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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.3 pp.9-13
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.3.9

Seismic Performance of Hybrid Forming Composite Beam

Kim Sung-Bae*, Kim Sang-Seup**, Lee Kyung-Koo***, Kim Min-Sik****
*The Naeun Structural Engineering Co., Ltd.
**Korea University of Technology and Education
***Dept. of Architectural Engineering, Dankook Univ.
****NI Steel Co., Ltd.

Abstract


성형 제작 합성보(HyFo Beam)의 내진 성능

김 성 배*, 김 상 섭**, 이 경 구***, 김 민 식****
*㈜더나은구조엔지니어링 소장
**한국기술교육대학교 디자인·건축공학부 교수
***단국대학교 건축공학과 부교수
****㈜엔아이스틸 과장

초록


    1. 성형 제작 합성보

    최근 경제성 및 시공성을 확보하고 콘크리트와 강재의 재료적 장점을 결합한 합성 구조에 대한 연 구가 다양하게 진행되고 있다. 이에 본 기사에서는 열연 코일을 상온에서 냉간으로 성형 제작하는 냉 간 성형보(HyFo beam)를 활용한 기둥-보 접합부 의 내진 성능 평가 결과를 간략히 소개하고자 한다.

    HyFo 합성보는 보 내부에 고강도 철근과 강재를 사용한 하이브리드 구조와 슬래브 및 강재보를 시 어 커넥터로 일체화한 구조의 조합이다. HyFo 보 형상은 2개의 대칭되는 상부 강판과 ㄷ자 형상의 하 부 강판으로 구성되며, 상부 강판과 하부 강판은 고 력 볼트로 일체화 하였다<Fig. 1>. 상부와 하부 앵 글은 비구조재이며, 보 내부에는 슬래브와 함께 콘 크리트로 일체화한다1). HyFo 보와 기둥 접합부는 기둥의 형상에 따라 적용이 가능하며, 내진 성능은 철골 철근 콘크리트 기둥과 콘크리트 충전 기둥 등 으로 구분하여 평가하였다2),3).

    2. SRC 기둥과 합성보 내진 성능

    철골 철근 콘크리트 기둥(SRC 기둥)과 HyFo 합 성보 접합부의 내진 성능 실험은 1차와 2차에 걸쳐 실물 크기로 제작하여 실시하였다. HyFo 보의 춤은 1차 실험의 경우 300mm, 500mm, 2차 실험의 경 우 600mm, 800mm이다. 실험체 수는 각각 3개씩 제작하여 실시하였다.

    1차와 2차 실험 모두 송도 소재 포항산업과학 연구원의 실험동에서 실시하였다. 보의 순 길이는 2,880mm이며, 엑츄에이터의 가력점에서 기둥 중 심까지의 길이는 3,280mm, 기둥 상 ․ 하부 지점간 거리는 2,500mm이다. 슬래브 폭은 2,000mm이고, 슬래브 두께는 150mm(1차), 180mm(2차)이다. 기 둥과 보 접합부는 브라켓 형식을 적용하였으며, 브 라켓 길이는 강축 방향의 기둥 플랜지면에서 200mm(1차)와 600mm(2차)이다. 기둥 브라켓과 보 접합은 측면과 하부 모두 고장력 볼트(F10T M22) 로 접합하였다.

    <Fig. 2>는 2차 실험의 실험체 셋팅 전경이고, <Fig. 3>은 2차 실험에서 실시한 브라켓과 보 이음 부의 볼트 상세이다. <Fig. 4>는 1차 실험과 2차 실 험에 대한 파괴 양상이다. 1차 실험은 최대 하중 이 후 하부 플랜지 이음판의 미끄러짐이 발생하였고, 2차 실험은 하부 플랜지와 최외단 볼트 부분 이음 판의 파단 및 국부 좌굴이 발생하였다. <Fig. 5>는 보 춤이 600mm인 실험체의 모멘트-회전각 그래프 이다.

    1차와 2차 실험 결과 모두 중간 모멘트 골조의 내 진 성능을 확보하였다. 1차 실험 결과, 정모멘트가 부모멘트에 비해 내력이 저하하여 정모멘트 부분의 저항 능력 향상이 필요한 것으로 확인되었으며, 실험 결과를 반영하여 현장 적용 접합부 상세를 변경하였 다. 2차 실험은 보 춤이 큰 경우(600mm, 800mm) 접합부가 합성 중간 모멘트 골조 이상의 내진 성능 을 확보하기 위해 웨브 또는 하부 플랜지에 볼트를 추가하는 상세를 적용하면 내진 성능이 향상되어 합성 중간 모멘트 골조의 내진 성능을 확보하는 것 으로 확인되었다.

    3. CFT 기둥과 합성보 내진 성능

    콘크리트 충전 각형 강관 기둥과 HyFo 합성보 접 합부의 내진 성능 평가를 위해 접합부 및 용접부 상 세를 변수로 기둥-보 접합부의 내진 성능 실험을 실시하였다.

    각형 강관 기둥(D-Column)과 HyFo 합성보 접 합부의 내진 성능 평가는 강기둥-약보 설계 개념으 로 실험체를 제작하였다. 이때 각형 강관 기둥에 외 부 다이아프램을 적용하였으며 브라켓과 고장력 볼 트를 이용하여 접합하였다. 실험체는 하부 접합부 의 고장력 볼트 개수와 각형 강관 기둥의 용접 방법 을 변수로 2개의 실험체를 제작하였다. 실험체는 HF-700×270×6×6의 HyFo 보가 사용되었으며, 기둥은 Built-up으로 제작된 □-600×600×16의 각형 강관 기둥을 적용하였다.

