검증하기 위해 실험체의 단면 변형률 분포와 비교하였다. 실험에서 변형률 게이지가 설치된 위치가 Fig. 3에 표시되어 있으며, 동일한 위 치에서의 해석에 의한 변형률 값을 확인하였다. 최대 하중 도달 시 실험 및 해석으로 얻어진 스팬 중앙 단 면의 부재 길이방향 변형률 (εx) 분포를 Fig. 14에 나 타내었다. 변형률 분포 그래프로부터 실험 및 해석 결과 모두 최대하중 도달 시 중립축이 상부 콘크리트 부분에 위치함을 알 수 있으며 변형률 게이지가 설치 된 대부분의 위치에서 실험 및 해석에 의한 변형률 값이 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 또한 하부 U형 단면에서 측정한 변형률이 항복 변형률 값보다 크게 측정되어 최대하중 작용 시 단면 대부분이 항복했음을 보여주며 연성적인 거동을 보여주는 실험체의 하중-변 위 관계와도 비교적 일치함을 알 수 있다.

    4. 결 론

    AU 합성보에 적용되는 데크시스템에 따라 5개의 실 험체를 대상으로 2점가력 휨실험을 통해 합성거동을 검증하였으며, 유한요소해석을 수행하여 실험결과와 비교평가하였다. 따라서 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) AU 합성보의 유한요소 해석모델은 실험결과와 비교하여 최대강도 발현 이후의 내력저하 양상 은 다소 차이가 있으나, 최대강도와 합성단면 의 응력분포, 그리고 단면의 변형율 분포는 거 의 일치하는 결과를 나타내어 해석결과가 실험 결과를 비교적 잘 모사함을 알 수 있다.

    • 2) AU 합성보는 합성단계에서 실험에 의한 최대 강도가 유한요소해석과 유사한 값을 나타내었 으며, 소성모멘트에 근거한 계산값 대비 10% 이상의 여유내력을 가지고 있는 결과를 나타내 었다. 따라서 합성단계에서의 휨강도 평가는 합성보의 소성모멘트를 이용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

    • 3) 단면 하부에 보강강판을 용접 부착한 실험체들 도 선형에 가까운 단면의 변형율 분포를 나타 내었으며, 합성단면의 휨강도 증진에 충분히 기여하였다. 따라서 설계 적용 시 보 춤이 제 한될 경우, 단면 하부에 고강도 강판을 부착하 여 휨강도 향상이 가능할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    이 연구는 2015년도 ㈜엔아이스틸, ㈜액트파트너, ㈜ 엔테이지의 지원에 의한 수행되었습니다.

    Figure

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    The shapes of AU composite beam according to deck system
    KOSACS-9-17_F2.gif
    The detail of specimens
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    The location of strain gauges
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    The failure mode and the load versus deflection relations of specimens
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    Stress versus strain relation of concrete element
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    Stress versus strain relation of steel element
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    The analysis model of specimens
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    The load versus deflection relations of specimens by FEM analysis
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    The stress distribution by von Mises (CC-3UD-S)
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    The stress distribution by von Mises (CD-3BD-S)
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    The stress distribution by von Mises (CD-5BD-S)
    KOSACS-9-17_F12.gif
    The stress distribution by von Mises (CC-5UT-S)
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    The stress distribution by von Mises (CD-5BT-S)
    KOSACS-9-17_F14.gif
    The strain distribution plots of specimens by FEM analysis and test

    Table

    The list of specimens
    The test results
    •<i> P<sub>y</sub></i> : Yielding load
    •<i> P</i><sub>max</sub> : Maximum load
    •<i> δ<sub>y</sub></i> : Deflection at yielding
    •<i> K<sub>i</sub></i> : Initial stiffness
    •<i> δ</i><sub>max</sub> : Deflection at maximum load
    The compared with analysis, calculation, and test value

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