[논문]더블 웨브앵글 반강접 CFT 기둥-보 접합부의 이력거동

이성주; 김주우

doi:10.7781/kjoss.2013.25.1.015

더블 웨브앵글 반강접 CFT 기둥-보 접합부의 이력거동
Hysteresis Behavior of Semirigid CFT Column-to-Beam Connections with a Double Web-Angle 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.25 no.1 = no.122, 2013년, pp.15 - 24

초록
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본 논문은 반복하중을 받는 CFT 합성골조의 더블 웨브앵글 접합부의 휨모멘트 내력에 대해 체계적으로 수행된 유한요소 연구로부터 얻은 결과를 제시하고 있다. 합성 부분강접 CFT 접합부의 회전강성, 휨모멘트 내력 및 파괴모드를 연구하기 위하여 3차원 비선형 유한요소 해석이 수행되었다. 부가적인 다양한 구조적 거동은 앵글의 두께 및 고강도 강봉 게이지 거리로 더블 웨브앵글 접합부의 파라미터에 대한 영향을 설명하고 있다. 해석모델의 적합성은 정적 유한요소해석 결과로부터 얻은 모멘트-회전각 곡선을 Richard의 회귀분석을 통하여 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the results from a systematic finite element study on the bending moment resisting capacity of double web-angle connection for a CFT(concrete filled tube) composite frame subjected to cyclic loading. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the rotational stiffness, bending moment capacity, and failure modes of the partially restrained composite CFT connections. A wide scope of additional structural behaviors explain the different influences of the double web-angle connections parameters, such as the different thickness of connection angles and the gage distances of high strength steel connection bar. The moment-rotation angle relationships obtained statically from the finite element analysis are compared with those from Richard's theoretical equation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반복하중을 받는 CFT 기둥-보의 앵글 접합부의 거동 예측과 휨모멘트 내력을 파악하기 위한 국내의 연구는 아직 미흡하며, 설계에 필요한 접합부 상세 개발 및 설계지침 제안 등이 본격적으로 이루어지고 있지 않은 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 앵글 두께 및 강봉의 게이지 거리를 변수로 선택하여 3차원 유한요소 해석을 통하여 반복하중을 받는 CFT 합성골조의 더블 웨브앵글 접합부의 모멘트-회전각 관계 변화를 파악하고 회전강성, 휨모멘트 내력, 응력분포 및 파괴모드를 분석하여 구조적 거동을 알아보고자 한다.
본 연구에서는 다이아프램의 이용을 배제하고 높은 연성 및 시공성을 확보하기 위하여, 강봉과 더블 웨브앵글을 이용한 CFT 기둥-보 접합부에 대한 상세를 제공하였다. 반복하중을 받는 CFT 기둥-보의 앵글 접합부의 거동 예측과 휨모멘트 내력을 파악하기 위한 국내의 연구는 아직 미흡하며, 설계에 필요한 접합부 상세 개발 및 설계지침 제안 등이 본격적으로 이루어지고 있지 않은 실정이다.

