[논문]상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성 예측모델

양재근; 김윤; 박재호

doi:10.7781/kjoss.2012.24.3.279

[국내논문] 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성 예측모델
Prediction Model for the Initial Rotational Stiffness of a Double Split T Connection 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.24 no.3 = no.118, 2012년, pp.279 - 287

양재근 (인하대학교 건축공학과) , 김윤 (인하대학교 건축공학과) , 박재호 (인하대학교 건축공학과)

초록
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상 하부 스플릿 T 접합부는 T-stub의 두께, 고력볼트 게이지 거리 등의 주요 변수 조합에 따라서 보통모멘트골조 혹은 특수모멘트골조에 적합한 접합부로 사용된다. 상 하부 스플릿 T 접합부가 안전한 구조거동을 발휘하기 위해서는 건축구조기준에서 규정한 층간변위각 및 접합부모멘트에 대한 요구사항을 만족하여야 한다. 이러한 요구사항 조건의 충족여부를 파악하기 위해서는 접합부의 회전강성 및 한계소성모멘트에 대한 예측이 필수적이다. 따라서 이 연구는 일차적으로 정적하중을 받는 상 하부 스플릿 T 접합부의 회전강성 예측을 위한 해석모델 제안을 위하여 진행하고자 한다. 이를 위하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 제안한 해석모델의 적용 적합성은 기존의 해석모델 및 실험결과와 비교 검토하여 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A double split tee connection is used as a connection that is suitable for ordinary moment frames or special moment frames according to the combination of variables of the thickness of the T-stub flange and the gauge distance of the high-strength bolts. In order to demonstrate safe structural behavior, a double split tee connection must meet the requirements for inter-story drift angles and the moment of connection, as defined in the Korea Building Code-Structural. In order to determine whether the these requirements are met, it is necessary to predict rotational stiffness and the ultimate plastic moment of the connection. Therefore, this study primarily aimed to propose an analytical model for predicting the rotational stiffness of a double split tee connection under a static load. Toward this end, a three-dimensional, non-linear finite element analysis was carried out. Then, the applicability of the proposed model was verified after comparing the test results of this study with other studies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구는 일차적으로 정적하중을 받는 상·하부 스플릿 T 접합부에 대한 기존의 초기회전강성 예측모델을 개선하여 우리나라에서 현장적용을 용이하게 하기 위하여 진행하고자 한다.
이 논문은 한국연구재단(과제번호 2011-0027646)과 인하대학교의 지원에 따른 연구결과를 종합한 것이다. 이에 저자들은 감사의 뜻을 표합니다.
이 연구는 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성을 예측할 수 있는 개선된 해석모델을 제공하기 위하여 진행하였다.

가설 설정

적용한 ABAQUS 옵션은 표 3과 같다. 하중은 보의 끝단에 전단력 형태로 접합부에 충분한 휨항복 후 소성힌지가 발생할 때까지 가하였다. 와셔의 접촉면 들은 하중이 작용하였을 때 접촉면들과 동일한 거동을 나타내기 때문에 MPC(Multi-Point Constraint) 명령의 TIE 옵션을 사용하였다.

