[논문]전단지배 강판벽의 연성능력

박홍근; 최인락; 전상우; 김원기

문제 정의

골조강판벽의 최대 에너지소산능력 및 연성능력을 연구하기 위하여 얇은 강판을 사용한 3층 골조강판벽 시스템에 대한 실험을 실시했다. 주요 실험 변수는 강판의 형상비와 기둥 단면의 전단강도이며, 골조강판벽 시스템의 상대적 비교를 위해 중심가 새 골조(CBF) 및 모멘트저항골조(MRF)와의 비교실험을 실시하였다.
본 연구에서는 위에서 언급된 전단지배 골조강판벽의 거동특성을 연구하기 위하여 실험을 수행하였다. 즉-, 1)형상비 2.
주요 실험 변수는 강판의 형상비와 기둥 단면의 전단강도이며, 골조강판벽 시스템의 상대적 비교를 위해 중심가 새 골조(CBF) 및 모멘트저항골조(MRF)와의 비교실험을 실시하였다. 전단지배 강판벽의 주기거동을 예측하기 위하여 본 연구의 실험결과와 기존 실험결과를 토대로 강판벽의 에너지 소산 능력을 예측할 수 있는 방법을 제시하였다. 실험체에 대한 실험 및 해석 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

가설 설정

소산의 합으로 계산할 수 있다. FSPW2 실험체에서 외부골조에 의한 에너지 소산량은 모멘트저항골조 실험체(MRF) 의 에너지 소산량과 동일하다고 가정하여 내부 강판에 의한 에너지 소산량을 계산하였다.(그림 10(b)) 90mm 변위 (2.
여기서 槍는 외부 골조의 탄성변형으로 보와 기등의 중앙에 휨에 의한 변곡점이 위치한다고 가정하여 그 위치에 가상힌지를 두고 계산하였다. (Elglekirk, 1994)
이때 각 소성힌지의 회전각(0”)은 평균 층간변위각과 동일하다고 가정하여 구할 수 있다.

