강접합 연결된 강재보-철근 콘크리트 보의 내진성능 평가 :Seismic Performance Evaluation of Hybrid System Composed of Steel-Reinforced Concrete Beams with Rigid Joint

서은아

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서은아 (경기대학교, 경기대학교 일반대학원)

지도교수: 양근혁

발행연도: 2015

저작권: 경기대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

강재 보-PC 보가 강접합 연결된 하이브리드 보의 휨 거동 평가

서은아 , 양근혁 , 홍승현 콘크리트학회 논문집 2016.02 학술저널

2015

강접합 연결된 강재보-철근 콘크리트 보의 내진성능 평가

서은아 건축공 2015.01 학위논문

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본 연구의 주요 목적은 시공성과 내진성능을 향상한 새로운 시스템의 강재보-철근 콘크리트 보가 강접합 연결된 하이브리드 보 시스템(Hybrid Seismic Beam, HSB) 개발 및 설계 프로세스를 제시하는 것이다. 이를 위해 강재보와 프리캐스트 콘크리트 보의 연결상세에 대해 다음과 같은 기술들이 고려되었다: 1) 프리캐스트 콘크리트 보와 강재보를 연결하기위해 L형 연결재를 이용하였다; 2) 프리캐스트 콘크리트 상·하부 주철근에서 강재보로의 원할한 응력전달을 위하여 L형 연결재의 상부 홀과 하부 톱니형 거치대가 제시되었다; 3) L형 연결재에 정착되는 철근의 끝단을 나사선으로 가공하여 커플러 연결에 의한 기계적 정착을 용이하게 하였다; 4) 하이브리드 내진 보의 내진성능을 향상하기 위해서 절점영역의 설계상세는 L자 연결재를 이용하여 절점을 고정단으로 구현하였다; 5) 제시된 시스템의 휨 설계를 위하여 단면분할법과 이상화된 곡률분포로부터 휨 거동을 예측하기위한 모델과 파괴하중과 강재보와 철근 콘크리트 보의 길이와 강성을 고려한 처짐량 예측 모델을 제시하였다; 6) 강재 보와 철근콘크리트 보의 연결부위에서 소성힌지를 철근콘크리트 보에서 형성되게 함으로서 전단에 의한 콘크리트 취성파괴를 방지하였다.
제시된 HSB 시스템의 내진성능 평가를 위해 경간 8.2 m의 휨 실험체 6개를 양단고정 조건에서 반복가력 실험을 수행하였다. 주요변수는 강재보의 길이와 연결절점의 상세이다. 실험체 가력은 변위제어 하에서 3 사이클(Cycle)씩 반복하였으며 각 사이클당 수직변위의 크기는 부재 항복변위의 함수로 증분하였다. 제시된 연결부의 원할한 응력흐름을 평가하기 위하여 주철근 및 단부 강재보의 변형률을 측정하였다.
실험결과 실험체의 평균 변위연성비는 2.5 이상으로 기존 하이브리드 보 실험체보다 약 20% 높은 연성능력을 확보하였다. 강재보의 길이를 단부에서 변곡점까지 길이()의 0.5배로 줄여도 강재보 길이가 1.0인 실험체보다 동등이상의 내력 및 연성능력을 나타내었다. HSB의 최대내력은 연결절점의 위치에 의해 영향을 중요하게 받지 않았다. 반면, R0.5F 실험체의 일손상지수는 동일 변위에서 R1.0F 및 R0.25F 실험체에 비해 각각 58.9%와 74.8% 높았다. HSB 시스템은 강재보와 프리캐스트 콘크리트 보의 연결절점에서 주철근 항복과 동시에 소성힌지가 발생하였다. 또한 프리캐스트 콘크리트보에서 응력이 강재보로 원활하게 전달되었다. 결과적으로 강재보의 길이가 0.5인 시스템이 내진성능이 가장 우수하였다. 또한 본 연구에서 제시한 HSB의 하중-처짐 곡선 및 휨모멘트와 붕괴메커니즘에 기반한 파괴하중 예측 모델은 실험결과와 잘 일치하였다.

