U字形 鋼板을 이용한 合成보의 構造的 性能에 관한 硏究 = Structural behavior of composite beam using U-type steel plate

국문 초록 (Abstract)

지금까지 가장 널리 사용되고 있는 구조형식은 철근콘크리트구조와 철골구조이다. 이들로부터 파생된 것으로 철골 철근콘크리트구조, 합성구조 및 프리스트레스(PS) 콘크리트구조 등이 있기는 하나, 구조형식의 특성은 앞의 두 가지 구조로 크게 구분할 수 있다
철골구조와 철근콘크리트 구조의 장점을 조합하여 새롭게 제안된 U자형 강판을 이용한 T형 합성보(이하 T형 합성보라 칭함 ; T shaped composite beam)는 기존의 철근콘크리트보에 철판을 U자형으로 둘러싼 형태로 슬래브를 포함한 단면형상으로 시공 시 거푸집의 기능과 인장재 역할을 하며, 내부에 콘크리트를 채움으로써 휨 강성을 증가시킨 보이다.
따라서, T형 합성보는 철근콘크리트조의 경제성과 철골조의 공기단축 그리고 휨 강성 개선에 의한 층고절감 및 처짐, 진동 등의 사용성을 개선시킨 구조형식이다.
U자형 강판을 이용한 합성보의 거동에 관한 실험과 이론해석 결과에 의해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 초기강성은 하부 플레이트의 두께가 6, 12, 18mm로 증가함에 따라 1.83, 2.77∼2.94, 3.85tf/mm로 증가 하였으며, 하부에 철근을 3-HD25, 6-HD25로 보강한 경우에도 기준형(T4-N-K20R20)실험체의 값인 1.05tf/mm에 비해 2.16, 2.55tf/mm로 증가하였다. 최대내력 또한 하부플레이트의 두께의 증가와 보강량에 따라 증가하였다.
2. 철근배근과 플레이트 덧판 용접, PS 강선을 이용한 방법 모두 항복 및 최대내력이 상승하여 보강효과가 우수하다. 그러나 일부 과다하게 인장보강 한 실험체에서 최대내력 이후 하중저하현상이 크게 발생하였다. 이는 콘크리트의 압축내력보다 보강한 인장측의 내력이 상대적으로 과다하여 철골부분이 충분한 변형을 보이기 전에 콘크리트 슬래브에서 취성적인 압축파괴와 함께 철골의 상부플랜지부분도 좌굴하며 내력이 저하된 것으로 평가된다.
3. T형 합성보의 형태에 맞게 변형하여 제시한 이론식(식 2.30 ∼식 2.46)에 따라 계산한 소성모멘트에 대한 실험결과 최대휨내력의 비는 용접제작한 실험체에서 1.15∼1.21, 성형제작한 실험체에서 1.09∼1.23으로 나타났다. 이 결과로부터 기존 합성보의 소성이론을 U자형 강판을 이용한 합성보의 형태에 맞게 변형하여 제시한 이론식에 안전율을 고려하여 설계식으로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
4. 변형능력과 흡수에너지는 콘크리트 슬래브에 정착되는 쉬어커넥터 및 콘크리트의 수평전단력에 의한 합성률이 100%인 완전합성보에 가까울수록 크게 나타났다.
5. 하부 쉬어커넥터가 없는 TSC12C-R20S00실험체의 최대내력은 36.24 tf으로 기준형 실험체(TSC12C-R20S20)의 최대내력 41.08tf에 비해 크게 부족하였다. 그러나 하부에 쉬어커넥터 또는 쉬어키가 있는 실험체는 상대적으로 내력과 변형능력 등이 우수한 것으로 나타났다. 하부의 쉬어키는 콘크리트에 발생한 초기균열을 분산시키는 역할을 하여 응력집중에 의한 조기파괴를 억제하는 것으로 판단된다.
하부의 쉬어키 대신에 인장철근을 배치한 T4-3-NR20실험체의 경우에도 균열의 분산이 가능하여 최대내력 이후의 하중저하현상이 일어나지 않았다.
6. T형 합성보의 시공성을 고려하여 상부 쉬어커넥터를 철근대신 ㄷ형강을 사용한 실험체도 철근을 사용한 기준형 실험체의 최대내력과 거의 같게 나타났으며, 급격한 하중저하 없이 변형능력도 좋게 나타났다.
이상으로부터 합성구조로 개발 연구 중인 U자형 강판을 이용한 T형 합성보는 외부의 강판을 구조재로 이용하여 기존의 합성보와 같이 구조재로 적용이 가능하다. 다만, 압축 측의 강재단면이 적으므로 콘크리트의 압축내력의 확보가 중요하며, 완전합성이 될 수 있도록 설계하여야 한다. 그리고 콘크리트슬래브부분이 먼저 파괴되어 취성파괴에 이르지 않도록 콘크리트의 압축내력이상으로 철골단면을 크게 하거나 인장보강을 과하게 하지 않도록 하여야한다.
