개선된 배근 상세를 갖는 커플링 보에 관한 해석 연구

Analytical Study on Coupling Beam with Developed Reinforcement Details

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2016;16(2):1-7
Publication date (electronic) : 2016 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2016.16.2.1
소재혁*, 오근영**, 천영수***, 이강민
* Member. Master’s Course, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University
** Member. Ph.D Candidate, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University
*** Senior Research Fellow, Public Housing Research Dept., Land & Housing Institute
****Corresponding Author. Member. Professor, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University (Tel: +82-42-821-7739, Fax: +82-42-823-9467, E-mail: leekm@cnu.ac.kr)
Received 2015 October 22; Revised 2015 October 26; Accepted 2016 March 02.

Abstract

특수전단벽을 연결하는 커플링 보의 배근상세는 매우 복잡하여 시공하기 어렵다는 측면이 있다. 본 연구에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 복잡한 배근 상세를 갖는 커플링 보 실험체를 대상으로 해석적 검증을 실시 후, 해석모델을 기반으로 다양한 변수를 갖는 커플링 보에 대한 유한요소해석을 실시하여 개선된 배근상세를 갖는 커플링 보의 구조성능을 평가하였다.

Trans Abstract

The details of coupling beam which connected special shear wall were difficult to construct because of complex. In this study, verify the analytical model of coupling beam having complex details with using finite element analysis program ABAQUS. And conducted variable finite element analysis about replaced the head bar and steel plate for complex details based on this model. Based on the analytical model, the finite element analysis was conducted, and improved reinforcement details of coupling beam were evaluated on those structural performance. As a result of analysis, improved reinforcement details were expected to improve the constructability.

1. 서론

최근 국내의 건축기술의 향상과 사회적 인프라 발전으로 인하여 50층 이상의 초고층 건축물에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 현 국내 건축구조기준(KBC2009)에서는 21층 이상 또는 60 m 이상인 고층 철근콘크리트 구조물의 경우 지진에 대한 위험성이 높은 내진설계범주 D로 분류하고 있다.이에 포함되는 건축물의 경우 특수전단벽(Special Shear Wall)과 커플링 보(Coupling Beam)를 사용하여 철근콘크리트 구조벽체를 설계하도록 규정하고 있다. 이와 같이 특수전단벽과 커플링 보가 연결되는 구조를 병렬전단벽(Coupled Shear Wall) 구조라 한다. 이때, 커플링 보는 특수전단벽을 연결해주는 역할뿐만 아니라 특수전단벽 보다 먼저 소성힌지를 발생시켜 병렬전단벽 구조가 충분한 내진성능을 발휘할 수 있도록 하는 역할을 하고 있다. 따라서 커플링 보는 이러한 역할을 충분히 발휘할 수 있도록 적절한 강도, 연성 및 에너지소산능력을 확보하여야 한다. 현 국내 건축구조기준에서 제시하고 있는 커플링 보의 배근 상세는 매우 복잡하여 실무에그대로 적용하여 시공하는데 어렵다는 문제를 가지고 있다. 이러한 시공 문제점을 해결하기 위해서 국내·외적으로 커플링 보 배근 상세 개선을 위한 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 ABAQUS 유한요소해석 프로그램을 이용하여 복잡한 배근 상세를 갖는 커플링 보 실험체를 대상으로 해석적 검증을 실시한 후, 해석모델을 기반으로 다양한 변수를 갖는 커플링 보에 대한 유한요소해석을 실시하여 개선된 배근상세를 갖는 커플링 보의 설계법을 제시하고자 한다.