The purpose of this study is to develop a new hybrid seismic beam (HSB) system composed of steel-reinforced concrete beams with rigid joint and propose a reliable design process of the developed HSB system. To realize a rigid joint between steel and precast reinforced concrete beams, the following technologies were considered: 1) L-shaped connector was developed to straightforwardly connect precast concrete and steel beams; 2) The top holes and sawtooth in the L-shaped connector were devised for stress transfer from the precast concrete beam to a steel beam; 3) End of reinforcing bars was processed to be a screw for easy anchorage into the L-shaped connector through a coupler connection; 4) Design details of the joint area was realized to be a rigid joint in order to improve the seismic performance of the developed HSB system; 5) A rational design process of the developed HSB system under construction step, service state, and ultimate state including flexure and shear was established based on the code provisions (ACI 318-11 and AISC 327-12A) and analytical tools such as section lamina method, equivalent plastic hinge length, and energy equilibrium method; 6) Plastic hinge is designed to be formulated at the precast concrete beams rather than steel beams in the rigid joint to prevent the brittle failure of HSB system owing to shear failure of concrete.
Six specimens with total length of 8.2 m were tested under cyclic one-point top loading to evaluate the significance and limitation of the developed HSB system. The main parameters investigated were the location of the rigid joint (i.e. length of end steel beam) and details of the rigid joint. Both ends of all specimens were fixed to examine the joint behavior under cyclic loading. The strains of reinforcing bars and flange of the steel beams were measured to examine the stress transfer at the rigid joint.
Test results showed that the developed HSB retained a higher ductility as much as 20% than the existing hybrid beam systems with a gerber joint. The flexural strength of HSB with 0.5Ls was comparable to that of the companion HSB specimens with 1.0Ls or 0.25Ls, where Ls is the distance from the support to point of inflection. This indicates that the flexural strength of the developed HSB system is marginally affected by the location of the rigid joint. On the other hand, the ductility of HSB with 0.5Ls was higher that the companion HSB specimens with 1.0Ls or 0.25Ls, revealing that the work damage index of HSB with 0.5Ls was measured to be higher by 58.9% and 74.8%, respectively, compared with that of the other specimens. As it might be expected, a plastic hinge in the all HSB specimens occurred at the mid-length of the beam and at the reinforced concrete zone within the rigid joint. The predictions (including load-deflection curves, flexural cracking strength, ultimate flexural strength, and collapse load based on the energy equilibrium method) obtained from the proposed design process were in good agreement with test results. Overall, the optimum Ls for the developed HSB system can be recommended to be 0.5Ls, in particularly, in terms of the ductility.

#하이브리드 보 #HSB #내진성능 #변위연성비 #일손상지수 #소성힌지

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 필요성 1
1.2 연구의 목적 2
1.3 연구내용 및 범위 2
1.4 연구방법 3
제 2 장 설계기준 및 기존연구 분석 7
2.1 일반사항 7
2.2 설계기준 8
2.2.1 휨 설계 8
2.2.2 철근콘크리트 보 영역에서의 전단설계 12
2.2.3 강재보와 콘크리트 보 절점에서의 전단마찰 설계 13
2.2.4 철근 콘크리트 보의 유효 단면2차 모멘트 14
2.2.5 강재보의 비틀림 및 횡좌굴 15
2.2.6 절점에서 스터드 볼트 설계 17
2.2.7 기계적 정착길이 및 확대머리 철근의 이음길이 18
2.3 하이브리드 절점방식에 대한 기존연구 19
2.3.1 보강철물 매립형 하이브리드 보 20
2.3.2 단부 콘크리트 보강형 하이브리드 보 21
2.3.3 TPS 공법 22
2.4 기존기술에 대한 접합부 예비실험결과 23
2.4.1 실험체 상세 23
2.4.2 실험방법 23
2.4.3 기존 접합부 실험결과 및 분석 24
2.5 소결 31
제 3 장 기술개요 33
3.1 기술상세 33
3.1.1 절점 시공성 35
3.1.2 구조적 성능 35
3.1.3 기존 기술과의 비교 37
3.1.4 경제성 분석 37
3.2 설계 가이드라인 제시 42
3.2.1 HSB의 휨 설계 절차 42
3.2.2 하중-처짐 곡선 45
3.2.3 재료의 구성 방정식 49
3.2.4 L형 연결재 두께 52
3.2.5 PC보 자중 및 시공하중 하에서 연결부 철근의 전단응력 검토 54
3.2.6 연결부에서 전단철근 설계 56
3.2.7 붕괴메커니즘 57
3.2.8 강재보와 콘크리트 보의 길이 및 강성을 고려한 HSB의 처짐 59
3.2.9 연성비 기반 설계프로세스 60
3.3 소결 63
제 4 장 실험 64
4.1 일반사항 64
4.2 실험체 계획 64
4.2.1 실험변수 설정 64
4.2.2 실험체 상세 65
4.3 재료 73
4.4 실험방법 75
제 5 장 실험결과 및 분석 79
5.1 일반사항 79
5.2 균열진전 및 파괴모드 79
5.3 하중-처짐 관계 84
5.3.1 실험결과 84
5.3.2 중간모멘트 골조 상세를 갖는 RC 보와 비교 91
5.4 휨 강성비 92
5.5 절점 거동 94
5.6 주철근 변형률 분포 및 소성힌지 길이 98
5.7 연성 103
5.7.1 일 손상지수 103
5.7.2 변위연성비 105
5.8 HSB 시스템의 처짐량 예측모델과 실험결과 비교 106
5.9 실험결과와 설계기준 및 제안모델과의 비교 110
5.9.1 하중-처짐 곡선 110
5.9.2 내력 110
5.9.3 붕괴메커니즘을 기반한 파괴하중 112
5.10 소결 113
제 6 장 결 론 114
참고문헌 116
부 록 119
부 1. 엑셀 VBA를 이용한 2차원 비선형 해석 120
부 2. 기존 하이브리드 보 연결절점 거동평가를 위한 보-기둥 외부 접합부 실험 129
부 3. 양단고정 반복가력 하에서 HSB 시스템의 구조성능평가 실험 132
Abstract 139

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