곡형 콘크리트 충진 강관기둥 부재의 횡방향 저항성능 평가

Evaluation on Lateral Structural Resistant Capacity of Curved Concrete Filled Circular Steel Column

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(2):155-161
Publication date (electronic) : 2017 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.2.155
* Member, Research Professor, Seismic Simulation Test Center, Pusan National University
** President, Korea Bridge Inc
*** Research Professor, Seismic Simulation Test Center, Pusan National University
**** Member, Assitant Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongnam Natioanl University of Science and Technology
*****Corresponding Author, Member, Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongnam Natioanl University of Science and Technology (Tel: +82-55-751-3295, Fax: +82-55-751-3299, E-mail: whyee@gntech.ac.kr)
Received 2016 December 26; Revised 2016 December 27; Accepted 2017 February 21.

Abstract

콘크리트 충진 강관부재들은 교량의 교각이나 건축물의 기둥으로 사용되고 있다. 콘크리트 충진 강관부재를 다양한 구조물에 효율적으로 적용하기 위해서는 구조물에 작용하는 하중위치 거동 특성 등을 고려하여야 구조적 장점을 충분히 활용할 수 있다. 절개지 및 사면에 사용되고 있는 낙석방지 울타리의 주기둥은 수평방향으로 작용하게 되는 외력에 저항하여야 하는 안전시설이다. 이러한 낙석방지 울타리의 주기둥을 콘크리트 충진 곡형강관으로 적용하여 하중에 저항하는 단면성능을 확인하고 작용하중에 대한 하중저항성능을 확인하기 위하여 강관 두께, 충진 콘크리트 강도 및 충진높이 변화와 작용방향 및 하중높이 등을 변화하여 콘크리트 충진강관 기둥부재의 하중저항 성능 변화를 구조해석프로그램을 이용하여 비교하였다. 또한 기존 낙석방지 주기둥의 성능도 함께 비교하여 성능변화를 비교하였다.

Trans Abstract

Concrete-Filled tube structures(CFT) have been widely installed in structural system as the bridge pier and column of buildings. The CFT member on various structure has been effectively utilized to consider the structural behavior and loading condition. The rockfall protection fence was installed to prevent rockfall from cut slopes and resisted by lateral loading. In this study, FE analyses were conducted to examine the sectional performance and load-resistant performance of curved concrete filled circular steel column by applied lateral load. FE model was considered in thickness of curvature circular steel column, compressive strength of concrete, filled height of concrete, loading direction and loading location. Additionally, their structural performances were compared to those of an installed rockfall protection fence as H-beam.

1. 서론

사회기반 시설의 건설경비의 절감이 요구되면서 토목 구조물의 경제성과 내구성을 증진시키기 위하여 복합소재의 사용이 증대되고 있다. 콘크리트 충진 강관(Concrete-filled tube, CFT)은 강관에 콘크리트를 채운 합성구조로서 교량의 거더, 교각 및 현장 타설 말뚝이나 건축물의 기둥으로 사용되고 있다. 강관과 콘크리트의 효율적인 합성작용에 의해 수평방향 하중 저항성능이 우수하며, 충진된 콘크리트에 의해 강관의 구속효과로 순수한 강관에 비하여 국부좌굴에 유리하다고 알려져 있다. 또한, 강관이 거푸집 역할을 함으로써 시공의 단순성과 충진된 콘크리트에 의해 강관 내부의 부식이 발생하지 않으며, 주기적인 외부도장의 점검 이외에는 유지관리가 요구되지 않는 여러 가지 장점을 가지고 있다.

