직교보를 고려한 복합구조 보-기둥 접합부의 전단강도 평가법 제안

안재혁,박천석 대한건축학회지회연합회 2016 대한건축학회연합논문집 Vol.18 No.1

현재 미국, 일본뿐만 아니라 국내에서도 복합구조의 실용화를 위한 보-기둥 접합부의 응력메카니즘에 대한 연구가 진행되고 있지만, 복합구조에 대한 보-기둥 접합부의 거동과 구조적 성능에 대한 연구가 행해지면서 대부분의 연구들은 각 접합부 상세가 접합부 거동에 미치는 영향과 특성만 분석하고, 이를 고려한 응력전달기구에 대한 명확한 연구가 이루어지지 않고 있다. 실제 구조물에서 보-기둥 접합부에 직교보가 있음에도 불구하고 대부분의 연구가 보-기둥 접합부의 전단저항기구를 모델화하면서도 직교보의 영향을 고려하지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 직교보가 복합구조 보-기둥 접합부에 미치는 영향을 고려하는 전단저항기구를 모델화하여 보-기둥 접합부의 전단강도를 산정하는 방법을 제안하고 기존 연구1)에서 직교보가 있는 복합구조 보-기둥 접합부 실험체를 대상으로 전단강도를 산정하여 구조적 거동에 미치는 영향을 검토하고자 한다. Composite structure composed of steel beam and reinforced concrete column has been researched and developed as one of structure systems which combine the members that have different structural system, in order to secure function which is hard to achieve in existing structural system. However, many existing studies analyzed only the characteristics and effect on the behavior of joint, and clear studies have not been proceeded on the stress transfer mechanism which considers characteristics and effect of transverse beam. Specifically, the effect of transverse beam of beam-column joints has not been considered at all. Therefore, this study proposes a method to estimate the shear strength on beam-column joints of Composite structure with transverse beam by modeling the shear resistance mechanism that considers the effect of transverse beam on beam-column joints of composite structure. In addition, this study reviewed factors which affect the shear resistance mechanism, the effect of transverse beam on the structural behavior of beam-column joints by analysis and testing the specimens of the existing study.

NRC 보-기둥 접합부의 구조적 거동 평가

전지환,이상윤,김승훈 한국구조물진단유지관리공학회 2022 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.26 No.1

In this study, details of NRC beam-column connections were developed in which beam and columns pre-assembled in factories using steel angles were bolted on site. The developed joint details are NRC-J type and NRC-JD type. NRC-J type is a method of tensile joining with TS bolts to the side and lower surfaces of the side plate of the NRC column and the end plate of the NRC beam. NRC-JD type has a rigid joint with high-strength bolts between the NRC beam and the side of the NRC column for shear, and with lap splices of reinforcing bar penetrating the joint and the beam main reinforcement for bending. For the seismic performance evaluation of the joint, three specimens were tested: an NRC-J specimen and NRC-JD specimen with NRC beam-column joint details, and an RC-J specimen with RC beam-column joint detail. As a result of the repeated lateral load test, the final failure mode of all specimens was the bending fracture of the beam at the beam-column interface. Compared to the RC-J specimen, the maximum strength of the specimen by the positive force was 10.1% and 29.6% higher in the NRC-J specimen and the NRC-JD specimen, respectively. Both NRC joint details were evaluated to secure ductility of 0.03 rad or more, the minimum total inter-story displacement angle required for the composite intermediate moment frame according to the KDS standard (KDS 41 31 00). At the slope by relative storey displacemet of 5.7%, the NRC-J specimen and the NRC-JD specimen had about 34.8% and 61.1% greater cumulative energy dissipation capacity than the RC specimen. The experimental strength of the NRC beam-column connection was evaluated to be 30% to 53% greater than the theoretical strength according to the KDS standard formula, and the standard formula evaluated the joint performance as a safety side. 본 연구에서는 공장에서 L형강을 이용하여 선조립한 NRC 보와 NRC 기둥을 현장에서 볼트 조립하는 NRC 보-기둥접합부 상세를 개발하였다. 개발된 접합부 상세는 NRC-J형과 NRC-JD형이다. NRC-J형은 NRC 기둥 측면의 강재 플레이트와 NRC 보의 엔드플레이트의 측면과 하부면에 TS볼트로 인장접합하는 방식이다. NRC-JD형은 전단에 대해서 NRC 보와 NRC 기둥의 측면을 고력볼트접합하고, 휨에 대해서 접합부를 관통하는 철근연결재와 보의 보강재를 겹침이음하도록하는 강접합 방식이다. 접합부 내진성능평가를 위하여, 두 가지 NRC 보-기둥 접합부 상세를 가지는 NRC-J 실험체, NRC-JD 실험체와 RC 보-기둥 접합부 상세를 가지는 RC-J 실험체 등 3개의 실험체를 제작하였다. 반복횡하중가력 실험결과, 모든 실험체의 최종 파괴형상은 보-기둥 접합면에서 보의 휨파괴로 나타났다. 정가력에 의한 실험체 최대내력은 RC-J 실험체에 비하여 NRC-J 실험체와 NRC-JD 실험체가 각각 10.1%, 29.6% 크게 나타났다. 두가지 NRC 접합부 상세 모두 KDS 기준(KDS 41 31 00)의 합성중간모멘트골조 모멘트접합부에서 요구되는 최소 총층간변위각 0.03 rad 이상의 연성능력을 확보는 것으로 평가되었다. 부재각 5.7%에서 NRC-J실험체, NRC-JD 실험체가 RC실험체에 비해 약 34.8%, 61.1% 큰 누적 에너지 소산능력을 보유하고 있었다. NRC 보-기둥 접합부의 실험내력이 KDS 기준식에 의한 이론내력에 비하여 30%~53% 큰 것으로 평가되어, 기준식이 보유성능을 안전측으로 평가하였다.

