3.1 실험체 종류 및 형상

실험계획은 강재 단순보의 형태로 휨 및 전단력을 동시에 작용하도록 실험체 양쪽 지지점에 롤러를 사용한다.

실험체 스케일은 1:1로 다음과 같이 실험계획을 수립한다.

Fig. 2. Specimen detail

실험체 규격은 H-300×150×9/6.5로서, 일반구조용 압연강재인 SS275로 한다. 실험체의 총길이는 2,000 mm으로 양쪽 끝에 100 mm의 여장과 지지점간의 거리가 1,800 mm이다.

개구부 규격은 300 mm × 150 mm인 2:1비율의 사각형이며, 개구부의 모서리는 라운드(R = 16 mm)형태로 처리한다.

하중전달을 위하여 실험체의 중앙 하중 재하위치, 양쪽 단부 지지점 위치에 하중점 스티프너(t = 9.0 mm)를 설치하며, 개구부 보강에 사용한 보강강판은 일반구조용 압연강재인 SS275(t = 9.0 mm)를 사용한다.

실험체 계획은 강재보 무공 실험체와 함께 개구부 가장자리와 지지점 이격이 150 mm, 300 mm인 강재보 유공 실험체, 그리고 개구부 가장자리와 지지점 이격 150 mm인 강재보 유공 실험체에 수직 강판보강 및 수평 강판보강에 대하여 개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm인 강재보 경우와 간격 없는 강재보 경우로 나누어서 한다.

강판보강에 사용되는 보강강판은 두께 9 mm로 하고, 수평 강판보강인 경우는 개구부에서 보강강판 내민길이를 개구부 폭의 1/4인 75 mm로 계획한다. 실험체는 Fig. 2, Table 1과 같이 총 7개를 계획한다.

3.2 가력 및 계측계획

본 연구에서의 가력방식은 Fig. 3과 같이 강재 단순보의 형태에서 휨 및 전단을 동시에 작용하는 1점 집중재하방식이다.

사용된 가력장치는 Photo. 1과 같이 UTM을 사용하여 가력하며, 가력방식은 변위제어으로 1 mm/min의 속도로 한다.

Fig. 3. Loading Plan

Photo. 1. Test set up

4.1 사용재료의 역학적 성질

본 연구의 재료실험은 KSB0801인 금속재료 인장시험 규정에 따라 일반구조용 압연강재인 SS275인 H-300×150×9/6.5에서 채취한 6.5 mm와 9.0 mm의 시험편을 제작하여 재료실험을 실시하였다.

재료실험의 결과는 Table 2와 같고, 측정된 평균값인 항복강도는 339.84 MPa이며, 인장강도는 459.87 MPa로 측정되었다. 이 결과는 추후 실험체의 내력분석 연구에 활용한다.

4.2 실험후 실험체 파괴양상

본 연구에서 실시한 실험체별 실험종료 후 파괴된 형태는 Photo. 2와 같고, 그리고 각 실험체의 파괴양상은 Table 3과 같이 정리하였다.

Photo. 2. Failure Shape of the test Specimen

무공 강재보인 SB00-N0 실험체의 파괴양상은 가력지점인 중앙부에서 웨브 국부좌굴이 발생하고, 이후 플랜지 국부좌굴이 발생한 뒤 극한 내력에 도달하였다. 그리고 수직강판 보강 유공보 실험체(SB15-V1, SB-N0)는 유공보 무보강인 SB15-N1 실험체와 비슷한 파괴양상과 변형형태를 보였다.

수평강판 보강된 유공보 실험체(SB15-H1, SB-H0)의 파괴양상은 국부좌굴이 개구부위치의 웨브에서 먼저 발생한 후, 플랜지에서 발생하였고, 특이사항은 무공 강재보인 SB00-N0실험체와 비슷하게 가력지점인 실험체 중앙부 상부 플랜지에서 국부좌굴이 발생되었다. 변형형태는 개구부 양쪽 가장자리에서 발생되었지만 SB00-N0 실험체와 수평강판 보강된 유공보 실험체에 비하여 완만한 형상을 보였다.

무보강 유공보 실험체(SB15-N1, SB30-N2)와 수직강판 보강 유공보 실험체(SB15-V1, SB-N0)는 지지점에 가까운 개구부 가장자리 부위에서 상승되는 변형이 발생되었다. 이는 개구부 가장자리 위치에서 응력이 집중되어 변형이 발생된 것으로 판단된다.

4.3 기본 모델의 실험결과

본 연구의 각 실험체에 대한 실험결과는 하중-변위 곡선으로 나타내었다. 하중은 UTM에서 측정된 가력하중이며, 변위는 중앙부 수직변위를 사용하였다.

실험결과 분석에서 사용한 항복은 탄성구간의 초기강성 기울기의 1/3인 직선과 소성구간의 곡선의 교차점을 항복점으로 한다.

Fig. 4. Load-Displacement Relationship - 1

Table 4와 Fig. 4는 무공 강재보인 SB00-N0 실험체와 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 SB30-N2 실험체의 실험 결과를 나타낸 것이다.