2. 유한요소 해석 모델의 유효성 검증

2.1 검증모델의 개요

본 연구를 진행하기 전, Galano와 Vignoli(2000)이 수행한 4종류의 배근 상세를 갖는 커플링 보의 실험 결과를 검토하여본 연구에 사용되어질 모델의 적합성을 검증하고자 한다. Galano와 Vignoli (2000)는 4종류의 배근상세를 갖는 커플링 보의 내진성능을 평가하기 위하여 16개의 실험체를 제작하여 내진성능을 평가하였다. 이들 4개의 실험체 중 대각선다발철근 상세가 적용된 P10 실험체의 경우 내진성능을 확보 할 수 있으나, 복잡한 배근 상세로 인해 현장에서 시공 시 공기가 증가하고, 대각보강근의 일정한 경사를 유지하기 위하여 춤이 깊어져 층고가 높아진다는 문제 발생한다. 따라서 본 연구에서 이를 해결하기 위해, 보다 간단한 배근상세를 제시하고, 성능을 유지 할 수 있는 대안을 제시하고자 대각선다발철근 상세가 사용된 P10 실험체를 검증 모델로 선정하였다. 실험체의 거시적 거동을 파악하기 위해 단조가력을 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석 모델 적절성 확인을 위한 대상 실험체인 P10 실험체의 상세와 제원을 Fig. 1Table 1에 각각 정리하였다.

Fig. 1

Details of P10 Specimen.

Properties of P10 Specimens

2.2 재료모델, 요소 및 경계조건 설정

유한요소해석 모델 적절성 확인을 위한 재료모델은 최대강도 이후의 거동을 표현할 수 있는 ‘Concrete damaged plasticity’모델을 사용하였다. Fig. 2와 같은 ‘Concrete damaged plasticity’모델을 사용하여 본 연구의 유한요소해석에 사용한 콘크리트 재료 물성치는 Galano와 Vignoli(2000)실험연구의 재료시험결과를 사용하였다.

Fig. 2

Concrete Damaged Plasticity Model.

유한요소해석 프로그램 ABAQUS를 사용한 유한요소해석 검증모델의 적절성을 확인하기 위하여 콘크리트 요소는 20노드를 갖는 C3D20R(20-node quadratic brick, reduced integration)요소, 철근 요소는 T3D3(3-node linear 3D-truss)요소를 사용하였다. 콘크리트 C3D20R요소는 대변형을 고려할 수있고 모멘트와 전단력을 모두 고려할 수 있는 요소로 커플링 보를 가장 합리적으로 묘사할 수 있을 것으로 예상되어 이 요소를 사용하였다. 철근 T3D3요소는 철근콘크리트 구조의 유한요소해석의 철근을 모델링하는데 가장 보편적으로 사용되는 요소이기에 사용하였다.

콘크리트의 메쉬는 37.5×50×65 mm로 하고, Dilation angle은 15도로 갖는 모델을 사용하여 변위제어방식으로 유한요소해석을 수행하였다. 경계조건은 양쪽 단주를 모든 자유도에 대하여 완전히 구속시켜 해석을 진행하였다. 검증모델의 형상과 경계조건 및 가력조건을 Fig. 3Fig. 4에 각각 나타내었다.

Fig. 3

Concrete Mesh of P10 Specimen.

Fig. 4

Boundary and Lodaing Condition.

2.3 검증모델 해석 결과

검증모델의 해석결과와 Galano와 Vignoli(2000)이 수행한 실험결과를 Fig. 5Table 2에 정리하였다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 커플링 보의 좌상단에서 우하단으로 이어지는 균열 및 파괴양상이 실험과 해석결과에서 비슷함을 확인할 수 있다. 또한, Table 2에 나타낸 바와 같이 최대 전단력의 크기도 유사한 결과를 확인할 수 있다.

Fig. 5

Comparing Test and Analysis Results.

Comparing Test and Analysis Results

따라서 본 해석결과를 종합하여 볼 때, 유한요소해석 프로그램을 이용한 검증모델은 커플링 보가 적용된 고층구조물의거동 예측을 살펴보기 위한 해석모델로 적합하다고 판단되어 해당 모델을 사용한 다양한 변수 해석 연구를 수행하였다.