철근콘크리트 보-기둥 접합부의 비탄성 회전 능력에 대한 성능 평가

이기학,우성우 한국지진공학회 2007 한국지진공학회논문집 Vol.11 No.5

본 논문에서는 철근콘크리트 모멘트 골조의 보-기둥 접합부에 대한 비탄성 회전 능력의 성능을 조사한 연구 결과를 하고 있다. 총 91개의 보-기둥 접합부 실험체에 대해 상세히 조사되었으며, 그 중 28개의 실험체는 ACI 318-02의 상세 요구에 기초하여 특수 모멘트 골조 접합부로서 분류되었다. AISC-97 내진 기준에서 철골 모멘트 골조 접합부를 위해 정의된 허용기준이 분류된 철근콘크리트 모멘트 골조의 접합부에 대해 평가하기 위해서 사용되었다. 특수 모멘트 골조 접합부에 대한 설계 상세를 만족하는 28개의 실험체 중 27개의 특수 모멘트 골조 접합부가 충분한 강도를 가지고 있었으며, 급격한 강도 감소 없이 0.03 rad.의 소성 회전에 대해 연성 거동을 발휘할 수 있음을 보여 주었다. 접합부의 전단 강도, 기둥과 보에 대한 휨 강도 비율, 접합부내에서의 횡방향 철근비 등에 대한 제한이 보-기둥 접합부의 만족스런 내진 성능을 보여주는데 중요한 역할을 하였다. This study summarizes the results of a research project aimed at investigating the inelastic rotation capacity of beam-column connections of reinforced concrete moment frames. A total of 91 test specimens for beam-column joint connections were examined in detail, and 28 specimens were classified as special moment frame connections based on the design and detailing requirements in the ACI 318-02 Provisions. Then the acceptance criteria, originally defined for steel moment frame connections in the AISC-02 Seismic Provisions, were used to evaluate the joint connections of concrete moment frames. Twenty-seven out of 28 test specimens that satisfy the design requirements for special moment frame structures provide sufficient strength and are ductile up to a plastic rotation of 0.03 rad. without any major degradation in strength. Joint shear stress, column-to-beam flexural strength ratio, and transverse reinforcement ratio in a joint all play a key role in good performance of the connections.