SB00-N0 실험체의 하중-변위 곡선은 전반적으로 안정적인 거동 양상을 보였다. 가력 초기에는 선형거동을 하다가 가력하중이 377.12 kN에서 항복하며, 이후 422.61 kN에서 극한하중을 도달한 하였고 , 이후 가력하중이 감소하였다.

개구부 이격 150 mm인 무보강 유공보 SB15 –N1 실험체의 하중-변위 곡선은 가력 초기에는 선형 거동 이후, 199.04 kN에서 항복하고, 219.08 kN에서 극한하중을 도달한 후 서서히 감소하는 거동을 보였다.

개구부 이격 300 mm인 무보강 유공보 SB30-N2 실험체의 하중-변위 곡선은 가력 초기의 선형 거동을 하다가 195.04 kN에서 항복, 213.74 kN에서 극한하중을 기록한 후 서서히 감소하였다. SB15-N1 실험체의 결과와 비교하면 항복하중, 극한하중 모두에서 작은 것으로 나타났다.

Fig. 5. Load-Displacement Relationship - 2

무보강 유공보인 실험체(SB15-N1, SB30-N2)는 무공 강재보인 SB00-N0 실험체와 비교분석해 보면 상이하게 항복하중 이후 극한하중 위치가 항복하중에 가깝고, 변형도경화 구간 보이지 않는 특징이 있는 것으로 나타났다.

4.4 수직보강 모델의 실험결과

Table 5와 Fig. 5는 수직강판 보강 유공보인 SB15–V1 실험체와 SB15-V0 실험체의 실험 결과를 나타낸 것이다.

개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm인 수직강판 보강한 SB15-V1 실험체의 하중-변위 곡선은 하중의 가력 초기에 선형 거동을 하며, 이후 가력하중이 증가하여 208.59 kN에서 항복하였고, 230.51 kN에서 극한하중을 도달하였다. 이후 서서히 감소되는 형태를 보였다. 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교하면 항복하중은 4.8 %, 극한하중은 5.22 % 큰 것으로 평가되었다.

개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수직강판 보강한 SB15-V0 모델의 하중-변위 곡선은 가력 초기에는 선형 거동을 하며 가력하중이 223.50 kN에서 항복하였으며, 255.23 kN 지점에서 극한하중을 기록하였다. 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교하면 항복하중은 12.29 %, 극한하중은 16.50 % 큰 것으로 나타났다.

수직강판 보강 유공보 실험체(SB15-V1, SB15-V0)의 실험 결과에서 분석된 하중-변위 곡선의 형태는 무보강 유공보 실험체(SB15 -N1, SB30-N2)와 비슷한 형상을 보이며, 또한 기본 모델의 실험체에 보다 항복 이후 강성비가 낮은 특징이 발견되었다.

Fig. 6. Load-Displacement Relationship - 3

4.5 수평보강 모델의 실험결과

수평강판 보강 유공보 실험체(SB15 -H1, SB15-H0)의 실험 결과는 Table 6, Fig. 6과 같다.

개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm으로 수평강판 보강된 유공보인 SB15-H1 실험체의 하중-변위 곡선은 가력 초기에 선형 거동하며, 가력하중이 308.69 kN에서 항복한 후, 하중이 계속 증가하여 387.07 kN 극한하중을 기록한 이후 서서히 감소되는 형태를 보였다. 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교하면 항복하중은 55.09 %, 극한하중은 76.68 % 크게 나타났다.

개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강 유공보인 SB15-H0 실험체의 하중-변위 곡선은 가력 초기에는 선형 거동한 후, 329.34 kN에서 항복, 421.87 kN에서 극한하중을 도달하고 이후 감소되는 거동을 보였다. 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교하면 항복하중은 65.46 %, 극한하중은 92.56 % 큰 것으로 나타났다.

수평 강판보강 실험체(SB15-H1, SB15-H0)의 하중-변위 곡선의 형태는 무공 강재보인 SB00-N0시험체 결과와 비슷한 한 형상이였으며 변형도경화 구간도 보이고 있다.

4.6 AISC 제안식 비교

무보강 유공보 실험체(SB15-N1, SB30-N2)와 수평강판 보강 유공보 실험체(SB15-H0)의 실험결과를 적용하여 AISC의 제안식을 이용하여 휨내력과 전단내력 상호관계를 평가하였다. 개구부 양쪽 중 휨과 전단력이 큰 위치인 강재보 실험체의 중앙쪽 개구부 가장자리 부분의 실험값을 적용하였다.

첫 번째로는 실험결과 중 항복하중 시의 실험값을 설계강도($M_{n1}$,$V_{n1}$)로 적용하고, 극한강도는 이론값($M_{m1}$, $V_{m1}$)과 실험의 극한값($M_{m2}$, $V_{m2}$)을 각각 적용하여 AISC의 제안값($R_{11}$, $R_{12}$)을 산출하였으며 그 결과는 Fig. 7과 Table 7과 같다.