가설 설정

접합부 부재들 사이 중에서 콘크리트와 강봉, 앵글과 강봉, 그리고 앵글과 보 사이의 접촉면(Table 3)은 마찰 거동이 고려되어야 하며, 이러한 접촉면 각각에 대한 마찰계수가 Table 2에 제시되어 있다. Table 2에서 CFT 기둥과 앵글 사이의 접촉면은 휨모멘트를 받는 앵글 상부의 들림 현상으로 인한 접촉면의 분리를 허용하도록 모델링이 되었으며, 앵글과 볼트, 보와 볼트 사이의 접촉면은 접촉 후에 부재 상호간의 관입이 발생하지 않는다고 가정하였다.
Table 3에서와 같이 CFT 기둥-보 접합부에 사용되는 앵글의 길이, 볼트와 강봉의 수, 직경 및 피치거리는 일정하다고 가정하였다. 다른 한편으로, 앵글 두께 및 게이지 거리의 변화에 따른 더블 웨브앵글 접합부의 응력 및 변형 등과 같은 구조적 거동에 대한 경향을 파악하기 위하여, 앵글 두께 t_a를 12 mm, 15 mm, 19 mm로 변화시켰으며, 강봉의 게이지거리 g_t는 65 mm와 90 mm로 두 가지 경우를 고려하였다(Table 3 참조).
M_py와 V_py를 Druker 및 Tresca의 항복이론을 적용하면 식 (4)와 같이 정리되며 간단한 정역학을 이용하면 식 (5)와 같이 얻을 수 있다. 식 (5)의 적용에 있어서 앵글의 작용하는 단위길이 당 전단력인 V_py는 비선형으로 변화하나 선형으로 변화하는 것으로 가정하고,V_py는 앵글 상부(y = l_a)에서 최소값 V_pu를, 앵글 하부(y =0)에서 최대값 V₀를 갖는 것으로 정하였다. 접합부의 극한모멘트 식은 (6)과 같다.
기둥-보 접합부의 각 부재에 적용되는 강재의 재료특성 및 CFT 기둥 내부의 콘크리트의 재료특성은 Table 1에 나타나 있다. 여기서 강관과 앵글에 적용되는 HSB600과 H형강에 적용되는 SM490 강재 및 F10T 볼트와 강봉의 응력-변형율관계는 Fig. 4와 같이 bilinear와 완전탄소성으로 가정하였다. 비탄성 범위에 대한 재료적 비선형 해석을 위한 항복기준은 von Mises 항복조건을 사용하였으며, ANSYS에서 von Mises 등가소성응력은 다음 식 (1)과 같이 정의된다.

제안 방법

2의 확대된 웨브앵글, 볼트, 강봉 및 CFT 기둥의 콘크리트의 유한요소모델로부터 응력집중이 발생될 가능성이 있는 부분에 더욱 세밀한 요소망이 형성되어있음을 볼 수 있다. CFT 기둥 양쪽 끝단의 경계조건은 고정으로 하였으며 하중은 H형강 보의 자유 단부에 가해지는 변위제어법을 이용하였다. 변위하중은 Fig.
이 때 CFT 기둥의 높이와 H형강 보의 길이는 각각 3,200mm와 2,150 mm이며, 2개의 웨브앵글 및 8개의 강봉과 8개의 볼트로 연결되어 있다. Fig. 2에서와 같이 범용유한요소해석 소프트웨어인 ANSYS^[11]를 이용하여 접합부의 각 부재(즉, 각형강관, 콘크리트, H형강, 앵글, 강봉, 볼트)에 대한 3차원 유한요소모델링이 이루어졌다. 이러한 모델링 과정에서 강재의 재료 및 기하학적인 비선형을 지원하는 ANSYS의 3차원 요소인 Solid 185와 CFT 기둥의 콘크리트의 재료적 특성을 포함하는 3차원 요소인 Solid 65가 적용되었다.
Table 3에서와 같이 CFT 기둥-보 접합부에 사용되는 앵글의 길이, 볼트와 강봉의 수, 직경 및 피치거리는 일정하다고 가정하였다. 다른 한편으로, 앵글 두께 및 게이지 거리의 변화에 따른 더블 웨브앵글 접합부의 응력 및 변형 등과 같은 구조적 거동에 대한 경향을 파악하기 위하여, 앵글 두께 t_a를 12 mm, 15 mm, 19 mm로 변화시켰으며, 강봉의 게이지거리 g_t는 65 mm와 90 mm로 두 가지 경우를 고려하였다(Table 3 참조).
CFT 기둥 양쪽 끝단의 경계조건은 고정으로 하였으며 하중은 H형강 보의 자유 단부에 가해지는 변위제어법을 이용하였다. 변위하중은 Fig. 3과 같이 AISC 내진설계 매뉴얼^[12]에서 제시한 단조증가 반복하중이력을 이용하였다.
본 연구에서는 반복하중을 받는 CFT 합성골조 더블 웨브앵글 접합부의 앵글 두께 및 강봉의 게이지 거리를 변수로 적용하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 더블 웨브앵글 접합의 휨모멘트 내력, 초기회전강성, 소성회전강성, 소성휨모멘트, 응력분포 및 파괴모드를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
앞 절에서 다루어진 정적하중에 대한 6가지의 CFT 기둥-보 접합부 해석모델(Table 3 참조)의 모멘트-회전각 이력곡선을 얻기 위하여 Fig. 3과 같은 단조증가 반복하중이력을 적용하였다. 반복하중을 받는 더블 웨브앵글 접합부의 파괴모드는 이력곡선의 거동과 과 응력분포의 형상으로부터 결정될 수 있으며, 일반적으로 다음과 같이 2가지 형태로 구분될 수 있다^[16].
본 연구에서는 반복하중을 받는 CFT 합성골조 더블 웨브앵글 접합부의 앵글 두께 및 강봉의 게이지 거리를 변수로 적용하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 더블 웨브앵글 접합의 휨모멘트 내력, 초기회전강성, 소성회전강성, 소성휨모멘트, 응력분포 및 파괴모드를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 작용하중으로 인하여 전단 및 휨모멘트를 동시에 받는 앵글의 항복에 대한 영향을 파악하고 이를 근거로 접합부의 소성휨모멘트를 산정하는 것은 매우 중요하다. 휨모멘트를 받는 더블 웨브앵글 접합부의 실험 및 3차원 비선형 유한요소해석을 통하여 양재근 등^[2]은 Chen 등^[15]이 제시한 소성휨모멘트 해석모델에 대해 소성힌지가 발생하는 위치를 수정하여 제안하였다.

