2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A462

부분 매입형 원형 CFST 교각-코핑부 연결부 휨거동의 실험적 평가

Experimental evaluation of flexural behavior of partially embedded circular CFST

pier-to-coping connection

문지호*†, 이학은**

Jiho Moon*†, Hak-Eun Lee* *

Abstract The concrete infill of circular CFST (Concrete-Filled Steel Tube) is confined by the steel tube, which results in tri-axial state of compression of the concrete. Also, the concrete infill restrains local and global buckling of the steel tube, and thereby increases the strength and deformation capacity. Thus, CFST is suitable for high seismic region. However, CFSTs are not used frequently in civil engineering practice, especially for bridge pier. This is partially resulted from limited research has focused on the CFST pier connections. Recently, the embedded CFST-to-foundation connection was developed by previous researchers. However, it is doubtful this connection details is appropriate for CFST-to-coping connection, and the study for connection details of CFST-to-coping is still needed. In this study, a new type of partially embedded CFST-to-coping connection, which is suitable for rapid construction, was suggested and its flexural behavior was evaluated through a series of experimental study. From the results, it was found that the proposed connection details behave as a fixed connection and it showed good ductility as well.

Keywords :Circular CFST pier , Coping, Partially embedded connection, Composite structure, Ductility 초 록 원형 콘크리트 충전 강관(Concrete-Filled Steel Tube: CFST)은 외부강관에 의하여 충전 콘크리트가 구속되어 콘크리트가 삼축 응력 상태에 놓이게 되고, 외부 강관의 좌굴을 억제하여 강도 및 연성의 증가를 가져온다 따라서, CFST 교각은 고지진 지역에 적합하다. 하지만 CFST 교각은 잘 사용되고 있지 않으며, 이러한 이유는 일부 CFST와 기초 혹은 코핑부의 연결부에 대한 연구가 부족하기 때문이다. 최근에 기존 연구자들에 의하여 CFST 교각과 기초를 연결하는 매입형 연결부에 대한 연구가 진행 되었으나, 이러한 연결부가 CFST 교각과 코핑부에 적합한지는 의문이다. 본 연구에서는 급속 시공이 가능한 CFST 교각-코핑 연결부를 제안하였으며, 실험 연구를 통하여 휨성능을 평가하였다. 실험 결과, 새롭게 제안된 CFST 교각-코핑부 연결부는 고정 지점으로 작용할 수 있음을 확인 하였으며, 연성 또한 좋은 것으로 나타났다.

주요어 : 원형 CFST 교각, 코핑부, 부분 매입형 연결부, 합성구조, 연성

1. 서 론

원형 콘크리트 충전 강관 (Concrete-Filled Steel Tube, CFST은 강관의 내부에 콘크리트

를 채운 합성 구조로서, 내부의 콘크리트가 3축 응력 상태에 놓이게 되어 강도 증진뿐만

† 교신저자: 한국철도기술연구원 신교통연구본부(jmoon1979@gmail.com)

* 한국철도기술연구원 신교통연구본부

** 고려대학교 건축사회환경시스템공학과

아니라 연성 증가를 기대할 수 있다. 또한, 충진된 콘크리트로 인하여 강관의 국부 좌굴

을 지연할 수 있는 장점이 있다. 지진 하중과 같은 극단적인 횡하중이 교량의 교각에 작용

하는 경우 교각은 높은 강도와 연성을 동시에 가져야 하며, CFST는 이러한 요구를 충족시킬

수 있어 고지진 지역 (High seismic region)의 구조물에 그 활용도가 높다고 할 수 있다

[1]. 하지만 하지만 CFST 교각은 잘 사용되고 있지 않으며, 이러한 이유는 일부 CFST와 기

초 혹은 코핑부의 연결부에 대한 연구가 부족한 것에 기인한다. 그림 1은 CFST를 이용한 교

량 하부구조를 보여준다. CFST 교각과 기초 연구부의 경우 Roeder & Lehman [2]과 Moon et

al. [1]에 의하여 매입형 연결부가 제안되었으며, 휨성능이 검증 되었다. 이러한 매입형 연

결부는 CFST 교각-코핑부 연결부에도 적용을 할 수 도 있지만 모타르(Mortar)로 채움되는

부분이 중력아래 방향으로 되어 시공상 문제가 있으며, 매입된 CFST 교각 하부의 콘크리트

두께가 전체 코핑부 두께보다 작게 되므로 펀칭전단(Punching shear)에 취약한 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 시공성이 보장되는 부분 매입형 CFST교각-코

핑부 연결부를 그림 1과 같이 제안하였다. 이러한 연결부는 그림 1과 같이 강관에 종방향

철근을 용접하고 이를 코핑부에 설치된 쉬스관에 매입한 후 그라우팅하여 손쉽게 건설할 수

있다. 본 연구에서는 이러한 연결부에 대하여 실험 연구를 통하여 휨거동을 파악하였다.

