철골-콘크리트 합성 연결보의 거동과 설계

전단벽에 개구부가 일정한 패턴으로 배열된다면, 그 개구부 수직열로 인하여 분리된 각각의 전단 벽체들은 보통 큰 측면 강성과 강도를 가진 시스템으로 서로 연결된다. 이러한 구조물을 병렬 전단벽이라고 하며, 벽과 벽을 연결하는 각 층의 부재를 연결보라고 한다. 합성 연결보에 대한 NEHRP나 AISC규준은 철골조에서 편심가새골조 시스템의 내진설계규준에 기초하고 있으며, 연결보의 길이와 회전각 조건에 따라 철골의 웹부분에 스티프너 플레이트를 사용한 전단 보강을 요구하고 있다. 이러한 기존의 설계 규준은 개구부가 있는 벽체와 합성 연결보의 기존 설계 과정에 있어서 합성보의 콘크리트 encasement 영향을 무시하고 있다. 합성 연결보의 콘크리트 encasement로 인해 증가된 강도와 강성이 설계 요소의 일부분으로 고려되지 않는다면, 규준에 따라 연결보의 보수적인 설계를 함에도 불구하고 구조물의 전체적인 성능에 불리한 영향을 줄 수도 있다. 그러므로 구조물의 벽체를 설계하거나 합성 연결보에서 철골부가 벽체에 매립되는 길이를 산정하기 위해 고려되는 연결보의 능력은 보의 합성단면에서 예상된 전단 성능으로 계산되어야 할 것이다. 본 연구는 철골 연결보에 대한 콘크리트 encasement의 효과를 규명하고, 설계 규준에 따라 스티프너로 전단 보강을 한 경우와 스티프너의 전단보강 성능과 같은 능력의 스터럽을 배근한 합성 연결보의 거동을 고찰하기 위하여, 상용 프로그램 ABAQUS를 이용하여 전단 보강 형태에 따른 합성 연결보의 성능을 비교하였다. 해석 모델은 네가지로, 철골 연결보 단면과 철골 주위를 콘크리트로 감싼 형태, 규준에 따라 철골의 웹에 스티프너로 전단보강을 하고 콘크리트로 encasement한 형태, 스티프너 전단보강 대신 스터럽으로 전단보강을 하고 콘크리트로 encasement한 형태이다. 이 과정을 통해 합성 연결보에서 철골을 둘러싼 콘크리트와 스터럽 전단 보강은 형강의 웹과 플랜지의 좌굴을 방지하기에 효과적임을 알 수 있다. 또한 콘크리트 encasement와 스티프너 또는 스터럽 전단 보강의 영향으로 합성 연결보의 강성은 증가하게 되는 것을 확인할 수 있다. 이 때 증가된 강성은 각각의 벽 사이의 연결 작용 정도를 증가시킬 것이며, 지층에서의 벽의 축하중을 증가시키게 된다. 또한 구조물의 설계에 이용되는 합성 연결보의 전단 성능을 산정하기 위해, 형강의 항복 경계조건과 응력장에서의 평형조건을 이용하여 합성보의 공칭전단강도를 계산할 수 있는 식을 제안하였다. 제안한 식의 검증을 위해 예제 모델에 대해 ABAQUS를 통한 해석을 수행하여 결과치와 제안식에 의한 전단강도를 비교하였으며, 여기서 공칭전단강도 산정식에 의한 합성보의 전단 성능은 ABAQUS해석에 의한 합성보의 최대 전단강도에 비해 약간 작은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 제안한 식이 콘크리트의 인장능력을 고려하지 않았기 때문에 발생한것이라 생각되며, 보다 정확한 합성보의 공칭전단강도를 구하기 위하여 앞으로 콘크리트의 인장 능력까지 고려한 연구가 요구된다.