[논문]SHN 형강 보-기둥 접합부의 내진성능 평가

김태진; 박종원; 조정혁; 김희동

SHN 형강 보-기둥 접합부의 내진성능 평가
Seismic Performance Evaluation of Welded Beam-Column Connections abricated with SHN Steel Sections 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.20 no.6 = no.97, 2008년, pp.829 - 838

김태진 (성균관대학교 건축공학과) , 박종원 (홍익대학교 건축공학과) , 조정혁 (성균관대학교 대학원 건설환경시스템공학과) , 김희동 ((주)현대제철 기술영업팀)

초록
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국내 현실에 적합한 내진 접합부 상세 개발과 평가를 위하여 국내 중저층 철골건물에 적용되는 단면을 갖는 보와 기둥으로 구성 된 접합부 실험체를 선정하여 반복재하 실험을 수행하였다. 실험변수는 접합부 형식과 강종이며 새로 개발된 내진용 형강(SHN490)과 기존 형강 (SM490)의 성능 차이를 비교하였다. 소재인장시험결과에 의하면 SHN490 형강의 항복강도와 인장강도의 분포는 SM490형강의 분포보다 균일한 것으로 평가되었다. 접합부 실험체의 용접부에서의 취성파괴는 관찰되지 않았고 소정의 소성변형 능력을 발휘한 후 보 플랜지의 열영향부나 용 접접근공의 응력집중부위에서 파단이 발생하였다. 동일한 강종으로 구성된 실험체의 경우, 보의 웨브가 볼트에 의하여 기둥에 연결된 접합부 (WUF-B)보다는 용접에 의하여 연결된 접합부(WUF-W)의 회전과 에너지 소산능력이 더 컸다. 또한 동일한 접합부 형식의 실험체에서는 SM490 형강으로 구성된 실험체보다는 SHN490 실험체의 회전과 에너지 소산능력이 더 컸다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, cyclic tests of beam-column connections composed with members applicable to the domestic low-middle rise steel buildings were conducted to develop seismic connection details and its evaluation. Connection types and material properties of the steel were testing variables and the difference between the newly developed seismic rolled section (SHN490) and existing rolled section (SM490) was also investigated. Distributions of the yield strength and the ultimate strength of the SHN490 rolled section were relatively uniform comparing to those of the SM490 rolled section Brittle fracture in the weldments of the test specimens was not observed. Instead, fracture occurred at heat-affected zones or the stress-concentrated point near the weld access hole of the beam flanges. In the case of identical rolled-section specimens, the rotational capacity and dissipated energy of the WUF-W connection was larger than those of the WUF-B connection. In the case of identical connection types, the rotational capacity and dissipated energy of the SHN490 section connection was larger than those of the WUF-B section connection.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

두 가지 접합상세, WUF-B(플랜지용접-웨브볼팅)와 WUF-W(플랜지용접-웨브용접), 각각에 대하여 SM490 형강과 SHN₄₉0 형강으로 이루어진 보-기둥 접합부 실물대 실험체를 제작하여 강구조 내진기준(안)에서 제시된 인증실험 절차에 따라 실험을 수행하여 내진용 강재 사용의 효율성을 검증하고자 하였다.
본 연구의 목적은 강구조 내진기준(안)(2007)에서 제시한 중간모멘트 골조에 대한 규정의 적절성 여부와 일반 형강 (SM490)과 내진용 형강(SHN₄₉0)의 성능차이를 검증하는 것이다. 두 가지 접합상세, WUF-B(플랜지용접-웨브볼팅)와 WUF-W(플랜지용접-웨브용접), 각각에 대하여 SM490 형강과 SHN₄₉0 형강으로 이루어진 보-기둥 접합부 실물대 실험체를 제작하여 강구조 내진기준(안)에서 제시된 인증실험 절차에 따라 실험을 수행하여 내진용 강재 사용의 효율성을 검증하고자 하였다.
내진요소에 적용되고 있다. 이 강재들은 강재 항복강도의 하한치뿐만 아니라 상한치를 규정하여 용접부가 취성파괴에 이르기 전에 모재가 항복하도록 하는 것을 주 목적으로 하고 있다. 국내에서는 내진 목적으로 사용할 수 있는 건 축구 조용 강재(SN490, SHN₄₉0)가 개발되어 양산체제에 있다.

