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학위논문 상세정보

유한요소 해석을 이용한 띠철판 기둥의 구속효과 및 내력에 관한 이론적 연구 원문보기
A Theoretical Study on the Confinement Effects and Structural Capacity of Steel Plate Tied Column by F.E.M Analysis

  • 저자

    郭東京

  • 학위수여기관

    명지대학교

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    建築工學

  • 지도교수

  • 발행년도

    2000

  • 총페이지

    xiv, 98 p.

  • 키워드

    유한요소 띠철판 기둥 구속효과 내력;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T8949175&outLink=K  

  • 초록

    오늘날 건축기술의 향상으로 건축물은 현저하게 대형화, 초고층화됨에 따라 높은 층 전단력과 전도 모멘트가 발생하기 때문에 고층건물의 골조에는 높은 전단성능이 요구되고, 하층부 기둥에는 고축력에 저항할 수 있는 성능이 요구 된다. 구조부재가 중심축하중 및 지진 등과 같은 횡하중을 받을 때 구조물의 보다 정확한 해석을 위하여 구조체를 형성하는 재료 및 구조요소의 역학적 거동에 대한 지식이 필요하다. 철근 콘크리트의 주 구성재료인 콘크리트는 비교적 큰 압축강도를 지니고 있지만 연성이 크게 부족한 결점이 있다. 상당히 큰 하중재하능력을 요구하는 현재의 콘크리트 구조물에 있어서 콘크리트만 사용 될 경우 연성 및 인장강도 면에서 안전한 구조체를 형성하기가 어렵다. 따라서 철근 콘크리트 구조의 고층화에는 부재의 내력과 연성의 증대가 가장 중요한 문제이다. 구조부재의 내력 및 연성의 증대는 콘크리트 자체의 강도 및 연성이 증대될 때 비로소 가능하다. 콘크리트 기둥의 구속은 길이 방향철근인 주근파 횡방향 보강재인 띠철근으로 구성되며 이것은 철근 콘크리트 구조체의 연성 및 극한 강도 설계에 있어서 중요한 관건이 된다. 왜냐하면 횡방향 보강재인 띠철끈은 커다란 소성변형도 지역에서 철근 콘크리트 부재의 하중재하 능력을 향상시킬 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 중요한 관건인 철근 콘크리트 구조체에 있어서 기존 건축물의 기둥부분의 배근 상태를 조사해보면 구조 설계자의 의도와는 달리 주근과 띠철근의 배근 간격 및 위치가 설계도면대로 유지되어 있지 않다. 그리하여 기둥의 내력 및 연성이 약화되고 지진, 바람 등의 수평하중이 가해지면 구조 성능을 제대로 발휘하지 못해서 구조체의 손상을 입게되거나, 건축물의 붕괴 등의 큰 위험을 초래하게 된다. 따라서 본 연구는 이러한 피해를 최소화하고 기둥의 내력 및 연성의 증대와 현장에서의 시공 능력의 향상을 도모하기 위하여 새로운 형태의 기둥을 유한 요소해석법을 통해서 기존의 철근 콘크리트 기둥과 비교하여 구조성능을 검토 하고 실제 구조물에 적용할 수 있는 경제적이고 개발 가능한 기초자료를 제공 하는데 그 목적을 둔다. 본 연구는 중심축하중을 받는 철근 콘크리트 기둥의 구속효과 및 내력에 띠철근과 띠철판이 미치는 영향을 알아보기 위하여 각 해석모델의 체적비 및 띠철판의 두께 배근 간격을 변수로 두고, 철근 콘크리트 기둥으로 띠철근 기둥은 단면을 50 cmx50cm로 하고, 피복두께는 5cm로, 주근은 4-D25를 띠철근은 D10으로 하였으며, 띠철근의 배근은 중앙부의 경우 30cm간격으로 기둥 상·하부의 경우 중앙부 간격의 1/2로하여 1개의 띠철근 기둥과, 철근 콘크리트 기둥에서 띠철근 대신 띠철판을 사용한 기둥(이하 띠철판 기둥)모델은 띠철근 기둥과 같은 50 cmX50 cm 단면으로 하고 피복두께도 띠철근 기둥과 같이 5cm로, 주근 역시 4-D25를 띠철근의 경우는 띠철판으로 하였다. 