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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.26-33
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.1.026

Proposal of Strength Formula and Type Development of Composite Mega Column to Beam Connections with T-shaped Stiffener

Jae-Hyun Lee1, Bu-Kyu Kim2, Sun-Hee Kim3, Kyong-Soo Yom4, Sung-Mo Choi5
1Master Degree, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Korea
2Executive Director, Suhhan Architects and Engineers inc., Korea
3Research Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Korea
4Head, Act Partner, Korea
5Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Korea
Corresponding author: Choi, Sung-Mo Department of Architectural Engineering, University of Seoul, 90 Jennong-dong, Dongdaemun-Gu, Seoul 130-743, Korea. +82-2-6490-2759, +82-2-6490-2749, smc@uos.ac.kr
February 26, 2018 March 13, 2018 March 14, 2018

Abstract


As buildings are becoming larger, demand for mega-sized composite columns (over 1-meter diameter) is increased. We have developed and commercialized welded built-up CFT column (ACT Column I) since 2005 which are structurally stable and economical using cold-formed steel with rib. However, there has a limit in size of cross section (618×618mm) by a fabrication facilities. And due to characteristics of closed cross section, there has a limit to construction of connection of moment frame. Composite mega column (ACT Column II) has same concept of forming closed cross section. But in order to enlarge cross sectional size, thick plate is inserted between cold-formed steels. Since composite mega column can control thickness and width of thick plate, steel or composite beams can be directly attached to the connection. In this study, we propose strength formula of composite mega column to beam connections with T-shaped stiffener as internal diaphragm and verified through finite element analysis and simple tensile experiment.



폭 1m 이상 합성메가기둥 기둥-보 T형 스티프너 접합부 형상 개발 및 내력식 제안

이 재현1, 김 부규2, 김 선희3, 염 경수4, 최 성모5
1서울시립대학교 건축공학과 석사과정
2㈜서한종합건축사사무소 전무
3서울시립대학교 건축공학과 연구교수
4㈜액트파트너 소장
5서울시립대학교 건축공학과 교수

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17TBIP-C111803-02

    1. 서 론

    1.1 연구배경 및 목적

    IT/물류 산업의 발달로 인터넷 거래가 상승하여 물류 보관과 배송을 위해 건축물이 대형화됨에 따라, 고하 중용 대형합성기둥이 요구되었다. 기존 연구에서는 리 브를 갖는 냉간성형 강재를 사용하여 안정적이고 경 제적인 용접조립 각형 CFT 기둥(ACT Column I)을 개발하였다. 그러나 용접조립 각형 CFT 기둥은 단면 크기의 한계(618×618mm)가 있으며, 기둥재로서 구 조 성능을 발휘하기 위해서는 리브의 연속성이 확보 되어야 하므로 내다이어프램과 관통형 다이어프램의 선택이 어렵다. 또한, 4개의 요소로 조합된 폐쇄형 단 면의 특성상 모멘트 골조의 접합부 구성에 제한이 있 다. Fig. 1은 용접조립 각형 CFT 기둥의 단면과 접 합부를 나타낸다(Lee, S.H., 2008).

    이후 이러한 문제점을 개선하기 위해 기존 기둥의 장점을 유지한 채 합성메가기둥(ACT Column II)을 개발하였다. 합성메가기둥은 기존의 폐쇄형 단면을 구 성하는 개념은 동일하나, 냉간성형 강재의 사이에 후 판을 끼워 넣어 단면의 크기를 확장할 수 있으며, 중 앙부 후판에 보강재의 선 조립이 가능하므로 접합부 상세가 단순화될 수 있다. 그리고 중앙부 후판의 두 께와 폭이 조절가능하기 때문에 강재보나 합성보가 직접 부착될 수 있다. Fig. 2는 합성메가기둥의 단면 과 접합부를 나타내고 있다.