제안 방법

변위계를 설치하였다. 보 단부의 변위를 측정하기 위하여 가력점 위치에 줄 변위계를 설치하였고, 패널존의 변형과 기둥의 변형을 계측하기 위하여 4개의 100mm 변위계를 기둥에 설치하였다.
기둥면으로부터 하중가력점까지의 거리에 작용 하중을 곱하여 기둥면에서의 보의 휨모멘트(M)를 산정하였고. 보단부의 변위를 변위측정위치에서 기등의 중심선까지의 거리로 나누어 층간변위각(θ)을 계산하였다. 보의 실제 소성모멘트는(Mpa)는 보의 소성단면계수와 인장시편시험에 의한 보 플랜지의 실제 항복강도를 곱하여 산정하였다.
이는 미국에서 사용되는 보-기둥 접합부에 대한 실험결과에 근거한 것으로 미국 설계관행상 대형 단면을 갖는 보와 기등에 해당되는 사항으로 볼 수 있다. 본 실험에서 사용된 부재는 국내 중저층 건축물에 주로 사용되는 크기로써 내진접합부 인증기준에 따른 반복재하 실험을 통하여 그 내진성능을 평가하였다. 표 5에서는 접합부 실험체의 내진 성능 평가결과를 정리하였다.
시험체 제작에 사용된 형강의 잔여부분에서 KS D0801 금속재료 인장시험편에 따라 압연방향으로 1A호 인장시편을 절취하여 제작하였고 100톤 만능시험기를 이용하여 인장시험을 수행하였다. 표 3에서는 강종별, 두께별로 인장시험결과가 정리되어 있다.
부착하였다. 예상 소성힌지 위치에서의 보 플랜지 변형률을 측정하기 위하여 상하부 보 플랜지 각각에 3개의 일축 게이지가 기둥면으로부터 35mm떨어진 위치에 부착되었고 추후 유한요소해석 수행결과를 검증하기 위하여 탄성적인 거동이 예상되는 보 플랜지 위치에 1개씩의 일축 게이지가 부착되었다. 또한 연속판의 변형률 검토를 위하여 연속판에도 2개씩의 일축 게이지가 부착되었다.
실험체 JR3와 JR4는 보의 웨브와 기둥이 용접에 의하여 접합된 WUF-W 형식 접합부이며 JR3의 보와 기등은 SM490형강, JR4의 부재는 SHN490형강으로구성되어 있다. 중저층 철골건물에 주로 사용되는 보의 춤인 600mm를 기준으로 하여 용접에 의한 변형구속의 효과가 최대가 될 수 있는 보 플랜지의 두께를 고려하여 보를 선정하였다. 그리고 기등의 경우에는 강기둥-약보의 조건을 만족할 수 있는 단면을 선정하였다.

대상 데이터

(2) 4개의 보-기둥 접합부 실험체는 중간모멘트 골조에 대한 최소요구 층간변위 2%를 모두 확보하였다.
기존 구조용 강재와의 성능비교를 위하여 SM490형강과 SHN490형강을 2가지 접합방법으로 분류하여 표 1과 같이 총 4개의 실험체를 선정하였다. 실험체 JR1과 JR2는 보의 웨브와 기등이 볼트에 의하여 접합된 WUF-B 형식 접합부이며 JR1 의 보와 기등은 SM490형강, JR2의 부재는 SHN490형강으로 구성되어 있다.
두 실험체는 보 웨브와 기둥 플랜지와의 접합방식 이외에는 동일한 상세를 갖는다. 실험체 JR1과 JR2는 6개의 M20 고력볼트에 의하여 보의 웨브가 기등에 용접되어 있는 전단 판에 연결되어 있는 반면에, JR3와 JR4는 가조립을 위하여 3개의 M20 고력볼트에 의하여 일차적으로 보가 기등에 연결된 후 보의 웨브단부와 기둥사이를 용접에 의하여 접합하였다. 네 실험체 모두 보의 플랜지는 기등에 완전용입용접(CJP) 에 의하여 접합하였다.
4개의 실험체를 선정하였다. 실험체 JR1과 JR2는 보의 웨브와 기등이 볼트에 의하여 접합된 WUF-B 형식 접합부이며 JR1 의 보와 기등은 SM490형강, JR2의 부재는 SHN490형강으로 구성되어 있다. 실험체 JR3와 JR4는 보의 웨브와 기둥이 용접에 의하여 접합된 WUF-W 형식 접합부이며 JR3의 보와 기등은 SM490형강, JR4의 부재는 SHN490형강으로구성되어 있다.
실험체 JR1과 JR2는 보의 웨브와 기등이 볼트에 의하여 접합된 WUF-B 형식 접합부이며 JR1 의 보와 기등은 SM490형강, JR2의 부재는 SHN490형강으로 구성되어 있다. 실험체 JR3와 JR4는 보의 웨브와 기둥이 용접에 의하여 접합된 WUF-W 형식 접합부이며 JR3의 보와 기등은 SM490형강, JR4의 부재는 SHN490형강으로구성되어 있다. 중저층 철골건물에 주로 사용되는 보의 춤인 600mm를 기준으로 하여 용접에 의한 변형구속의 효과가 최대가 될 수 있는 보 플랜지의 두께를 고려하여 보를 선정하였다.
실험체의 국부적인 응력분포를 평가하기 위하여 그림 5와 같이 12개의 일축 변형률 게이지와 5개의 삼축 변형률 게이지를 실험체에 부착하였다. 예상 소성힌지 위치에서의 보 플랜지 변형률을 측정하기 위하여 상하부 보 플랜지 각각에 3개의 일축 게이지가 기둥면으로부터 35mm떨어진 위치에 부착되었고 추후 유한요소해석 수행결과를 검증하기 위하여 탄성적인 거동이 예상되는 보 플랜지 위치에 1개씩의 일축 게이지가 부착되었다.
나타내었다. 파단이 발생한 플랜지를 기준으로 하여 실험체 JR1 은 보 하부 플랜지에 부착된 게이지 SG3(그림 5 참조)로부터 나머지 실험체는 보 상부 플랜지에 부착된 게이지 SG9 (SG3와 동일한 위치)로부터 계측된 데이터를 이용하였다.

