바닥하중의 도입과 전달

선기초 기둥은 피어 및 바닥구조와의 접합부가 필요하다. CFT기둥은 단면적크기에 비해 우수한 구조성능을 갖고 있지만 접합부는 외력을 강관으로 도입하고 강관에서 충전콘크리트코어로의 하중전달이 지연되지 않아야 한다.

 

1. 바닥하중의 도입

종래에는 외력을 강관으로 도입하기 위해 다음과 같이 2가지 방법이 사용되어 왔다.

 

방법-1 : 강관을 천공구멍에 삽입하기 전에 연결강판이나 스터드앵커를 강관외면에 부착한다. 이러한 방식의 접합부는 돌출부가 크기 때문에 작은 천공구멍에 설치하기가 곤란하고 제한적이므로 더 큰 천공구멍이 요구되어 공사비나 공기가 증가되고, 굴토공사시 장비에 의해 손상되기도 한다(그림 14참조).

 

(a) 스터드의 손상 (b) 공장부착 스터드 (c) 공장부착 플랜지
그림 14. 종래의 공장용접 접합방법-1

 

방법-2 : CFT기둥이 지중에 설치된 후, 그림 15처럼 접합부는 각 층마다 굴토 후에 현장용접에 의해 전단판, 스터드 또는 강재보의 접합요소를 부착한다. 현장용접은 용접방향에 따라 큰 영향을 받으므로 품질확보가 어렵다. 또한, 콘크리트가 충전된 CFT합성기둥에 직접 용접하는 것은 합성기둥에 결함이 발생되기 때문에 유럽의 CIDECT 설계지침서 DG9에서는 “주 부재에 대한 접합부의 모든 용접은 강관 내부에 콘크리트를 충전하기 전에 이루어져야 한다.”고 규정하고 있다.

 

(a) 전단판 현장용접 (b) 스터드 현장용접 (c) 강재보 현장용접 접합
그림 15. 종래의 CFT기둥 현장용접 접합방법-2

 

그림 16처럼 CFT기둥의 강관에 전단판을 직접 부착하는 하중도입방법의 접합부는 강관의 면외거동으로 접합성능이 제한된다. 이에 대한 대책으로 다이아프램 또는 관통전단연결판에 의해 접합성능을 향상시킬 수 있으나 이러한 방법은 탑다운공사과정을 고려할 때 시공성, 경제성이 크게 저하되므로 이에 대한 합리적인 대책이 필요하다.

(a) 하중도입 (b) 사각형 CFT (c) 원형 CFT
그림 16. 종래 CFT기둥의 전단판 접합부의 거동(FEM해석)

 

2. 강관에서 충전콘크리트로의 하중전달

CFT기둥은 충전콘크리트의 기여도(단면적, 강도)가 높아지고 강관의 기여도(단면적, 강도)가 낮아질수록 하중전달부는 강관에서 충전콘크리트로 전달되어야 할 힘(소요전단력)이 증가되어 부착강도를 초과할 수 있게 된다(그림 17참조).

 

그림 17. CFT기둥의 재료강도에 따른 소요전단력의 비율

 

그림 18a처럼 CFT기둥의 내부면에 하중전달기구가 없는 경우에는 바닥하중에 의한 전달하중이 부착강도를 초과하면 그림 18c처럼 접촉면사이에 미끄럼이 발생되어 강관으로부터 충전콘크리트로 전달되는 힘이 적어 그림 18d처럼 강관에 응력이 집중되어 합성기둥의 합성효과를 기대할 수 없게 된다. 반면에 그림 18b처럼 내부면에 적절한 하중전달기구가 있는 경우에는 소정의 힘을 충전콘크리트로 전이시켜 강관에 집중되지 않아 합성효과를 유지한다.

 

(a) 하중전달기구가 없는 모델-1 (b) 하중전달기구가 있는 모델-2
(c) 강관내부 접촉면 미끄럼 (d) 강관응력
그림 18. 원형 CFT기둥내부의 하중전달기구의 영향

 

3. 공장제작보의 접합

일반 공장제작보의 기둥접합은 그림 19와 같은 선기초기둥의 시공오차로 인하여 많은 문제점(현황측정, 측정에 따른 현장가공, 현장용접, 용접검사, 품질저하, 공기지연, 공사비증가 등)을 갖게 된다(그림 20참조).

(a) 평면도
(b) 평면 시공오차 (c) 수직 시공오차
그림 19. 기둥의 시공오차로 인한 공장제작보의 접합문제

 

(a) 보 단부의 현장 재가공 (b) 현장용접에 의한 접합
그림 20. 기둥 시공오차에 대한 종래의 접합방법

역타공사용 CFT기둥의 매입합성기둥특성

역타공사용 기둥은 내화기준과 사용시 소요강도를 만족시키기 위해 역타공사하중을 지지했던 철골기둥 또는 CFT기둥을 콘크리트로 감싼 합성단면을 사용하고 있다. 따라서 CFT기둥을 감싼 합성기둥의 압축강도는 역타공사하중에 의해 충전콘크리트와 강관에 잔류하는 응력-변형률과 감싼 후 증가된 하중에 의해 추가되는 누적 응력-변형률을 고려하여 산정해야 한다.

 

(a) 충전콘크리트의 누적 응력-변형률
(b) 충전콘크리트의 응력-변형률
그림 21. CFT기둥의 충전콘크리트 응력-변형률