강관 및 콘크리트 합성 재료의 구조적 특성에 관한 연구는 주로 구조분야의 실험을 중심으로 이루어져 왔다. 실험 결과를 바탕으로 AISC(2010), ACI(2011) 및 EC4(2004)에는 CFT 구조물에 대한 기본적인 설계방법들이 규정되어 있다. 하지만 이러한 설계 규정에도 불구하고 CFT의 사용은 일부 국가를 제외하고 제한적이고, 설계 규정들이 서로 상이하며 기둥 부재로 사용되는 경우에서는 하중조건에 대한 거동이 명확히 밝혀지지 않았다. 특히 수평하중을 받는 합성 구조물의 역학적 거동 특성에 대한 연구는 미비한 실정이다. 콘크리트 충진 강관부재를 다양한 구조물에 효율적으로 적용하기 위해서는 구조물에 작용하는 하중위치 거동 특성 등을 고려하여야 구조적 장점을 충분히 활용할 수 있다.

본 연구의 대상 구조물인 낙석방지시설은 도로 절개면에서 발생하는 낙석, 토사붕괴 등으로 인하여 발생하는 교통 장애, 도로구조물의 손상, 재산 및 인명상의 손실을 예방하기 위하여 설치하는 구조물로(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2008), 인적 재해 및 물적 재해가 발생하지 않도록 설치되어 지고 있다. 현재 소규모의 낙서방지대책으로 사용되고 있는 낙석방지 울타리는 울타리용 지주와 철망 그리고 와이어로프로 구성되어 있다. 하지만 Fig. 1과 같이 기존의 낙석방지시설에서 H형강 주기둥(150×75×5×7 mm)의 수평방향 강성 부족으로 외부하중에 의하여 변형이 발생하여 낙석방지시설이 제 기능을 하지 못하는 사례가 보고되고 있다(Kim et al., 2015a; Kim et al., 2015b). 따라서 본 연구는 콘크리트 충진 강관기둥 부재를 수평력이 주로 작용하게 되는 안전시설에 적용하여 안전시설물의 단면을 개선하고 작용하중에 대한 하중저항성능을 확인하기 위하여 작용하중 위치와 형태에 따른 콘크리트 충진강관 기둥부재의 하중저항 성능 변화를 유한요소해석을 통하여 확인하였다. 곡형 콘크리트 충진 강관기둥의 횡방향 저항 성능을 평가하기 위하여 낙석방지 주기둥을 대상으로 하여 강관 두께, 충진 콘크리트 강도, 하중작용 위치, 하중방향, 콘크리트 충진높이 등을 구조해석 변수로 하였으며, 기존 낙석방지 주기둥의 구조성능과 비교하여 평가하였다.

Fig. 1

Failure Case of Rockfall Protection Fence

2. 콘크리트 충진 강관의 구조해석

2.1 구조해석 모델

곡형 합성강관(CFT) 구조는 추락하는 낙석의 질량과 높이, 가속도에 의해 산정되는 낙석에너지가 지주 구조물에 직접 작용하거나 종방향으로 설치된 지지케이블에 의해 기둥으로 전달되어 작용하게 된다. 그러므로 낙석에너지를 CFT 구조가 충분히 지지할 수 있어야 한다. 이러한 CFT 지주 구조의 하중저항 성능을 확인하기 위해서는 내부의 콘크리트와 외부 강재의 비선형성을 고려한 해석이 요구된다. 그러므로 비선형구조해석이 가능한 ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA(Hu et al., 2003; Ellobody and young, 2006; Han and Zhao, 2009; Moon et al., 2014)등 상용 유한요소해석 프로그램을 이용한 비선형해석이 수행된 사례가 있다. 그러나 이러한 프로그램들은 고가이고 활용하기 위해서는 숙련된 기술이 요구되는 등 사용상 제한이 있다. 이에 본 연구에서는 오픈소스 기반의 구조해석 프로그램인 Opensees를 이용하였다.

Opensees는 U.C. Burkely에서 개발된 유한요소해석 프로그램으로 객체지향 모델을 이용하며, 다양한 구조물의 응답을 분석하는데 활용되고 있다. 수치해법과 계산은 C++ 언어를 기반으로 작성되어 있으며, 동적문제를 해석하는데 장점이 있으며, 충격과 같이 다양한 시작이력하중을 해석하는데 용이하다. Fiber element analysis를 이용하는 경우 프레임 구조에 대해 짧은 시간 내에 정확한 결과를 도출할 수 있으며, 또한, 오픈소스 프로그램으로 사용상 제한이 없는 장점이 있다.

