Concrete filled steel tube(CFT) is a beam-column member with a round or rectangular steel pipe in-filled with concrete. This type of a structure has many benefits over steel or reinforced concrete columns such as improved performance of flexibility, strength and energy absorption capacity. Enhanced performances of CFT are mainly due to the confinement effect of concrete, and the increase of strength and ductility of confined concrete is proportional to the confinement pressure. Therefore the confinement effect must be considered to analytically investigate the behavior and the ultimate resisting capacity of CFT columns. To observe the influence of the confinement effect, circular CFT stub columns are selected in order to maximize the confinement effect. Because the confinement effect increases if the shape of the cross-section is close to circular and the length of the column is shorter.
An exact estimation of the confinement pressure is crucial to evaluate the ultimate resisting capacity of CFT columns. However technically it is hard to measure the confinement pressure through the direct load-ing tests. Alternatively, the a new constitutive relationships for stress states of material components are configured and the corresponding numerical algorithm considering the dependencies of the modulus of elasticity and Poisson’s ratio on the stress level in the concrete is developed to definitely find out the con-finement pressure of concrete inside the CFT column. Yield of the steel tube is determined by numerically calculated stress state and an axial strength of CFT column is estimated using the confinement pressure when the steel tube yields. To validate the proposed numerical model, a total of 64 concentric axial tests are compared. And the relationships between the confinement pressure and the various design parameters are investigated using the verified numerical model. As a result, it was found that a confinement pressure of concrete and a maximum hoop stress at the yield of steel tube are related to the yield strength of the steel tube. In particular, low confinement pressure occurred in a low strength steel tube can be confirmed again from other researcher’s experimental works.
After decision of the confinement pressure under ultimate loading state, stress-strain relations of materials are uniquely determined according to the given confinement pressure. Reflecting those material properties, the nonlinear finite element model which can estimate the strength and the behavior of CFT columns is developed. Even though target columns are short, the slenderness effect may reduce the ultimate resisting capacity of the columns. To take into account the P-Δ effect, geometric nonlinearity is included in the nonlinear solution procedure. An accurate calculation of the internal forces was achieved by the fiber section approach. And an incremental-iterative numerical scheme based on the arc-length method is adopted to apply displacement control. The proposed numerical analysis model is verified by comparisons with experimental tests under various combinations of loading such as eccentric axial loading, pure bending and cyclic loading, etc.
Ultimate resisting capacities of CFT stub columns in accordance with slenderness ratios are investigated using developed FEM analysis method. And the results are compared with predictions of the Eurocode4 which considers the confinement effect. Full plasticity interaction diagrams of CFT columns given by the Eurocode4 tends to significantly overestimate when the eccentricity is very small(e/D<0.1) thus the modi-fication is proposed in such region. The modified Eurocode4 shows good agreement with analysis when slenderness ratio is 30 while conservative estimations are observed for shorter columns. On the other hand, influences on various design parameters such as strength of concrete, yield strength of steel tube and the depth-to-thickness were investigated. And the difference between the code and the analysis is less than 10% when the slenderness ratio is 30. Rigorous analysis involves increased effort. Therefore, if the very high precision for the prediction in not need as like an analysis for design of structure, the modified Euro-code4 can be used without serious error. However, for the CFT columns with small slenderness ratio or eccentricity, elaborated numerical analysis should be performed to predict the behavior accurately.
콘크리트 충전 강관(CFT)은 원형 혹은 각형 강관에 콘크리트를 채운 기둥-보 부재로 강재나 RC부재에 비하여 우수한 연성, 강도 및 에너지 흡수 능력과 같은 다양한 장점이 있다. CFT의 향상된 성능은 주로 콘크리트의 구속효과에 기인하며, 구속된 콘크리트의 강도와 연성은 구속압의 크기에 비례하여 증가한다. 따라서 CFT 기둥의 극한 저항능력과 거동을 해석하기 위해서는 구속효과에 대한 고려가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 구속효과가 구조물의 거동에 미치는 영향을 보기 위하여 구속효과가 극대화 되도록 해석 대상을 원형 단면의 CFT 단주로 선정하였다. 이는 CFT의 단면이 원형에 가까울수록, 기둥의 길이가 짧을수록 구속효과가 증대되기 때문이다.