제안 방법

와셔의 접촉면 들은 하중이 작용하였을 때 접촉면들과 동일한 거동을 나타내기 때문에 MPC(Multi-Point Constraint) 명령의 TIE 옵션을 사용하였다. T-stub 접촉면과 기둥-고력볼트, 보-고력볼트 접촉면들은 CONTACT 명령의 FINITE SLIDING 옵션을 사용하였고 하중 가력에 의해 접촉면들의 일부가 떨어지는 것을 예상하여 ALLOW SEPARATION AFTER CONTACT 옵션을 추가로 적용하였다. 고력볼트와 너트의 접촉면은 다른 접촉면 중에 미끄러짐이 거의 없으므로 CONTACT 명령의 SMALL SLIDING 옵션을 적용시켰다.
T-stub은 165kN의 고력볼트 축력이 발생하도록 F10T-M20 고력볼트를 사용하여 각 기둥과 보의 상·하부 T-stub 플랜지에 체결되도록 모델링하였다.
T-stub 접촉면과 기둥-고력볼트, 보-고력볼트 접촉면들은 CONTACT 명령의 FINITE SLIDING 옵션을 사용하였고 하중 가력에 의해 접촉면들의 일부가 떨어지는 것을 예상하여 ALLOW SEPARATION AFTER CONTACT 옵션을 추가로 적용하였다. 고력볼트와 너트의 접촉면은 다른 접촉면 중에 미끄러짐이 거의 없으므로 CONTACT 명령의 SMALL SLIDING 옵션을 적용시켰다. CONTACT 명령의 경우 두 부재 중 어느 한 부재 또는 양 부재에 변형이 발생되었을 때 서로 관입이 발생되므로 관입을 막을 수 있도록 ADJUST ONLY TO REMOVE OVERCLOSURE 옵션을 사용하였다.
상·하부 스플릿 T 접합부의 회전강성 특성을 파악하기 위하여 그림 1 및 표 1에 정리한 것과 같이 T-stub 플랜지의 두께는 tf = 15,21 mm로, 고력볼트게이지거리는 gt = 260,310 mm로 선택하였다.
유한요소해석에 필요한 T-stub의 재료적 물성값을 파악하기 위하여 인장시험을 수행하였고, 그림 2와 같이 T-stub 시험편의 응력-변형도 곡선은 이중곡선모델로 이상화하였다.
이를 위하여 상·하부 스플릿 T 접합부의 T-stub 플랜지 두께 및 고력볼트 게이지 거리는 매개변수 α′ (Astaneh, 1985; Thornton, 1985; Yang 등, 2011)이 1.0보다 큰 접합부만을 선정하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다.
상·하부 스플릿 T 접합부를 구성하는 T-stub, 고력볼트, 너트, 와셔 등은 C3D8R (eight-node brick element with reduced integration)을 부재요소로 선택하였다. 해석에 있어서 각 부재 사이의 접촉 및 지압현상, 고력볼트의 초기장력도 포함하여 해석하였다. 적용한 ABAQUS 옵션은 표 3과 같다.

대상 데이터

보 및 기둥 부재는 H-406 × 403 × 16 × 24 형강을 선택하였다.
상·하부 스플릿 T 접합부를 구성하는 T-stub, 고력볼트, 너트, 와셔 등은 C3D8R (eight-node brick element with reduced integration)을 부재요소로 선택하였다.

데이터처리

Yang 해석모델 적용의 타당성을 입증하기 위하여 Swanson이 수행한 그림 11의 상·하부 스플릿 T 접합부 실험결과와 비교하였다(Swanson, 1999).
한편, 동일한 고력볼트 게이지 거리를 갖는 접합부(G260-T15-B350과 G260-T21-B350, G310-T15-B400과 G310-T21-B400)는 각 해석모델의 T-stub 플랜지 두께가 증가할 때 초기회전강성, 참조모멘트 값이 증가한다. 그림 5와 같은 각 해석모델의 휨모멘트-회전각 관계 곡선은 상용프로그램인 SigmaPlot(ver. 8.0)으로 식(1)의 Richard 해석모델(Richard 등, 1975; Richard 등, 1988)을 적용하여 회귀분석 하였다. 그림 4에 나타난 것과 같이 전이모멘트 구간 전의 휨모멘트-회전각 관계 곡선의 기울기는 접합부의 초기회전강성에 해당하며, 전이모멘트 구간을 지난 후의 휨모멘트-회전각 관계 곡선의 기울기는 접합부의 소성회전강성에 해당한다.
상·하부 스플릿 T 접합부는 상용프로그램인 ABAQUS(ver.6.9.2)를 이용하여 모델링하였다.

이론/모형

하중은 보의 끝단에 전단력 형태로 접합부에 충분한 휨항복 후 소성힌지가 발생할 때까지 가하였다. 와셔의 접촉면 들은 하중이 작용하였을 때 접촉면들과 동일한 거동을 나타내기 때문에 MPC(Multi-Point Constraint) 명령의 TIE 옵션을 사용하였다. T-stub 접촉면과 기둥-고력볼트, 보-고력볼트 접촉면들은 CONTACT 명령의 FINITE SLIDING 옵션을 사용하였고 하중 가력에 의해 접촉면들의 일부가 떨어지는 것을 예상하여 ALLOW SEPARATION AFTER CONTACT 옵션을 추가로 적용하였다.
8r만큼 떨어진 거리로 정하였고, 이 부분은 응력집중 현상으로 인한 소성영역의 중심점으로 정의하였다. 회전스프링 k_r2의 회전강성을 고려하는데 있어서 T-stub 강재의 재료적 물성값과 휨모멘트-곡률 관계식을 활용하여 식(30)을 적용하였다.