최근, Shim et al.(2015) 의해 모듈러 CFT 교각에 대한 정적실험을 수행하고 이에 대한 해석을 Opensees로 수행하여 해석의 타당성을 확인한 연구가 수행되었다. 콘크리트 강도 40 MPa, SM490 강재가 사용된 모델의 경우 해석결과와 유사한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, Elchalakani and Zhao(2008)는 단일 CFT에 대한 순수 휨 실험 데이터를 사용하여 해석결과를 비교, 입증하였는데, 해석에서 고려된 재료모델은 OpenSees의 CONCRETE02, STEEL02 모델을 사용하였고, 외부 강관과 콘크리트의 부착은 완전히 부착된 상태를 고려하였다. 모델의 해석결과에서 초기 강성과 강도가 실험결과와 매우 유사함을 보였으며, 이를 통해 콘크리트모델에 구속효과를 고려하지 않아도 실제 거동을 모사하는 것을 확인하였다. 그러므로 Opensees의 재료비선형 모델과 Fiber 단면을 고려한 해석을 수행한다면, 곡형합성강관의 비선형 거동을 충분히 모사할 수 있을 것으로 판단된다. CFT 부재가 순수한 휨을 받는 경우, 인장에 대한 내력은 순수하게 강재에 의해 결정된다. 따라서 모멘트 저항성능은 강관의 재료성질에 따라 크게 영향을 받고, 콘크리트의 영향은 단면의 중립축을 압축 측으로 이동시키는 역할을 한다. Lu and Kennedy(1992)의 논문에서는 사각 CFT 보에 대한 순수 휨 실험을 하였으며 콘크리트가 없는 빈 강관에 비해 모멘트 저항성능이 10%에서 35%까지 증가하였다. 이 증가량은 두께가 더 얇은 강관일수록 더 커졌으며, 콘크리트와 강관사이의 슬립 현상은 거의 나타나지 않는다고 하였다. Elchalakani et al.(2001)의 논문에서는 원형 CFT 보에 대한 순수 휨 실험을 하였으며 이 실험 역시 모멘트 저항성능이 3%에서 37%까지 증가하였고 슬립 현상도 거의 나타나지 않았다. 그러므로 CFT 구조의 콘크리트와 강재 사이의 슬립효과는 고려하지 않아도 될 것으로 판단되었으며, 이에 Fiber 단면을 이용한 모델을 구성하였다. Opensees는 프레임 기반 모델을 해석하도록 제작되었으며, 각 노드와 이를 연결한 프레임 요소를 해석하도록 하였다. 요소는 Fiber 단면에 의해 부재력을 계산하며, 노드간의 요소가 많을수록 보다 정밀한 계산결과를 나타낸다. 본 연구에 사용된 Fiber 단면 및 구조해석 모델은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2

Fiber Section Model(unit:mm)

2.2 재료모델

Opensees는 일반적인 상업용 해석프로그램과 달리 사용자에 의해 정의된 모델을 적용할 수 있는 장점이 있으며, 개발자 그룹에 의해 최신의 재료모델이 지속적으로 개발되고 있다. 본 연구에서 사용된 재료모델은 Figs. 34와 같다. 콘크리트의 재료모델은 Fig. 3과 같은 concrete02 모델(Mohd, 1994)을 사용하였다. 이 모델은 콘크리트의 인장응력을 0.3%까지 반영하고 압축강도에 도달 한 후 파괴를 고려하였으며 파괴시 변형률은 1%로 하였다. 곡형강관과 H-beam은 uniaxial bilinear 모델(steel02, Filippou et al., 1983)을 사용하였으며, STK400과 SS400 강종을 기준으로 초기 탄성계수는 210 GPa, 항복응력은 240 MPa를 적용하였으며(Korea Road and Transportation Association, 2010), Fig. 4와 같이 hardening 효과에 의한 강재의 항복이후 강도 증가효과를 고려하여 2차 탄성계수비는 1%를 적용하였다.