프리캐스트 콘크리트 보-기둥 접합부의 이력거동 및 내진성능

최현기,최윤철,최창식 한국지진공학회 2010 한국지진공학회논문집 Vol.14 No.4

프리캐스트 콘크리트 골조에서 실물크기의 보-기둥 접합부 실험체 5개를 대상으로 반복가력 실험을 수행하였다. 지진하중을 받는 골조를 대상으로 1개의 일체식 실험체와 4개의 프리캐스트 실험체를 포함하여 5개의 1/2스케일의 내부 보-기둥 접합부를 대상으로 하였다.주요 변수는 보의 구조적 연속성을 확보하기 위한 접합부의 형태와 접합부의 특별한 보강형태(섬유콘크리트와 횡보강근)로 하였다. 실험체는 강기둥-약보 개념에 따라 설계하였다. 보 철근은 접합부에 큰 비탄성 전단력이 작용할 경우 보에 소성힌지가 발생하도록 계획하였다. 접합부의 성능평가는 접합부의 강도, 강성, 에너지 소산능력과 층간변위비로 평가하였다. 실험결과 실험체의 파괴는 보의 소성힌지부에서 파괴되었다. 보-기둥 접합부의 성능은 대체적으로 우수한 것으로 나타났다. 접합부의 강도는 일체식 RC 구조의 비해 1.15배 정도 향상되었다. 층간변위 3.5%때의 강도에서 실험체는 ECC의 인장변형능력과 철골연결재의 항복에 의해 연성거동 하였다. Five half-scale beam-to-column connections in a precast concrete frame were tested with cyclic loading that simulated earthquake-type motions. Five half -scale interior beam-column assemblies representing a portion of a frame subjected to simulated seismic loading were tested, including one monolithic specimen and four precast specimens. Variables included the detailing used at the joint to achieve a structural continuity of the beam reinforcement, and the type of special reinforcement in the connection (whether ECC or transverse reinforcement). The specimen design followed the strong-column-weak-beam concept. The beam reinforcement was purposely designed and detailed to develop plastic hinges at the beam and to impose large inelastic shear force demands into the joint. The joint performance was evaluated on the basis of connection strength, stiffness, energy dissipation, and drift capacity. From the test results, the plastic hinges at the beam controlled the specimen failure. In general, the performance of the beam-to-column connections was satisfactory. The joint strength was 1.15 times of that expected for monolithic reinforced concrete construction. The specimen behavior was ductile due to tensile deformability by ECC and the yielding steel plate, while the strength was nearly constant up to a drift of 3.5 percent.

콘크리트피복 원형충전강관 기둥-강재보 접합부에 대한 반복하중실험

이호준,박홍근,최인락 한국강구조학회 2017 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.29 No.6

In this study, to investigate the seismic performance of beam-column joints using concrete-encased and -filled circular steel tube(CEFT) columns, two types of tests were performed: (1) column - flange tension test and (2) beam - column joint cyclic load test. In column - flange tension test, test parameters were concrete encasement and connection details: flange width and strengthening rebar. Five specimens were tested to investigate the load-carrying capacity and the failure mode. Test results showed that increase of flange width from 200mm to 350mm result in increase of connection strength and stiffness by 61% and 56%, respectively. Structural performances were further improved with addition of tensile rebars by 35% and 92%, respectively. In cyclic loading test, three exterior beam-column joints were prepared. Test parameters were strengthening details including additional tensile rebars, thickened steel tube, and vertical plate connection. In all joint specimens, flexural yielding of beam was occurred with limited damages in the connection regions. In particular, flexural capacity of beam-column joint was increased due to additional load transfer through tube - beam web connection. Also, connection details such as increase of tube thickness and using vertical plate connection were effective in improving the resistance of panel zone. 본 연구에서는 콘크리트피복 원형충전강관 기둥을 적용한 합성구조 접합부의 거동특성과 내진성능을 평가하기 위하여, 기둥-플랜지접합부에 대한 인장실험과 보-기둥 접합부에 대한 반복하중 실험을 수행하였다. 기둥-플랜지 인장실험은 피복콘크리트의 유무와 플랜지 폭, 인장철근 보강을 변수로 하여 5개의 실험체에 대하여 하중재하능력과 파괴모드를 분석하였다. 실험결과, 접합부에서의 플랜지 단부 폭을 200mm에서350mm로 증가시킬 경우 연결부의 강도 및 강성이 각각 1.61배와 1.56배가 증가했고, 인장철근을 보강할 경우 추가적으로 강성과 강도가 각각1.35배와 1.92배 증가했다. 접합부 반복하중 실험에서는 접합 상세를 변수로 3개의 외부접합부 실험체를 구성했다. 접합부 보강상세로는 인장철근 보강과 강관의 두께, 수직강판 보강을 고려하였다. 모든 접합부 실험체는 보에서 뚜렷한 휨항복이 발생하였으며 접합부의 손상은 제한적이었다. 특히, 강재보가 강관에 직접 용접되는 경우 보의 웨브를 통해서도 하중이 전달되기 때문에, 플랜지 인장실험 결과보다 보수적인 설계가 가능하며, 접합부 강관 두께를 증가시키거나 수직강판으로 보강한 경우에는 추가적으로 패널존의 전단내력이 증가하는 것으로 나타났다.

