밀착조임 볼트체결에 따른 판폭두께비가 큰 변단면 프레임의 구조성능에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Structural Behavior of Tapered non-compact Frame with Snug-tightened Conditions원문보기
저층 장스팬 철골프레임에는 강재절감을 위해 휨모멘트 저항을 극대화 한 판폭두께비가 큰 변단면 부재를 이용한 PEB시스템을 사용하고 있다. 또한, 밀착조임 볼트접합은 완전조임 볼트접합에 비하여 공사비 절감과 시공용이성의 장점을 지니고 있다. 이에 본 연구에서는 밀착조임 볼트접합으로 이루어진 엔드플레이트형 접합형식에 판폭두께비가 큰 변단면 철골프레임의 실대형 실험을 행하였다. 변수로는 볼트체결방법과 재하하중방법이다. 프레임위치별 구조적 거동에 대해서 실험결과를 분석하고, 하중-변위관계에 대해서 해석결과와 비교하였다. 또한, 현장에서 밀착조임 볼트체결에 대한 볼트축력 도입과 사용성을 평가하였다.
저층 장스팬 철골프레임에는 강재절감을 위해 휨모멘트 저항을 극대화 한 판폭두께비가 큰 변단면 부재를 이용한 PEB시스템을 사용하고 있다. 또한, 밀착조임 볼트접합은 완전조임 볼트접합에 비하여 공사비 절감과 시공용이성의 장점을 지니고 있다. 이에 본 연구에서는 밀착조임 볼트접합으로 이루어진 엔드플레이트형 접합형식에 판폭두께비가 큰 변단면 철골프레임의 실대형 실험을 행하였다. 변수로는 볼트체결방법과 재하하중방법이다. 프레임위치별 구조적 거동에 대해서 실험결과를 분석하고, 하중-변위관계에 대해서 해석결과와 비교하였다. 또한, 현장에서 밀착조임 볼트체결에 대한 볼트축력 도입과 사용성을 평가하였다.
Current trends in steel construction include using tapered, non-compact sections to minimize the use of excess material as much as possible by choosing the cross-sections instead of the classical approach of using prismatic members. In addition, snug conditions, especially the end-plate type, have t...
Current trends in steel construction include using tapered, non-compact sections to minimize the use of excess material as much as possible by choosing the cross-sections instead of the classical approach of using prismatic members. In addition, snug conditions, especially the end-plate type, have the advantage of incurring less construction costs and shorter assembly times as opposed to full pre-tensioned conditions. On the other hand, it is important to predict the collapse of the PEB system due to over-loading. Large-scale tests of tapered steel portal frames with non-compact sections were conducted. The primary test parameters included the bolt connection method and the loading condition (vertical and horizontal load). The test results on initial stiffness and load capacity were investigated. Furthermore, comparisons between the analytical and experimental data for load-displacement curves were initiated. In addition, we evaluated the applicability of a snug bolt for the PEB frame in the field.
Current trends in steel construction include using tapered, non-compact sections to minimize the use of excess material as much as possible by choosing the cross-sections instead of the classical approach of using prismatic members. In addition, snug conditions, especially the end-plate type, have the advantage of incurring less construction costs and shorter assembly times as opposed to full pre-tensioned conditions. On the other hand, it is important to predict the collapse of the PEB system due to over-loading. Large-scale tests of tapered steel portal frames with non-compact sections were conducted. The primary test parameters included the bolt connection method and the loading condition (vertical and horizontal load). The test results on initial stiffness and load capacity were investigated. Furthermore, comparisons between the analytical and experimental data for load-displacement curves were initiated. In addition, we evaluated the applicability of a snug bolt for the PEB frame in the field.