3. 변수 해석 연구

3.1 변수 해석 개요

특수전단벽 사이에 커플링 보가 설치되는 병렬전단벽 구조는 지진 발생 시 횡력에 저항하는 대표적인 내진 시스템으로 사용되어 왔다. 그러나 현 국내 건축구조기준(KBC2009)에서 제시하고 있는 내진성능을 발휘하기 위한 커플링 보의 배근상세는 매우 복잡하여 실제 현장에서 시공하기 힘들다는 단점이 있다. 따라서 이를 현장에서 보다 쉽게 시공할 수 있으며 내진성능 또한 유지되는 개선된 철근 배근상세 개발은 필수적이라고 할 수 있다.

이 절에서는 앞서 수행하였던 유한요소해석 모델 검증연구를 통해 검증된 해석모델을 이용하여 다양한 대각보강근 대체상세를 적용한 커플링 보의 유한요소해석을 통하여 기존 커플링 보와 유사한 성능을 발휘할 수 있고 시공에 유리한 다양한 대체 상세를 제시하고자 한다. 이를 위하여 대각보강근을 단일 철근으로 대체하고 부족한 철근 양을 헤드바로 대체하는 상세와 대각보강근을 강판으로 대체하는 상세를 제안하고 유한요소해석을 수행하였다.

3.2 변수 해석 계획

해당 절에서 수행하게 될 변수해석은 검증연구를 통해 검증된 해석모델을 이용하여 수행하였다. 변수해석을 위해 기준이 되는 모델은 현 국내 건축구조기준(KBC2009)와 ACI318에서 제안하고 있는 대각보강근을 설계한 커플링 보를 사용하는 모델로 모델명은 ‘CON’으로 명명하였다. 콘크리트와 철근 모델링에 사용한 요소는 앞선 검증연구에서 사용한 요소를 이용하였으며, 경계조건 또한 검증연구에서 검증된 해석모델과 동일하게 적용하였다. 가력조건은 Fig. 6과 같이 변위제어방식에 따른 반복가력 해석을 수행하였다.

Fig. 6

Loading history.

CON 모델을 기준으로 대각보강근을 단일 철근으로 대체하고 30% 부족한 철근 양을 헤드바로 대체하는 모델 ‘HB30’, 50%를 대체하는 ‘HB50’, 100% 대체하는 ‘HB100’, 대각보강근을 강판으로 대체하는 ‘SPC’ 모델로 각각 명명하고 Fig. 7과 같이 설계를 하고 변수해석을 수행하였다.

Fig. 7

Details of Specimens.

3.3 변수 해석 결과

개선된 배근 상세가 적용된 해석 모델의 거동을 확인하기 위해 하중-변위 곡선을 Fig. 8에 해석모델의 파괴 양상을 보기 위한 Vonmises 응력을 나타낸 그림을 Fig. 9에 나타냈다. Fig. 8를 보는 바와 같이 모든 모델의 초기 강성은 모두 유사한 것으로 나타났다. 모델의 항복강도는 CON>SPC>HB30>HB50>HB100 순서로 나타났지만 그 차이는 미미한 것으로 나타났다. 최대하중은 모든 모델이 300 kN을 상회하는 결과를 보여주고 있으며 모델간 차이는 크지 않은 것을 확인할 수 있었고, 최대변위 또한 SPC 모델을 제외하고 거의 유사한 결과를 보여주었다. 철근을 헤드바로 치환한 모델들의 경우 항복이후 하중저하 없이 완만한 변형을 유지하였지만, HB100모델의 경우 약간의 핀칭(pinching) 현상이 발생함을 볼 수 있었다. SPC 모델의 경우 최대변위가 기준 모델인 CON보다 적게 나왔지만, 하중-변위 이력곡선이 기준 모델과 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 각 모델의 최종 변수해석 결과를 Table 3에 정리하였다.