Fig. 1 CFST pier and its connection details Fig. 2 Test setup

2. 부분 매입형 원형 CFST 교각-코핑부 연결부 실험

2.1 실험체 개요

본 연구에서는 총 3개의 실험체를 제작하여 실험을 수행 하였다. 첫 번째 실험체 (EC 실

험체)는 매입형 연결부를 가지는 실험체로 연결부에서 파괴가 발생하지 않고, CFST 교각 단

면의 최대 성능을 발휘하도록 설계 하였다. 두 번째와 세 번째 실험체 (PEC13과 PEC19 실험

체)는 본 연구에서 새롭게 제안된 연결부를 갖는 실험체로 각각 외부 강관에 D13 및 D19 철

근 8개를 등간격으로 용접하여 코핑부에 삽입한 후 그라우팅을 한 실험체이다. 따라서,

PEC13과 PEC19 실험체의 결과를 EC실험체와 비교하여 부분 매입형 연결부의 거동을 파악할

수 있다.

세 가지 실험체 모두 동일한 CFT 교각 및 코핑부를 가지며 연결부의 상세만 변화시켰다.

표 1은 본 연구에서 사용한 CFT 교각의 제원을 나타낸다. 표 1에서 알 수 있듯이 CFT 교각

의 직경은 250 mm이며, 강관의 두께는 3.2 mm이다. 강관의 항복 강도는 321.8 MPa, 재료 실

험 결과 내부 충전 콘크리트의 강도는 29.8 MPa, 강관의 항복강도는 321.8 MPa였다. CFT 교

각의 전체 길이는 1,800 mm이다.

Table 1 Dimensions and material properties of test specimens

D (mm) t (mm) D/t L (mm) fy (MPa) fc’ (MPa)

250 3.2 78 1,800 321.8 29.8

코핑부의 폭은 1,200 mm, 높이는 450 mm, 깊이는 500 mm이며, 종방향 및 횡방향 철근비는

각각 1.5 %와 0.6 %이다. 본 실험체에서 사용된 코핑부의 높이 450 mm는 AASHTO [3]에 따라

실험체의 매입된 인장철근에 대한 최소 정착길이보다 크게 되도록 하였다. 실험장비 구성은

그림 2와 같으며, 그림 3과 같이 반복하중을 이용하여 실험체를 가력하였다. 실험 시 작용

시킨 축력은 CFST 단면의 최대 축방향 강도 Po의 9%이다.

Fig. 3 Loading protocol Fig. 4 Bending moment diagram of test specimen

2.2 실험 결과

그림 5(a)-(c)는 각각 EC, PEC13, 및 PEC19실험체의 휨모멘트-드리프트 관계를 보여준다.

휨모멘트는 CFT 교각의 최 하단에서 계산을 하였으며, 그림 4와 같이 P-Δ 효과를 고려하였

다. EC 및 PEC19 실험체의 경우 약 1.5 % 드리프트 이후 내하력이 더 이상 증가하지 않았으

나, 약 6.7 % 드리프트까지 내하력이 감소하지 않는 연성 거동을 보여 주었다. 그림 6은 각

실험체의 파괴형상을 보여준다. 이 그림에서 알 수 있듯이 EC 및 PEC19 실험체는 코핑부 및

연결부의 손상은 미미한 반면 CFST 교각에서 파괴가 발생하는 것을 알 수 있다.

(a) (b)

(c)

Fig. 5 Relationship between base moment and drift: (a) EC specimen; (b) PEC13 specimen; and (c) PEC19 specimen

이에 반하여 PEC13실험체는 그림 6에서 볼 수 있듯이 연결부가 뽑히는 파괴가 발생하였으

며, CFST 교각의 손상은 미미하였다. 그림 5(b)에서도 볼 수 있듯이 최대 강도가 다른 실험

체 보다 작으며, 최대 강도 도달 후 내하력이 감소하는 것을 알 수 있다.