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문제 정의
본 연구는 볼트체결방법에 따른 비콤팩트 요소단면 플랜지와 웨브를 가진 판폭두께비가 큰 변단면으로 구성된 10m 스팬 P.E.B 시스템의 실물대 구조성능을 평가하였다. 또한, 20m이상의 장스팬 PEB시스템의 현장적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 밀착조임 볼트 체결한 판폭두께비가 큰 변단 면을 가진 장스팬 철골프레임의 적용성 및 구조안정성 평가를 목적으로 한다. 먼저, 태풍과 폭설 등과 같은 과도한 하중에 대해서 P.
제안 방법
(3) 밀착조임 볼트체결 방법에 대한 현장적용성 평가를 위해서 2개의 현장에서 볼트도입 축력과 사용성을 평가하였다. 고소작업 여건과 작업자의 숙련도 차이 등을 감안하더라도 밀착조임에서의 볼트도입 축력은 최소 가볼트 체결 토크치 이상으로 나타났으며, 사용성에서는 완전조임과 동등한 강성을 갖는 것으로 나타났다.
그림 10에서 보는 바와 같이, 20m 스팬의 P.E.B 시스템으로 적용된 우사(한우개량사업소, 충남 서산) 신축현장에서 작업환경에 따른 밀착조임 볼트체결에 따른 볼트의 도입 변형률을 조사하였다.
B 시스템의 붕괴거동을 실험과 해석적 접근을 수행하였다. 또한 국내 철골공사 현장여건(작업자의 숙련도, 작업위치)에 따른 밀착조임 볼트도입 축력에 대한 평가와 20m스팬의 P.E.B 철골프레임의 사용성 평가를 수행하였다.
B 시스템의 실물대 구조성능을 평가하였다. 또한, 20m이상의 장스팬 PEB시스템의 현장적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 밀착조임 볼트 체결한 판폭두께비가 큰 변단 면을 가진 장스팬 철골프레임의 적용성 및 구조안정성 평가를 목적으로 한다. 먼저, 태풍과 폭설 등과 같은 과도한 하중에 대해서 P.E.B 시스템의 붕괴거동을 실험과 해석적 접근을 수행하였다. 또한 국내 철골공사 현장여건(작업자의 숙련도, 작업위치)에 따른 밀착조임 볼트도입 축력에 대한 평가와 20m스팬의 P.
사용성 평가를 위한 그림 11에서 보는 바와 같이, 퍼린까지 설치된 P.E.B 시스템에 대해서 9톤 수직가력을 하고 수직방향 변위측정을 하였다.
하중은 시험기에 내장된 로드셀로 계측하고, 실험체의 변형은 그림 3에서 보는 바와 같은 위치에 변위계(LVDT)를 설치하여 프레임의 변형을 계측하였다. 수직 및 수평가력에 따른 프레임의 휨모멘트 분포를 파악하고, 보 플랜지와 웨브의 국부 좌굴 시점을 파악하고자 보 플랜지 폭의 1/2배정도 엔드플레이트에서 떨어진 위치에 1축 스트레인게이지 2개를 상하 플랜지와 웨브의 중앙에 첨부하였다.
실험변수는 표 2에서 보는 바와 같이, 용마루(Ridge) 및 처마(Eave)부분의 접합부에 대해서 밀착조임과 완전조임 볼트체결 방법이며, 각각 하중조건을 수직과 수평으로 작용하였다. 여기서, 밀착조임은 국내 건축공사 표준시방서에서 제안하는 1차체결 토크치인 150Nm (볼트규격: M20, M22)으로 하였다.
실험체 재하조건은 그림 2에서 보는 바와 같이 기계식 변위 제어형 시험기 2,000kN 엑츄에이터를 이용하여 수직 및 수평재하로 행하였다. 프레임을 구성하는 부재의 판폭두께비가 크기 때문에, 2차원적 거동을 유도하기 위해서 2개 병렬 프레임에 대해서 퍼린과 대각 브레이싱 및 횡구속 프레임을 설치하였다.
