The steel-concrete composite panel(SCP) is being seriously considered for modular construction of storage tanks or containment vessels installed at harsh environments because of their short construction time and low cost. Upon this background, this paper proposes an efficient numerical model for steel-concrete composite structures and suggests an improved design guideline for SCP panels based on parametric studies.
First, this paper introduces a simplified numerical model to consider the bond-slip effect in steel-concrete composite structures. The use of shear studs usually placed in the form of mechanical shear connectors makes it possible to adopt composite steel-concrete structures in various applications. Therefore, in the analysis of composite structures, the partial interaction behavior should be considered according to the characteristics of the connectors. However, adopting the classical bond-link/zone elements or modeling the details of connectors may cause problems in analysis of complex structure due to the complexity of the model and overlapping boundary conditions at the interface. In the proposed model, the slip behavior is defined and the equivalent modulus of elasticity and equivalent yield strength for steel is derived on the basis of a linear partial interaction theory to construct a simplified model. A solution procedure to evaluate the slip behavior along the interface of the composite flexural members is also proposed. After constructing the transfer matrix relation at an element level, successive application of the constructed relation is conducted from the first element to the last element with the compatibility condition and equilibrium equations at each node. Finally, correlation studies between numerical results and experimental data are conducted with the objective of establishing the validity of the proposed numerical model.
In addition to numerical model, improved design guideline of stud and tie-bar arrangement in steel-concrete composite panel (SCP) is proposed. Manufacturing of SCP must be based on the application of existing design guidelines which require very close arrangement of shear studs. This means that the direct application of current design guidelines usually produces very conservative results and close arrangement of shear studs precludes placing concrete within exterior steel faceplates and increases the self-weight. In this light, an improved guideline to determine the stud spacing should be introduced, and this paper proposes an improved ratio of the stud spacing to the thickness of steel plate on the basis of numerous parametric studies to evaluate the relative influence of the stud spacing on the stability of the SCP. Moreover, placing of concrete usually develops very high pressure which cause excessive deformation on the steel plates and it will affect the ultimate resisting capacity. Nevertheless, the influence of the steel form deformation on the evaluation of the ultimate resisting capacity, which is deeply related to the determination of the stud spacing, has not been considered in determining the stud spacing. In this context, parametric studies on SCP with initial imperfection are performed to introduce the efficient spacing of shear studs and tie-bars to satisfy both the serviceability and stability criteria.
강재-콘크리트 샌드위치 합성 패널(SCP)을 이용한 모듈형 구조는 시공 시간과 비용을 절감할 수 있으므로, 열악한 환경에 설치되는 저장탱크 및 격납 구조 등에 이를 적용하기 위한 연구가 국내외에서 진행되고 있다. 이러한 배경에서 본 연구는 강재-콘크리트 합성 구조의 효율적인 해석 모델을 제안하고, 수치해석적 분석을 통해 SCP의 개선된 설계 지침을 제시하였다.
먼저, 강재-콘크리트 합성구조의 본드-슬립 효과를 고려한 단순화된 해석모델을 소개하였다. 강재-콘크리트 합성구조는 전단 스터드 등의 기계적 연결재를 통한 합성작용으로 각 재료의 단점을 상호 보완하고 장점을 최대한 활용한다. 따라서 합성 구조의 해석 시에는 연결재 특성에 따른 부분 합성거동 특성을 반영하여야 한다. 그러나 전단 연결부가 복잡한 구조물의 경우, 기존의 부착 요소를 사용하여 이를 모사하거나 연결부를 상세히 모델링하게 되면 해석모델의 자유도와 복잡성이 증가하고 경계면에서 경계조건이 중복 정의되어 해석의 효율성과 정확성이 떨어지게 된다. 제안한 모델에서는 선형 부분합성이론에 기초하여 슬립 거동을 정의하고, 합성구조의 강성과 강도를 모사하기 위한 강재의 등가 탄성계수와 등가 항복강도를 유도하였다. 그리고 경계면에서 완전 부착 상태를 가정하였므로 휨 부재 경계면에서의 슬립 거동을 평가하기 위한 해석 절차를 제안하였다. 요소 단위에서 전달 행렬 관계를 구성하고, 첫째부터 마지막 요소까지 각 절점에서의 적합성(compatibility) 조건과 평형(equilibrium) 방정식을 연속적으로 적용하였다. 제안한 수치 모델 및 해석 절차는 합성 보와 패널의 실험 결과와 비교하여 검증하였다.
또한, 강재-콘크리트 샌드위치 합성 패널(SCP)의 스터드 및 타이 바 배치에 대한 개선된 설계 지침을 제안하였다. SCP 설계 시 현존하는 합성구조 설계 지침을 적용하면 스터드 간격을 지나치게 보수적이고 좁게 설정하여야 한다. 스터드 간격이 너무 좁으면 강판 사이로 콘크리트 타설이 어려워 제작성이 떨어지고 모듈화에 따른 경제성 등의 이점을 확보하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 스터드 간격이 SCP의 안정성에 미치는 영향에 대한 parameter study를 통해 강판의 두께에 따른 효율적인 스터드 간격 비를 제안하였다. 이에 더하여, 모듈 패널 제작 과정에서 굳지 않은 콘크리트의 측압으로 인해 발생하는 강판의 초기 변형은 SCP의 극한 저항력 감소를 유발할 수 있으므로, 초기 결함을 고려한 강판의 유한요소 해석을 수행하여 사용성과 안정성을 모두 만족시키기 위한 최적의 타이 바와 스터드 배치 설계 안을 제안하였다.
