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국부좌굴을 고려한 고강도 조립 H형강 부재의 휨성능 실험
Flexural Test of H-Shape Members Fabricated of High-Strength Steel with Considering Local Buckling 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.23 no.4 = no.113, 2011년, pp.417 - 428  

이철호 (서울대학교 공과대학 건축학과) ,  한규홍 (서울대학교 공과대학 건축학과) ,  박창희 (서울대학교 공과대학 건축학과) ,  김진호 ((재)포항산업과학연구원) ,  이승은 ((재)포항산업과학연구원) ,  하태휴 ((재)포항산업과학연구원)

초록
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강구조 설계는 재료의 비탄성 변형능력을 활용하는 정도에 따라 탄성설계법, 소성설계법, 내진설계법으로 대별할 수 있다. 현재 국내외 강구조 설계기준에서는 항복강도 450MPa를 초과하는 고강도강재에 대해서는 비탄성 변형능력에 대한 우려와 국부좌굴 및 횡좌굴 거동에 대한 실험자료의 부족으로 소성설계의 적용을 금하고 있다. 본 연구에서는 일반강재를 대상으로 개발된 현행 강구조설계기준의 플랜지 판폭두께비 제한식을 최근에 개발된 고강도강재인 HSB800에도 그대로 확대 적용할 수 있는지 여부를 확인하고 고강도강 휨부재의 국부좌굴 및 비탄성거동을 파악하기 위한 실물대실험을 수행하였다. HSB800 및 SM490A(비교강종) 강재로 조립된 H형강 휨부재를 각각 5개씩 총 10개의 실험체를 제작하고 실험하여 비교분석하였다. 모든 SM490A 비교실험체는 설계기준 상의 판폭두께비에 따른 요구강도와 연성능력을 충분히 발휘하였다. HSB800 실험체 역시 강도 발현의 측면에서는 매우 만족스런 성능을 발휘하였다. 즉, 비콤팩트 및 세장판 요소 플랜지를 지닌 실험체에서도 소성모멘트를 충분히 상회하거나 이에 육박하는 강도가 발현되었다. 이는 현행 판폭두께비 제한규정을 HSB800 고강도강에 그대로 적용해도 강성과 강도 확보를 목표로 하는 모든 탄성설계에 충분히 보수적으로 적용할 수 있음을 의미한다. 그러나 SM490 실험체와는 달리 HSB800 실험체 5개 가운데 3개가 가력점 스티프너와 접합된 하부플랜지에서 조기 인장파단이 발생하여 소성설계에 요구되는 회전능력 R=3에는 미달하였다. HSB800 실험체에서 관측된 파단원인을 규명하고 고강도강재에 보다 적합한 판폭두께비의 정립을 위한 추가실험과 해석적 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Depending on the plastic deformation capacity required, structural steel design under the current codes can be classified into three categories: elastic, plastic, and seismic design. Most of the current steel codes explicitly forbid the use of a steel material with a yield strength higher than 450 M...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 0에 해당하는 등분포모멘트 조건에 대한 것으로 등분포 모멘트가 아닌 3점하중 실험체의 횡지지 설치에 모멘트 구배의 영향을 반영하였다. 4점하중 실험체는 동일한 콤팩트단면의 보에 대해 소성한계횡지지길이(Lp)와 소성설계한계횡지지 길이(Lpd)이하로 횡지지길이를 달리하여 거동차이를 보고자 하였다. 그림 5는 하중조건별 횡지지 배치를 보여주며, 표 3은 실험체별 횡지지길이 및 한계횡지지길이를 정리한 것이다.
  • 본 연구에서는 최근 국내에서 개발된 공칭인장강도 800MPa 급의 HSB800 고강도강으로 제작된 H형강 부재의 파일럿 실물대 휨실험을 통해 플랜지 국부죄굴에 따른 휨성능을 건축구조 응용의 측면에서 고찰하고 현행 기준의 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구는 고강도강을 활용한 휨재 또는 휨과 압축의 조합력을 받는 보-기둥부재의 거동 이해와 내하력 규명, 그리고 고강도강 설계기준의 정립에 필수적인 내용이라 할 수 있다.
  • 본 연구에서는 최근 국내에서 개발된 공칭인장강도 800MPa 급의 HSB800 고강도강으로 제작된 H형강 부재의 파일럿 실물대 휨실험을 통해 플랜지 국부죄굴에 따른 휨성능을 건축구조 응용의 측면에서 고찰하고 현행 기준의 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구는 고강도강을 활용한 휨재 또는 휨과 압축의 조합력을 받는 보-기둥부재의 거동 이해와 내하력 규명, 그리고 고강도강 설계기준의 정립에 필수적인 내용이라 할 수 있다.
  • 아래 식(4) 및 식(5)에서 보듯이 고강도화에 따른 제한은 횡좌굴 방지를 위한 횡지지길이에도 주어지지만, 건축구조의 경우 대부분 바닥에 의해 횡지지가 제공되므로 고강도화에 따른 부담이 상대적으로 크지 않다. 이런 제반사항을 고려하여 본 연구에서는 고강도강 도입의 효과를 가장 크게 반감시키는 비구속판요소의 판폭두께비에 따른 국부좌굴 거동 규명을 주요 연구목표로 택하였다.