제안 방법

5% drift) 에서 1층 기둥 하부플랜지 용접면이 파괴되었다. 1층 기둥 하부의 바깥쪽 플랜지의 용접 열 영향을 받는 부분(heat-affected zone)에서 파괴가 시작되어 기둥 웨브 및 내부 피쉬플레이트로 파괴가 진행되었다. Driver et al.
한다. FSPW3 실험체는 기둥 부재의 전단내력이 강판의 인장응력장 작용으로 인한 전단항복 내력의 60%가 되도록 설계했다. 실험결과 FSPW3 실험체의 강도는 충분한 전단 성능을 갖도록 설계한 FSPW2 실험체보다 낮은 강도를 보였으며 90mm 변위에서 1층 기둥 상부에 전단소성변형이 시작되었다.
실험체는 그림 2에 나타나 있으며 실험체의 구성은 표 2와 같다. 강판벽의 구조성능을 비교하기 위하여 중심가 새 골조(CBF)와 모멘트저항 골조(MRF)의 실험을 실시하였다. 중심가 새 골조와 모멘트저항골조에 사용된 기등과 보는 강판벽에 사용된 것과 동일하다.
동일한 재료에 대해 각각 세 번의 인장시편 실험을 실시하였다. 실험체 웨브 강판은 모두 4mm(SS400) 강판을 사용했고 강판의 항복강도 및 인장강도는 각각 299MPa과 372MPa로 나타났다.
바우싱거효과(Bauschinger effect)에 의한 에너지 소산 능력의 감소를 고려하여야 하지만 이력거동에 따른 강도 강화 (cyclic hardening)에 의한 상쇄 효과로 인하여 소성 힌지의 거동을 탄성 - 완전 소성 거동으로 가정하여 외부 골조의 에너지 소산량(旧“尸)을 계산하였다.
실험은 변위제어 방식으로 진행되었다. 비선형 유한요소 프로그램인 ABAQUS(2003) 해석연구결과 실험체들의 항복 변위(句)는 평균 15mm(3층 변위기준)인 것으로 예측되었다.
비선형 유한요소 프로그램인 ABAQUS(2003) 해석연구결과 실험체들의 항복 변위(句)는 평균 15mm(3층 변위기준)인 것으로 예측되었다. 실험체 가력계획은 예측된 항복변위인 (3)( = 15mm)를 기준으로 ±0.2<侦 04財 0.6\, 0.85, , 如 1.5頌 26{1, 36, r 4扁, 电, &爲, 10漏 1&匕를 목표변위로 계획하고 동일한 변위에 대하여 3회 반복 가력 하였다.
(그림 2) 그림 3(a)와 같은 상세를 사용한 박홍근 등(2004)의 실험에서는 피쉬플레이트 코너의 용접부에서 응력이 집중되어 용접부의 파단이 일어났다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 본 실험체에서는 강판 코너 부분에서 떨어진 위치에 피쉬플레이트 용접부가 위치하도록 설계하였다.(그림 3(b))
주기거동 곡선은 2개의 선형 곡선으로 이상화되었다. 제안한 방법이 전단 지배 실험체의 에너지 소산량을 근사적으로 예측하고 있다. 실제 강판벽 시스템의 설계에서는 가정된 소성메카니즘에 따라서 식 (5)와 식 (6)을 수정하여야 한다.
실시했다. 주요 실험 변수는 강판의 형상비와 기둥 단면의 전단강도이며, 골조강판벽 시스템의 상대적 비교를 위해 중심가 새 골조(CBF) 및 모멘트저항골조(MRF)와의 비교실험을 실시하였다. 전단지배 강판벽의 주기거동을 예측하기 위하여 본 연구의 실험결과와 기존 실험결과를 토대로 강판벽의 에너지 소산 능력을 예측할 수 있는 방법을 제시하였다.
0 이상의 웨브강판과 작은 휨강성의 기등을 갖는 강판 벽의 거동, 2) 상세설계를 통하여 달성할 수 있는 전단지배 골조 강판벽의 최대변형능력. 특히 2)의 연구목적을 위하여 중심가 새 골조, 모멘트저항골조와의 비교 실험을 통해 골조 강판벽의 변형능력 및 연성도를 검증하였다.

