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Flexural Capacity and Behavior of Circular Concrete Filled Tube Beam-Columns without Axial Loads
원형 콘크리트충전강관 부재의 휨강도 및 거동

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Authors
이민선
Advisor
강현구
Major
공과대학 건축학과
Issue Date
2017-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
circular concrete filled steel tubebeam-columnnominal flexural capacityflexural stiffnessdesign code
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 건축학과, 2017. 2. 강현구.
Abstract
합성구조는 기존의 철근콘크리트구조나 강구조와 비교하여 강도와 강성 측면에서 보다 유리하다. 이러한 구조적 장점 때문에 초고층 건물과 장경간 구조물의 수요가 늘어나는 현대에 이르러 합성구조가 널리 사용되고 있다. 합성구조의 종류는 그 형식에 따라 충전형(CFT
Concrete Filled Tube)과 매입형(SRC
Steel Reinforced Concrete)으로 크게 나뉘는데, 본 연구에서는 충전형(CFT) 구조를 다룬다. 특히 충전형(CFT)는 압축을 지배적으로 받는 기둥 부재로 주로 사용되어 왔으며, 따라서 편심의 유무에 따른 압축을 받을 때 CFT 기둥 부재의 거동에 관한 연구가 다수 수행되었다. 그러나 국내외적으로 CFT 구조가 기둥 뿐만 아니라 보로서 장경간을 요하는 건축물과 교량 등에 활용됨에도 불구하고, 이에 대한 연구는 부족한 실정이다.
지난 연구 결과, CFT보의 거동이 속이 빈 강관의 거동과 매우 유사하다고 보고되었던 초기의 연구와는 달리(Furlong, 1967), 충전된 콘크리트가 압축 저항을 하며 중립축을 압축측으로 이동시킴으로써 거동에 영향을 미치며, 압축을 받는 강관의 국부좌굴을 방지한다는 것 등 보다 정확한 CFT보의 휨거동에 대한 연구가 최근까지 보고되고 있다. 그러나 이들 연구의 대부분은 축소 모형으로 제작된 CFT(로) 분석되었으며 실물대 크기의 실제 CFT 보의 거동에 대한 연구는 극히 부족한 상태이다. 또한, 원형 CFT(CCFT)의 경우 그 단면 형태의 특성상 세밀한 연구가 진행되어야 함에도 불구하고 이에 대한 연구는 더욱 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 실물크기 CCFT 실험 데이터를 분석하여 축력을 받지 않는 상태에서의 CCFT(의 휨거동을 연구하였다. 특히 CCFT(의 휨강도에 있어서 여러 코드별로 산정식이 존재하지만 그 방식이 동일하지 않을 뿐만 아니라, 최근 보고된 실물 크기 실험값과 비교하여 볼 때도 보수적이지 못한 설계로 이어지는 것으로 나타났다. 또한, 추가적으로 실제 측정된 CCFT부재의 휨강도값과 코드에 따라 계산된 값을 비교 분석하였을 때 강관의 두께가 감소할 때, 즉 박판일 때 안전율이 감소하는 것으로 나타났다.
단면이 원형인 특성상 CCFT(의 휨강도를 손쉽게 계산할 수 없기 때문에, 본 연구에서는 설계자가 CCFT부재의 물성치를 입력하여 CCFT(의 휨강도를 산정할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이에 더하여, 정밀한 계산과정 없이도 CCFT부재의 휨강도를 산정할 수 있는 설계 그래프를 제시하여 보다 정확하고 편리한 설계가 가능하도록 유도하였다.
The use of concrete filled tubes (CFTs) with its own structural advantages has been used relatively recent comparing to other structural materials such as regular structural steel or regular reinforced concrete. Moreover, circular concrete filled tubes (CCFTs) provide more effective confinement by circular steel tube, bond stress transfer, and shear reinforcement to the concrete fill than rectangular concrete filled tubes. However, most prior experimental researches have been done focusing on the concrete filled tube columns. Even though some of them have been considered under pure bending, those have been done only using small sized specimens. The aim of this study is to examine the flexural behavior of full scaled circular concrete filled tube (CCFT) beams. Moreover, it attempts to investigate the effect of end plate. Five full scaled specimens were used to examine the flexural behavior. One was thick walled steel tubes without concrete fill, two were thick walled CCFTs with and without end plate, and other two were thin walled CCFTs with and without end plate. The test results about flexural behavior of CCFTs are shown with applied moment, displacement, steel and concrete strain at each location.
This study also collected all the test specimens from the prior researches and this current test to make a comparison between the measured flexural strength and calculated nominal flexural capacity of CCFT according to common methods such as methods according to the ACI, AISC and Eurocode 4. One of the reasons is that due to the complexity of calculation for circular shapes, it is difficult to hand calculate the flexural strength of CCFT following the methods except the plastic stress distribution method of AISC which provides the closed form equations. Another reason is that all these methods give different calculated nominal flexural capacities of CCFT. In this study, an effort is made to review and compare the codes to identify their differences and also develop a computing program for the nominal flexural capacity of circular concrete filled tubes under pure bending that is in accordance with the codes. The developed computing algorithm, which is programmed in MATLAB, is not only used to compare the measured and calculated flexural strength of CCFT in this study but also is used to generate design aid graphs for various steel grades and a variety of strengths of steel and concrete. The design aid graphs for CCFT beams can be used as a preliminary design tool.
Language
English
URI
http://hdl.handle.net/10371/124162
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Architecture and Architectural Engineering (건축학과)Theses (Master's Degree_건축학과)
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