Fig. 8

Load-Displacement Curve of All Specimens.

Fig. 9

Von-mises stress image of All Specimens.

Variable Analysis Results

커플링 보 다섯 개 모델의 변형 능력을 비교하기 위해 Fig. 10에 포락선도를 나타냈다. 위 그림에 나타난 것처럼 CON 모델을 기준으로 각각의 실험체들은 비슷한 변형 능력을 보였다. 대각 보강근을 헤드바로 치환한 실험체들 중 헤드바를 30% 사용한 HB30 실험체가 CON 실험체와 가장 유사한 거동을 보였으며, 헤드바의 치환율이 높아질수록 변형률이 점점 감소하는 추세를 보였다. 대각 보강근을 강판으로 대체하는 SPC 실험체의 경우 CON 실험체에 비해 변형률이 부족하였으나, 거의 유사한 거동을 보였다.

Fig. 10

Compared the trend of deformation capacity of each specimen.

에너지소산능력은 내진성능을 평가하는 척도로써 커플링 보는 에너지소산의 대부분을 연결보에서 먼저 항복하여 에너지를 소산하도록 하는 것이 바람직한 메커니즘이다. 정가력 및 부가력을 합친 전체 에너지소산능력을 가력 단계별로 누적시켰다. 각 실험체의 변형 능력에 기인한 에너지소산능력을 Fig. 11에 나타냈다. 6 사이클에서 CON, HB30, HB50, HB100, SPC 실험체의 누적에너지소산면적은 각각 1739.60 kN·mm, 1720.55 kN·mm, 1746.79 kN·mm, 1766.65 kN·mm, 1693.43kN·mm으로 유사한 경향을 나타냈다. 최종적으로 실험이 종료 된 후 에너지소산능력은 CON 실험체가 15964.09 kN·mm로 가장 우수한 것으로 나타났다. SPC 실험체의 경우 15282.70 kN·mm으로 CON 실험체에 비해 부족하지만 거의 유사한 결과를 나타냈다. 대각보강근을 헤드바로 치환한 실험체들의 소산특성은 HB50 실험체의 총 누적 에너지가 12770.94 kN·mm으로 가장 우수한 양상을 나타냈으며, HB30 실험체가 12444.44 kN·mm으로 거의 대등한 모습을 보였다. HB100 실험체의 경우 11464.72 kN·mm으로 가장 낮은 에너지 소산능력을 나타냈다. 이를 통해 복잡한 대각보강근을 적절한 비율로 헤드바와 강판으로 대체하게 된다면 현장에서 시공성 개선 및 기준에서 요구하는 성능을 충족시킬 수 있을 것이다.

Fig. 11

Comparison of accumulated normalized energy dissipation capacity.

4. 결론

본 연구에서는 고층구조물에서 사용되는 커플링 보의 해석법에 관한 검증을 실시하였으며, 복잡하고 시공의 문제가 되는 기존 커플링 보의 배근 상세를 개선할 수 있는 다양한 변수해석을 통해 구조 및 내진성능을 평가하였다. 헤드바와 강판을 이용한 커플링 보의 개선 배근상세에 관한 해석적 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

  1. 특수전단벽 사이를 연결하는 커플링 보의 해석연구를 위하여 검증연구를 실시하였으며, 선행연구의 실험결과와 비교하였을 때, 연구에 적합한 해석법임을 검증하였고, 이를 본 연구의 변수해석연구에 사용할 수 있었다.

  2. 변수해석 연구에서 기존 기준에서 제시하고 있는 모델의 철근을 헤드바로 치환한 결과, 구조적 성능은 기준에서 제시하고 있는 모델과 거의 유사하였으며, 이는 철근 양을 감소함으로써 시공성이 증가하였다고 판단할 수 있다.

