[논문]RHS 기둥-H형강보 접합부의 내진보강 설계

김영주; 오상훈

[국내논문] RHS 기둥-H형강보 접합부의 내진보강 설계
Seismic Retrofit Design of RHS Column-to-H Beam Connections 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.20 no.4 = no.95, 2008년, pp.529 - 537

김영주 (고려대학교 건축.사회환경공학과 BK21) , 오상훈 (부산대학교 건축학부)

초록
AI-Helper

본 논문의 목적은 슬래브가 있는 RHS 기둥-H 형강보 접합부의 내진보강설계방법을 제안하는 것이다. 모멘트접합부의 내진보강에 관한 이전 연구를 참조하면, 보강된 RBS(SR) 또는 연장된 수평스티프너(LH)를 가진 접합부는 응력/변형도 집중의 저감에 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다. 따라서 두개의 내진보강방법, 즉, 보강된 RBS(SR)과 연장된 수평스티프너(LH)를 사용한 새로운 설계절차를 제시하였다: 게다가 본 논문에는 접합부의 내진보강방법을 향상시키기 위한 다양한 상세 및 방법 등이 기술되었다. 끝으로 설계방법의 검증을 위해서 파일럿테스트를 실시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this paper is to propose retrofit design methods of theRHS column-to-H beam connections with floor slabs. Referring to previous studies on the retrofitting of moment connections, it is clear that connections retrofitted with a stiffened RBS (SR) or a lengthened horizontal stiffener (LH) has an effect on decreasing the stress/strain concentration. A new design procedure using these two retrofitting methods was thus presented. In addition, this paper addressed various design or detailing options and recommended a procedure for designing the improved retrofitting method of steel moment connections. Finally, a pilot test was conducted to verify the design procedure.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구의 목적은 기존 철골모멘트접합부의 내진보강방안 및 설계절차를 제시하는 것이다. 따라서 이전 연구를 참조하여 변수해석을 통해 두 개의 내진보강접합부를 제안하였고 이에 대한 설계절차를 기술하였다.
이 연구에서는 소성힌지 발생에 따른 설계절차상의 내력에 관한 혼란을 피하기 위해서. 계산되고 관찰된 내력의 조정을 편리하게 하도록 하는 임계소성단면(Critical Plastic Section) 을 결정하였다.
(2) 본 연구에서는 RHS 기둥을 가진 모멘트접합부를 대상으로 하여 보웨브의 모멘트전달효율을 설계식에 반영하기 위해서, 기둥플랜지의 항복선 붕괴기구를 고려한 접합부의 내력을 다음과 같이 식(6)어】 제안하였다.

제안 방법

설계절차를 제시하는 것이다. 따라서 이전 연구를 참조하여 변수해석을 통해 두 개의 내진보강접합부를 제안하였고 이에 대한 설계절차를 기술하였다. 또한.
또한. 내진보강 접합부의 설계 및 성능검증을 위해서 파일럿 테스트를 실시하였다.
본 연구에서는. 이전 연구(오상훈, 2005)를 참조하여 변수해석을 통해 내진보강효과가 큰 SR 접합부와 LH 접합부를 내진보강접합부로 제안하였다. 그림 1을 참조하면 SR 접합부는 기존의 RBS 접합부에 삼각형모양의 수평스티프너로 보강한 것으로서.
있어서 매우 곤란한 점이 있다. 따라서 기존접합부의 보강에 목표를 둔 본 연구에서는 하부플랜지에만 보강공법을 적용하였다.
혼란을 피하기 위해서. 계산되고 관찰된 내력의 조정을 편리하게 하도록 하는 임계소성단면(Critical Plastic Section) 을 결정하였다. 각각의 접합부에 대해서.
기등의 중심으로부터 가력점까지의 거리는 3500mm, 기등의 상하지점 간 거리는 3000mm이며. 접합부는 각형강관 기등과 철골 보를 기둥 관통형 다이아프램 공장용접 을 사용하여 용접 접합하였다. 플랜지는 스캘럽을 사용한 완전용입용접.
특히. 패널존은 기둥과 달리 B-RHS-450x5632x22로 제작하여 접합부가 종국 상태에 이르렀을 때에도 탄성에 머물도록 계획하였다. 슬래브의 콘크리트는 설계강도 Fc=240kgf/cm²의 보통 콘크리트이다.
이 두 실험체는 기존 접합부의 내진보강을 재현하기 위해서 먼저 그림 7(a)와 같이 기본적인 형태로 제작하여 콘크리트슬래브까지 타설하였다. 이후에 SR 접합부는 절취부를 만들고 이 후에 수평스티프너로 용접보강하였다. LH의 경우에는 수평스티프너를 제작한 후에 완전 용입용접에 의해서 내진 보강공법을 적용하였다.
두 파일럿 테스트 접합부를 대상으로 3~5절의 설계 절차에 따라 내진보강설계를 실시하였고. 그 결과를 간단히 요약하면 표 1과 같다.
실험은 최대하중용량 2000kN. 스트로크 용량 土 300mm의 성능을 가진 정적 엑츄에이터믈 사용하여 가력을 하였으며. 가력장치사진을 그림 8에 나타냈다.
또한. 변위 및 변형 도를 측정하기 위해 번위계 및 변형도 게이지를 설치하였다. 실험에 사용된 모든 강재는 SM490이며.