대상 데이터

웨브강판의 형상비가 1.5인 FSPW1 실험체(그림 1(a))는 박홍근 등(2004)의 실험과 동일하게 ", = 1500mm, %, = 1000mm의 강판을 사용했다. 모든 강판벽 실험체에 대하여 강종 SS400(설계기준항복강도 Rv=240MPa) 4mm 두께의 강판을 사용하였다.
FSPW3 실험체를 제외한 모든 실험체의 기등은 H-150xl50><22x22 단면을 사용하였다. 1층과 2층 보는 H-150xl00xl2x20 단면을 사용했고 최상부 보는 H-250x 150^ 12x20 단면을 사용했다. 보와 기둥 부재는 모두 AlSC-Seismic Provisions(2005)에서 제시한 골조 강판벽 부재의 폭-두께비 규정을 만족한다.
FSPW1 실험체는 1층 기둥 하부와 1. 2층 보의 양단에서 소성힌지가 발생하였다.
FSPW3 실험체를 제외한 모든 실험체의 기등은 H-150xl50><22x22 단면을 사용하였다. 1층과 2층 보는 H-150xl00xl2x20 단면을 사용했고 최상부 보는 H-250x 150^ 12x20 단면을 사용했다.
기등의 전단강도가 전체 강판벽 거동에 미치는 영향을 연구하기 위하여 FSPW3 실험체는 기둥 부재의 전단내력( *, )이 강판의 인장응력장 작용을 저항하기 위하여 필요한 전단 성능의 60%가 되도록 HT50xl50x8x20 단면을 사용하였다. 이 경우에도 AlSC-Seismic Provisions(2005)에서 제시한 골조 강판벽 부재의 辛두께비 규정과 기둥 부재의 강성 규정을 모두 만족하였다.
5인 FSPW1 실험체(그림 1(a))는 박홍근 등(2004)의 실험과 동일하게 ", = 1500mm, %, = 1000mm의 강판을 사용했다. 모든 강판벽 실험체에 대하여 강종 SS400(설계기준항복강도 Rv=240MPa) 4mm 두께의 강판을 사용하였다. 중심가 새 골조 실험체(그림 2(c))에서는 FSPW2의 웨브강판과 강재량이 동일한 H-100x 100x10x10 단면을 가새 부재로 사용했다.
동일한 재료에 대해 각각 세 번의 인장시편 실험을 실시하였다. 실험체 웨브 강판은 모두 4mm(SS400) 강판을 사용했고 강판의 항복강도 및 인장강도는 각각 299MPa과 372MPa로 나타났다.
실험체로서 웨브강판에 스티프너를 사용하지 않은 3층 프로토타입 골조강판벽을 1/3 축소모델로 제작하였다. 실험체는 그림 2에 나타나 있으며 실험체의 구성은 표 2와 같다.
실험체의 외부 골조는 SM490강재(설계기준항복강도 Fy = 330 MPa)를 사용하여 조립부재 (built-up section)로 제작했다. FSPW3 실험체를 제외한 모든 실험체의 기등은 H-150xl50><22x22 단면을 사용하였다.
주요 실험 변수는 강판의 형상비와 기둥 단면의 전단 강도이다. 강판의 형상비에 대한 영향을 연구하기 위하여 기준 실험체인 FSPW2(그림 2(b))는 일반적인 건물에 사용되는 웨브강판의 형상비 인 2.
모든 강판벽 실험체에 대하여 강종 SS400(설계기준항복강도 Rv=240MPa) 4mm 두께의 강판을 사용하였다. 중심가 새 골조 실험체(그림 2(c))에서는 FSPW2의 웨브강판과 강재량이 동일한 H-100x 100x10x10 단면을 가새 부재로 사용했다. 가새의 세장비(slenderness ratio.