Fig. 3

Nonlinear Material Model of Concrete

Fig. 4

Nonlinear Material Model of Steel

2.3 구조해석 평가 매개변수 및 해석 모델

본 구조해석에 사용된 Opensees는 Ver.2.5.0 이며, 하중 작용 후 기둥 부재의 비선형거동과 에너지소산 정도를 확인하기 위하여, static pushover analysis(displacement control)를 이용하였다. CFT 구조에 대한 해석모델은 Opensees에서 제공하는 Nonlinear Beam Column element(Taucer et al., 1991)를 이용하였으며, 단면은 외부의 강재와 내부 콘크리트 재료의 강성차이를 고려하기 위하여 Fiber 단면(Section)으로 구성하였다. 곡형강관은 총 53개의 요소와 54개의 노드로 구성하였다. 하중의 작용점은 낙석이 지반으로부터 기둥부재에 충돌하는 것으로 가정하여 노드에 집중하중으로 적용하였으며, 변위증분은 0.001 mm로 최상단의 변위가 50 mm가 될 때까지 해석을 수행하였다. 각 단계별로 적용되는 변위는 직접적분되어 계산되며, 작용하는 하중계수는 최대 요구 변위까지 증분되어 적용되며, 이러한 방법은 콘크리트 채움 합성구조와 같은 부재의 비선형 구조해석에 매우 효과적이다. Fig. 5는 본 연구에서 적용한 구조해석 모형에 대한 하중 재하 위치로 낙석방지 울타리 주기둥을 하부, 중앙부, 상부로 구분하여 와이어로프 설치지점에 직접하중을 재하하여 구조 성능을 비교하였다. 실제 낙석방지울타리의 주기둥은 콘크리트에 매입되는 상세를 나타내므로 해석모델의 경계조건은 하단부를 완전 고정하였다. 강관 두께, 콘크리트 강도, 콘크리트 충진 높이, 하중 작용위치 및 방향에 따라 해석을 실시하였으며, 각 구조해석 모델의 매개변수를 Table 1에 정리하여 나타내었다. H-beam 모델은 기존의 낙석방지 울타리의 주기둥으로 사용되는 것으로 곡형 합성강관 주기둥의 성능변화를 비교하기 위한 것이며, 대상 원형강관은 기존 H형강 주기둥의 하중저항 성능 등을 고려하여, D139.8 mm 강관을 선택 하였으며, 콘크리트 충진 강관에 대한 곡률은 기존 H형강 주기둥의 형상 등을 고려하여 4,800 mm로 하였다.

Fig. 5

FE Analysis Model of Loading Position(unit:mm)

Parameter of CFT Analysis Model

3. 콘크리트 충진 강관의 구조해석 결과분석

본 연구에서 합성강관 주기둥의 강도 변화를 정량적으로 평가하기 위하여 하중-변위관계를 이용하여 합성강관 주기둥의 항복하중을 비교 분석하였다.

3.1 강관 충진 콘크리트 유무에 대한 구조성능 효과

Fig. 6은 곡형 강관의 충진 콘크리트 유무에 따른 해석결과를 나타낸 하중-변위 관계 곡선이다. 비충진 및 충진 곡형 강관(27 MPa)은 두께 6 mm의 경우에 기존 H형강 주기둥의 항복하중보다 1.16배 1.20배 증가하였다. 동일한 강관두께에서도 곡형 강관에 무수축 모르타 르를 충진 함으로써 항복하중은 약 1.06배 증가하였다. 충진 콘크리트의 압축 강도가 증가할수록 항복하중은 증가하였으며 최대 1.80배 증가하였다.