실험체의 가력방식은 그림 2와 3에서 보는 바와 같이 수직재하의 경우, 평행한 2개의 가력빔을 실험체의 보(Rafter) 하부 플랜지에 좌우 3점씩 연결하고 2개의 가력빔을 연결한 부재 중앙에 수직가력 하였다. 본 가력방법에서는 하중에 대한 프레임의 변형으로 기둥면에 근접할수록 하중이 크게 작용한다.
프레임을 구성하는 부재의 판폭두께비가 크기 때문에, 2차원적 거동을 유도하기 위해서 2개 병렬 프레임에 대해서 퍼린과 대각 브레이싱 및 횡구속 프레임을 설치하였다. 외부 강성 횡구속 프레임은 그림 3에서 보는 바와 같이 실험체의 기둥부재 중심에서 2,500mm 떨어진 위치에 실험체로부터 10mm 간격을 두었다.
엔드플레이트 볼트접합에 대한 유한요소해석 모델링은 많은 가정과 시간이 필요로 한다. 이에 보다 간단히 프레임의 하중-변위관계를 예측하고자, 엔드플레이트의 볼트 모델링은 생략하였고 접합부는 일체로 하였다.
충남 서산지역에서 설치된 20m 스팬의 P.E.B 시스템에 대한 밀착조임과 완전조임에 따른 시스템의 사용성평가를 실시하였다.
실험체 재하조건은 그림 2에서 보는 바와 같이 기계식 변위 제어형 시험기 2,000kN 엑츄에이터를 이용하여 수직 및 수평재하로 행하였다. 프레임을 구성하는 부재의 판폭두께비가 크기 때문에, 2차원적 거동을 유도하기 위해서 2개 병렬 프레임에 대해서 퍼린과 대각 브레이싱 및 횡구속 프레임을 설치하였다. 외부 강성 횡구속 프레임은 그림 3에서 보는 바와 같이 실험체의 기둥부재 중심에서 2,500mm 떨어진 위치에 실험체로부터 10mm 간격을 두었다.
주각부 베이스플레이트 두께는 22mm, 기둥의 엔드플레이트 두께는 14mm, 보의 엔드 플레이트 두께는 10mm이며, 플랜지의 두께는 6mm, 웨브의두께는 5mm로 웨브 춤이 변하는 변단면 부재를 구성하였다. 플랜지와 웨브, 웨브와 엔드플레이트는 모살용접으로 하였으며, 플랜지와 엔드플레이트는 완전용입용접으로 하였다. 실제 접합 상태를 고려하여 볼트 4개로 주각부 베이스를 고정하였다.
하중은 시험기에 내장된 로드셀로 계측하고, 실험체의 변형은 그림 3에서 보는 바와 같은 위치에 변위계(LVDT)를 설치하여 프레임의 변형을 계측하였다. 수직 및 수평가력에 따른 프레임의 휨모멘트 분포를 파악하고, 보 플랜지와 웨브의 국부 좌굴 시점을 파악하고자 보 플랜지 폭의 1/2배정도 엔드플레이트에서 떨어진 위치에 1축 스트레인게이지 2개를 상하 플랜지와 웨브의 중앙에 첨부하였다.
대상 데이터
10m 장스팬 실험체의 보(Rafter)와 기둥(Column)은 그림 1과 같으며, 총 4개를 제작하였다. 주각부 베이스플레이트 두께는 22mm, 기둥의 엔드플레이트 두께는 14mm, 보의 엔드 플레이트 두께는 10mm이며, 플랜지의 두께는 6mm, 웨브의두께는 5mm로 웨브 춤이 변하는 변단면 부재를 구성하였다.
대상 P.E.B 시스템는 스팬 20m, 처마높이 4.5m로 지붕 경사도 18.4¡로 설계하였으며, 엔드플레이트 접합형식으로 모멘트를 저항할 수 있도록 하였다.
본 연구의 실물대 실험체는 스팬 10m과 처마높이 2.0m이고 지붕경사도 18.4°로 설계하였으며, 엔드플레이트 접합형식으로 모멘트를 저항할 수 있도록 하였다.
