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문제 정의
- 모든 실험체는 Powell(2002)의 제안식에 근거하여 Pe/Py>1.5(Pe: 보강재의 좌굴하중, py: 심재의 항복하중)을 만족하는 범위 내에서 설계되었고, 하중 재하 방법을 다르게 한 경우에 대해서도 살펴보고자 하였다.
- 본 연구에서는 고강도강을 이용하여 비좌굴 가새의 요구성능을 만족하면서도 그 내력을 향상시킨다면 강재량을 저감할 수 있을 것으로 기대하고, 고강도강을 심재 및 보강재에 적용 시 구조적 성능을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 고강도강을 이용한 비좌굴 가새의 부재 성능 및 거동 특성을 분석하기 위하여 인장-압축 반복가력 실험을 실시하였다. UTM과 Pin-Jig의 한계하중을 고려하여 모든 실험체의 심재(Core)는 H-150xl50x7xl0을 사용하였다.
- 변수로 하였다. 이와 같은 실험적 연구를 바탕으로 추후 실제 구조물에 적용하기 위한 기초적인 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- UTM(Universal Testing Machine) 의 최대 하중은 2, 942kN이고, 단부 조건은 상하부 힌지를 이용하였으며, 미리 좌굴 축을 정한 후 약축방향을 정면으로 하여 실험체를 설치하였다. 실험체 단부에 균일한 하중을 전달하기 위해 설치된 두께 50mm의 평판과 Pin-Jig 단부를 고력볼트로 충분히 고정시켰으며, 수평 변위계(LVDT) 및 수직 변위계는 그림 4와 같이 설치하였다.
- 11)에서는 표준 하중 재하 방법 (Standard Loading Protocol)을 제시하고 있으며, 이에 따른 비좌굴 가새 부재의 요구성능을 제시하고 있다. 그러나 이를 일반적인 지진하중으로 간주하기는 어렵기 때문에, 본 실험에서는 실험체 5에 대해 임의의 하중 재하 방법 (Optional Loading Protocol)을 추가하여 실험체의 부재성능을 평가하였다. 표 3에서와 같이 표준 하중 재하 방법은 변위제어를 2-1주기부터 목표층간변위(Dbm)를 기준으로 0.
- UTM과 Pin-Jig의 한계하중을 고려하여 모든 실험체의 심재(Core)는 H-150xl50x7xl0을 사용하였다. 그리고 부재의 전체 길이는 2, 500mm, 양단부는 힌지로 하였으며, 균일한 하중을 재하하기 위해 두께 50mm의 평판을 심재의 양단부에 부착하였다. 그림 2는 본 연구에서 적용한 비좌굴 가새의 구성요소를 나타낸다.
- 본 연구에서는 고강도강을 이용한 비좌굴 가새의 구조적 성능(이력 거동, 최대 내력, 소산 에너지 등)을 실험적으로 평가하기 위하여 심재와 보강재의 강도, 하중 재하 방법 (Loading Protocol)을 변수로 하였다. 이와 같은 실험적 연구를 바탕으로 추후 실제 구조물에 적용하기 위한 기초적인 자료를 제공하고자 한다.
- 선행 연구결과(2006)를 바탕으로 무보강 구간의 길이는 300mm로 하였으며, 고강도강을 이용시 비좌굴 가새가 갖는 효과에 대해 분석하고자 표 2와 같이 심재와 보강재의 강종을 다르게 적용한 실험체를 계획하였다.
- 실험체는 실제 구조물의 시공순서를 고려하여 그림 5와 같이 심재의 제작, 심재의 단부 보강, 보강재의 제작, 심재와 보강재의 결합, 보강재의 단부 보강 순으로 제작하였다.
- 압축하중 작용시 심재의 좌굴이 발생하지 않고, 큰 비탄성변형이 발생한 모든 실험체에 대하여 AISC의 내진기준 (2005.11)에서 제시하는 요구성능과 비교하였다.
대상 데이터
- UTM과 Pin-Jig의 한계하중을 고려하여 모든 실험체의 심재(Core)는 H-150xl50x7xl0을 사용하였다. 그리고 부재의 전체 길이는 2, 500mm, 양단부는 힌지로 하였으며, 균일한 하중을 재하하기 위해 두께 50mm의 평판을 심재의 양단부에 부착하였다.