헤디드 바를 사용한 외부 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능 향상

신현오,양준모,윤영수 한국구조물진단유지관리공학회 2011 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.15 No.3

철근콘크리트 보-기둥 접합부는 철근의 복합적인 배근으로 인하여 시공성이 저하되고 철근의 정착공간이 협소하여 정착파괴가 발생할 가능성이 높다. 또한 지진하중 하에서 기둥 또는 접합부의 파괴는 구조물 전체의 파괴를 야기할 수 있기 때문에 기둥 표면에서 일정한 거리이상 떨어진 보에 소성힌지를 발생시켜 보의 파괴가 선행된 후에 기둥 및 접합부가 파괴되는 강기둥-약보의 설계 개념을 적용하여 구조물의 안전성을 확보하고 있다. 본 연구에서는 이러한 접합부의 강도 증가 및 시공성 향상을 도모하고 소성힌지를 보의 내측방향으로 이동시키기 위한 방안으로 보 주인장 철근과 접합부 보강 철근으로 헤디드 바를 활용하고자 하였다. 이를 위해 헤디드 바로 보강된 철근콘크리트 보-기둥 접합부에 대해 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 해석결과의 정확성을 검증하기 위하여 선행연구자에 의해 실험된 부재와 동일한 변수에 대한 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였으며, 헤디드바의 우수성을 확인하기 위한 변수를 추가하여 해석을 수행하였다. 해석결과 보 주인장 철근의 정착방법으로 헤디드 바를 사용함으로써 유사한 구조성능 하에서 시공성 향상을 도모할 수 있음을 확인하였다. 또한 헤디드 바를 접합부에 보강함으로써 설계자가 의도한 위치에 소성힌지를 발생시킬 수 있었으며, 주기하중 하에서 에너지 소산능력의 증가, 강성 감소의 최소화 및 극한응력을 향상시키는 결과를 얻었다. The reinforced concrete beam-column connections are in lack of constructability and are likely to show anchorage failure because of the complex details of joint regions. Under seismic loads, a destruction of the column or the beam-column joint leads to collapse of the whole structures. For this reason, the safety of structures has to be guaranteed by following procedures which are based on the strong column-weak beam design concept: 1) failure of beam by generating plastic hinge in the beam maintained a certain distance from the surface of column, 2) failure of column or beam-column joint. In this study, headed bars were used as longitudinal reinforcements of beam and joint reinforcements in order to improve the strength and constructability of joint and to relocate plastic hinge. The finite element analyses (FEAs) were performed to the reinforced concrete beam-column joints utilizing headed bar reinforcements. To verify the availability of the analysis models, the FEAs for experimental tests performed by previous researchers were conducted and compared with the experimental results. Additional variables are also considered to confirm the excellence of headed bars. Analysis results indicate that the constructability of beam-column connections can be improved by using headed bars for the full anchorage of longitudinal reinforcements of beam under similar structural performance. In addition, the plastic hinge was relocated to the intended place by using headed bars as joint reinforcements. Under cyclic displacement loading, the energy dissipation capacity and ultimate stress were increased and the decrease in stiffness was minimized.