대상 데이터

또한, 직경이 22 mm(M22)인 F10T 볼트 및 강봉을 체결할 때 축방향으로 발생되는 프리텐션을 고려해야 하는데, 본 연구의 유한요소 해석모델에서는 현행 기준(KBS2009)에 제시된 200kN의 프리텐션 값을 주었다. 더블 웨브앵글을 이용한 CFT 기둥-보 접합부는 각형강관, 콘크리트, 앵글, 볼트 등과 같이 다양한 부재와 재료들로 구성되어 있기 때문에, 이러한 부재들 사이의 상호작용은 매우 다양하게 고려되어야 한다.

데이터처리

Fig. 5의 각 유한요소해석모델의 휨모멘트-회전각 관계 곡선은 상용프로그램인 SigmaPlot(version 8.0)으로 식(2)의 Richard 해석모델을 적용하여 회귀분석 하였다. Fig.
본 연구에서 고려된 모든 경우에 대해서 동일한 방법의 회귀분석이 이루어졌으며, 이를 통하여 얻은 초기회전강성, 소성회전강성, 참조모멘트, 곡선형태변수 등의 값을 Table 4에 정리하였다. Table 4에 제시한 값들은 더블 웨브앵글 접합부의 탄성거동 및 소성거동을 파악하는데 매우 중요하다는 것을 주지해야 한다.

이론/모형

4와 같이 bilinear와 완전탄소성으로 가정하였다. 비탄성 범위에 대한 재료적 비선형 해석을 위한 항복기준은 von Mises 항복조건을 사용하였으며, ANSYS에서 von Mises 등가소성응력은 다음 식 (1)과 같이 정의된다.