띠철판의 두께는 3mm, 5mm, 7mm로 하였고 띠철판의 개구부는 띠철판 전면 면적의 30%, 37.5%, 45%로 하여 9개의 띠철판 기둥을 HyperMesh 프로그램을 이용하여 모델링 하였고 범용 유한요소 프로그램언 ABAQUS를 이용하여 해석 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 하중-변위 관계에서 TC의 Z축에 대한 변위보다 SPTC 시리즈의 변위가 적게 나타났다. SPTC-A, B, C-3 시리즈는 평균 7.8%정도 적은 변위를 나타냈으며, SPTC- A,B, C-5 시리즈는 평균 11.4%정도 적은 변위를 나타내었다. 그리고 SPTC-A, B, C-7 시리즈는 평균 13.1%정도 적은 변위를 나타내었다. 2. 체적비가 0.0024에서 O.0441로 증가함에 따라 기둥 중앙부에서의 응력이 해석모델의 단면적 50 cm×50 cm=2500 cm²에서 해석모델별로 TC 모델은 6.4%의 증가효과를 가져왔고, SPTC-A, B, C-3-C 시리즈의 경우는 15.3%∼16.4%, SPTC- A, B, C-5-C 시리즈의 경우는 16.6%∼21.6%, SPTC-A, B, C-7-C 시리즈의 경우는 20.1%∼24.2%의 증가 효과를 가져왔다. 3. 체적비가 0.0049에서 0.0531로 증가함에 따라 기둥 상부에서의 응력이 해석 모델의 단면적 50cm×50cm=2500 cm²에서 해석모델별로 TC 모댈은 6.7%의 증가효과를 가져왔고, SPTC-A, B, C-3-U 시리즈의 경우는 15.3%∼17.2%, SPTC-A, B, C-5-U 시리즈의 경우는 19.2%∼20.8%, SPTC-A, B, C-7-U 시리즈의 경우는 23.5%∼25.8%의 증가 효과를 가져 왔다. 4. 강도증가계수와 최대축하중의 관계에서 TC-U와 SPTC-A, B-3, 5, 7-U시리즈와 SPTC-C-3, 5, 7 시리즈를 비교해보면 TC-U 시리즈에 비해서 SPTC-A-3-U는 최대축하중이 6.4% 증가하였고, SPTC-A-5-U는 최대축하중이 9.5% 증가하였고, SPTC-A-7-U는 최대축하중이 12.4% 증가하였다. 그리고 SPTC-B-3-U와 SPTC-C-3은 최대축하중이 4.9% 증가하였고, SPTC-B-5-U와 SPTC-C-5는 최대축하중이 8.1% 증가하였으며, SPTC-B-7-U와 SPTC-C-7은 최대축하중이 10.8% 증가하였다. 또, TC-C와 SPTC-A, B-3, 5, 7-C 시리즈를 비교해보면 TC-C 시리즈에 비해서 SPTC-A-3-C는 최대축하중이 1.6% 증가하였고, SPTC-A-5-C는 최대축하중이 2.8% 증가하였고, SPTC-A-7-C는 최대축하중이 3.8% 증가하였다. 그리고 SPTC-B-3-U는 최대축하중이 0.9% 증가하였고, SPTC-B-5-U는 최대축하중이 1.9% 증가하였으며, SPTC-B-7-U는 최대축하중이 2.7 % 증가하였다. 5. 띠철근·띠철판의 체적비와 최대축하중의 관계에서 띠철근·띠철판의 체적비의 값이 증가함에 따라 최대축하중의 값도 증가함을 알 수 있다. 단, 띠철근·띠철판의 체적비가 같다하더라도 SPTC 시리즈를 비교해보면 띠철근·띠철판의 배근 간격에 따라서 차이가 생겼다. SPTC-A-5-C와 SPTC-B-5-U는 띠철판의 체적비는 같지만 최대축하중에서 SPTC-A-5-C보다 9.2% 증가하였다. 이것은 SPTC-A-5-C의 경우는 띠철판 배근간격이 40cm이고 SPTC-B-5-U의 경우는 띠철판 배근간격이 30cm이므로 강도증가계수(Ks)의 영향에 의해서 최대축하중값이 차이가 발생하는 것으로 사료된다. SPTC-A-7-C와 SPTC-B-7-U의 경우에서도 SPTC-A-5-C와 SPTC-B-5-U의 경우와 같은 것이다. 본 해석에서 프로그램의 콘크리트의 항복 이후의 응력값은 무의미하므로 기존 연구자들이 제시한 코아 콘크리트의 응력-변형도 곡선을 제시할 수 없었고, 콘크리트와강재(철근, 철판)의 경계조건은 일체화 시켜서 해석하였으므로 실제의 구조물에서의 거동과는 약간의 차이가 있을 것이다. 이러한 시스템이 실용화되려면 정확한 결과를 위해서 실험이 선행되어야 하며, 시공상의 경제성을 고려하여 계속적인 연구개발(Research & Development)이 있어야 한다고 판단된다.


