[논문]약축 보-기둥 접합부의 경제성에 관한 연구

박종원; 강승민; 오용준

약축 보-기둥 접합부의 경제성에 관한 연구
A Study on the Economy of Weak-Axis Beam-to-Column Connections 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.19 no.6 = no.91, 2007년, pp.663 - 670

박종원 (홍익대학교 건축공학부) , 강승민 (홍익대학교 건축공학부) , 오용준 (제이엠디엔지니어링)

초록
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국내의 경우 철골 보-기둥의 접합부에 브라켓 형식이 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 브라켓 형식의 접합부에서 약축방향의 접합부를 대상으로 접합부의 디테일을 바꿈으로서 보다 경제적이면서 동시에 기존의 접합 디테일을 사용한 접합부와 구조적으로 유사한 성능을 발휘할 수 있는 접합부를 개발하였다. 접합 디테일을 다르게 한 4개의 접합부를 제안하고 이에 대해 경제성을 비교하였다. 또한 제안된 접합형식의 구조적 성능을 검증하기 위해 기존 접합 디테일을 포함하여 총 다섯 개의 시험체를 제작하고 이에 대한 최대내력 실험연구를 수행하였다. 4개의 제안된 접합형식 모두 기존의 접합형식에 비해 경제적인 것으로 나타났으며 최대내력 실험의 경우 한 접합형식을 제외하고 모두 보의 소성모멘트를 발휘할 수 있었으며 기존의 접합형식과 유사한 충분한 변형특성을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Column-tree beam-to-column joints are widely used in moment-resisting frames in Korea. In this study, we proposed four different arrangements for weak-axis moment-resisting beam-to-column connections, which are more economical than the conventional connection, while developing similar structural performance. We investigated the proposed connections whose connection details were different from the conventional one. The experiment was also conducted on a total of five beam-to-column joint specimensto verify the structural performance of the proposed connections. All four connections proposed in this study were found to be more economical that the conventional connection. Three out of four specimens with proposed details were able to developa structural performance similar to that of the specimen with the conventional detail.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결정된다. 본 연구에서는 브라켓 형식의 약축방향 보-기둥 접합부를 대상으로 경제성을 고려하여 기존의 접합상세를 바꿈으로서 보다 경제적인 접합부를 제안한다. 그리고 제안된 접합부에 대한 최대내력 실험을 통해 기존의 접합 상세를 사용한 접합부과 구조적으로 유사한 성능을 발휘할 수 있음을 검증한다.
실험을 통해 구한 각각의 접합 형식을 갖는 기둥-보 접합부의 하중-변위 틈성을 살펴본으로써 접합부의 구조적 성능을 검증하고자 한다. 실험은 각 시험체에 대해 틴성범위에서는 히중을 점차 증가시키다가 비탄성 변헝이 시직되는 시점으로부터 접합부가 최대내력에 도달한 후 충분한 변형을 일으킬 때까지는 변위을 점차 증가시키는 변위제어 단순가력 실험으로 수행하였다.
이 연구는 브라켓형식의 약축방향 보-기둥 접합부를 대상으로 보다 경제적이며 동시에 구조적으로 안전한 접합 상세의 개발에 관한 것이다. 기존의 접합형식에 비해 경제성을 갖도록 제안된 4가지 접합부에 대한 경제성 비교 및 내력실험을 통하여 얻은 주요 결과를 요약해 보면 다음과 같다.