    그러나 구조적 장점에도 불구하고 폐쇄형 단면이라는 강관의 특성이 접합부에 대한 보강 처리를 어렵게 하 고 접합부의 구성을 다소 복잡하게 하므로, 접합부의 내력을 확보할 수 있고, 시공성 및 경제성을 고려한 접합형식에 대한 개발과 연구가 필요하다. 현재 일반 적으로 사용되고 있는 접합형식은 Fig. 3에서 보는 것과 같이 관통형 다이어프램, 내다이어프램, 외다이 어프램의 세 가지 형식으로 분류될 수 있다.

    기존에 개발한 용접조립 각형 CFT 기둥은 리브의 연 속성 확보를 위해 외다이어프램을 적용하였다. 그러나 폭 1m 이상의 합성메가기둥에 외다이어프램을 적용 하게 되면 강재량이 많이 늘어나고, 마감재와의 간섭 이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 접합부 형식을 내다이어프램으로 설정하였다.

    2. 내다이어프램 접합부 형식

    합성메가기둥에는 기존 용접조립 각형 CFT 기둥에 적용한 외다이어프램의 문제점을 극복하기 위해서 강 관 내부에 설치하는 내다이어프램 접합 형식을 적용 하였으며, 기존 연구에서 내다이어프램은 수평스티프 너와 T형 스티프너의 두 가지로 구분된다. 각 내다이 어프램의 형상은 Fig. 4와 같다 (Joo, 2016).

    T형 스티프너는 수직부재와 수평부재의 두 가지 요 소로 구성되어 있다. 합성메가기둥 내에서 수직부재는 콘크리트 Cone failure를 유도하는 앵커의 역할을 한 다. 또한, 수평 부재를 통해 하중 전달을 명확하게 할 수 있다. 수평 스티프너는 수평부재만을 갖는 내다이 어프램으로, T형 스티프너에 비해 강재량이 많이 소 요된다.

    이러한 특징들을 봤을 때, T형 스티프너가 수평 스티프너에 비해 효율적인 내다이어프램의 형상이라 고 사료되고, 합성메가기둥에 적합하다고 판단한다. 이에 따라 본 연구에서는 내다이어프램으로 T형 스 티프너가 적용된 합성메가기둥 접합부의 내력식을 제 안하고, 검증하고자 한다.

    2.1 T형 스티프너 상세

    보 플랜지가 인장력을 받을 때, 기둥 면에 용접된 T 형 스티프너는 인장력을 반대 면에 전달하고, 변형이 발생한다. Fig. 5와 같이 T형 스티프너는 수직부재와 수평부재로 나뉘어져 있으며, 수평부재는 인장력에 저 항하는 단면의 크기를 결정하고, 수직부재는 콘크리트 Cone의 높이를 결정한다.

    3. 합성메가기둥 접합부 내력식 제안

    하중 전달 메커니즘은 콘크리트 비충전 모델의 경우, 강관의 면외 변형과 T형 스티프너의 항복 내력에 의 해 저항한다고 가정하였다. 콘크리트 충전 모델의 경 우에는 콘크리트가 강관의 면외 변형을 제어하기 때 문에, 콘크리트 Cone failure와 T형 스티프너의 항복 내력에 의해 저항한다고 가정하였다.

    3.1 내력식 제안을 위한 제한 사항

    • 1) 용접부의 최대 내력이 비충전, 충전 각형강관 의 최대 내력보다 커야한다.

    • 2) 제안식의 내력이 보 플랜지 인장내력보다 커야 한다.

    • 3) 콘크리트 충전 모델의 경우, 보 플랜지에서 전 달되는 인장력은 전부 콘크리트 Cone과 T형 스티프너로 전달된다고 가정한다.

    3.2 T형 스티프너 항복내력식

    T형 스티프너의 단면 크기는 식(1)과 같이 표시할 수 있다. T형 스티프너의 항복내력은 단면이 모두 인장 력을 받는다고 가정하였으며, Fig. 6의 화살표에서 볼 수 있듯이 플랜지에서 전달된 인장력이 θ의 각도로 작용한다고 보았다. T형 스티프너의 내력식은 식(2) 와 같다.