이론/모형

가력은 2000kN 용량의 Actuator를 사용하였고 가력프로그램은 AISC 내진규정(2005)에 제시된 재하이력을 이용하였다. 층간 변위비 0.

성능/효과

(1) 강도상의 규격요건을 모두 만족하고 균일한 물성을 보이는 SHN₄₉0 형강과 달리 SM490 형강은 그 성능의 편차가 상대적으로 컸고 일부 SM490 형강의 항복강도는규격치에 다소 미달하는 경우도 있었다.
(3) 보의 웨브를 기등에 용접한 SHN₄₉0 형강 보-기둥 접합부의 경우에는 특수모멘트 골조에 대한 최소요구 층간 변위 4%를 충족하였다.
(4) 보의 웨브를 기등에 용접한 접합부의 최대변위와 소산 에너지의 크기가 보의 웨브를 볼트로 접합한 경우보다 더 컸다.
(5) 동일한 접합부 형태에 대해서 SHN₄₉0 형강으로 조립된 보-기둥 접합부의 최대변위와 소산에너지의 크기가 SM490 형강 보-기둥 접합부의 경우보다 더 컸다.
(6) 용접접근공 부근 보 하부 플랜지에서 취성파단이 발생한 실험체 JR1 을 제외한 나머지 실험체는 모두 보 상부 플랜지의 열영향부에서 취성파단이 발생하였다.
(8) 플러그 용접이 아닌 가장자리만을 모살용접한 패널존 보강판 부착방식도 충분한 패널존 보강효과를 제공할 수 있었다.
5% 층간변위 싸이클부터는 항복이 발생하였다는 것을 알 수 있다. 동일한 형식의 접합부에 대해서 SM490형강을 사용한 실험체에서 측정된 최대 변형률값보다 SHN₄₉0형강 실험체에서의 최대값이 더 컸다. 또한 동일한 강재로 구성된 실험체의 경우, 웨브용접 접합부(WUF-W)보다 웨브볼팅 접합부(WUKB)의 최대 변형률이 작았다.
변형률 이력곡선으로부터 1% 층간변위 싸이클까지는 모든 실험체에서 항복이 발생하지 않았으나 1.5% 층간변위 싸이클부터는 항복이 발생하였다는 것을 알 수 있다. 동일한 형식의 접합부에 대해서 SM490형강을 사용한 실험체에서 측정된 최대 변형률값보다 SHN₄₉0형강 실험체에서의 최대값이 더 컸다.
보의 최대 휨모멘트는 모두 실제 보 소성모멘트를 상회하였고 실험체 JR1의 경우가 가장 작았고 실험체 JR2와 JR3의 최대 휨모멘트는 소성모멘트보다 20%이상 컸다. 접합부의 최대 충간변위각은 실험체 JR1의 경우가 제일 작았고 실험체 JR4가 가장 컸다.
표 3에서는 강종별, 두께별로 인장시험결과가 정리되어 있다. 인장시험결과 시험체의 항복강도와 인장강도는 규정치 (Fv = 325 MPa, Fu = 490 MPa)를 대부분 만족하고 있는 것으로 나타났다. 두께가 상대적으로 큰 SM490 기둥 플랜지의 경우 항복강도와 SHN₄₉0 기둥 웨브의 인장 강도가 규정치보다 다소 작게 측정되었지만 보의 경우에는 모두 규정치를 만족하였다.
접합부 실험체에 대한 반복재하실험결과 보 플랜지의 CJP용접에서의 취성파단은 발생하지 않았고 소정의 소성변형능력을 발휘하였다. 접합부 실험체에 대한 반복재하실험 결과가 표 4 에 정리되어 있다.

참고문헌 (11)

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이동근, 조소훈, 고현, 김태진(2006) 약진지역에서의 초과강도 및 반응수정계수, 한국지진공학회논문집, 제10권, 3호, pp.57-64

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이철호, 박종원(1998), 반복재하 실물대 실험에 의한 컬럼-트리(Column-Tree) 형식 철골 모멘트 접합부의 내진거동 연구, 한국강구조학회논문집, 제10권, 4호, pp.629-639

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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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