제안 방법

33 mm 변위에서 스티프너의 중앙부에 항복이 발생하여 점차 확대되었다. 40 mm 의 변위에서 하중이 380 kN에 도달했을 때 인장력을 받는 하부 보 플랜지와 스티프너의 용접선을 따라 파단이 일어나면서 취성파괴를 일으켰다. 그림 10은 실험 후 상황을 나타낸 것이다.
보 부재 재료의 기계적 성질을 파악하기 위해 보 부재로 사용된 H형강의 플랜지와 웨브 그리고 스티프너로부터 시편을 채취하여 KS B O₈O₁(1A호 시험편)에 따른 인장시험을 수행하였다. 표 4에 재료시험의 결과를 나타내었다.
기등의 웨브에 용접한 접합부이다. 보 플랜지의 접합에는 그루브용접을 사용하였으며 보의 웨브의 접합에는 모살용접을 사용하였다.
본 연구에서 제안된 브라켓 형식의 약축방향 보-기둥 접합부를 대장으로 기존 접합형식을 포함하여 총 5개의 접합부시험체를 제작한 후 이에 대해 내력 실험을 수행하였다. 실험을 통해 구한 각각의 접합 형식을 갖는 기둥-보 접합부의 하중-변위 틈성을 살펴본으로써 접합부의 구조적 성능을 검증하고자 한다.
형태 및 용접길이 등과 같이 접합부의 제작비에 영향을 미치는 요소들을 결정하게 된다. 본 연구에서 제안한 접합형식과 기존의 접합형식괴-의 경제성을 비교하기 위해 부재로 700x300><13x24를 사용하고 기둥 부재는 400, 40(13x21)를 사용한 접합부를 대상으로 접합 형식에 따른 접합부의 제작비 변화를 비교하였다. 표 2는 그 결과를 정리하여 나타낸 것이다.
사용하여 접합하였다. 스티프너의 폭에 해당되는 보의 플랜지와 웨브의 일부를 잘라내었으며 보의 웨브는기둥 웨브에 모살용접을 사용하여 접합하였다. 이 접합부는 그림 1의 접합부와 기본적으로 동일한 형식이나 제작비 절감을 위해 보의 웨브를 스티프너에 용접하지 않은 점이 다르다.
실험을 통해 구한 각각의 접합 형식을 갖는 기둥-보 접합부의 하중-변위 틈성을 살펴본으로써 접합부의 구조적 성능을 검증하고자 한다. 실험은 각 시험체에 대해 틴성범위에서는 히중을 점차 증가시키다가 비탄성 변헝이 시직되는 시점으로부터 접합부가 최대내력에 도달한 후 충분한 변형을 일으킬 때까지는 변위을 점차 증가시키는 변위제어 단순가력 실험으로 수행하였다. 그림 6은 시험체의 가력상황을 나타낸 것이다.
표 2는 각 형식별 가공비를 산출한 것으로 각 형식별 일반가공비, 개선 가공비, 소모자재비, 용접 길이에 따른 용접비를 합산하여 각 시험체의 가공비를 산출하였다. 기준이 되는 T1 접합 상세를 기준으로 하여 각 형식별 비용을 산정한 결과 기존의 접합형식인 T1 접합부의 가공비를 100%라고 보았을 때본 연구에서 제안된 형식인 T2, T3, T4, T5 접합부의 가공비율은 각각 47, 72, 56, 70%인 것으로 나타났다.

대상 데이터

그러나 실무에서는 계산에 의해 스티프너가 필요없는 경우에도 관행적으로 보 플랜지와 동일한 두께의 스티프너를 사용히여 접합부를 설계하고 있다. 따라서 본 실험에서는 수평 스티프너로서 보 플랜지의 두께와 동일한두께 12 mm의 SS400 강판을 사용하였다. 표 3은 시험체별접합부의 특징을 정리히여 나타낸 것이다.
그리고 S4와 S5의 시험체는 각각 그림 4 및 그림 5와 같은 접합 형식을 갖는 시험체이다. 본 실험에 사용된 모든 시험체에 대해 기둥부재로는 H-400x40(X13x21 SS 400 형강을 사용하였으며 보 부재로는 H-450x20(*8x12 SS400 형강을 사용하였다.
총 5개의 시험체를 제작하였다. S1 시험체는 비교를 위해 기준으로 사용되는 시험체로서 그림 1과 같은 기존의 접합 형식을 갖는 시험체이다, S2 시험체는 그림 2와 같은 접합 형식을 갖는 시험체이며 S3는 그림 3과 같은 접합 형식을 갖는 시험체이다.