극한강도를 이론값($M_{m1}$, $V_{m1}$)과 실험시 극한값($M_{m2}$, $V_{m2}$)을 적용한 식(1)의 AISC의 제안값($R_{11}$, $R_{12}$)을 비교해 보면, 이론값을 적용한 경우가 실험 시 극한값을 적용한 경우보다 AISC의 $R$값이 크게 평가되었다.

무보강 유공보 실험체(SB15-N1, SB30-N2)는 개구부의 위치가 상이한 경우에도 비슷한 AISC의 $R$값을 나타내고 있다. 개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강한 유공보인 SB15-H0 실험체는 AISC의 $R$값은 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교해 보면 보강효과가 있는 것으로 평가되었다. 특히 $R_{12}$는 0.98로 보강을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

두 번째로는 실험체의 중앙부에 임의의 가력하중 300 kN인 경우에 대하여 설계강도($M_{n2}$,$V_{n2}$)를 적용하고, 극한강도를 이론값($M_{m1}$, $V_{m1}$)과 실험시 극한값($M_{m2}$, $V_{m2}$)을 각각 적용하여 AISC의 제안값($R_{21}$, $R_{22}$)을 산출하였으며 그 결과는 Table 8, Fig. 8과 같다.

무보강 유공보 실험체(SB15-N1, SB30 -N2)는 개구부의 위치가 상이한 경우에도 비슷한 AISC의 $R$값을 나타내고 있다. 개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강 유공보인 SB15-H0 실험체의 AISC의 $R$값은 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교해 보면 보강효과가 있는 것으로 평가되었다. 특히 $R_{22}$는 0.90로 보강을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 7. AISC Propose Value - 1

Fig. 8. AISC Propose Value - 2

4.7 실험 결과 비교 분석

지지점과 개구부의 가장자리까지 거리가 150 mm인 무보강 유공보 SB15-N1 실험체와 300 mm인 무보강 유공보 SB30 -N2 실험체의 실험 결과를 볼 때, SB30-N2 실험체보다 SB15 -N1 실험체가 항복하중은 1.88 %, 극한하중은 2.44 %, 항복변위는 3.16 %, 극한하중시 변위는 1.63 % 더 크게 측정되었다. 이는 단순보에서 중앙부에서의 거리가 먼 위치에 개구부가 있으므로, 모멘트가 상대적으로 작게 작용하기 때문이다.

수직강판 보강 유공보인 SB15-V1 실험체가 무보강 유공보 SB15-N1 실험체보다 항복하중은 4.80 %, 극한하중은 5.22 %, 항복변위는 5.26 %, 극한하중시 변위는 10.91 % 증가되었다.

수평강판 보강된 SB15-H1 실험체는 항복하중 50.29 %, 극한하중 71.46 %, 항복변위 21.38 %, 극한하중시 변위 128.50 %로 더 크게 증가되었다. 이는 수평강판 보강은 단면손실이 발생되는 개구부 부분에 집중되는 응력을 개구부 주변 부분으로 분산시키는 역할이 효과적이기 때문으로 판단된다.

개구부와 보강강판의 간격에 유무에 따른 강재보 실험체의 결과를 각각 비교해보면, 간격이 없는 실험체(SB15-H0, SB15 -V0)가 간격 15 mm인 실험체(SB15-H1, SB15-V1)에 비하여 항복하중 7.49~10.37 %, 극한하중 11.28~15.88 %로 증가되었으며, 항복변위는 -3.85~1.31 %로 비슷하지만, 극한하중 시 변위는 18.05~82.53 %로 크게 증가되는 것으로 나타났다. 이는 개구부 가장자리에 집중되는 응력을 바로 보강강판으로 전달되어 응력 집중을 완화하기 때문으로 판단된다.

강판보강 유공보 실험체 중 가장 효율적인 결과로 측정된 개구부와 보강강판의 간격이 없는 수평강판 보강 유공보인 SB15-H0 실험체와 무공 강재보 SB00-N0 실험체의 결과를 비교하면, SB00-N0 실험체보다 SB15-H0 실험체가 항복하중 24.01 % , 극한하중 0.34 %로 작게 측정되었지만, 항복변위는 5.7 % 크고, 극한하중 시 변위는 147.24 %로 상당히 크게 나타났다.

AISC의 제안값 $R$ 평가에서 항복하중 시의 실험값을 설계강도로 적용하고, 극한강도를 이론값을 적용한 경우가 실험 시 극한값을 적용한 경우보다 AISC의 $R$값이 크게 평가되었다. 이는 이론값과 상이하게 실험값이 모멘트보다 전단력이 지배하는 보의 형태이기 때문으로 판단된다. 그리고 무보강 유공보 실험체(SB15-N1, SB30-N2)는 개구부의 위치가 상이한 경우도 비슷한 AISC의 $R$값이 평가되었다.

개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강 유공보인 SB15-H0 실험체에 대한 극한강도를 이론값을 적용한 AISC의 제안값 $R$ 평가는 보강 성능을 만족하지 못하지만, 실험 시 극한값을 적용한 경우에는 보강을 만족하는 것을 알 수 있었다.