10m 장스팬 실험체의 보(Rafter)와 기둥(Column)은 그림 1과 같으며, 총 4개를 제작하였다. 주각부 베이스플레이트 두께는 22mm, 기둥의 엔드플레이트 두께는 14mm, 보의 엔드 플레이트 두께는 10mm이며, 플랜지의 두께는 6mm, 웨브의두께는 5mm로 웨브 춤이 변하는 변단면 부재를 구성하였다. 플랜지와 웨브, 웨브와 엔드플레이트는 모살용접으로 하였으며, 플랜지와 엔드플레이트는 완전용입용접으로 하였다.
판폭두께비가 큰 변단면 부재로 이루어진 장스팬 철골프레임의 대변형 해석을 수행하고자 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하였다. 해석에 사용된 요소는 Shell 43요소로 4개의 절점이 있으며 각 절점마다 6개의 자유도를 가지고 국부좌굴해석을 지원한다. 재료모델은 그림 6에서 보는 바와 같이, 인장시험결과에서 얻은 응력-변형률관계 데이터는 Multiisotropic hardening모델을 이용하여 프로그램에 입력하였다.
데이터처리
판폭두께비가 큰 변단면 부재로 이루어진 장스팬 철골프레임의 대변형 해석을 수행하고자 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하였다. 해석에 사용된 요소는 Shell 43요소로 4개의 절점이 있으며 각 절점마다 6개의 자유도를 가지고 국부좌굴해석을 지원한다.
이론/모형
실험체의 제작상의 오차 및 실험세팅의 오차 등으로 발생하는 변형모드를 고려하여, 플랜지 국부좌굴과 웨브의 횡좌굴 모사를 위해서 부재길이의 1/500정도 재축방향에서 어긋나게 하였다. 또한, 좌굴에 의한 급격한 내력감소에 대해서 solution method로써 arc length방법을 적용하였다.
해석에 사용된 요소는 Shell 43요소로 4개의 절점이 있으며 각 절점마다 6개의 자유도를 가지고 국부좌굴해석을 지원한다. 재료모델은 그림 6에서 보는 바와 같이, 인장시험결과에서 얻은 응력-변형률관계 데이터는 Multiisotropic hardening모델을 이용하여 프로그램에 입력하였다.
성능/효과
- 완전조임과 밀착조임의 거동은 가력방향에 상관없이 거의 일치하며 실험체의 파괴상태에 동등한 성능(강성, 최대내력)을 발휘하였다. (단, 기계진동과 같은 동적하중 발생에 대해서 검토할 사항임)
- 최대하중에서 예측결과는 수직재하에서는 5% 이내로 거의 일치하였으나, 수평재하의 경우는 기둥과 보(Rafter)간의 엔드플레이트 접합부 항복이 반영되지 않아 해석값이 15%정도 과대평가 되었다.
(3) 밀착조임 볼트체결 방법에 대한 현장적용성 평가를 위해서 2개의 현장에서 볼트도입 축력과 사용성을 평가하였다. 고소작업 여건과 작업자의 숙련도 차이 등을 감안하더라도 밀착조임에서의 볼트도입 축력은 최소 가볼트 체결 토크치 이상으로 나타났으며, 사용성에서는 완전조임과 동등한 강성을 갖는 것으로 나타났다.
소재시험결과를 바탕으로 실험체의 판폭두께비를 보면, 플랜지의 판폭두께비가 15로써 비콤팩트 등단면이고 웨브는 판폭 두께비가 97.0으로 비콤팩트웨브 제한값 121.1보다 작다. 변단비(γ)는 1.
실험결과를 통하여 밀착조임 볼트체결에 따른 장스팬 철골 프레임의 구조성능(강성, 최대내력, 최대내력이후 거동)은 기존 완전조임 볼트체결 한 철골 프레임의 구조성능과 동등함을 알 수 있다.
