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초록
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본 연구는 지진운동의 영향 하에서 강제 모멘트 골조로 이루어진 post-Northridge(덮개판) 연결부를 갖는 보의 탄성 및 비탄성 거동을 모델하기 위한 부등단면 보(IBS 보) 요소를 제시한다. 덮개판(IBS) 연결부를 갖는 부등단면 보의 탄성강성 매트릭스수치적분이 필요치 않은 수식으로 표현된다. 소성모델은 분포형이며 강체링크로 연결된 일련의 비선형 힌지로 구성 되어있고 경화법칙은 단조 및 임의 주기 하중에 대한 비탄성 거동과 국부좌굴의 효과를 고려할 수 있다. 또한 IBS 보 요소에 대한 항복면, 강성 변수, 그리고 경화(혹은 연화) 법칙 변수의 결정과정을 기술하였고 IBS 보 요소의 해석결과를 실험 및 FEM 해석결과와 비교하였다. IBS 보 요소의 해석결과는 실험 및 FEM 결과와 좋은 상관관계를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study presents a non-prismatic beam element for modeling the elastic and inelastic behavior of steel beams, which have the post-Northridge(cover plate) connections in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The elastic stiffness matrix for non-prismatric members wit...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 IBS 연결부를 갖는 강재 보의 탄성 및 비탄성 거동을 정의하기 위한 부등단면 보 요소를 개발하고 이를 다양한 실험 및 FEM 결과와 비교 검증하였다. 개발된 IBS 보 요소는 IBS보의 단조거동과 임의 주기거동 그리고 국부 좌굴거동을 정의 할 수 있는 경화 규칙을 갖추고 있다.
  • 힌지의 항복은 모멘트가 항복면에 도달 할 때 발생하는데 첫 번째 항복은 최초 항복면에 의해 결정되고 그 후에 발생하는 강성 변화는 그림 5에 나타나 있는 것처럼 각 강성변화에 상응하는 항복면에 의하여 고려된다. 본 연구에서는 최초의 항복면과 유사한 모양을 갖고 있는 3개의 연속적인 항복면(일축의 경우에는 항복선)이 다선형 힘-변형 관계를 적용하기 위해 사용되었다. 그림 5에 나타나 있는 항복면 Yi의 항복함수 Φ는 식(13)과 같이 정의된다.
  • 본 연구의 목적은 보 단부의 보강(IBS)이 강재모멘트 골조의 거동에 미치는 영향을 조사할 수 있도록 IBS연결부를 갖는 보의 탄성 및 비탄성 거동을 정확히 예측할 수 있는 보요소를 개발하는데 있다.