  3. 헤드바로 치환한 모델들은 대부분 항복 이후 하중 저하 없이 완만한 변형능력을 보여주었지만, 철근을 헤드바로100% 치환한 모델의 경우 약간의 핀칭(pinching)현상이 발견되었다.

  4. 기준 모델의 철근을 강판으로 대체한 모델의 경우 최대강도는 유사하였지만, 최대변위의 경우 기준 모델보다 약20%정도 감소하였다. 하지만 다른 모델들과 비교하였을 때, 기준 모델의 이력곡선과 유사한 경향을 보여줌으로써 해당모델의 추가적인 해석 연구를 통해 문제점을 개선할 수 있을 것이라 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2013년도 충남대학교 학술연구비 지원사업의 연구비지원(2013-1944)에 의해 수행되었습니다.

References

1. ABAQUS Theory Manual. Hibbitt: Karlsson & Sorensen, Inc.
2. ACI Committee 318. 2008. “Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (ACI318R-08)” American Concrete Institute.
3. Architectural Institute of Korea. 2009. “Korea Building Code 2009” Kimoondang:
4. Luciano Galano, Andrea Vignoli. “Seismic Behavior of Short Coupling Beams with Different Reinforcement Layouts”. ACI Structural Journal 97(No. 6)November. 2000;:876–885.
5. Paulay T, Binney J.R. 1974;“Diagonally reinforced coupling beams of shear walls,”. ACI Special Publication SP42Shear in Reinforced Concrete :579–598.
6. Yun H.D, Han M.K, Park W.S, Kim S.W. 2005;“Nonlinear Finite Element Analysis on Steel Coupling Beam-Reinforced Concrete Wall Connections with Panel Shear Failure Mode”. AIK 21(11):19–26.

Article information Continued

Fig. 1

Details of P10 Specimen.

Table 1

Properties of P10 Specimens

Specimen P10
fc, MPa 46.8
fy (diagonal reinforcement), MPa 567
fu (diagonal reinforcement), MPa 660
fy (ties), MPa 567
fy (longitudinal reinforcement), MPa 567
L (beam length), mm 600
b (beam width), mm 150
h (beam height), mm 400
Diagonal bars (Direction 1), mm 4 φ 10
Diagonal bars (Direction 2), mm 4 φ 10
Dimensions of diagonal member 1, mm 74×74
Dimensions of diagonal member 2, mm 74×74
Ties (diagonal members), mm φ 6 at 100
Longitudinal bars, mm 6 φ 6
α, degree 28.5
Shear span-depth ratio, L/2h 0.75
Span-depth ratio, L/h 1.5

Fig. 2

Concrete Damaged Plasticity Model.

Fig. 3

Concrete Mesh of P10 Specimen.

Fig. 4

Boundary and Lodaing Condition.

Fig. 5

Comparing Test and Analysis Results.

Table 2

Comparing Test and Analysis Results

Vmax (kN) Anal/Test (Vmax) δmax (mm) Anal./Test (δmax)
Test Result 241 - 13.3 -
Verification Model 253 1.05 10.45 0.79

Note : Vmax=Maximum shear force on the beam section;

δmax=Maximum displacement on the beam section.

Fig. 6

Loading history.

Fig. 7

Details of Specimens.

Fig. 8

Load-Displacement Curve of All Specimens.

Fig. 9

Von-mises stress image of All Specimens.

Table 3

Variable Analysis Results

Specimens Vmax (kN) Spe./CON (Vmax) δmax (mm) Spe./CON (δmax)
CON 302.8 - 6.7 -
HB30 295.4 0.98 6.2 0.93
HB50 265.7 0.88 6.6 0.99
HB100 276.2 0.91 6.0 0.90
SPC 299.6 0.99 5.4 0.81

Note : Vmax=Maximum shear force on the beam section;

δmax=Maximum displacement on the beam section

Fig. 10

Compared the trend of deformation capacity of each specimen.

Fig. 11

Comparison of accumulated normalized energy dissipation capacity.