설명
본 챕터의 목적은 압축력과 강축 방향 휨 하중을 받는 강구조 개방형 단면 기둥의 베이스 플레이트에 대해 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)을 구성요소법(CM)으로 검증하는 것입니다. 본 연구는 기둥의 크기, 형상 및 베이스 플레이트 두께에 대해 수행되었습니다. 연구에서는 다섯 가지 구성요소를 검토합니다: 압축을 받는 기둥 플랜지 및 웨브, 그라우트를 포함한 압축을 받는 콘크리트, 휨을 받는 베이스 플레이트, 인장을 받는 앵커, 그리고 용접입니다. 모든 구성요소는 EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005, EN 1992‑4에 따라 설계됩니다.
저항력 검증
구성요소법 설계의 예시는 HEB 240 강재 단면 기둥의 정착부에 대해 제시됩니다:
콘크리트 블록의 치수는 a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 900 mm이며 강도 등급은 C20/25입니다. 베이스 플레이트 치수는 a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm이며 강재 등급은 S235입니다. 앵커 볼트는 4 × M20, As = 245 mm2, 길이 300 mm이며, 헤드 직경 a = 60 mm, 강재 등급 8.8입니다. 그라우트 두께는 30 mm입니다.
해석적 풀이의 결과는 주요 특이점이 표시된 상호작용 다이어그램으로 나타낼 수 있습니다. 점 −1은 순수 인장 하중을, 점 4는 압축 지지 저항력을 나타냅니다. 점 0, 1, 2, 3에 대한 상세 설명은 그림 8.2.1에 나타나 있습니다; (Wald, 1995) 및 (Wald et al. 2008) 참조.
그림 8.2.1 상호작용 다이어그램의 주요 특이점
CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)으로 구한 점 0과 점 3의 응력 분포는 그림 8.2.2 및 8.2.3에 나타나 있습니다.
그림 8.2.2 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)으로 구한 점 0의 콘크리트 응력 및 앵커 힘 (변형 배율 10)
그림 8.2.3 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)으로 구한 점 3의 콘크리트 응력 및 앵커 힘
(변형 배율 10)
그림 8.2.4 상호작용 다이어그램에서의 모델 비교
CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)으로 구한 상호작용 다이어그램과 CM으로 계산한 상호작용 다이어그램의 비교는 그림 8.2.4 및 표 8.2.1에 제시되어 있습니다.
표 8.2.1 HEB 240에 대한 해석적 풀이와 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 상호작용 다이어그램 결과 비교
| 해석적 풀이 | CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 결과 | |||
| 축력 [kN] | 휨 저항력 [kNm] | 축력 [kN] | 휨 저항력 [kNm] | |
| 점 -1 | 169 | 0 | 150 | 0 |
| 점 0 | 0 | 45 | 0 | 37 |
| 점 1 | −564 | 103 | −564 | 98 |
| 점 2 | −708 | 108 | −708 | 111 |
| 점 3 | −853 | 103 | −853 | 101 |
| 점 4 | −1700 | 0 | −1683 | 0 |
민감도 연구
CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 결과를 구성요소법의 결과와 비교하였습니다. 비교는 상호작용 다이어그램의 각 점에서 주어진 축력 수준에 대한 휨 모멘트 저항력을 기준으로 수행되었습니다.
민감도 연구에서는 기둥의 크기, 베이스 플레이트의 치수, 콘크리트 패드의 치수를 변화시켰습니다. 선택된 기둥 단면은 HEB 200, HEB 300, HEB 400입니다. 베이스 플레이트의 폭과 길이는 기둥 단면보다 100 mm, 150 mm, 200 mm 크게 선택하였으며, 베이스 플레이트 두께는 15 mm, 20 mm, 25 mm로 하였습니다. 콘크리트 패드는 C25/30 등급을 사용하였습니다. 콘크리트 패드 높이는 모든 경우에 900 mm이며, 폭과 길이는 베이스 플레이트 치수보다 200 mm 크게 하였습니다. 앵커 볼트는 M20 등급 8.8이며 정착 깊이는 300 mm입니다. 매개변수는 표 8.2.2에 요약되어 있습니다. 용접은 기둥 단면 전체에 걸쳐 동일하게 적용하였으며, 용접이 결정적 구성요소가 되지 않도록 충분한 목 두께를 확보하였습니다. 하나의 매개변수를 변화시키는 동안 나머지 매개변수는 중간값으로 고정하였습니다.
표 8.2.2 선택된 매개변수
| 기둥 단면 | HEB 200 | HEB 300 | HEB 400 |
| 베이스 플레이트 오프셋 | 100 mm | 150 mm | 200 mm |
| 베이스 플레이트 두께 | 15 mm | 20 mm | 25 mm |
그림 8.2.5에는 기둥 단면 변화에 따른 결과가 제시되어 있습니다. 그림 8.2.6과 그림 8.2.7에는 각각 베이스 플레이트 오프셋과 베이스 플레이트 두께를 변화시킨 결과가 나타나 있습니다.
그림 8.2.5 기둥 단면 변화
그림 8.2.6 베이스 플레이트 오프셋 변화 – 100, 200, 300 mm
그림 8.2.7 베이스 플레이트 두께 변화 – 15, 20, 25 mm
벤치마크 사례
입력
기둥 단면
- HEB 240
- 강재 S235
베이스 플레이트
- 두께 20 mm
- 상단 오프셋 100 mm, 좌측 오프셋 45 mm
- 강재 S235
앵커 볼트
- M20 8.8
- 정착 길이 300 mm
- 앵커 유형: 와셔 플레이트 - 원형; 크기 40 mm
- 상단 열 오프셋 50 mm, 좌측 열 오프셋 −10 mm
- 나사부 전단면
- 양측 용접 8 mm
기초 블록
- 콘크리트 C20/25
- 오프셋 335 mm 및 530 mm
- 깊이 900 mm
- 전단력 전달: 마찰
- 그라우트 두께 30 mm
하중
- 축력 N = −853 kN
- 휨 모멘트 My = 100 kNm
출력
- 앵커 볼트 42,2 % (NEd,g = 51,7 kN ≤ NRdc = 122,4 kN - 앵커 A1 및 A2의 콘크리트 콘 파괴)
- 콘크리트 블록 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ fjd = 26,8 MPa)
참고문헌
EN 1992-1-1, Eurocode 2, 콘크리트 구조물 설계 – 제1-1부: 일반 규칙 및 건축물 규칙, CEN, Brussels, 2005.
EN 1992-4:2018, Eurocode 2: 콘크리트 구조물 설계 – 제4부: 콘크리트용 패스너 설계, Brussels, 2018.
EN 1993-1-8, Eurocode 3, 강구조물 설계 – 제1-8부: 접합부 설계, CEN, Brussels, 2005.
Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.
Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.