- 이력거동을 비교하면 표 6에서와 같이 큰차이가 없었다. 고강도강(SM490)을 심재로 한 실험체 3의 보강재 강종은 SS400, 실험체 4의 보강재 강종은 SM490을 사용하였다. Powell(2002)의 식에 근거한 보강재의 두께는 실험체 3이 16m, 실험체 4가 13mm로 설계되었다.
- 보강재의 강종은 SS400, SM490을 사용하였다. 모든 실험체는 Powell(2002)의 식에 근거하여 Pe/Py값이 1.
- 계획하였다. 실험체 3, 5는 고강도강(SM490)을 심재로, 일반강 (SS400)을 보강재로 적용한 경우로서 보강재 두께는 실험체 3이 16mm, 실험체 5가 13mm 이다. 표 5와 같이 누적 소산 에너지는 실험체 3이 541, 199.
- 심재의 강종은 SM400, SM490을 사용하였다. 그림 6은 실험체 2, 3의 이력거동, 표 7은 실험체 2, 3의 누적 소산 에너지 및 누적 소성 연성도를 비교한 것이다.
- 3 범위 내에서 보강재의 두께를 결정하였다. 일반강 (SM400)을 심재로 한 실험체 1의 보강재 강종은 SS400, 실험체 2의 보강재 강종은 SM490을사용하였다. Powell (2002) 의식에 근거한 보강재의 두께는 실험체 1이 13mm, 실험체 2가 11mm로 설계되었다.
이론/모형
- 보강재의 강종은 SS400, SM490을 사용하였다. 모든 실험체는 Powell(2002)의 식에 근거하여 Pe/Py값이 1.5이상인 1.5-2.3 범위 내에서 보강재의 두께를 결정하였다. 일반강 (SM400)을 심재로 한 실험체 1의 보강재 강종은 SS400, 실험체 2의 보강재 강종은 SM490을사용하였다.
성능/효과
- (1) 일반강(SM400)을 심재로 한 실험체는 최대 연성도가 10이상에 이를 때까지 안정적인 이력거동을 보였으나, 고강도강(SM490)을 심재로 한 실험체는 최대 연성 도가 약 6〜8로서 일반강(SM400)의 경우보다 연성 도가 저하되었다. 강재가 고강도화 됨에 따라 재료의 연성 자체가 저하되어 나타난 결과이다.
- (2) 고강도강(SM490)을 심재로 한 실험체 3의 누적 소산 에너지 (Eh)는 541, 199(kN-mm), 일반강(SM400)을 심재로 한 실험체 2의 누적 소산 에너지(Eh)는 543, 041 (kN mm)로서 서로 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다. 고강도강(SM490)을 심재로 적용한 경우 상대적으로 연성도는 저하되었지만 최대 내력은 상승하였기 때문에 나타난 결과이다.
- (3) 일반강(SM400)을 심재로 한 실험체는 누적 소성 연성 도(it)가 200이상으로 AISC의 내진기준을 만족하였으나, 고강도강(SM490)을 심재로 한 실험체는 그 기준을 만족하지 못하였다.
- (4) 보강재 좌굴하중(Pe)이 심재 항복하중(Py)의 1.5배 이상인 모든 실험체는 보강재의 강도에 따른 이력 거동 및 구조적 성능의 차이가 없었다. 따라서 비좌굴 가새의 강재량을 최소화하기 위해서는 보강재를 고강도 강으로 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- (6) 현행 AISC의 내진기준은 누적 소성 연성도(n)를 200 이상으로 제시하고 있는데, 이는 강진지역을 대상으로 한 것이다. 따라서 보다 다양한 해석 및 실험적 연구를 통하여 중약진 지역에 대한 적절한 값을 제시할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 고강도강을 이용하여 비좌굴 가새의 요구성능을 만족하면서도 그 내력을 향상시킨다면 강재량을 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 결과적으로 고강도 강을 이용하여 제한된 공간에서 비좌굴 가새에 의한 입면 상의 장애를 감소시킬 수 있을 것이다.
- 결과적으로 일반강(SM400)을 심재로 적용한 실험체는 AISC의 내진기준(2005.11)을 만족하였으며, 고강도강(SM 490)을 심재로 적용한 실험체는 AISC의 내진기준(2005. 11)을 만족하지 못하였다.