성능/효과

(1) 제안된 4가지 접합부 중 3가지 접합부는 보의 소성모멘트를 발휘할 수 있으며 동시에 소성설계에 필요한 3.0 의 회전능럭을 발휘할 수 있는 것으로 나타나 경제성과 구조적 성능을 모두 만족함으로써 기존 접합형식의 대안으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 스티프너를 사용하지 않고 보의 플랜지와 웨브를 기등에 직접 용접한 접합형식은 기존의 접합형식에 비해 제작비가 1/2로 감소한다. 최대내력은 기존의 접합형식에 비해 4% 정도 감소하나 변형능력은 보다 우수한 것으로 나타났다.
(3) 기존의 접합형식과 유사한 상세를 깆되 보의 웨브를 스티프너에 용접하지 않은 접합형식은 제작비가 30% 정도 감소하나 보 플랜지와 스티프너 사이의 파단에 의해 소성설계에 필요한 충분한 변형능력을 발휘하지 못함으로써 구조적 성능을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
(4) 보 웨브만 기둥 웨브에 용접하고 보 플랜지는 플랜지 위에 덧댄 분리형 스티프너에 용접된 접합형식은 제작비가 45% 정도 감소하며 동시에 최대내력 및 변형능력도 기존의 형식에 비해 우수한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 브라켓 형식의 약축방향 보-기둥 접합부를 대상으로 경제성을 고려하여 기존의 접합상세를 바꿈으로서 보다 경제적인 접합부를 제안한다. 그리고 제안된 접합부에 대한 최대내력 실험을 통해 기존의 접합 상세를 사용한 접합부과 구조적으로 유사한 성능을 발휘할 수 있음을 검증한다.
각 시험체의 가공비를 산출하였다. 기준이 되는 T1 접합 상세를 기준으로 하여 각 형식별 비용을 산정한 결과 기존의 접합형식인 T1 접합부의 가공비를 100%라고 보았을 때본 연구에서 제안된 형식인 T2, T3, T4, T5 접합부의 가공비율은 각각 47, 72, 56, 70%인 것으로 나타났다.
(5) 보의 플랜지와 웨브를 기등에 직접 .용접한 상태에서 보플랜지 위에 스티프너를 덧댄 접합형식은 제작비가 30% 정도 감소하며 최대내력 및 변형능력은 모든 접합헝식 중에서 가장 우수한 것으로 나타났다. .
1/2로 감소한다. 최대내력은 기존의 접합형식에 비해 4% 정도 감소하나 변형능력은 보다 우수한 것으로 나타났다.
있다. 한편 T1과 T3을 비교해보면 보의 웨브를 스티프너에 용접하지 않음으로써 약 30%의 가공비를 절감할 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

요인이 되고 있다. 따라서 약축 방향의 접합부 상세를 개선함으로써 보다 경제적인 접합부 설계가 가능할 것으로 판단된다. 그러나 지금까지 국내에서 수행된 접합부 관련 연구는 강 축 방향의 보-기둥 접합부에 대한 역학적 성능에 대한 것이 대부분이며 약 축 방향의 보-기둥 접합부에 관련된 연구의 경우에도 경제성에 대한 고려가 충분히 이루어지지 않고 있는 실정이다(.

참고문헌 (7)

김득주외 2인 (1989) 강재 보와 기둥 웨브 접합부의 구조적 거동에 관한 연구, 대한건축학회학술발표논문집, 구조계 제9권 2호
김상섭외 3인 (2004) H형강 기둥의 약축에 대한 기둥-보 접합상세 개발 및 내력평가, 한국강구조학회 논문집, 제16권 1호
대한건축학회 (2003) 강구조 한계상태 설계기준 및 해설, 대한건축학회
이형복외 1인 (1997) H형강 기둥 . 보접합부의 보강방법에 따른 내력 및 변형에 관한 연구, 대한건축학회논문집, 제13권 8호
Engelhardt, M., Winneberger, T., Zekany, A., and Potyraj, T.,(1996) The Dogbone Connection, Part II, Modern Steel Construction, AISC, Vol. 36, No. 8, August
Fewster S.M.C., Girardier E.V., and Owens G.W.,(1992) Economic Design and the Importance of Standardised Connections, Proceedings of the First World Conference on Constructional Steel Design, Dec.
Salmon C.G. and Johnson E.J (1996) Steel Structures, fourth edition, Haper Collins

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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