    The purposes of study are R&D (research and development) of steel plate tied columns and comparison between tied columns and steel plate tied columns under concentric axial load. This study is based on the results of the F.E.M (finite element method), an analytical models were designed by HyperMesh version 3.1 of modeling program and analyzed by ABAQUS version 5.8-8 of F.E.A program. There parameters are considered to study the confinement effects and structural capacity of steel plate tied columns. Namely, (1) the volumetric ratio of tie steel at a level from volume of core concrete, (2) thickness of steel plate, (3) spacing for steel plate ties. Analytical models consist of one tied columns of reinforced concrete and nine steel plate tied columns of reinforced concrete. Tied columns form is 50×50×330 cm , 5cm concrete cover, 4-D25 main bar, D10 ties, steel plate tied columns form is 50×50×330 cm , 5cm concrete cover, 4-D25 main bar, 3, 5, 7 mm steel plate. Strength of concrete is 210 kgf/cm² , yield stress of ties is 3000 kgf/cm², yield stress of steel plate is 2500 kgf/cm², and yield stress of main bar is 4000 kgf/cm² in analytical models. The conclusions of this study are as follows: 1. Displacement of Z axis of the columns is 7.8% less in SPTC-A, B, C-3 series, 11.4% less in SPTC-A, B, C-5 series, and 13.1% less in SPTC-A, B, C-7 series than in TC series. 2. The analyzed model has the section area of 2500cm². As the volumetric ratio increases 0.0024 to 0.0441, the stress of the core increases 6.4% in TC series, 15.3% to 16.4% in SPTC-A, B, C-3-C series, 16.6% to 21.6% in SPTC-A, B, C-5-C series, and 20.1% to 24.2% in SPTC-A, B, C-7-C series. 3. The analyzed model has the section area of 2500cm². As the volumetric ratio increases 0.0049 to 0.0531, the stress of the core increases 6.7% in TC series, 15.3% to 17.2% in SPTC-A, B, C-3-U series, 19.2% to 20.8% in SPTC-A, B, C-5-U series, and 23.5% to 25.8% in SPTC-A, B, C-7-U series. 4. In the interaction of the strength Increase factor and the maximum axial force, the maximum axial force increases 6.4% in SPTC-A-3-U model, 9.5% in SPTC-A-5-U model, 12.4% in SPTC-A-7-U model, 4.9% in SPTC-B-3-U model and SPTC-C-3 model, 8.1% in SPTC-B-5-U model and SPTC-C-5 model, and 10.8% in SPTC-B-7-U model and SPTC-C-7 model, compared with TC-U model. In the interaction of strength Increase factor and maximum axial force, maximum axial force increases 1.6% in SPTC-A-3-C model, 2.8% in SPTC-A-5-C model, 3.8% in SPTC-A-7-C model, 0.9% in SPTC-B-3-U model, 1.9% in SPTC-B-5-U model, and 2.7% in SPTC-B-7-U model, compared with TC-C model. 5. In the interaction of the volumetric ratio of hoop and steel plats to the volume of core and the maximum axial force, as the volumetric ratio increases, the increment of the maximum axial force can be known. Although the volumetric ratios are the same, the maximum axial force has different values according to spacing of bar and steel plate when SPTC series is compared to each other. The maximum axial force increases 9.2% in SPTC-B-5-U model compared with SPTC-A-5-C model. Spacing of steel plate is 40 cm in SPTC-A-5-C model, 30 cm in SPTC-B-5-U model. In this case, the strength Increase factor is affected by the difference of the spacing of steel plate, the maximum axial force is affected by the strength Increase factor.


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