Fig. 6

Load-displacement Relationship

3.2 강관두께에 대한 구조성능 효과

강관두께에 변화에 대한 곡형 강관의 구조성능을 비교하기위하여 Fig. 7에 나타내었다. 강관두께의 증가에 따른 단면2차 모멘트와 단면계수의 증가에 따라 구조 성능은 증가하였으며, 각 하중 작용위치의 항복응력은 강관 두께가 증가할수록 상단부(약 10%), 중단부(약 23%), 하단부(약 55%) 증가하였으며, 주기둥의 하단부에서 항복하중은 가장 크게 나타났다. 또한 두께 6 mm 제외하고 곡형 강관의 항복 하중은 기존의 H형강 주기둥의 항복 하중보다 적게 나타났다. 곡형 강관의 항복강도는 콘크리트의 압축강도에 대한 영향보다 강관두께 변화에 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7

Load-displacement Relationships Depending Thickness of CFT

3.3 콘크리트 압축강도에 대한 구조성능 효과

합성강관의 경우 채움 콘크리트에 의하여 단면강성이 변화하게 되며, 곡형 강관에 충진되는 콘크리트의 압축강도에 따른 영향을 비교하기 위하여 Fig. 8에 압축강도에 따른 곡형 강관의 하중 변위관계를 비교하였다. 해석결과 동일한 강관두께에 대한 콘크리트 강도 변화에 따른 곡형 강관의 항복하중은 유사하게 나타났다. 또한, 강관두께 3.6 mm와 4.0 mm는 기존의 H형강의 주기둥과 비교하여 항복하중은 감소하였으며, 4.5 mm의 경우는 유사하였으며, 6.0 mm의 경우는 콘크리트의 강도에 상관없이 기존 H형강 주기둥의 항복하중 보다 크게 나타났다.

Fig. 8

Load-displacement Relationships Depending Compressive Strength of Concrete

3.4 콘크리트 충진 높이 변화 대한 구조성능 효과

콘크리트 충진 높이 변화에 의한 합성강관 주기둥의 하중 변위관계를 Fig. 9에 나타내었다. 콘크리트 충진 높이는 강관 주기둥 높이의 ½(H), ¼(Q), ⅛(O)을 충진하였다. 콘크리트 압축강도(60MPa)와 강관두께 4.5 mm의 경우에는 충진 높이 변화에 따른 항복하중은 유사하게 나타났다.

Fig. 9

Load-displacement Relationships Depending Concretefilled Height

3.5 하중 작용 방향의 변화에 구조성능 효과

기존의 H 형강 주기둥과 비교하여 수평방향 강성의 증가효과를 검증하기위하여 콘크리트 압축강도(60MPa)와 강관두께 4.5 mm에 대하여 하중 작용방향을 0, 10, 20, 30, 40, 45°에 대하여 구조성능을 평가하여 Fig. 10Table 2에 나타내었다. Fig. 10Table 2에 나타난 것과 같이 주기둥에 작용하는 하중의 각도가 증가함에 따라 콘크리트 충진 강관 주기둥의 형상적인 특성에 따라 기존 H형강 주기둥 보다 하중저항 성능이 증가하고 있음을 확인 할 수 있다. 특히, 하중방향이 45°까지 증가한 경우, H형강과 비교하여 콘크리트 충진 주기둥의 횡방향 강성이 크게 증가하여 항복하중은 하중작용 위치에 따라 2.4배~3.4배 증가하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 10

Load-displacement Relationships Depending Loading Direction

Summary of FE Analysis

4. 결론

현재 사용되고 있는 기존 낙석방지 울타리는 낙석이 H형강의 주축방향으로 낙석 에너지가 작용할 경우 H형강의 단면형상이 가진 구조적 휨성능을 최대한 발휘 할 수 있는 형태이다. 하지만 낙석 발생시 충돌에너지는 와이어에 의하여 소산되며, 소산되는 에너지는 H형강 주기둥에 횡방향 하중으로 작용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 곡형 합성강관 주기둥의 수평방향 저항성능을 평가하기 위하여 유한요소 해석을 통하여 구조 성능을 비교하였으며 그 결과를 정리하여 다음에 나타내었다.