    Eq1.gif
    (1)
    Eq2.gif
    (2)

    여기서,

    • bs : T형 스티프너 수평 부재의 폭

    • hs : T형 스티프너 수직 부재의 높이

    • tsh : T형 스티프너 수평 부재의 두께

    • tsv : T형 스티프너 수직 부재의 두께

    • fys : T형 스티프너 항복강도

    3.3 콘크리트 Cone failure 내력식

    앵커로부터 전달되는 인장력으로 인한 콘크리트의 Cone failure는 45도 방향으로 발생한다는 가정을 근 거로 하고 있다. Cone failure는 T형 스티프너의 변 형과 동시에 일어난다고 가정하고 있으며, T형 스티 프너의 끝단에서 앵커의 끝단을 잇는 선과 앵커로 둘 러싸인 면적으로 이루어진다.

    1) 기둥 단면에서의 Cone failure 영역

    기둥 단면에서의 콘크리트 Cone failure는 Fig. 7에서 볼 수 있듯이 보 플랜지와 연결되는 T형 스티프너의 끝단에서 앵커의 끝단까지의 영역으로 가정하였으며, 내력식은 식(3)과 같다.

    Eq3.gif
    (3)

    여기서,

    • ba : 리브 길이 / bc : 콘크리트 폭

    • bt : 후판에 붙는 T형 스티프너의 폭

    • vc : 콘크리트 전단강도 ( = f c k / 6 )

    기둥 정면에서의 Cone failure 영역은 Fig. 8에서 보 이는 것과 같이 앵커 끝단에서 45도 방향으로 발생한 영역을 말한다. 기둥 정면에서의 Cone failure 내력식 은 식(4)와 같다.

    Eq4.gif
    (4)

    여기서,

    • bc : 콘크리트 폭

    • hc : 콘크리트 Cone의 높이

    • ft : 콘크리트 인장강도(=fck/12)

    4. T형 스티프너 항복내력식 검증을 위한 유한요소해석

    4.1 유한요소해석 개요

    제안한 내력식의 검증을 위해 유한요소해석 프로그램 인 Abaqus 6.13을 사용하여 구조해석을 수행하였다. 해석대상은 □-1200×1200mm (SM490) 강관에 T형 스티프너 크기와 보강 유무를 변수로 하여 보 플랜지 (PL 300×55)가 부착된 단순인장 접합부로 하였다. 해 석은 Solid 요소를 사용하였고, 경계조건은 플랜지 한쪽 을 U1, U2, U3=0으로 고정하고 반대편 플랜지의 끝에 서 U1에 대해 500mm 변위제어를 수행하였다. 해석에 적용된 재료의 항복강도는 SM490의 공칭항복강도인 325MPa이며, 탄성계수는 205GPa이다. 가력은 500mm 변위제어로 플랜지 반력으로 내력을 평가하였다.

    4.2 유한요소해석 결과

    1) Specimen 4-1

    4-1의 경우 T형 스티프너가 설치되지 않았기 때문에, 강관의 면외 변형에 의해서만 저항하였다. 변위를 500mm까지 제어했기 때문에 하중은 계속 늘어나지 만, 보 플랜지 항복까지는 도달하지 못했다. Fig. 94-1의 해석결과를 나타낸다.

    2) Specimen 4-2

    4-2의 경우 T형 스티프너가 설치되어, 초기에는 플랜 지에서 전달된 인장력이 T형 스티프너로 전달되고, T형 스티프너가 항복한 이후에는 강관의 면외 변형 이 뚜렷하게 발생하기 시작했다. T형 스티프너의 항 복내력과 강관의 면외 변형의 저항력이 보 플랜지 항 복내력보다 크기 때문에 결과적으로는 보 플랜지 항 복이 일어났다. Fig. 10, 11은 각각 T형 스티프너의 항복과 해석결과를 나타낸다,

    3) Specimen 4-3

    4-3은 4-2와 같은 거동을 보였고, T형 스티프너 수 평부재의 폭이 4-2에 비해 좁기 때문에, T형 스티프 너의 항복내력이 적게 나타났다. Fig. 12, 13은 각각 T형 스티프너의 항복과 해석결과를 나타낸다.