- 11)에서는 비좌굴 가새의 누적 소성 연성도를 단일 부재에 대한 요구성능으로 제시하기에 실제 골조에 적용될 경우 그보다 작은 값이 될 수 있음을 알 수 있다. 또한 본 연구를 통하여 하중 재하 방법에 의한 누적 소산 에너지 및 누적 소성 연성도는 큰 차이가 나타남을 알 수 있다. 따라서 보다 다양한 해석 및 실험적 연구를 바탕으로 지진의 규모에 따른 적절한 요구성능의 제시가 필요할 것으로 판단된다.
- mm)으로 서로 유사한 성능을 보임을 알 수 있다. 또한 인장 파괴가 발생할 때까지의 누적 소성 연성 도를 비교하면, 실험체 2는 201.06, 실험체 3은 105.98로 서고 강도 강(SM490)을 심재로 적용한 실험체 3은 AISC의 내진 기준(2005.11)에서 제시하는 요구성능을 만족하지 못하였으며, 일반강(SM400)을 심재로 적용한 실험체 2에 비해 누적 소성 연성도가 약 53% 임을 알 수 있다.
- 모든 실험체는 반복하중 작용시 압축영역에서 내력이 저하되기 시작하여, 최종적으로 인장영역에서 파괴되었다. 강재의 인장강도 실험결과는 표 4와 같으며, 각 실험체의 실험 결과를 요약하면 표 5와 같다.
- 비좌굴 가새에 관한 기준이 SEAOC(2001)을 토대로 AISC의 내진기준(2005.11)에 반영됨에 따라, 누적 소성 연성도 는 140에서 200, 최대 연성도는 7.5에서 10으로 상향조정되었다. 그림 10에서와 같이 대다수의 기존 연구에 의하면 최대 연성도는 10이상이며, 실험적 연구에서 요구되는 누적 소성 연성도는 200이상인 반면 해석적 연구에서는 200 미만이었다.
- 안정적인 이력 거동을 나타내는 주기까지의 누적 소산 에너지를 비교하면, 실험체 2는 306, 296.22(kN-mn), 실험체 3은 238, 413.93(k N . mm)으로 고강도강(SM490)을 심재로 적용한 실험체 3이 일반강(SM400)을 심재로 적용한 실험체 2에 비해 현저히 떨어짐을 알 수 있다. 그러나 인장파괴가 발생할 때까지의 최대내력을 반영 시 실험체 2는 543, 041.
- 즉, 고강도강(SM490)을 심재로 적용시 일반강(SM400)에 비해 연성도는 저하되지만, 최대 내력은 상승하여 누적 소산 에너지 측면에서는 거의 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
- 30으로서 역시 실험체 5가 실험체 3에 비해 약 27% 증가하였다. 즉, 임의의 하중 재하 방법을 이용한 실험체 5는 표준 하중 재하 방법을 이용한 실험체 3 에 비해 누적 소산 에너지 및 누적 소성 연성도가 월등히 높게 나타났음을 알 수 있다.
후속연구
- 이처럼 저항복강을 사용할 경우 가새의 내력 향상에 있어 극히 제한적이다. 그러나 고강도강을 이용하여 비좌굴 가새의 요구성능을 만족하면서도 그 내력을 향상시킨다면 강재량을 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 결과적으로 고강도 강을 이용하여 제한된 공간에서 비좌굴 가새에 의한 입면 상의 장애를 감소시킬 수 있을 것이다.
- 또한 본 연구를 통하여 하중 재하 방법에 의한 누적 소산 에너지 및 누적 소성 연성도는 큰 차이가 나타남을 알 수 있다. 따라서 보다 다양한 해석 및 실험적 연구를 바탕으로 지진의 규모에 따른 적절한 요구성능의 제시가 필요할 것으로 판단된다.
- 것이다. 따라서 보다 다양한 해석 및 실험적 연구를 통하여 중약진 지역에 대한 적절한 값을 제시할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 반면에 고강도강(SM490)을 심재로 적용한 실험체 3, 4, 5는 심재의 국부좌굴 및 인장파괴가 보강재의 단부에 근접하여 발생하였기 때문에 중앙부에서 측정한 횡 변 위가 상대적으로 작게 나타났다. 심재의 강도에 따른 국부좌굴 및 인장파괴 지점에 관해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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