  • (1) 콘크리트 충진 곡형 강관의 경우 강관두께 3.6 mm와 4.0 mm는 기존의 H형강의 주기둥과 비교하여 항복하중은 감소하였으며, 4.5 mm의 경우는 동일한 수준의 항복하중을 가지며, 6.0 mm의 경우는 콘크리트의 강도에 상관없이 기존 H형강 주기둥의 하중저항 성능이 크게 나타났다.

  • (2) 대상 콘크리트 충진 곡형 강관 주기둥의 항복하중은 강관두께 증가에 영향이 크고 콘크리트 충진으로 인하여 강관 주기둥의 단면증대 효과가 있음을 확인 할 수 있다.

  • (3) 대상 콘크리트 충진 곡형 강관 주기둥의 경우 하중 작용방향에 따라 기존 H형강 주기둥과 비교하여 항복하중이 증가하며 하중방향이 45°인 경우에는 기존의 H형강보다 항복하중은 2.4배~3.4배 증가하므로 기존 주기둥과 비교하여 하중방향에 대한 저항성능이 증가하고 있음을 알 수 있다.

곡형 합성강관 주기둥에 대한 구조해석 결과 제안된 곡형 합성강관 주기둥은 기존 H형강 주기둥과 비교하여 낙석에 대하여 동일한 구조저항 성능과 뛰어난 수평저항 성능을 가지고 있음을 확인 할 수 있으며, 구조성능을 확인 할 수 있는 실험등이 추가되어 성능에 대한 추가적인 실험이 진행된다면 기존 H형강 주기둥을 대신하여 곡형 합성강관 주기둥을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서 제안된 곡형 합성강관 주기둥은 기존 강관 부재가 가진 강성을 향상하고 합성강관의 모든 방향에서 동일한 강성의 확보를 확인 하였다.

감사의 글

이 논문은 2015년도 경남과학기술대학교 대학회계 연구비지원에 의하여 연구되었음.

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Fig. 1

Failure Case of Rockfall Protection Fence

Fig. 2

Fiber Section Model(unit:mm)

Fig. 3

Nonlinear Material Model of Concrete

Fig. 4

Nonlinear Material Model of Steel

Fig. 5

FE Analysis Model of Loading Position(unit:mm)

Table 1

Parameter of CFT Analysis Model

Properties Parameter
Diameter(D) 139.8 mm
Thickness(t) 3.6, 4.0, 4.5, 6.0 mm
Concrete strength(f) 27, 30, 40, 50, 60 MPa
Filled height of concrete ½, ¼, ⅛
Loading direction 0, 10, 20, 30, 40, 45°

Fig. 6

Load-displacement Relationship

Fig. 7

Load-displacement Relationships Depending Thickness of CFT

Fig. 8

Load-displacement Relationships Depending Compressive Strength of Concrete

Fig. 9

Load-displacement Relationships Depending Concretefilled Height

Fig. 10

Load-displacement Relationships Depending Loading Direction

Table 2

Summary of FE Analysis

Location and loading direction(°) H-beam yield load, Hy(kN) CFT yield load, Cy(kN) Cy/Hy
0 Top 10.42 10.43 1.00
Center 16.74 16.69 1.00
Bottom 34.40 34.49 1.00
10 Top 7.27 10.51 1.45
Center 11.67 16.58 1.42
Bottom 25.80 35.01 1.36
20 Top 5.17 10.09 1.95
Center 8.25 15.98 1.94
Bottom 18.63 33.04 1.77
30 Top 3.76 9.42 2.51
Center 6.02 14.69 2.44
Bottom 13.71 30.64 2.23
40 Top 2.78 8.51 3.06
Center 4.64 13.07 2.81
Bottom 11.27 27.37 2.43
45 Top 2.41 7.76 3.22
Center 3.94 12.22 3.10
Bottom 10.17 24.34 2.39