CFT 기둥의 극한저항 능력을 산정하기 위해서는 정확한 구속압의 크기가 필요한 반면 실험을 통하여 구속압을 직접 측정하기에는 기술적 어려움이 있다. 그 대안으로 이 논문에서는 구성재료의 응력 상태를 나타내기 위한 구성방정식을 제안하였으며, 하중 크기에 따라 종속적으로 변화하는 콘크리트의 포아송계수와 탄성계수를 반영하는 수치적 알고리즘을 개발하여 CFT 기둥 내부 콘크리트의 구속압을 명확히 규명하고자 하였다. 수치적으로 계산된 응력 상태에 따라 강관의 항복 여부가 결정되며, 강관 항복시의 구속압을 이용하여 CFT 기둥 단면의 축강도를 산정하였다. 충64개의 축하중 재하 실험결과와의 비교를 통하여 제안된 방법을 검증하였으며, 검증된 수치모델을 이용하여 다양한 설계 변수들과 구속응력과의 관계를 검토하였다. 그 결과 극한 하중상태에서의 콘크리트의 구속응력 및 강관 항복시의 최대 후프 응력은 강관의 항복강도와 상관관계가 있는 것으로 파악되었다. 특히 저강도 강관에서의 낮은 구속응력은 다른 연구자의 실험결과에서도 확인 할 수 있었다.
극한 하중 상태에서의 구속압이 산정되면, 재료의 응력-변형률 곡선은 주어진 구속압의 크기에 따라 고유하게 결정되며, 이를 반영하여 CFT 기둥의 극한 저항능력과 거동을 해석할 수 있는 비선형 유한요소 모델을 개발하였다. 해석 대상인 단주에서도 세장효과에 따른 극한 저항능력에는 차이가 있으므로 기하비선형 강성행렬을 이용하여 P-Δ 효과를 고려하였다. Fiber 단면을 이용하여 단면의 내력을 계산하였으며, Arc-length법을 기반으로 변위 제어상태의 비선형 해석기법을 도입하였다. 제안된 수치 해석 모델은 순수 휨, 편심 축하중, 반복 하중 등 다양한 하중조합의 실험결과와 비교하여 정확성을 검증 하였다.
개발된 유한요소 해석방법을 이용하여 세장비에 따른 CFT단주의 극한저항능력의 변화를 살펴보았으며, 각국의 합성단면에 대한 설계기준 중 구속효과가 충분히 고려된 Eurocode4와 비교하였다. Eurocode4에 따른 CFT 기둥의 P-M 상관곡선은 축 하중의 편심이 매우 작은 경우(e/D<0.1) 심각하게 과대 평가하는 경향이 있으므로 해당 영역에 대한 설계기준을 수정하도록 제안하였다. 수정된 Eurocode4는 세장비 30인 경우 해석결과와 잘 일치하는 반면 그 이하의 세장비의 기둥에 대해서는 기둥의 저항능력을 과소평가하는 경향을 보였다. 한편, D/t비, 콘크리트의 강도 및 강관의 항복강도 등 다양한 설계 변수의 영향을 검토한 결과, 세장비가 30인 원형 CFT 기둥에서는 해석결과와 수정된 Eurocode4와의 차이가 10% 내외 인 것으로 분석되었다. 정밀한 해석에 수반되는 연산의 복잡함을 고려할 때, 건설 실무에서 구조물 설계를 위한 해석과 같이 정밀한 예측이 필요하지 않은 경우, 수정된 Eurocode4를 단주의 설계에 적용하여도 심각한 오차를 발생하지는 않을 것으로 판단된다. 그러나 세장비가 작거나 편심이 작은 경우에는 정밀한 거동예측을 위한 구조 해석이 이루어져야 할 것이다.