성능/효과

위의 결과는 내진설계시 강판벽의 변형모드( */ 匸, )와 기둥의 세장비(如/2")에 따라 분류하여 시스템 연성능력을 달리 결정하여야 하며, 이에 따라 지진하중을 결정하는 반응수정계수를 달리 적용하여야 한다는 것을 나타내고 있다.
(1) 골조강판벽 실험체는 중심가새골조에 비하여 연성도는 최대 2.8배, 에너지소산능력은 5.8배, 모멘트저항 골조에 비해서는 강도 3.1배, 연성도 1.9배, 에너지 소산 능력은 2.8배 뛰어난 내진성능을 나타냈다.
(2) 전단지배형 변형모드, 기등의 콤팩트단면, 연성 접합 상세를 만족시키도록 설계된 골조 강판벽은 모멘트저항 골조에 필적하는 큰 변형능력을 나타냈다.
(3) 모멘트저항골조, 중심가새골조 및 철근콘크리트 전단 벽과는 달리 전단지배형 골조강판벽은 큰 강도, 강성 및 변형능력을 동시에 달성할 수 있는 이상적인 내진 구조시스템으로 사용할 수 있다.
(그림 4(b)) 상대적으로 웨브강판의 형상비가 1.5인 FSPW1 은 보다 작은 강도를 나타냈으며(그림 4(a)), 기둥이 인장응력장작용의 전단강도요건을 만족시키지 못하는 FSPW3는 FSPW2에 비하여 작은 변형능력을 나타냈다.(그림 4(c))
94의 비율을 보였다. FSPW1 실험체는 FSPW2 실험체 보다 에너지를 소산하는 강판의 면적이 작아서 상대적으로 낮은 에너지 소산능력을 보였다. FSPW3 실험체는 1 층 기등의 전단소성변형 발생으로 FSPW2 실험체보다 낮은 에너지 소산능력을 보였다.
FSPW2 실험체는 180mm 변위(5.3% drift)에 도달할 때까지 큰 하중의 감소 없이 뛰어난 연성능력을 보였다. 다른 실험체와는 달리 골조 부재에서의 파괴가 발생하지 않았으며 강판의 심한 찢김(te기Ing)에 의하여 강도가 감소하였다.
22 로 대부분의 에너지가 강판에 의해 소산되었다. FSPW2 실험체의 최대 변위인 180mm 변위(5.3% drift)에서 웨브 강판과 모멘트골조의 사이클 당 에너지 소산량의 비율 = 1 : 0.49였으며, 누적 에너지 소산량의 비율 = 1 : 0.32로 강판이 모멘트골조에 비하여 총 3.1 배 많은 에너지를 소산했다.
FSPW1 실험체는 FSPW2 실험체 보다 에너지를 소산하는 강판의 면적이 작아서 상대적으로 낮은 에너지 소산능력을 보였다. FSPW3 실험체는 1 층 기등의 전단소성변형 발생으로 FSPW2 실험체보다 낮은 에너지 소산능력을 보였다. 층별 에너지 소산량을 비교해 보면 120mm 변위(3.
나타낸다. FSPW계열 실험체들의 총 에너지 소산량은 120mm 변위 (3.6% drift)에서 FSPW1 : FSPW2 : FSPW3 = 0.78 : 1 : 0.94의 비율을 보였다. FSPW1 실험체는 FSPW2 실험체 보다 에너지를 소산하는 강판의 면적이 작아서 상대적으로 낮은 에너지 소산능력을 보였다.
중심가새골조는 가새의 좌굴에 의하여 강판 벽에 비하여 매우 떨어지는 변형능력을 나타냈다. 모멘트저항 골조는 큰 변형능력을 나타내기는 하였으나 강성과 강도가 매우 작았으며 FSPW2의 1/4 강도를 나타냈다. 그림 4(f)는 각 실험체의 하务변위관계의 포락곡선을 비교하고 있다.
FSPW3 실험체는 기둥 부재의 전단내력이 강판의 인장응력장 작용으로 인한 전단항복 내력의 60%가 되도록 설계했다. 실험결과 FSPW3 실험체의 강도는 충분한 전단 성능을 갖도록 설계한 FSPW2 실험체보다 낮은 강도를 보였으며 90mm 변위에서 1층 기둥 상부에 전단소성변형이 시작되었다. 그림 7(b) 와 같이 1층 기둥 상부 1/4 부분에 전단 변형이 발생하여 1층에 큰 소성변형이 발생했다.
그림에 나타난 바와 같이 제안한 식이 에너지 소산량을 근사적으로 예측하고 있다. 실험결과에서는 횡변위가 증가하면서 강판의 찢김이 발생하기 때문에 90mm 변위(2.7% drift) 이후에 강판의 에너지 소산량이 예측값에 비하여 감소하는 경향을 보였다.
변형능력을 나타냈다. 웨브강판의 형상비가 2.2이고 기둥이 강판의 인장응력장작용에 대한 강도조건 및 콤팩트 단면조건을 만족하는 FSPW2가 가장 큰 강도와 변형능력을 나타냈다. (그림 4(b)) 상대적으로 웨브강판의 형상비가 1.
3%)에 근접한다. 이 결과는 연성능력을 확보하도록 잘 설계된 강판벽의 변형능력은 해당 모멘트저항 골조 실험체의 성능에 필적할 수 있다는 것을 보여준다.
및 연성도를 비교하고 있다. 표에 나타난 바와 같이 본 연구에서 연성능력을 확보하도록 상세 설계된 FSPW2 실험체가 최대 변형능력(층간변위각=5.4%)을 나타냈으며, 그 값은 모멘트골조 실험체(6.3%)에 근접한다. 이 결과는 연성능력을 확보하도록 잘 설계된 강판벽의 변형능력은 해당 모멘트저항 골조 실험체의 성능에 필적할 수 있다는 것을 보여준다.

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