CFT 모듈러 교각의 거동에 미치는 연결부 상세의 영향 평가 :Effects of connection details on behavior of a CFT modular bridge pier

정동기

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정동기 (중앙대학교, 中央大學校大學院)

지도교수: 심창수

발행연도: 2014

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이용수3

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

CFT 모듈러 교각의 거동에 미치는 연결부 상세의 영향 평가

정동기 토목공학과 2014.01 학위논문

2013

충전강관을 이용한 모듈러 교각의 연결부 내진성능평가

정동기 , 김동욱 , 심창수 외 1명 대한토목학회 학술대회 2013.10 학술대회자료

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모듈러 교량은 표준화된 모듈을 바탕으로 현장에서 조립하는 급속 시공능력을 지니고 있다. 사전에 제작장에서 제작된 표준 모듈은 품질의 우수성과 지속가능성 측면에서 큰 이점을 지니고 있다. 모듈러 기술을 교량시스템에 적용한 모듈러 교량은 다양한 현장 조건을 반영할 수 있는 표준 모듈의 조합으로 구조적인 안정성 검토를 확보해야한다. 표준화된 모듈은 코핑부, 기둥부, 기초부로 분류되며 교폭과 중량과 같은 영향인자에 유동적으로 대응할 수 있어야 한다. 세분화된 모듈을 조립시공 하는데 있어, 모듈간의 연결이 가장 중요하다. CFT 부재의 경우 합성단면으로 강관이 콘크리트의 거푸집 역할을 갖는 특징을 지니고 있어 제작이후 현장 타설시 공사기간의 단축과 더불어 부재의 변형량이 적어 모듈러 교량의 부재로 적합하다. 복수의 CFT 기둥 부재를 활용한 모듈러 교각의 실험적 연구에서는 주부재(기둥)와 부부재(연결부)로 분류된 4주식 실험체를 횡방향으로 변위제어를 통한 준정적 실험이 진행되었다. 초기 탄성구간에서는 설계하중을 만족 시키는 거동을 보였으나, 극한거동에서 주부재와 부부재를 연결하는 용접부에 Low cycle fatigue에 의한 피로균열로 인한 파단이 발생하여, 전체 모듈러 교각의 내하력과 강성이 감소하였다. 이 연구에서는 모듈러 교량의 내진성능 개선을 위해 연결부 상세에 따른 거동을 평가하였으며, 전체 시스템의 내진성능을 평가하였다. 제안된 연결부 상세는 보-기둥 접합부에서 일정거리 떨어진 위치의 단면에서 소성힌지가 발생하도록 유도하는 개념을 갖고 있으며, 피로에 의한 파괴를 방지하는 단면을 지니고 있다. 이는 연결부 접합면의 소성 모멘트 크기를 감소시켜 먼저 소성힌지에 도달하게 하여 용접부의 응력집중으로 인한 피로와 취성파괴의 가능성을 줄이게 된다. 제안된 연결부 상세에 대한 실험적 연구에서는 부부재인 연결부 상세를 반복하중으로 준정적 실험으로 진행하여, 모멘트-곡률과 파괴거동, 반복횟수에 의한 파괴 시점을 도출하였다. 이를 바탕으로 충전강관을 이용한 모듈러 교각의 연결부 상세에 따른 전체 구조물의 하중-변위 곡선과 연결부 상세의 거동을 평가하였다. 제안된 연결부 상세에서 소성영역에 먼저 도달하여 기둥부의 소성거동을 유도하였다. 반복재하 실험에서 양방향으로 2.52, 반대방향으로 2.75의 변위연성도를 산정하였다. 유한요소 해석을 통해 연결부 상세가 전체 교각의 거동에 미치는 영향을 평가하였으며, 연결부에서 먼저 소성힌지를 유도하기 위한 연결부 상세의 단면감소에 따라 전체교각의 내하력 및 내진 성능을 최적화 시킬 수 있음을 확인하였다.