대상 데이터

접합부에는 H 형강보 (H-612x202xl3x23) 와 용접조립의 RHS 기둥(B-RHS-450<450x22)이 사용되었다. 기등의 중심으로부터 가력점까지의 거리는 3500mm, 기등의 상하지점 간 거리는 3000mm이며.
스캘럽의 형상은 R=35mm인 개량하지 않은 종래형의 상세이다 그림 7(a)). 사용된 강재는 모두 SM490 이다.
배근은 지름 13mm, 격자간격 200mm의 용접철망으로 2 중배근 하였고. 스터드커넥터의 직경은 22mm, 길이는 150mm인 것을 사용하였다. 스터드는 2열 200mm 간격으로 배치하였고.
변위 및 변형 도를 측정하기 위해 번위계 및 변형도 게이지를 설치하였다. 실험에 사용된 모든 강재는 SM490이며. 콘크리드의 압축 강도시험 결과.
위해서. 소성힌지가 발생하는 임계소성단면의 위치를 선정하였고. 이전 해석결과를 바탕으로 한 접합부의 형상 및 크기 등을 식(1)~(4)에 제안하였다.

이론/모형

또한 김영주(2006) 등은 하부플랜지의 내진보강하는 방법을 사용하여 접합부의 설계식을 정립하고자 보웨브의 모멘트 전달효율이 접합부에서 보플랜지의 옹력집중과 변형능력에 미치는 영향을 파악하였고. 기둥플랜지의 면외변형에 관한 것은 항복선 이론을 바탕으로 이론적인 연구도 수행하였다. 이 후의 추가적인 연구(오상훈, 2005)에서는 내진보강에 관한 다양한 상세를 검토하고자 비선형 유한요소해석을 실시하였다.

성능/효과

H 형강기둥을 사용할 때와 RHS 기등을 사용할 때의 보가 기둥에 전달하는 옹력의 전달메커니즘이 다르다는 것을 말해 준다. 또한 연구에서는 보웨브의 모멘트전달효율이 저하하면 보플랜지로 응력이 집중되어 접합부의 파괴가능성이 더욱 중대됨을 또한 밝혔다.
이 후의 추가적인 연구(오상훈, 2005)에서는 내진보강에 관한 다양한 상세를 검토하고자 비선형 유한요소해석을 실시하였다. 변수해석을 실시한 결과 보강된 RBS(Stiffened RBS, 이하 SR) 접합부와 연장된 수평스티프너 (Lengthened horizontal stiffener. 이하 LH) 접합부가 보플랜지의 응력저감이 가장 탁월하였다.
조기 취성파단할 가능성이 매우 크다는 것을 제시한다. 그러나 SR과 LH 접합부의 변형도는 항복후에 회전각이 증가해도 변형도 증가율이 매우 완만하다는 것을 알 수 있으며. 이는 용접부와 스캘럽이 있는 기둥 단부의 변형이 증가하는 대신에 미리 항복존으로 설정한 SR 접합부의 절취부와 LH 접합부의 연장부에서 많은 변형 도가 발생하기 때문이다.
접합부는 비록 5사이클 가력 시에 파단하였지만 소성회전각은 약 3% rad. 정도로 우수한 변형능력을 발휘하였다. LH 접합부의 경우에는 4사이클의 부방향 가력 시에 수평스티프너가 끝나는 지점에서부터 미소하지만 횡비틀림좌굴이 발생하였다.
이상의 소성 변형능력을 발휘하였다. 이는 기존의 무보강접합부인 CT 접합부에 비해서 약 3배 이상의 변헝능력을 발휘하였다.
일 때 이미단성범위들 넘어섰다. 그러나 테스트들 실시한 접합부가 합성보집합부임을 가정하고 기존 CT 접합부에 비해서는 그 변헝도값이 약 1/5 수준으로 매우 저감되었음을 알 수 있다. 특히소성힌지가 발생하도록 한 임계소성단면에서는 그림 11(b)에서 관찰되듯이 큰 변형도를 나타냈다.
(3) 본 연구어서 제시한 설계법에 의해 제작된 두 개의 파일럿시험체의 접합부는 기존 접합부에 비해서 약 3배 이상에 이르도록 매우 뛰어난 반복적 소성회전능력을 발휘하였다. 두 접합부의 임계소성단면으로 고려한 위치에서는 큰 변형 도가 관찰되었는데 이는 본 연구에서 제안한 설계방안이 전반적으로 타당함을 나타내는 것이다.
두 접합부의 임계소성단면으로 고려한 위치에서는 큰 변형 도가 관찰되었는데 이는 본 연구에서 제안한 설계방안이 전반적으로 타당함을 나타내는 것이다. 본 연구는 실험조건 상 가장 엄격한 완전합성보일 경우에 한정된 것이다.

후속연구

본 연구는 실험조건 상 가장 엄격한 완전합성보일 경우에 한정된 것이다. 이 후에 실제 시공되고 있는 부분합성보에 대한 접합부의 내진성능에 관해서도 추후 연구가 필요하다.

참고문헌 (10)

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오상훈, 김영주, 문태섭(2005), 수평스티프너로 보강된 모멘트 접합부의 변형능력, 한국지진공학회 춘계학술발표대회논문 집, 제9권 1호, 3월, p.220-227
김영주, 오상훈(2006), RHS기둥-보 접합부의 모멘트전달효율 평가, 한국지진공학회논문집, 제10권 4호, 6월, p.67-76

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日本建築學會近機支部鐵骨構造部會(1995), 1995年兵庫縣南部地震鐵骨造建物被害調査報告書
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鋼構造限界狀態設計指針.同解說, 日本建築學會, 1998
Steel Design Guide Series 12.(1999). Modification of existing welded steel moment frame connections for seismic resistance, AISC

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용어 설명 출처 목록 (6)

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