각형 CFT 기둥과 보의 합성반강접 구조설계 적용 연구 = A Study on Implementation of Partially Restrained Composite Beam-to-Square CFT Columns to Structural Design

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 CFT기둥과 보의 접합부를 합성반강접으로 적용한 구조물의 설계 적용에 관한 것이다. 합성반강접으로 기둥접합부의 강성비를 조절함으로서 구조적 안전성을 확보하면서 경제적인 부재를 적용하고자 하였다. 횡력부분에서는 합성반강접 접합부 는 연성력이 증진되어 지진에도 안정된 이력 거동이 가능하기 때문에 많은 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 접합부의 강성에 따른 회전각 크기를 실험을 통해 이론식으로 밝혀내는 것이 쉽지 않아 연구에 그치고 있는 것이 현실이다. 또한, CFT 기둥은 거푸집 및 철근 작업 공정이 없어 공정단축 및 시공단가 등이 절감되는 등 여러 장점에도 불구하고 접합부의 내다이아프램 설치에 따른 제작의 난이성과 접합부의 복잡성으로 많은 적용이 되지않고 있다. 이러한 구조 시스템의 장점을 이용하고 단점을 개선하기위하여, 시공성이 좋은 접합부 개발을 함으로써 건물의 경제성 및 안정성을 고려한 설계의 적용성을 추구하였다.
우선 합성반강접 건물을 가새골조와 비가새 골조구조로 구성된 두 가지 건물을 선정하여 실제적으로 안정성과 경제성이 있는지 비교 연구를 하였다. 저층건물을 모멘트골조로 구조물의 안정성을 검토한 결과 합성작용으로 인하여 합성반강접을 이용하면 횡강성이 증대하여 저층건물의 경우 특별한 횡 보강재 없이 저항할 수 있음을 확인 하였다. 가새골조인 고층건물의 경우 모멘트골조가 횡저항 분담이 10%정도 되었으며 반강접 비율은 60%정도가 적절하였다. 따라서, 건물의 경우 모멘트골조로 횡저항 성능을 확보하는 적절한 반강접 상태를 분석하여 설계에 적용할 필요가 있다. 그러나, 합성반강접 해석의 경우 아직은 해석연구 및 컴퓨터 프로그램과 이론식의 비교 분석에 대한 연구가 반강접에 비하여 미미한 실정이므로 비가새골조의 경우는 실무에 적용하는 경우는 보다 많은 해석연구가 도출 되어 신뢰성이 확보될 때까지 안정성 판정은 반강접으로 설계를 하고 부재설계는 합성반강접을 적용하도록 하였다.
경제적인 면에서 보 부재는 등분포하중이 작용하는 경우는 반강접 효과가 크나 집중하중이 작용하는 보는 반강접 효과가 크지 않았으며 등분포의 경우 60% 반강접이 단부 모멘트 저감에 따른 경제성이 가장 좋은 것으로 분석되었다. 단부 모멘트는 약 25% 감소되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 전체 물량은 저층건물의 경우 약 6%의 절감효과를 확인하여 합성반강접 적용이 경제성이 있음을 확인하였다.
위와 같은 결론으로 CFT 기둥과 보 접합부의 합성 반강접 형태를 볼트형태와 용접형태 두 가지로하여 경제성이 있으면서 시공성을 고려한 합성반강접 접합부를 개발 하였다. 개발된 상세는 반강접으로 설계한 후에 하부 접합상세를 변수로 하여 합성반강접 CFT 기둥-보 접합부의 단조 및 반복가력 실험을 수행하였다. 이에 의한 이론결과와 실험결과의 비교․분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 합성반강접 접합부 설계 시 강접합된 H형강보의 75% 강성을 확보하도록 계획하였으나, 약 80% 정도의 강성이 확보되었다. 이는 Eurocode 3의 접합부 성능평가 규준에 의한 반강접 접합의 강성범위 안에 속하였으며, 이를 통해 슬래브 보강철근만으로 충분한 강성이 확보됨을 확인할 수 있었다. 또한, 합성반강접 접합부는 상․하부 모두 0.04rad.의 비탄성회전각에 도달하였을 때, 전소성모멘트에 상응하는 내력이 확보되면서 급격한 내력 저하 현상 없이 안정적인 연성적 거동을 나타내었다. 국내와 같은 중약진 지역에 충분히 사용할 수 있음을 확인하였다.
실험 결과 접합상세를 충분히 설계에 적용이 가능함을 확인하였으므로 AISC-LRFD PRCCs Design Guide 8의 설계와 실험 결과를 비교하여 설계에 적용될 수 있도록 설계방안을 마련하고 설계 예를 만들었다. AISC 규준의 경우 시공하중 시 단순보로 검토 후에 해당 보가 설계하중에 전소성모멘트에 저항 할 경우에는 강접으로 적용하고 저항하지 못할 경우에는 반강접 설계를 하고 있는데 이렇게 하면 각 부재별로 반강접 성능이 다르게 적용되어 접합부별 균질하지 않은 골조 성능의 예상된다. 따라서, 안정성과 경제성을 검토한 후에 적절한 반강접 비율을 정한 후에 해당 접합부에 해당비율의 반강접 성능을 발휘하는 상세를 적용하는 것이 보다 실무적인 접근이라 판단된다. 정모멘트의 발생의 경우에는 내력식과 실험값의 편차가 약 70%이상으로 본 연구의 값이 컸다. 그 이유는 CFT 기둥의 설치로 기존의 H-형강 기둥보다 강성이 커 기둥 회전이 거의 없는 것이 원인으로 판단되었다. 따라서, 하단부의 접합성능이 정모멘트를 저항하는 능력이 부모멘트를 저항하는 능력이 1.7배 이상으로 크므로 최대 내력식을 수정하였다. 처짐 검토를 하기 위한 모멘트-회전각 식의 경우 부모멘트의 식은 AISC 규준을 그대로 준용하여도 좋을 것이나 정모멘트의 경우는 내력차이와 보플랜지 용접의 경우 초기 회전거동이 식보다 급격하므로 이에 대한 회전각을 평가하기 위하여 각 상세별로 수정식을 제안하였다. 마지막으로, 슬래브 철근의 경우 기둥 폭 7배내에 존재하는 연속이 되어 있을 경우 슬래브 철근도 합성거동에 기여하므로 보강근과 함께 보합성 거동으로 고려하여도 내력이 발휘됨을 실험으로 확인하였으므로 이를 설계 시에 적용하도록 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 합성반강접 접합의 개념 4
• 1.3 연구의 목적 및 방법 10
• 2. 기존 연구 고찰 15
• 2.1 건물 골조 해석 15
• 2.2 접합 상세 20
• 2.3 설계 규준 22
• 3. 건물의 안정성 및 경제성 평가 30
• 3.1 해석 및 설계 개요 30
• 3.2 저층건물 해석 및 고찰 32
• 3.3 고층건물 해석 및 고찰 38
• 3.4 부재설계 및 경제성 평가 45
• 4. 접합 상세 선정 및 설계 59
• 4.1 접합 상세 선정 59
• 4.2 접합 상세 설계 63
• 5. 접합부 실험 및 분석 73
• 5.1 실험체 계획 73
• 5.2 내력 및 강성 평가 80
• 5.3 접합부 단조 및 반복가력 실험 86
• 5.4 분석 및 평가 102
• 6. 합성반강접 보의 설계 방안 제안 128
• 6.1 설계 적용식 및 고려 사항 128
• 6.2 설계분석 및 제안 142
• 6.3 설계 예 147
• 7. 결 론 152
• 참고문헌 157
• 부록 161
• Abstract 171