Modular bridge system can provide accelerated bridge construction technologies using standardized modules and their assembly in construction sites. Prefabricated standard modules has benefits of higher quality and sustainability. Modular bridges require standard modules and their assemblies considering design conditions and structural safety. Standard modules of bridge piers consist of foundation, column, and pier cap units and need to accommodate design variations such as bridge width and dead weight of superstructures. One of the most critical issues in the construction of modular bridge piers is connection. A concrete filled steel tube (CFT) has a steel tube for concrete formwork resulting in shorter fabrication time and higher stiffness. Previous experimental works on a modular pier with multiple CFT columns had column modules and bracing members. Quasi-static tests were executed for the pier with four CFT columns under displacement control. In the range of elastic behavior, the pier showed satisfactory behavior but premature failure by low cycle fatigue at the welding parts was observed. This failure significantly reduced load capacity and stiffness of the modular pier. This paper evaluated static and seismic performance of the modular pier according to different connection details. Suggested details to prevent the fatigue failure at the connection had a reduced section to initiate plastic hinge at an intended location. This connection detail provide initial plastic hinger at the connection part without premature fatigue failure and damage of CFT columns by stress concentration. Cyclic tests for four specimens with different details were performed, and moment-curvature curves, ultimate strength, and failure cycles were derived. Based on the tests, load-displacement curves and local behavior of the connection were estimated from a cyclic test of a modular pier with a recommended detail. The test verified the design concept of initial plastic hinge at the connection and plastic behavior of four CFT columns without premature failure. The modular pier showed displacement ductility of 2.52 and 2.75 in positive and negative direction, respectively. From nonlinear finite element analyses, it can be said that load capacity and seismic performance of the modular pier can be optimized by changing the connection details.

제 1 장 서 론 1
1.1 배경 및 필요성 1
1.2 논문내용 4
1.3 논문의 구성 4
제 2 장 기존연구 6
2.1 원형 충전 강관을 사용한 모듈러 교량의 국내사례 6
2.2 원형 충전 강관의 휨 강도에 대한 연구 현황 8
2.3 보-기둥 접합부의 연구동향 9
2.4 원형 충전 강관의 수치계산을 위한 실험적 연구 11
2.4.1 내부 구속 콘크리트 효과 11
2.4.2 변형률 적합법 14
2.5 원형 충전 강관의 휨 거동에 대한 설계기준 15
2.5.1 원형 충전 강관 단면의 국부 안정성 15
2.5.2 Eurocode 4 16
제 3 장 충전원형 강관을 이용한 접합부 실험 19
3.1 실험체 계획 19
3.1.1 실험체 개요 19
3.1.2 실험체 셋팅 및 재하 프로그램 22
3.2 실험결과 26
3.2.1 접합부 실험 결과 26
3.2.2 시험체 거동 및 파괴 양상 28
3.3 실험결과 분석 36
3.3.1 항복강도와 강성저하 36
3.3.2 소성 변형률과 응력집중현상 38
3.3.3 모멘트 회전각 비교 45
3.3.4 에너지 소산능력 분석 47
3.4 소결 50
제 4 장 모듈러 교각 시스템의 휨 거동 평가 52
4.1 실험체 계획 52
4.1.1 실험체 개요 58
4.1.2 실험체 셋팅 및 재하 프로그램 60
4.2 실험결과 67
4.2.1 모듈러 교각의 휨 거동 67
4.2.2 접합부 거동 72
4.3 실험결과 분석 81
4.3.1 역학적 거동 평가 81
4.3.2 연성도 분석 83
4.3.3 에너지 소산능력 분석 85
4.4 소결 87
제 5 장 유한 요소 해석에 의한 설게 변수 평가 88
5.1 유한요소 해석 개요 88
5.2 유한요소 모델 89
5.2.1 강재와 콘크리트 재료모델 89
5.2.2 프레임 모델 90
5.2.3 요소 이상화 91
5.2.4 재하 및 경계조건 94
5.3 유한요소 해석 95
5.3.1 해석방법 95
5.3.2 모델검증 96
5.3.3 단조증가 하중에 대한 거동 98
5.3.4 반복하중에 대한 거동 101
5.3.4 실험결과 분석 104
5.6 소결 105
제 6 장 결론 및 추후 연구 106
6.1 결론 106
6.2 추후연구 108
참고문헌 109
국문초록 115
Abstract 117

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