수평재하시의 하중-변위관계의 해석결과와 실험결과 비교를 그림 9(b), (c)와 표 4에 나타내었다. 초기강성에서 완전조임과 밀착조임의 실험값은 해석값보다 8%와 5% 높게 나왔다. 최대내력에서는 완전조임과 밀착조임 모두 15% 해석값이 실험 값보다 높게 나왔다.
최대내력에서는 완전조임과 밀착조임 모두 15% 해석값이 실험 값보다 높게 나왔다. 최대내력시의 변위로써는 완전조임의 경우 27%, 밀착조임의 경우 22%로 실험값이 해석값보다 높게 나왔다. 이는 항복이후 엔드플레이트 볼트접합부에 대한 변형의 발생에 대해서 해석에서는 반영되지 않았기 때문이다.
초기강성에서 완전조임은 해석값보다 3% 작게 나왔으나, 밀착조임은 해석값보다 13% 높게 나왔다. 최대내력에서는 실험 값이 해석값보다 완전조임과 밀착조임 모두 3%와 5% 높게 나왔다. 최대내력시 변위는 완전조임의 경우 20%와 밀착조임의 경우 13%로 실험값이 크게 나왔다.
측정결과, 표 7에서 보는 바와 같이, 밀착조임과 완전조임에 따른 동일하중에서 수직변위와 수평변위에서 거의 일치하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저층 장스팬 구조로 이용되는 철골프레임에는 어떤 시스템이 사용되고 있는가?
농촌시설물(축사, 온실), 창고 및 공장 등과 같이 저층 장스팬 구조로 이용되는 철골프레임에는 응력의 효율성 및 용접의 안전성을 고려하여 SM490A의 판폭두께비가 큰 변단면 부재 사용을 기본으로 하는 P.E.B 시스템이 사용되고 있다. 또한, 공기단축을 위한 현장조립이 간편한 엔드플레이트 타입의 볼트 접합방식이 사용되고 있다.
밀착조임 볼트체결방식은 어떻게 정의되는가?
한편, 철골프레임의 현장조립에서 체결공간 부족, 간섭, 전력사용 제한 등으로 인하여 전동렌치 사용불가로 일반렌치로 밀착조임을 실시하는 사례가 빈번하다. 밀착조임 볼트체결방식은 임팩트렌치로 수회 또는 일반렌치로 최대한 조여서 접합판이 완전히 밀착된 상태로 정의하고 있다. 이 방법은 다른 체결 방법(Pre-tensioned condition; 너트 회전법, 직접인증측정법, T/S 볼트)에 비해 토크치를 측정하는 시간을 단축하고 그에 따른 노동력을 절감할 수 있다.
밀착조임 볼트체결방식은 다른 체결방법에 비해 어떤 장점이 있는가?
밀착조임 볼트체결방식은 임팩트렌치로 수회 또는 일반렌치로 최대한 조여서 접합판이 완전히 밀착된 상태로 정의하고 있다. 이 방법은 다른 체결 방법(Pre-tensioned condition; 너트 회전법, 직접인증측정법, T/S 볼트)에 비해 토크치를 측정하는 시간을 단축하고 그에 따른 노동력을 절감할 수 있다.
참고문헌 (14)
권영봉, 조종수, 송준엽, 김갑득(2003) 박판 냉산성형형강 골조의 접합부 거동에 관한 실험적 연구, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제15권, 제3호, pp.281-290
김용환, 이성희, 최성모(2009) P.E.B 시스템 장스팬 박공형 창고 건물의 극한내력평가, 대한건축학회논문집 구조계, 대학건축학회, 제25권, 제10호, pp.11-18.
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Kwon, Y.B., Chung, H.S., and Kim, G.D. (2006) Experiments of cold-formed steel connections and portal frames, Journal of structural engineering ASCE, Vol. 132, pp.600-607.
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