기둥-기초 연결부의 형식에 따른 CFT 합성기둥의 극한강도와 극한모멘트 평가

Ultimate strength and moment evaluation on CFT(Concrete filled tube) composite column for type of column-foundation connection

김 한 국      ․      강 구 조*      ․      홍 길 동

* 교신저자(Corresponding Author, kssc@mail.kssc.or.kr)

**대학교 **학과 박사과정

**대학교 ***학과 부교수, 공학박사

**건설 **개발원 과장, 공학박사

Kim, Han Kuk          Kang, Ku Jo         Hong, Gil Dong

ABSTRACT：To evaluate ultimate strength and moment of CFT composite column acting compressive load and bending moment, strength evaluation estimation equation and flexural stiffness are need. But, these are determined by load-displacement and moment curvature relationships according to material properties and section properties. In this study, therefore, after verifying the feasibility by comparing experimental results and commercial finite element program results applied modified stress-strain relationship, behavior of the CFT composite column on type of column-based connection were analyzed.

1. 서  론

현재 국내 설계기준은 원형합성기둥-기초부 베이스플레이트 접합부의 설계상세에 대한 명확한 기준이 정립되지 않고 있으며, 이와 관련된 연구도 매우 미비한 실정이다. 또한 시공시 기초부에 앵커프레임 설치로 인하여 설계 및 시공이 복잡해지고 규모가 과대해지는 문제점이 있다.

2. 강합성 압축부재의 응력-변형률 관계

콘크리트의 압축강도는 1축 응력(uniaxial stress)을 받는 경우에 대한 것이다. 그러나 기둥(column)과 같은 압축부재는 축력과 휨모멘트가 작용하는 구조물로서 압축응력과 전단응력이 조합된 응력들을 받게 되며, 이러한 조합된 응력들은 아무리 복잡하게 작용하더라도 정육면체 요소에 작용하는 서로 직교하는 3방향의 주응력으로 바꾸어 놓을 수 있다. 이 3개의 주응력 가운데서 하나가 0이면 2축 응력(biaxial stress)을 받는 경우이고, 2개가 0이면 1축 응력을 받는 경우가 된다. 그러나 이러한 조합응력에 대한 최근의 많은 연구에도 불구하고 조합응력을 받는 콘크리트의 강도에 대한 이론은 아직 확립되어 있지 않으며, 더욱 콘크리트의 3축 응력(triaxial stress)에 대한 연구는 재하 장치를 이용하여 자유롭게 3방향에서 동시에 재하하기가 어렵기 때문에 실험결과는 적다. 현재까지의 연구로부터 얻을 수 있는 콘크리트의 3축 응력에 대한 결론은 다음과 같다.

(1) 3방향의 응력의 크기가 서로 같은 3축 압축응력 상태에 있어서는 콘크리트의 강도는 1축 압축응력보다 큰 값을 나타낸다.

(2) 2축의 압축응력은 서로 크기가 같고, 제3방향의 압축응력이 작을 때는 콘크리트 강도는 20% 이상 증가한다.

(3) 압축이 적어도 하나의 인장과 결합된 응력상태에서는 중간 주응력은 거의 영향을 미치지 않는다. 실제로 조합응력을 받는 콘크리트의 강도를 모든 작용응력과 방향을 계산한다는 것은 거의 불가능하기 때문에 압축부재의 설계는 해석이론보다는 광범위한 실험결과에 더 근거하게 되고, 이것은 조합응력이 작용하는 곳에서는 더욱 그러하다.

그림1.원형단면을 갖는 CFT 압축부재의 자유물체도

그림 . 원형단면을 갖는 CFT 압축부재의 자유물체도

3. 강합성 압축부재의 하중-변위 관계

직접법(direct method)은 평형방정식(equation of equilibrium), 변형률-변위 관계식(strain-displacement equation) 및 응력-변형률 관계식(constitutive relationship) 등을 직접 조합하고 하중-변위 관계를 활용하여 요소의 강성행렬을 구성하는 가장 기본적인 방법으로 직접법에 의한 일반적인 정식화 과정은 다음과 같다.

제1단계 : 요소 내의 변위[eqn: ``bold{u}``]를 일반화된 변위(generalized displacement)[eqn: ``left{ `a ` right} `]로 나타낸다.

제2단계 : 요소 내의 변위[eqn: ``bold{u}``]를 형상함수(shape function) 또는 보간함수(interpolation function)에 의하여 절점변위[eqn: ``left{ `u ` right} `]로 나타낸다.

[eqn: `` bold{u} ``=`[`N``] LEFT { `u` RIGHT } ``]

제3단계 : 요소 내의 변형률[eqn: ``bold{ epsilon }``]을 변형률-변위 관계식에 의하여 절점변위[eqn: ``left{ `u ` right} `]로 나타낸다.

[eqn: ``bold{ epsilon }``=` [`B``] left{`u` right}``]

제4단계 : 요소 내의 응력[eqn: ``bold{ sigma }``]을 응력-변위 관계식에 의하여 절점변위[eqn: ``left{ `u ` right} `]로 나타낸다.

[eqn: ``bold{ sigma }``=`[`E``] [`B``] left{`u` right}``]

제5단계 : 절점력[eqn: ``left{ `F `` right} `]과 절점변위[eqn: ``left{ `u ` right} `]와의 관계를 나타내는 요소 강성행렬을 구한다.

[eqn: `` left{ `F`` right} ``=`[`A``] LEFT { ` sigma` RIGHT } ``=`[`A``][`E``][`B``]LEFT { ` sigma` RIGHT } ``]

[eqn: ``therefore~`` bold{ left{ `F`` right} ``=`[`K``] LEFT { ` u` RIGHT } ``]

4. 결 론

본 연구에서는 구속효과를 고려한 수정된 응력-변형률 관계를 적용한 상용유한요소 해석프로그램을 이용하여 실험결과와 비교 분석하여 타당성을 검증한 후, 기둥-기초 연결부의 형식에 따른 CFT 합성기둥의 거동을 분석하였다. 그 결과 해석결과에 가장 많이 영향을 미치는 요소는 연결부라는 것을 알 수 있었다.

참고문헌

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