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문제 정의
- 통해 구조성능을 평가하였다. 기존의 일반구조용 SM490 강재를 적용한 기존의 연구와 비교 분석하여 초고층 건축물에 적용을 위한 내진설계자료와 고성능. 고강도 강재를 적용한 기둥 보 용접접합부의 제작 시 주의사항을 제시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 600MPa급(SM570 TMC) 강재를 적용한 기둥 보 접합부의 초기연구로서 소재특성, 용접 특성을 검토하였고 논스캘럽과 추천형스캘럽 (35R, 10R) 상세의 실 구조물 규모의 십(十)자형 기둥 보 용접접합부 실험체를 제작, 내진성능실험을 통해 구조성능을 평가하였다. 기존의 일반구조용 SM490 강재를 적용한 기존의 연구와 비교 분석하여 초고층 건축물에 적용을 위한 내진설계자료와 고성능.
- 특별모멘트 골조 둥의 설계자료 및 큰 비탄성 변형 능력을 가진 골조 시스템에 대한 조항이 없는 실정이다. 본 연구에서는 600MPa급 (SM570 TMC) 강재를 적용한 기둥 보 접합부의 초기연구로서 실구조물 규모의 기둥 보 실험체를 제작, 반복가력실험을 통해 구조성능을 평가하고 초고충 건축물에 적용을 위한 내진설계 자료 및 제작상의 주의사항을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 기존의 일반구조용 SM490 강재를 적용한 기존의 연구와 비교 분석하여 초고층 건축물에 적용을 위한 내진설계자료와 고성능. 고강도 강재를 적용한 기둥 보 용접접합부의 제작 시 주의사항을 제시하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 그림 (c)는 추천형 스캘럽 상세로서 용접 시 세라믹 뒷댐재를 사용하여 용접한 후 뒷댐재를 제거하였다. 고력볼트 접합부의 설계는 F13T M24 고력볼트를 사용하여 실험 시 접합부의 거동을 가정하여 기둥은 이음부의 소요 강도, 보는 충분한 소성변형 능력이 확보되도록 보 부재의 전소성모멘트(Mp)에 대하여 설계하였다. 그림 4.
- 기둥과 보부재의 빌트업 (Built-up) 제작 시 플랜지와 웨브는 완전 용입용접 그리고 기둥의 플랜지와 보 웨브의 접합도 완전용입 용접하도록 하였다. 모든 시험체에 보 플랜지와 동일한 두께를 갖는 수평 스티프너를 사용하였고.
- 기존 연구의 실험체명은 편의상 본 연구에서 채택한 실험체명의 형식으로 변경하였다. SP는 강패널.
- 본 연구에서 채택한 논스캘럽, 스캘럽형상의 실험체 모두 특별연성모멘트 골조(SMF)에서 요구되는 접합부 내진성능을 충분히 만족시키고 있으며, Eurocode의 고연성 등급(DCH)에 해당하는 내진성능을 보여주고 있다. 반복 및 단조 이력 곡선의 데이터를 이용하여 내력상승율. 소성율, 소성변형배율을 계산하면 표 4와 같다.
- 숭실대학교 보유 가로 5, 600mni. 세로 6.800mm 반력 프레임을 이용하여 기둥 보 접합부에 횡력이 가해진 골조를 재현하기 위해 기둥 양단을 힌지상태로 유지하였고, 보 단부를 용량 50tonf, 최대스트로크 ±300nim인 액츄에이터 (Actuator) 를 이용하여 가력 하였다. 또한 가력 시 보의 면외변형을 방지하기 위한 횡지지브레이스(Lateral Restraint)를 가력점으로부터 600mm 떨어진 위치에 설치하였다.
- 스캘럽형상이 접합부의 소성변형 능력에 미치는 영향을 파악하기 위하여 스캘럽을 두지 않은 실험체(논스캘럽)와 스캘럽 선단의 응력집중을 완화하기 위하여 보 플랜지와 웨브가만나는 부위를 10R 추가 개선한 추천형스캘럽 (35R, 10R)을 사용한 실험체를 계획하였다. 이러한 실험체들은 표 2와 같이 구분한다.
- 5% 이상의 경우는 2 cycle씩 반복 가력 한다. 실험체가 파괴되지 않을 경우 변위계의 용량한도까지 최대한 하중을 가하여 실험체의 파괴를 관찰하였다. 그림 7은 실험체 설치장면을 나타낸 것이다.