조인트를 보강한 내부 보-기둥 접합부의 내진성능

엄태성(Eom Taesung),황현종(Hwang Hyeonjoing),박홍근(Park Honggun) 한국방재학회 2018 한국방재학회논문집 Vol.18 No.2

철근콘크리트 보-기둥 접합부는 조인트 영역에서 발생되는 철근 항복침투, 부착파괴, 미끄러짐 변형 등으로 인하여 내진성능이 감소한다. 본 연구에서는 보-기둥 조인트에서 충분한 정착길이를 확보하고 보의 소성힌지를 조인트 경계면으로부터 보 경간 내부로 옮길 수 있도록, 조인트를 관통하는 45° 굽힘근과 90° 갈고리근을 사용하여 보-기둥 접합부를 보강하는 상세를 개발하였다. 6개의 내부 보-기둥 접합부 실험체를 제작하고, 반복재하 실험을 통하여 강도, 연성, 에너지 소산능력, 파괴모드와 같은 내진성능을 평가하였다. 조인트 보강 상세를 적용한 접합부 실험체의 경우 의도한대로 조인트 경계가 아닌 보 경간 내부에 소성힌지가 발생하였고, 그 결과 철근 항복침투, 부착파괴, 미끄러짐 변형 등 바람직하지 않은 조인트 거동이 크게 감소되었다. 개발한 조인트 보강상세를 사용한 보-기둥 접합부 실험체의 경우 강도, 강성, 에너지소산, 변형능력 등의 내진성능이 ACI 374.1-05에서 요구하는 내진 접합부의 최소 요구사항을 만족하였다. The seismic performance of reinforced concrete beam-column connections is degraded by yield penetration, bond failure, and slip deformation at the joint. In the present study, reinforcement details for the beam-column joints were developed. 45° bent bars and 90° hooked bars were used passing through the joints in order to secure a longer development length of re-bars at the joints and relocate the severe plastic hinge of beams away from the joint interface. Cyclic loading tests on six cruciform beam-column connections were performed. The earthquake resistance including the strength, ductility, energy dissipation capacity, and failure mode were evaluated. In the specimens with the joint-reinforcing details, plastic hinges developed at the beam ends as intended. Thus, re-bar yield penetration and bond slip deteriorating the seismic performance of the joint were substantially decreased. The specimens with the proposed joint-reinforcing details satisfied the performance requirements of ACI 374.1-05 on strength, stiffness, energy dissipation, and ductility.

강재 연결재를 이용한 목구조 기둥-보 접합부의 구조성능 평가

박금성,오근영 대한건축학회 2022 대한건축학회논문집 Vol.38 No.3

The purpose of this study is to develop a moment frame system of a mixed structure consisting of a beam-column connection made of timber and a filling wall while verifying the structural performance of the beam-column connection using steel. The reinforcing rebar embedded on the inside of the timber beam consisted of an internal and external connection. Two connections were fabricated for each shape, and a lateral loading test was performed. The results of this experiment indicated that as the deformation of the inner and outer connections increased, repeated attachment and bearing failure occurred on the part embedded at the end of the timber beam. In addition, the fracture phenomenon of slipping was observed on the contact surface between the upper and lower flange plates of joined steel and the timber beam. While comparing the experimental behavior and the allowable bending moment of the timber beam, it was revealed that the intermediate moment frame (0.02 rad) performance of the internal connection was sufficiently secured. However, the external connection was found to be inadequate to secure the performance of the intermediate moment frame. For the beam-column connection using steel to exhibit special moment framing performance, the embedded length of the reinforcing bar embedded in the cross section of the timber beam needs to be sufficient. 본 연구는 목재를 이용하여 기둥-보 접합부와 채움벽으로 구성된 혼합구조방식의 모멘트 골조 시스템을 개발하는 것이다. 모멘트 골조시스템 개발을 위해 강재를 이용한 기둥-보 접합부에 대한 구조적 성능검증을 위한 연구를 먼저 계획하였다. 목재 보의 내부에 철근을 매입한 접합부 형상은 내외부 접합부로 구성되어 있다. 접합부는 형상별로 각각 2개씩 제작하여 횡방향 가력실험을 수행하였다. 실험결과, 내외부 접합부는 변형이 증가하면서 목재 보 단부에 매입된 부분에서 반복적인 부착·지압파괴가 발생하였다. 이와 더불어 연결철물의 상하부 플랜지 강판과 목재 보의 접촉면에서 슬립되는 파괴현상이 함께 나타났다. 실험적 거동과 목재 보의 허용휨모멘트와 비교하여 내부접합부는 중간모멘트골조(0.02 rad)의 성능은 충분히 확보하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 외부접합부는 중간모멘트골조의 성능을 확보하기에는 충분하지 않다. 강재를 이용한 기둥-보 접합부가 특수모멘트 골조성능을 발휘하기 위해서는 목재 보의 단면에 매입되는 철근의 매입길이가 충분해야 할 것으로 생각된다.