가설 설정

  • 실험체의 국부좌굴 및 횡좌굴 제어를 위해 현행 기준의 각세장규정을 고강도강에도 그대로 적용할 수 있는 것으로 가정하여 설계를 진행하였다. 실험에 사용한 강재와 단면형상, 실험체 길이, 가력방법 및 기타 실험정보를 요약하면 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고강도강재에 대한 관심이 점증하고 있는 이유는? 강재의 고강도성은 고성능강의 가장 대표적 특질 가운데 하나로서 최근 초고층, 초대형 건축물과 미학적으로 경쟁력 있는 구조물에 대한 수요 증대로 고강도강재에 대한 관심이 점증하고 있다. 미국의 경우 이미 1960년대 말에 고강도강재인 A514강재(공칭항복강도 690MPa급으로 퀜칭과 템퍼링에 의해 생산)의 건축구조 적용을 위한 휨부재 실험연구가 시도된 바가 있으나(McDermott,1969) 현재까지 고강도강의 건축구조 적용을 위한 설계기준은 정립된 바가 없다.
HSB800강재의 경우 비 콤팩트 및 콤팩트 플랜지의 실험체는 국부좌굴 없이 소성 강도의 몇 퍼센트를 발휘하였는가? (2) HSB800강재의 경우 모두 탁월한 휨강도를 발휘하였다. 현행 설계기준의 구분을 따를 때 세장판단면에 가까운 플랜지를 갖는 실험체도 소성강도의 98%에 달하는 강도를 발휘하였으며 비콤팩트 및 콤팩트 플랜지의 실험체는 국부좌굴없이 소성강도의 114% 및 121%를 발휘하였다. 이 결과는 일반강재를 근거로 제시된 현행 기준의 플랜지 판폭두께비 제한규정을 HSB800강재에 그대로 확장하여 적용하여도 충분히 보수적인 강도설계가 가능함을 의미한다.
고강도강재인 HSB800의 항복강도 수준은? 최근의 제강기술에 의한 고강도강재는 퀜칭, 템퍼링, 합금투입 공정 등의 생략을 통해 제강과정의 경제성은 물론 상대적으로 낮은 탄소 당량을 유지하여 뛰어난 용접성과 노치인성을 제공하므로 건축구조물의 응용에 적합한 매력적인 소재로 부상하고 있다. 최근 국내에서 개발된 열가공제어(TMCP) 고강도강재인 HSB800은 항복강도가 무려 일반강재의 2배 내지 3배에 달한다.부재 수준의 성능검증을 거쳐서 이를 적합하게 건축구조물에 활용할 경우 경제적이고 혁신적인 구조물의 설계를 가능케 하는 첨단소재라 할 수 있다.
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참고문헌 (17)

  1. 대한건축학회(2009) 2009 KBC: 건축구조기준 및 해설. 

  2. 지식경제부 기술표준원(2008) 용접 구조용 압연 강재 (KS D 3515), 산업표준심의회 철강부회. 

  3. 지식경제부 기술표준원(2009) 교량 구조용 압연 강재 (KS D 3868), 산업표준심의회 철강부회. 

  4. AISC-LRFD (2005) Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, IL. 

  5. AISC-LRFD (2005) Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, IL. 

  6. Bansal, J.P. (1971) The Lateral Instability of continuous Steel Beams, Ph.D. Dissertation, Texas University, Austin, TX. 

  7. Chopra, A.K. and Newmark, N.M. (1980) Design of Earthquake Resistant Structures, Wiley, New York. 

  8. Galambos, T.V. (1968) Deformation and Energy Absorption Capacity of Steel Structures in the Inelastic Range, AISI Bulletin No. 8. 

  9. Galambos, T.V., Hajjar, J.F., and Earls, C.J. (1997) Required Properties of High-Performance Steels, Report No. NISTIR 6004, NIST. 

  10. Green, P.G. (2000) The Inelastic Behavior of Flexural Members Fabricated from High Performance Steel, Ph.D. Dissertation, Lehigh University, Bethlehem, PA. 

  11. Kato, B. (1990) Deformation Capacity of Steel Structures, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 17, pp.33-94. 

  12. Lay, M.G. (1965) Flange Local Buckling in Wide-Flange Steel Beams, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 91, No. ST6, pp.95-116. 

  13. Lukey, A.F., and Adams, P.F. (1969) Rotation Capacity Of Beams Under Moment Gradient, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 95, No. ST6, pp.1173-1188. 

  14. McDermott, J.F. (1969) Plastic Bending of A514 Steel Beams, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 95, No. ST9, pp.1851-1871. 

  15. Rasmussen, K.J.R. and Hancock, G.J. (1992) Slenderness Limits for High Strength Steel Sections, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 23, pp.73-96. 

  16. Ricles, J.M., Sause, R., and Green, P.S. (1998) High-Strength Steel: Implications of Material and Geometric Characteristics On Inelastic Flexural Behavior, Journal of Engineering Structures, Vol. 20, No. 4-6, pp.323-335. 

  17. Yura, J.A., Galambos, T.V., and Ravindra, M.K. (1978) The Bending Resistance of Steel Beams, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 104, No. ST9, pp.1355-1370. 

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