    4.3 분석 및 고찰

    3장에서 제시한 내력식을 통해 T형 스티프너의 항복 내력과 보 플랜지의 항복내력을 구하고, 유한요소해석 을 통해 나온 값과 비교, 분석하였다. 해석을 통해서 나온 결과는 Fig. 14와 Table 2에 나타내었다. Table 1

    해석에 사용된 보 플랜지의 항복내력을 식에 의해 구 하면 5362.5kN이다. 또한, T형 스티프너 항복내력식 에 의한 항복내력은 4-2의 경우 3970.33kN, 4-3의 경 우에는 3433.91kN이 나온다. Table 34는 T형 스 티프너와 보 플랜지의 항복내력을 해석값과 내력식에 의한 값으로 각각 비교한 것이다.

    T형 스티프너와 보 플랜지의 항복내력을 비교한 결 과, 4-2의 경우 T형 스티프너는 3%, 보 플랜지는 2%의 오차를 보였다. 4-3은 T형 스티프너 1%, 보 플랜지 2%의 오차를 보였다.

    5. 콘크리트와 T형 스티프너 거동 확인을 위한 기둥-보 접합부 인장실험

    5.1 실험계획

    기둥-보 접합부 인장실험에서 사용된 실험체 중 기둥 은 폭에 따라 3가지 종류로 구분된다. 또한, 보 플랜 지는 두께에 따라 2가지 종류로 나뉘고, T형 스티프 너도 크기에 따라 3가지 종류로 나뉜다. 위의 변수에 따라 실험체는 총 5개로 구성되며, 강재는 SM490을 사용했다. 유한요소해석과 달리, 실험체는 모두 콘크 리트 충전으로 진행했고, 콘크리트의 28일 압축강도 는 24MPa로 계획하였다. 하중 가력은 3,000kN급 유 압식 만능 시험기(U.T.M)을 사용하여 보 플랜지 양 쪽에서 인장력을 가했고, 최대내력 이후 파괴모드가 확인될 때까지 가력속도 0.02mm/s의 변위제어로 가 력하였다. Table 5와 Fig. 15는 접합부 인장실험 실 험체를 나타낸 것이다.

    5.2 실험결과

    1) 재료시험 결과

    본 실험에서 사용된 강재의 기계적 성질을 알아보기 위하여 KS B 0801 및 0802 규준에 따라 각각 3개씩 인장시험편을 절취하여 인장시험을 수행하였다. 사용 된 재료는 SM490 10mm, 14mm이다. 각 시험편의 결과는 Table 6에 나타내었다, 또한, 콘크리트 공시체 에 대하여 21일 압축강도시험을 수행하였으며 결과는 Table 7에 나타내었다.

    2) 접합부 인장실험결과

    Table 8은 접합부 인장실험의 결과를 나타내고 있고, Fig. 16은 각 실험체의 파괴모드를 나타내고 있다.

    파괴 양상은 5-1, 5-4번에서는 보 플랜지-기둥 강관 면 용접부에서 파괴가 일어났고, 5-2, 5-3, 5-5번에서 는 보 플랜지 necking 현상을 보였다. 각 실험체에 대한 하중-변위 그래프는 Fig. 17에 나타내었다.

    5.3 분석 및 고찰

    T형 스티프너와 콘크리트 Cone failure는 인장력이 작용하는 순간 함께 거동하기 때문에 T형 스티프너 의 항복내력과 콘크리트 Cone failure에 의한 내력의 비율에 따라 각 부분이 부담하는 인장력의 크기가 다 를 것으로 사료된다. 따라서 인장실험을 통해 나온 보 플랜지의 항복내력과 탄성구간에서의 게이지 변형 률을 통해 나온 값과 비교, 분석하였다. T형 스티프 너의 항복내력과 콘크리트 Cone failure에 의한 내력 그리고 콘크리트 Cone failure에 대한 T형 스티프너 의 항복내력의 비율은 Table 9에 나타내었다.