    <Fig. 6>은 실험체 설치 전경이며 <Fig. 7>은 접 합부 상세이다. 상·하부 외부 다이아프램 상세는 <Fig. 7 (a)>와 같으며 HyFo 합성보 플랜지 두께의 2배인 12mm 강판을 사용하였다. CFT 각형 강관 기둥 모서리부의 용접은 <Fig. 7 (b)>와 같이 그루 브 용접(Complete joint penetration)과 부분 용입 용접(Partial joint penetration)으로 구분하였다. 브라켓 길이는 기둥 중심에서 800mm가 되도록 하 였다. 각형 강관 기둥과 보 접합부 상세를 살펴보면 상부 외부 다이아프램과 플랜지는 그루브 용접으로 접합하였으며, 웨브와 하부 강판은 이음판(9mm) 과 고장력 볼트(F10T M22)를 이용하고 하부 강판 의 고장력 볼트의 개수를 달리하여 실험체를 제작 하였다.

    <Fig. 8>은 모멘트-회전각 곡선이다. 실험 결과, 두 실험체 모두 설계 기준 강도로 평가 시 최대 하 중 이후 0.03rad에서 소성 모멘트의 80% 이상을 만족하여 중간 모멘트 골조의 성능을 발휘하였다. 각형 강관은 롤이나 프레스 성형으로 제작하지만 플레이트를 절단하여 모서리 용접으로 제작 시 용 접각장은 판 두께의 2/3 이상을 확보하면 내진 성 능이 확보되는 것으로 확인되었다.

    4. HyFo 보-기둥 접합부 해석 검증

    HyFo 합성보와 기둥의 내진 성능에 대한 해석적 검증은 철골 철근 콘크리트 기둥(SRC)과 HyFo 보 춤 800mm를 대상으로 실시하였다. 해석 프로그램 은 ABAQUS를 이용하였으며, 해석 모델은 콘크리 트와 강재의 응력-변형률 관계를 적용하였다. 하중 조건은 변위 제어이며 실험체와 동일한 경계 조건 을 구현하였다. 해석은 슬래브가 인장을 받는 하중 을 가력하였으며, 슬래브와 HyFo 보, 브라켓, SRC 기둥을 모델링 하였고, X축(슬래브 폭 방향) 대칭을 반영해 1/2 모델로 해석하였다.

    해석 결과, 브라켓과 H형강 기둥 접합부, 브라켓 상부 플랜지, 슬래브 인장 주철근, 브라켓 웨브의 순서로 항복이 진전되었다. <Fig. 9>는 슬래브 보 강 철근의 해석 결과이며 <Fig. 10>은 회전각 0.03rad에서의 응력 분포이다. 브라켓의 경우 충분 한 소성 상태를 보이고 있으나 인장 강도 미만이며 파단 가능성과 국부 좌굴은 없는 것으로 확인되었 다. 또한 해석 결과는 실험 결과와 잘 일치함을 확 인하였다.

    5. 결언

    포스코의 열연 코일을 이용하여 냉간 성형으로 제작하는 HyFo 합성보와 철골 철근 콘크리트 기둥 및 콘크리트 충전 각형 강관 기둥으로 구성된 접합 부에 대해 내진 성능 평가를 실험적 ․ 해석적으로 검 증하였다. 실험 결과, 모든 실험체는 최대 하중 이 후 0.03rad에서 소성 모멘트의 80% 이상을 만족하 는 중간 모멘트 골조의 내진 성능을 확보하였다. 춤 이 큰 HyFo beam의 경우 브라켓과 보 이음부의 볼 트 수를 증가시킨 상세를 반영하면 800mm 이하까 지 중간 모멘트 골조의 내진 성능을 확보하는 것으 로 실험 및 해석적 검증을 통해 확인하였다. 이러한 연구 결과를 중심으로 한국강구조학회의 기술 인증 을 획득하였으며(제 KSSC CST 2019-01, 2019. 03. 11) 국토교통부 신기술지정(제800호, 2016. 10. 21)을 취득하였다.

    Figure

    KASS-19-3-9_F1.gif

    Hybrid Forming composite beam

    KASS-19-3-9_F2.gif

    Test setting

    KASS-19-3-9_F3.gif

    Bracket-Beam detail

    KASS-19-3-9_F4.gif

    Failure shape

    KASS-19-3-9_F5.gif

    Moment-Rotation curve

    KASS-19-3-9_F6.gif

    Test setting

    KASS-19-3-9_F7.gif

    Connection detail

    KASS-19-3-9_F8.gif

    Moment-Rotation curve

    KASS-19-3-9_F9.gif

    Re-bar yielding in slab

    KASS-19-3-9_F10.gif

    Stress distribution on 0.03rad

    Table

    Reference

    1. Kim, S. B., Kim, S. S., & Ryu, D. S., “Study on the Cyclic Seismic Testing of U-shape Hybrid Composite Beam-to-Composite Column Connections”, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol.25, No.1, pp.47∼59, 2013
    2. Kim, S. B., Cho, S. H., Choi, Y. H., & Kim, S. S., “An Experimental study on bending performance of Hybrid Forming composite beam”, International Journal of Steel Structures, Vol.17, No.4, pp.1639∼1649, 2017
    3. Choi, Y. H., Kim, S. B., Hong, H. J., & Kim, S. S., “A Study on the Bending and Seismic Performance of High Performance Cold Forming Composite Beam”, International Journal of Steel Structures, Vol.18, No.5, pp.1772∼1783, 2018