실험결과, EC, PEC13, 및 PEC19실험체의 최대 강도는 각각 87.4 kN.m, 119.7 kN.m, 및

79.3 kN.m로 나타났다. CFST 단면의 휨강도는 일반적으로 소성응력분배법 (Plastic stress

distribution method)으로 계산할 수 있다 [4]. 표 2에는 소성응력법으로 계산된 CFST 단면

휨강도와 실험결과 나타난 휨강도의 비교가 나와있다. 표 2에서 Mp,b 및 Mp,d는 각각 이론적

으로 계산한 CFST 교각 최하단 및 CFT 교각 최하단에서 250 mm떨어진 위치에서 계산한 휨강

도이다. EC 실험체의 경우 CFST 교각의 전 길이에 대하여 내부철근이 없이 균일함으로 전

길이에 대하여 동일한 최대 휨강도를 가진다. 반면에 PEC13 및 PEC19 실험체의 경우 CFST

교각 양 끝단에서 250 mm 구간에는 각각 D13 및 D19철근이 용접 되어 있으므로 이 부분의

최대 휨강도는 EC 실험체보다 크다. 반면에 이 부분을 제외한 경우 최대 휨강도는 EC 실험

체와 동일하다. 또한 표 2에서 Mu,test,b 및 Mu,test,d는 각각 실험으로 얻은 CFST 교각 최하단

및 CFST 교각 최하단에서 250 mm떨어진 위치에서의 최대 휨강도이다.

Fig. 6 Damages of test specimens

표 2에서 알 수 있듯이 EC 실험체의 경우, 파괴는 CFST 교각의 최하단에서 발생하는 것을

알 수 있다. 또한 이론적인 휨강도와 실험에 의하여 얻어진 휨강도의 비가 1.01로 거의 동

일한 것을 알 수 있다. 반면에 PEC19 실험체의 경우, CFST 교각 최하단의 이론적인 최대 휨

강도는 155.6 kN.m로 실험에 의하여 작용하는 휨모멘트보다 큰 것을 알 수 있다. 따라서,

CFST 교각 최하단에서는 파괴가 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 하지만 CFST 교각 최하단

부에서 250 mm떨어진 부분의 이론 휨강도와 작용하고 있는 휨모멘트가 동일하며 지점에서

파단이 발생하였음을 알 수 있다. 이는 그림 6의 PEC19 파괴형상을 통하여도 확인 할 수 있

다. 따라서, EC와 PEC19 실험체 모두 CFST 교각에서 파괴가 발생한 것을 알 수 있다.

PEC13의 경우, 작용하고 있는 휨모멘트가 CFST의 최하단 및 250 mm 떨어진 지점의 이론적

인 휨강도에 모두 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 따라서, CFST 교각에서 파괴가 발생하지

않을 것을 알 수 있으며, 앞선 파괴형상에서 보듯이 연결부에서 파괴가 된 것을 알 수 있다.

이러한 이유는 인장 철근들의 최대 강도 (NAbfyb)가 CFST의 외부 강관의 인장강도 (Asfy)

보다 작기 때문이다. 여기서, N, Ab, 및 fyb은 강관 안에 용접된 내부 철근의 수, 면적, 및

항복강도를 나타내며, As와 fy는 강관의 면적과 항복강도를 나타낸다. 따라서, 부분 매입형

연결부의 경우 인장 철근들의 최대 강도 (NAbfyb)가 CFST의 외부 강관의 인장강도 (Asfy) 보

다 크게 설계를 하여야 이론적인 CFST 교각의 최대 휨강도를 발현 할 수 있음을 알 수 있다.

Table 2 Comparison of test results with theoretical values

Mp,b

(kN.m)

Mp,d

(kN.m)

Mu,test,b

(kN.m)

Mu,test,d

(kN.m) Mu,test,b/Mp,b Mu,test,d/Mp,d

EC 86.4 86.4 87.4 63.1 1.01 0.73

PEC13 118.1 86.4 79.3 57.2 0.67 0.66

PEC19 155.6 86.4 119.7 86.4 0.77 1.00

3. 결 론

본 연구에서는 급속 시공이 가능한 부분 매입형 CFST교각-코핑부 연결부를 제안하였으며,

일련의 실험연구를 통하여 휨거동을 평가하였다. 제안된 연결부는 강관에 종방향 철근을 용

접하고 이를 코핑부에 설치된 쉬스관에 매입한 후 그라우팅하여 건설한다. 실험결과 부분

매입형 연결부의 경우 인장 철근들의 최대 강도가 CFST의 외부 강관의 인장강도 보다 크게

설계를 하는 경우, 이론적인 CFST 교각의 최대 휨강도를 발현 할 수 있음을 알 수 있다.

참고문헌

[1] J. Moon, J, D.E. Lehman, C.W. Roeder, H.-E. Lee (2013) Evaluation of embedded concrete-filled tube

(CFT) column-to-foundation connections, Engineering Structures, 56, pp. 22-25.

[2] D.E. Lehman, C.W. Roeder (2012) Foundation connections for circular concrete-filled tubes Journal of

Constructional Steel Research, 78, pp. 212-225.

[3] AASHTO (2009) AASHTO LRFD bridge design specification, 4th Ed., Washington, D.C.

[4] AISC (2010) Specifications for structural steel buildings, Chicago, IL, USA.