- 200mm, 보 양단가력점 사이의 거리는 7, 200皿이다. 실험체는 기둥 1, 80(加耽 보 2, 920mm으로 논스캘럽 및 스캘럽 상세의 실험체를 공장 제작하고 양단에서 고력볼트 접합과 분해가 가능하도록 계획하여 실험 후 설치 및 분해가 용이하도록 계획하였다.
- 초기 항복이 보에 발생하도록 패널존은 PL-16x220x310으로 양면 보강하여 모살 용접하였다. 용접봉은 Supercored 81-K2을 사용하여 표 1의 용접조건으로 시행하였다.
대상 데이터
- 그림 1은 실험체 형상을 나타내었다. 실험체는 골조의 내부기둥을 포함한 십(十)형 기둥 보 접합부로 전체 사이즈는 기둥 양단의 핀 중심간 거리는 4.200mm, 보 양단가력점 사이의 거리는 7, 200皿이다. 실험체는 기둥 1, 80(加耽 보 2, 920mm으로 논스캘럽 및 스캘럽 상세의 실험체를 공장 제작하고 양단에서 고력볼트 접합과 분해가 가능하도록 계획하여 실험 후 설치 및 분해가 용이하도록 계획하였다.
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실험체는 빌트업(Built-up)H형강으로 기둥사이즈 BH-350x350싸)>
- 실험체는 숭실대학교 보유 가로 5, 600mni. 세로 6.
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2.1 기둥 보 접합부 실험계획
실험체의 기둥과 보 부재에 고성능 강재 SM570 TMC을사용하였다. 실험체는 빌트업(Built-up)H형강으로 기둥사이즈 BH-350x350싸)><40, 보 사이즈 BH20x280><i6x20로 구성된 용접접합부이다.
성능/효과
- (2) 본 연구에 적용한 600MPa급(SM570 TMC) 강재의 기둥 보 용접접합부는 AISC에서 제시한 특별연성모멘트 골조와 Eurocode의 고연성 등급에 해당되는 것으로, 내진설계 시 반응수정계수(R) 8이 사용 가능할 것으로 판단된다.
- (4) 스캘럽 상세을 채택한 실험체는 논스캘럽 실험체에 비해 소성율, 2.15배, 소성변형배율 1.46배, 총회전각은 1.2배, 내력상승율 1.04배의 값을 갖는다. 이는 논스캘럽 실험체 용접 시 융합불량으로 인한 것으로 판단된다.
- (5) 본 연구의 기둥 보 용접접합부의 변형분담율을 분석한 결과 패널존의 강도를 적절하게 설계하면 보의 비선형 거동에 대한 부담을 줄여 인성이 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- (6) 스캘럽 상세의 실험체는 중앙부와 보 플랜지와 만나는 부위의 응력은 작고 안정적인 변형도를 나타냈으나, 스캘럽의 시작되는 부위에 응력이 집중되므로 스캘럽 제작 시 노치나 열영향의한 응력집중 및 크랙 발생의 시발점이 되지 않도록 세심한 주의가 필요할 것으로 사료된다.
- (7) 본 연구에 적용한 600MPa급(SM570 TMC) 강재의 기둥 보 접합부는 기존SM490 강재를 적용한 접합부의 값과 비교하여 비슷한 수준의 소성변형에너지를 발휘할 것으로 사료된다.
- 각 실험체의 초기 탄성구간에서는 보의 변형 분담율이 전체 변형 의약 57%, 패널의 변형은 약 16%, 기둥의 변형은 약 27%을 분담하였다. 모든 실험체에서 층간변위 3% 이후로 패널존의 변형분담율이 증가하였다.
- 모든 실험체에서 층간변위 3% 이후로 패널존의 변형분담율이 증가하였다. 특히 논스캘럽의 경우 4%이후 보의 변형분담율이 감소하였는데, 이는 패널존 용접부의 탈락으로 인해 패널의 분담율이 뚜렷하게 증가한 것으로 판단된다.
- 있다. 변형에너지는 약패널 실험체에서 가장 크고, 패널의 강성이 클수록 변형에너지가 작게 나타났다.
- 80妙 이상임을 규정하고 있다. 본 연구에서 채택한 논스캘럽, 스캘럽형상의 실험체 모두 특별연성모멘트 골조(SMF)에서 요구되는 접합부 내진성능을 충분히 만족시키고 있으며, Eurocode의 고연성 등급(DCH)에 해당하는 내진성능을 보여주고 있다. 반복 및 단조 이력 곡선의 데이터를 이용하여 내력상승율.