성능/효과

(1) 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성은 T-stub 플랜지의 두께가 증가하거나 고력볼트 게이지 거리가 감소할 때 증가하였다.
(2) 작용하중 증가에 따라서 상부 T-stub 플랜지 필릿부 및 와셔 단부에 응력집중현상이 심화되며, 최종적으로 상·하부 스플릿 T 접합부는 T-stub 플랜지의 휨항복 후 소성변형에 의하여 파괴되었다.
(3) Yang 해석모델은 Swanson 해석모델보다 더 근사적으로 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성 값을 제공하였다.
그러나 Swanson 해석모델을 적용하여 얻은 초기회전강성 값은 상·하부 스플릿 T 접합부 유한요소해석결과 얻은 초기회전강성 값과 최대 68.1%(G260-T21-B350)의 오차를 나타내었다.
4%(TD-07)의 오차를 나타내었다. 그러나 Swanson 해석모델을 적용하여 얻은 초기회전강성 값은 최대 64.7%(TB-08)의 오차를 나타내어 Yang 해석모델이 더 적은 오차를 제공하였다. 따라서 Yang 해석모델을 적용하여 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성을 예측하는 것은 타당하다고 판단한다.
따라서 Yang 해석모델을 적용하여 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성 값을 예측하는 것은 타당하다고 판단한다.
전체 상·하부 스플릿 T 접합부 유한요소 해석모델은 그림 3과 같이 총 48,145개의 부재와 총 76,493개의 절점으로 구성되었고, 한 개 모델의 해석을 수행하는데 약 153분이 소요되었다.
그림 6에 나타난 것과 같이 작용하중이 참조모멘트에 상응하는 참조하중에 이르면 변형률 값은 급속하게 증가하기 시작한다. 즉, 작용하중의 증가 폭이 크지 않은 경우에도 변형률의 증가하며, T-stub 플랜지 필릿부에서 휨항복에 의한 소성변형이 시작됨을 알 수 있다.
표 5에 나타난 것과 같이 Yang 해석모델을 적용하여 얻은 초기회전강성 값은 상·하부 스플릿 T 접합부 유한요소해석 결과 얻은 초기회전강성 값과 최대 7.8%(G310-T21-B400)의 오차를 나타내었다.
Yang 해석모델 적용의 타당성을 입증하기 위하여 Swanson이 수행한 그림 11의 상·하부 스플릿 T 접합부 실험결과와 비교하였다(Swanson, 1999). 표 6에 나타난 것과 같이 Yang 해석모델을 적용하여 얻은 초기회전강성 값과 최대 10.4%(TD-07)의 오차를 나타내었다. 그러나 Swanson 해석모델을 적용하여 얻은 초기회전강성 값은 최대 64.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축구조기준에서 규정한 층간변위각 및 접합부모멘트에 대한 요구사항 조건의 충족여부를 파악하기 위해서는 무엇에 대한 예측이 필수적인가?	상 하부 스플릿 T 접합부가 안전한 구조거동을 발휘하기 위해서는 건축구조기준에서 규정한 층간변위각 및 접합부모멘트에 대한 요구사항을 만족하여야 한다. 이러한 요구사항 조건의 충족여부를 파악하기 위해서는 접합부의 회전강성 및 한계소성모멘트에 대한 예측이 필수적이다. 따라서 이 연구는 일차적으로 정적하중을 받는 상 하부 스플릿 T 접합부의 회전강성 예측을 위한 해석모델 제안을 위하여 진행하고자 한다.
	상 하부 스플릿 T 접합부는 무엇으로 사용되는가?	상 하부 스플릿 T 접합부는 T-stub의 두께, 고력볼트 게이지 거리 등의 주요 변수 조합에 따라서 보통모멘트골조 혹은 특수모멘트골조에 적합한 접합부로 사용된다. 상 하부 스플릿 T 접합부가 안전한 구조거동을 발휘하기 위해서는 건축구조기준에서 규정한 층간변위각 및 접합부모멘트에 대한 요구사항을 만족하여야 한다.
	상 하부 스플릿 T 접합부가 안전한 구조거동을 발휘하기 위해서는 무엇을 만족해야 하는가?	상 하부 스플릿 T 접합부는 T-stub의 두께, 고력볼트 게이지 거리 등의 주요 변수 조합에 따라서 보통모멘트골조 혹은 특수모멘트골조에 적합한 접합부로 사용된다. 상 하부 스플릿 T 접합부가 안전한 구조거동을 발휘하기 위해서는 건축구조기준에서 규정한 층간변위각 및 접합부모멘트에 대한 요구사항을 만족하여야 한다. 이러한 요구사항 조건의 충족여부를 파악하기 위해서는 접합부의 회전강성 및 한계소성모멘트에 대한 예측이 필수적이다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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