그리고 쉬어커넥터는 스터드 이외에도, 이형철근과 ㄷ형강 모두 적용 가능하고 이 때 T형 합성보는 계산에 의한 전단내력 이상을 확보하여 충분한 합성거동을 보였다. 하부 인장측의 내력보강 방법은 철판보강 뿐만 아니라 이형철근과 포스트 텐션의 사용 가능성을 확인하였다.
또한, U자형으로 구성된 강판 내부에 콘크리트를 충전하므로 일반 H형강 합성보 보다 처짐 및 진동 등의 사용성이 우수하고 지하구조물에서 토압을 받는 경우에 보다 경제적인 설계가 가능할 것으로 사료된다.
그러므로 새로운 형태의 합성보의 장점을 보다 많이 활용하기 위해 제작 및 시공성의 개선은 물론 기둥과 U자형 강판을 이용한 T형 합성보 접합부 등에 대해 지속적인 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 目次 = i
• 表目次 = x
• 그림目次 = xi
• 寫眞目次 = ix
• 記號 = xi
• 〈國文要約〉 = xiv
• 第1章 序論 = 1
• 1.1 硏究의 背景 = 1
• 1.2 硏究의 目的 = 4
• 1.3 硏究의 範圍 및 方法 = 8
• 第2章 合成보에 관한 理論式 및 設計基準 = 11
• 2.1 槪要 = 11
• 2.2 完全合成보의 耐力評價式 = 16
• 2.3 不完全合成보의 耐力評價式 = 19
• 2.4 合成보에 관련된 國內外 基準 = 22
• 2.5 T形 合成보의 耐力評價式 = 26
• 2.5.1 塑性應力 分布 = 26
• 2.5.2 完全合成보의 耐力評價 = 27
• 2.5.3 不完全 合成보의 내력평가 = 31
• 2.6 T形 合成보의 設計時 考慮事項 = 34
• 第3章 鎔接製作한 T形合成보의 實驗 = 38
• 3.1 槪要 = 38
• 3.2 實驗計劃 = 38
• 3.3 實驗體 = 39
• 3.4 素材試驗 = 44
• 3.5 實驗體의 加力 및 測定方法 = 45
• 3.6 實驗結果 및 破壞形狀 = 47
• 3.6.1 實驗結果 = 47
• 3.6.2 破壞形狀 = 49
• 3.7 荷重-變位曲線 = 56
• 3.7.1 引張 플레이트 두께에 따른 比較 = 57
• 3.7.2 쉬어커넥터의 配置방법에 따른 비교 = 57
• 3.7.3 下部 플레이트의 鎔接 方法에 따른 比較 = 59
• 3.7.4 T形 合成보와 旣存形 보의 比較 = 60
• 第4章 成形製作한 T形 合成보의 實驗 = 61
• 4.1 槪要 = 61
• 4.2 實驗計劃 = 61
• 4.3 實驗體 = 62
• 4.4 素材試驗 = 73
• 4.5 實驗體의 加力 및 測定方法 = 75
• 4.6 實驗結果 및 破壞形狀 = 76
• 4.6.1 實驗結果 = 76
• 4.6.2 破壞形狀 = 77
• 4.7 荷重-變位曲線 = 90
• 4.7.1 판두께에 따른 比較 = 90
• 4.7.2 引張補强에 따른 비교 = 91
• 4.7.3 下部 쉬어키에 따른 比較 = 93
• 4.7.4 上部 剪斷連結材에 따른 比較 = 94
• 第5章 T形 合成보의 實驗結果分析 및 耐力評價 = 95
• 5.1 槪要 = 95
• 5.2 鎔接製作한 T形 合成보 = 95
• 5.2.1 耐力評價 = 96
• 5.2.2 實驗結果 分析 = 97
• 5.2.3 合成率의 影響 = 101
• 5.2.4 中立軸의 變化 = 103
• 5.3 成形製作한 T形 合成보 = 108
• 5.3.1 耐力評價 = 108
• 5.3.2 實驗結果 分析 = 111
• 5.3.3 合成率의 影響 = 113
• 5.3.4 쉬어커넥터의 實驗結果 = 115
• 第6章 結論 = 118
• 附錄. 쉬어커넥터의 耐力試驗 = 121
• 1. 實驗體 計劃 = 121
• 2. 素材實驗 = 125
• 3. 實驗 方法 = 126
• 4. 實驗結果 = 127
• 5. 履歷曲線 및 破壞形狀 = 128
• 6. 實驗結果 分析 = 137
• 7. 耐力評價 = 140
• 參考文獻 = 142
• 硏究發表論文 = 147
• ABSTRACT = 149