- 보 용접접합부의 실험체 모두 정 . 부모멘트 구간에서 접합부 총회전각 0.04 radian일 때, 보의 전소 성 모멘트 80%이상의 값을 나타내었으며, 최대내력비 (Mmax/M?)의 경우, 논스캘럽은 전소성모멘트의 1.22배, 스캘럽은 1.26배로 내력 확보가 우수한 것으로 나타났다.
- 2妙를 나타내어 패널 강성에 따라 뚜렷한 휨강성의 차이를 나타내었다. 스캘럽을 채택한 실험체 모두 논스캘럽 실험체보다 소성변형능력이 우수한 것으로 나타났으며, 고성능강 SM570 TMC을 적용한 기둥 보 접합부는 SM490 강재를 적용한 접합부와 동등한 소성변형에 의한 에너지흡수 능력을 가지고 있는 것으로 판단된다.
- 특히 항복후의 보 플랜지 단부측 응력은 중앙부에서 크게 증가하는 것으로 나타났다. 스캘럽을 채택한 실험체의 경우도 항복 후 보 플랜지 단부측 응력은 중앙부에서 크게 증가하는 것으로 나타났으며. 특히 중앙부의 응력은 논스캘럽의 실험체보다 큰 값을 나타내었다.
- 3MP. 약패널 실험체는 약 1.1M- 그리고 본 연구의 실험체는 약 1.2妙를 나타내어 패널 강성에 따라 뚜렷한 휨강성의 차이를 나타내었다. 스캘럽을 채택한 실험체 모두 논스캘럽 실험체보다 소성변형능력이 우수한 것으로 나타났으며, 고성능강 SM570 TMC을 적용한 기둥 보 접합부는 SM490 강재를 적용한 접합부와 동등한 소성변형에 의한 에너지흡수 능력을 가지고 있는 것으로 판단된다.
- 2 이상의 값을 보여 미국의 A529 Grade 50(345). 일본의 SM490 및 SN490C 강재에 해당하는 수치를 보였으며, 소성변형능력은 일본의 한계상태설계법 골조의 소성변형능력의 하한치인 1.8 이상의 값을 나타내어소성해석이 가능한 등급에 만족하는 것으로 나타났다.
- 2 이상의 값을 보여 미국의 A529 Grade 50(345). 일본의 SM490 및 SN490C 강재에 해당하는 수치를 보였으며, 소성율은 일본의 한계 상태설계법에서 골조의 소성변형능력의 하한치인 1.8 이상의 값을 나타내었다.
- 5%까지 lOcycle 가력한 논스캘럽 상세 (HP- P-600-N)를 채택한 실험체의 모멘트-층간변위비 관계를 나타낸 것이다. 전소성모멘트에 대한 최대모멘트비는 1.22이고, 층간변위비 약 4%까지는 매우 안정된 형태로 변형하다가 층간변위비 약 5%에서 하중이 저감되었다. 그림 9과 같이 스캘럽 상세(HP-P- 603A)의 경우 전소성모멘트에 대한 최대모멘트 비는 1.
- 압축 측에서도 중앙부 용접부의 균열로 인하여 단부측에서 큰 응력의 값을 나타냈다. 특히 항복후의 보 플랜지 단부측 응력은 중앙부에서 크게 증가하는 것으로 나타났다. 스캘럽을 채택한 실험체의 경우도 항복 후 보 플랜지 단부측 응력은 중앙부에서 크게 증가하는 것으로 나타났으며.
후속연구
- 고성능 . 고강도 강의구조물 적용을 위해서는 부재의 거동과 인성에 대한 명확한 분석이 필요하며 특히 인성은 기둥 보 접합부의 소성변형율및 소성변형에너지와 관계되므로 새롭게 개발된 강재의 경우 기존에 오랫동안 적용해 왔던 일반구조용 강재를 적용한 기둥 보 접합부의 소성변형율 또는 소성변형에너지와 비교하여 충분한 소성변형이 가능한지의 여부를 확인하고 그 특성이 현재의 설계법에 부합되는지의 여부를 확인하여야 한다. 현재 건축구조설계기준(K①C-2005)에서 내진설계는 IBC 2006 및 ASCE 7의 기준과 흡사하지만, 우리나라가 지진의 피해가 적은 중약진지역이라는 이유만으로 특수전단벽 .
- 특히 중앙부의 응력은 논스캘럽의 실험체보다 큰 값을 나타내었다. 따라서 보 플랜지와웨브가 만나는 스캘럽단부의 돌림 용접 및 빌트업 제작 시열영향^ 의한 경화에 주의해야할 것으로 사료된다.
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