가설 설정

  • 항복영역에 세밀하게 배치된 소성힌지에 대한 모멘트-회전각 관계는 단면에 대하여 결정된 모멘트-곡률관계로부터 정의될 수 있다. 또한 소성힌지에 대한 모멘트-회전각 관계가 그림 6(b)에 보이는 것 같은 보 부재의 절반을 나타내는 등가 캔틸레버보에 대한 실험 혹은 해석을 통해서 얻어지는 모멘트-회전각 관계로부터 결정 될 수도 있는데 이 등가 캔틸레버보 방법에서는 유한한 영역에서 일어나는 모든 소성 변형이 하나의 소성힌지에 집중되는 것으로 가정된다. 따라서 등 단면 부재의 경우에 소성힌지는 각 부재단부에 배치되고 부재전체에 대하여 2개의 소성힌지가 사용된다.
  • 분포 소성 보조-요소는 그림 1(b)와 같이 보 길이방향을 따라 일련의 강체링크로 분할되고 2개의 인접 강체 링크 사이에 하나의 소성힌지가 놓이게 된다. 모든 비탄성 변형은 이러한 소성힌지에 발생하는 것으로 가정된다. 단면에 대하여 모멘트-곡률 관계가 규정된다면 소성 힌지의 모멘트-회전각 관계는 곡률에 2개 인접 강체링크의 중간의 사이 거리를 곱함으로써 결정될 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
소성모델은 무엇이며 무엇으로 구성되있는가? 덮개판(IBS) 연결부를 갖는 부등단면 보의 탄성강성 매트릭스는 수치적분이 필요치 않은 수식으로 표현된다. 소성모델은 분포형이며 강체링크로 연결된 일련의 비선형 힌지로 구성 되어있고 경화법칙은 단조 및 임의 주기 하중에 대한 비탄성 거동과 국부좌굴의 효과를 고려할 수 있다. 또한 IBS 보 요소에 대한 항복면, 강성 변수, 그리고 경화(혹은 연화) 법칙 변수의 결정과정을 기술하였고 IBS 보 요소의 해석결과를 실험 및 FEM 해석결과와 비교하였다.
Pre-Northridge 연결부의 파괴는 무엇이 주된 형태인가? 철골 모멘트 골조는 지진에 대해 우수한 연성능력을 발휘하는 구조시스템으로 간주되어 왔으나 1994년 Northridge 지진에 의하여 철골 모멘트 골조의 보-기둥 연결부에서 광범위한 접합부 파괴가 발생하여 모멘트 저항골조의 연성능력을 제고하게 되었다. Pre-Northridge 연결부의 파괴는 보 플랜지와 기둥 플랜지 사이의 용접과 용접 부근에서 나타난 취성파괴가 주된 형태였다(youssef 등, 1995).
본 연구에서 제안한 2차원 보 요소 모델의 몇 가지 특징및 가정을 정리하면? ① 보 요소는 모멘트, 축력, 전단에 의한 거동을 모델할수 있으며 보의 순경간 부분을 정의한다. 모멘트로 인한 항복후의 비탄성거동은 분포 소성 접근방법을 사용하여 모델되고, 전단과 축력으로 인한 비탄성 효과는 고려되지 않는다. 항복면에는 전단과 모멘트 혹은 축력과 모멘트 사이의 상호작용이 고려되지 않는다. ② 비선형 실험결과를 보다 더 면밀하게 정의 할 수 있도록 다선형 힘-변형관계가 사용되고 단조하중과 임의주기하중 하의 비탄성거동과 국부좌굴의 영향을 고려하기위한 경화법칙이 사용된다.
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참고문헌 (12)

  1. 김달성(2006) IBS 연결부를 갖는 보에 대한 해석 요소 개발. 석사학위논문, 공주대학교 

  2. AISC (2005a) Seismic provisions for structural steel buildings. ANSI/AISC 341-2005, Chicago 

  3. AISC (2005b) Prequalified connections for special and interme- diate steel moment frames for seismic application. ANSI/AISC 358-005, Chicago 

  4. ABAQUS (1996) User's manual-version 5.6. Hibbit, Karlsson, and Sorenson, Inc., Pawtucket, R.I. 

  5. Dafalias, Y.F. (1975) On Cyclic and Anisotropic Plasticity: I) A General Model Including Material Behavior Under Stress Reversals, II) Anisotropic. Ph.D. Thesis, Dept. of Civ. Engrg., University of California, Berkeley 

  6. Federal Emergency Management Agency (FEMA) (2000) Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. FEMA 350, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C. 

  7. Engelhardt, M.D. and Sabol, T.A. (1998) Reinforcing of Steel Moment Connections with Cover Plates: Benefits and Limitations. Engineering Structures, Vol. 20, No. 4-6, pp. 510-20 

  8. Lee, D.Y., Cotton, S.C., Dexter, R.J., and Hajjar, J.F. (2002) Column Stiffener Detailing and Panel Zone Behavior of Steel Moment Frame Connections. Report No. ST-01-3.2, University of Minnesota 

  9. Mosaddad, B. and Powell, G.H. (1982) Computational models for cyclic plasticity rate dependence, and creep in finite element analysis. EERC Report No. 82/26, University of California, Berkeley 

  10. Mroz, Z. (1967) An attempt to describe the behavior of metals under cyclic loads using a more general work hardening model. Acta Mechanica, Vol. 7, No. 2-3, pp. 199-212 

  11. Przemieniecki, J.S. (1968) Theory of matrix structural analysis. McGraw-Hill Book Co., New York, N.Y. 

  12. Youssef, N., Bonowitz, D., and Gross, J. (1995) A survey of steel moment-resisting frame buildings affected by the 1994 Northridge earthquake. NIST Rep. No. NISTIR 5625, National Institute of Standards and Technology, United States Dept. of Commerce Technology Administration, Washington, D.C. 

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