성능/효과

(1) CFT 합성골조 기둥-보의 더블 웨브앵글 접합부는 앵글의 두께와 강봉의 게이지 거리의 변화에 따라 접합부의 각 부재의 응력분포가 달라지며, 이에 따른 파괴모드 및 변형형상이 달라진다. 앵글의 두께가 커질수록, 또 강봉의 게이지 거리가 작아질수록 초기강성 및 휨모멘트 내력이 증가한다.
(2) 휨모멘트-회전각 이력곡선으로부터 앵글의 두께가 커질수록, 또 강봉의 게이지 거리가 작아질수록 에너지 소산 효과가 증가하는 것을 볼 수 있었다.
(3) 접합부의 최대회전각 0.04 radian에 상응하는 CFT 기둥 내부 콘크리트의 최대압축응력은 약 27 MPa이며, 더블 웨브앵글의 하부 볼트구멍 주위에 응력이 집중되어있는 것으로 나타났다.
12를 비교해 볼 때, 게이지 거리가 65 mm에서 90mm로 증가할 때 앵글 두께에 따른 초기강성 및 에너지 소산 능력의 차가 더 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 Fig. 9와 Fig. 12를 비교해 볼 때 앵글 두께에 따른 핀칭(pinching) 효과도 게이지 거리가 65 mm인 경우에 비해 90 mm일 때 상당히 큰 차이가 있는 것으로 나타났다.

후속연구

15(b)로부터 최대응력이 강봉 구멍 주위에 비교적 균등하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. Table 6에 동적하중에 대한 6가지의 CFT 기둥-보 접합부 해석모델에 대한 초기강성, 최대응력, 최대휨모멘트 및 최대회전각을 요약하였으며, 이러한 것들은 더블 웨브앵글의 반강접을 갖는 CFT 합성골조의 비선형 동적해석에 필요한 기초적 데이터베이스가 될 것이다.
향후, 더블 웨브앵글 접합부를 갖는 여러 가지 구조물의 거동을 알아보고 이해하기 위해서는 파라미터를 더욱 다양하게 적용시킨 해석적 연구와 이를 검증하기 위한 실험적 연구가 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CFT구조란?	CFT(Concrete Filled Steel Tube)구조는 원형 혹은 각형단면의 강관내부에 콘크리트를 충전한 구조로 강관과 충전 콘크리트의 상호 합성작용에 의하여 강성, 내력, 변형성능, 내화, 시공 등의 측면에서 우수한 특성을 발휘하는 구조시스템이다. 특히, 반복하중의 작용에 대해서는 우수한 내진성능을 발휘하고 경제성이 우수하며 범용성이 높아 사용이 증가하고 있는 추세이다.
	CFT 기둥과 보의 접합부에는 쓰이는 것은?	하지만 우리나라에서는 콘크리트 충전성확보 및 품질 검사 어려움, 내진성능을 갖춘 접합부 개발의 부족 및 규격화와 표준접합부상세 제공 부족 등으로 실무에 많이 적용되지 않는다. 일반적으로 CFT 기둥과 보의 접합부에는 접합부의 응력집중이나 변형에 대한 보강을 위하여 다이아프램을 사용하는데, 이러한 경우 용접에 대한 주의가 반드시 필요하게 되며, 또한 내측 또는 관통 다이아프램을 사용할 경우에는 콘크리트의 충전성에 주의해야 한다.
	우리나라에서 CFT구조가 실무에 많이 쓰이지 않는 까닭은?	특히, 반복하중의 작용에 대해서는 우수한 내진성능을 발휘하고 경제성이 우수하며 범용성이 높아 사용이 증가하고 있는 추세이다. 하지만 우리나라에서는 콘크리트 충전성확보 및 품질 검사 어려움, 내진성능을 갖춘 접합부 개발의 부족 및 규격화와 표준접합부상세 제공 부족 등으로 실무에 많이 적용되지 않는다. 일반적으로 CFT 기둥과 보의 접합부에는 접합부의 응력집중이나 변형에 대한 보강을 위하여 다이아프램을 사용하는데, 이러한 경우 용접에 대한 주의가 반드시 필요하게 되며, 또한 내측 또는 관통 다이아프램을 사용할 경우에는 콘크리트의 충전성에 주의해야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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