모듈러 골조용 비대칭 기둥-보 접합부에 대한 거동 평가

박금성,이상섭,배규웅,문지호 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.23 No.1

The purpose of this study is to evaluate the structural performance of press-formed type asymmetric column to beam connections of steel-PC composite module frames. Most of the column sections of the joints making up the modular frame use a closed square steel section. The column-beam connection using the closed column section has difficulty in reducing the workability and securing the fire resistance. In order to overcome this disadvantage, concrete is filled in the asymmetrical open type cross section of the steel plate by press forming. A total of four specimens were fabricated to investigate the structural performance of press formed type asymmetric column to beam connections. The experimental results show that the structural performance and behavior of the asymmetric columns are different depending on whether the asymmetric column cross section is composited or the column width thickness ratio. The structural performance of the press formed type asymmetric column to beam connection was evaluated by comparing the experimental results with the theoretical formulas. 본 연구의 목적은 강 - PC 복합모듈 골조를 구성하는 프레스 성형된 비대칭 기둥과 보 접합부의 구조적 성능을 평가하는 것이다. 모듈러 골조를 구성하는 대부분의 접합부는 폐쇄형의 사각형 강재 기둥 단면을 주로 사용한다. 폐쇄형의 기둥 단면을 사용한 기둥-보 접합부는 시공성을 감소시키고 내화성을 확보하는데 어려움이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 강판을 프레스로 성형하여 비대칭 개방형 단면 내에 콘크리트를 충진하는 것이다. 프레스 성형된 비대칭 기둥-보 접합부의 구조적 성능을 조사하기 위해 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험결과, 비대칭 기둥의 구조적 성능과 거동이 비대칭 기둥 단면이 합성되는지 또는 기둥의 폭-두께 비율에 따라 달라지는지를 보여주었다. 프레스 성형된 비대칭 기둥-보 접합부의 구조적 성능은 실험결과와 이론식을 비교하여 평가하였다.

매입형 FRP Rod와 FRP시트를 복합 보강한RC 외부 보-기둥 접합부의 내진성능

하기주,강현욱 대한건축학회지회연합회 2014 대한건축학회연합논문집 Vol.16 No.2

본 연구에서는 기존 철근콘크리트 건물의 보-기둥 접합부의 내진성능의 개선을 위해 외부 보-기둥 접합부 영 역을 FRP보강재(매입형 CFRP Rod, CFRP시트, 아라미드섬유시트)를 사용하여 복합 보강한 후 내진성능을 평 가하였다. 총 5개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하여 내진성능을 평가하였으며, 본 연구의 실험결과를 근 거로 다음과 같은 결론을 얻었다. 기존 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 접합부 영역을 보강한 결과, 초기 재하시 접합부 영역의 균열억제 효과와 재하 전 과정을 통하여 보강재의 구속효과로 인하여 균열억제 효과가 커서 안정적인 파괴형태 및 내력 향상 효과를 나타내었다. 매입형 CFRP Rod와 CFRP시트, 아라미드섬유시트를 복합 보강한 RC 외부 보-기둥 접합부 실험체 RBCJ- SRCB 시리즈, RBCJ-SRA3는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 변위연성3에서 최대 내력은 각각 2.12, 2.00배 증 가하였고, 에너지소산능력은 변위연성5에서 각각 1.90, 1.65배 증가하였다.