    Fig. 18는 각 실험체의 하중 단계별 변형률 분포를 나타내고 있다. 또한 Table 10은 보 플랜지의 탄성구 간 내에서 T형 스티프너의 항복내력과 콘크리트 Cone failure에 의한 내력의 비율을 실험값과 이론값 으로 분류하여 나타내고 비교하였다. 비교한 결과 5-1 실험체부터 각각 23%, 13%, 20%, 2%, 7%의 오 차를 보였다.

    6. 결 론

    본 연구에서는 합성메가기둥 기둥-보 접합부의 형상 개발과 내력식 제안을 위하여 유한요소해석과 접합부 단순인장실험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 1) T형 스티프너의 항복내력은 수평부재의 단면 적에 의해 결정되고, 콘크리트 Cone failure는 T형 스티프너의 면적과, 기둥 단면 크기에 의해 결정된다.

    • 2) 합성메가기둥 접합부의 내력은 T형 스티프너 의 항복내력과 콘크리트 Cone failure 내력에 의해 결정되며, 탄성 구간 내에서의 인장력은 T형 스티프 너의 내력과 Cone failure의 내력의 비율에 따라 나 뉘어 저항한다. 즉, 접합부의 내력은 T형 스티프너와 Cone failure의 내력 중 큰 값이 지배하는 것으로 사 료된다.

    • 3) 유한요소해석과 접합부 인장실험을 통해 검증 한 인장내력식은 다음과 같다.

    Eq5.gif
    (5)

    ACKNOWLEDGEMENT

    이 연구는 2017년 국토교통부 국토교통기술사업화 지 원사업(17TBIP-C111803-02) 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-9-26_F1.gif
    Cross section and connection of welded built-up CFT column
    KOSACS-9-26_F2.gif
    Cross section and connection of composite mega column
    KOSACS-9-26_F3.gif
    CFT column to beam connection type
    KOSACS-9-26_F4.gif
    Application shape of internal diaphragm
    KOSACS-9-26_F5.gif
    Details of t-shaped stiffener
    KOSACS-9-26_F6.gif
    Tensile force transfer in t-shaped stiffener
    KOSACS-9-26_F7.gif
    Cone failure in column section
    KOSACS-9-26_F8.gif
    Cone failure at front of column
    KOSACS-9-26_F9.gif
    Result of specimen 4-1
    KOSACS-9-26_F10.gif
    Yield of specimen 4-2 T-shaped stiffener
    KOSACS-9-26_F11.gif
    Result of specimen 4-2
    KOSACS-9-26_F12.gif
    Yield of specimen 4-3 T-shaped stiffener
    KOSACS-9-26_F13.gif
    Result of specimen 4-3
    KOSACS-9-26_F14.gif
    Load-displacement graph
    KOSACS-9-26_F15.gif
    Details of specimen
    KOSACS-9-26_F16.gif
    Failure mode of specimen
    KOSACS-9-26_F17.gif
    Load-displacement graph
    KOSACS-9-26_F18.gif
    Strain distribution by step of load

    Table

    Finite element analysis object
    Result of finite element analysis
    Comparison of T-shaped stiffener
    Comparison of beam flange
    List of experiment specimen
    Result of tensile test
    Result of concrete compressive strength test
    Result of connection tensile experiment
    Value by strength formula
    Ratio of T-shaped stiffener to cone failure

    Reference

    1. J.S. Joo , K.S. Yom , S.M. Choi (2016) A Study on the Tensile Strength of Built-up Column-Beam Connections for Composite Mega Column with 1 Meter Width, Proceeding of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, ; pp.732-733
    2. S.H. Kim , S.M. Choi (2017) Tensile Strength and Concrete Cone Failure in CFT Connection with Internal Diaphragms., Int. J. Steel Struct., Vol.17 (2) ; pp.643-652
    3. S.H. Lee (2008) Behavior of Welded Built-up Square CFT, PhD thesis, Department of Architectural Engineering, University of Seoul,
    4. S.J. Lee , B.H. Jeon , S.M. Choi (2007) A Suggestion of Tensile Strength Formulae of Cold Formed Square CFT Column-to-Beam Connections with Internal Diaphragm, Proceeding of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, ; pp.65-68