[논문]중앙부 거셋플레이트의 다층 X-형 가새골조 거동에 미치는 영향

유정한

doi:10.7781/kjoss.2013.25.2.179

문제 정의

현재까지 다양한 형태의 가새골조에 대한 연구가 진행되어왔으나, 다층 X형 가새 골조 형태의 경우, 보의 중앙부 거셋 플레이트가 가새골조 시스템의 내진성능에 미치는 영향에 대한 실험적이거나 비탄성 해석적인 연구는 상당히 부족하다. 따라서 본 연구에서는 실제크기 다층 X-형 가새골조의 일부인 2층 중심가새골조를 이용하여 실험적, 해석적 연구를 수행하였다. 이번 연구는 이들 중앙부 거셋플레이트의 내진 거동을 조사하는 새로운 연구가 될 것이다.
이 연구는 중앙부 거셋플레이트를 포함하는 다층 X-형 가새골조의 내진 성능을 파악하기 위한 것으로 중앙부 거셋플레이트의 내진성능에 대한 실험적이거나 해석적인 연구가 상당히 부족한 현 시점에서 다층 X-형 가새시스템이 접합부 설계에 미치는 영향을 파악할 수 있을 것이다.
구조 설계자는 시스템과 접합부 성능을 대략적으로 예측할 수 있는 골조 부재를 포함한 단순화한 모델을 원한다. 이에 저자는 최근 연구에서 접합부 축강성 및 회전강성 평가를 위해 단순화한 디자인 모델을 개발했고 이를 평가했다^[3].

가설 설정

이용해서 디자인했다는 의미이고, St는 중앙부 거셋플레이트의 수직 스티프너를, S는 슬래브를, Ep는 중앙부 거셋플레이트의 에지 플레이트 보강을 의미한다. 여기서, 골조의 항복강도(Fy)는 410MPa, 거셋플레이트의 항복강도(Fy)는 430MPa, 가새의 항복강도(Fy)는 480MPa, 탄성계수(E)는 205GPa로 가정한다.

제안 방법

) 실험체의 거셋플레이트는 타원형 간극 거리를 이용한 모델과 선행된 코너 거셋플레이트 접합부 연구[2]에서 제안된 균형 설계 지침(Balanced Design Procedure)을 이용한 규격을 사용하고 있기 때문에 비교적 얇고(10mm) 조밀하다. 메탈 데크 위에 합성슬래브로 골조를 완성했고 데크는 전단스터드에 의해 1층보와 2층보에 각각 접합되고, 이 데크시스템을 통해 실험골조에 수평하중을 적용하였다.
슬래브가 거셋플레이트의 국부 응력집중과 변형에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 슬래브를 포함한 가새골조 모델의 접합부 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 다양한 변수(거셋플레이트의 두께, 크기, 에지 플레이트 보강 등)를 이용하여 해석적 연구를 수행했다. 두꺼운 거셋플레이트를 사용한 경우 거셋플레이트의 응력집중과 국부변형을 줄이는 장점이 있었지만 가새와 구조시스템의 연성능력을 저하시키는 결과를 가져왔다.
실험 골조는 최근 워싱턴대학에서 연구된^[4] 대각가새를 이용한 단층 중심 가새골조를 기반으로 하여 2층 X-형 가새 골조 구조 또는 중층 구조(mid-story of a mid-rise structure) 의 실제 크기를 시뮬레이션하기 위해 설계되었다. Fig.
실험체의 국부 거동과 전체 거동에 대한 광범위한 수치들을 관찰하였다. Fig.
유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용, 2층 X-형 가새골조와 거셋플레이트 접합부의 비선형 해석연구를 수행했다. X형 가새골조 시스템의 거동을 시뮬레이션하고 효과적인 디자인을 얻기 위해 선행연구로써 본격적인 실험연구와 해석연구 전에 수행되었다.
또한 이 연구에서는 과도한 접합부 강성과 저항력은 인접한 보와 기둥의 현저한 항복을 일으킨다는 사실도 보여준다. 이에 타원형 간극거리 모델을 제안, 얇고 더욱 컴팩트한 거셋플레이트를 유도하여 가새의 연성과 변형 능력을 증가시켰다.

대상 데이터

3, 항복조건은 von-Mises 이론을 적용하였다. 유한요소모델은 Shell181 요소를 모델 전체에 사용했다. Shell181 요소는 재료적 비선형과 기하학적 비선형 해석이 가능하여 소성(plasticity), 고탄성(hyperelasticity), 강성보강(stress stiffening), 크리프(creep), 대변위(large deflection), 대변형률(large strain) 의 특성을 반영한다.
해석은 다층 X형 가새 골조 중 실제 2층 가새골조를 시뮬레이션하였다. 골조의 각 층별 대각 가새의 설계는 워싱턴대학에서 실험되고 시뮬레이션으로 분석된 단층 대각 가새골조의 부재 규격과 치수가 유사하다.

데이터처리

골조의 각 층별 대각 가새의 설계는 워싱턴대학에서 실험되고 시뮬레이션으로 분석된 단층 대각 가새골조의 부재 규격과 치수가 유사하다. 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS[8]를 사용하여 3차원 모델링을 수행하였고, 실험치와 비교 분석하였다. 인장시험 결과를 바탕으로 비선형 모델인 multi-linear kinematic hardening 모델을 사용했고, 좌굴을 시뮬레이션하기 위해 대변위 해석 (large deflection analysis)을 수행했다.

이론/모형

여기서 프와송비(ν)는 0.3, 항복조건은 von-Mises 이론을 적용하였다.
6은 하중이력을 나타내며 해석을 위해 변위제어를 택했다. 이 변위제어 하중 계획은 ATC-24와 SAC의 지침을 따랐다.
유한요소 해석 프로그램인 ANSYS[8]를 사용하여 3차원 모델링을 수행하였고, 실험치와 비교 분석하였다. 인장시험 결과를 바탕으로 비선형 모델인 multi-linear kinematic hardening 모델을 사용했고, 좌굴을 시뮬레이션하기 위해 대변위 해석 (large deflection analysis)을 수행했다. 여기서 프와송비(ν)는 0.

성능/효과

(1) 선행해석연구를 통해 X-형 가새골조 시스템의 거동을 시뮬레이션하고 효과적인 디자인을 얻을 수 있었다. 이 선행연구 결과는 중앙부(X 교차부) 거셋플레이트와 코너부 거셋플레이트의 거동이 상당히 다르다는 것을 보여준다.
(2) 선행해석에 의해 결정된 실험체는 ±2.0% 이상의 변위 폭에 도달하며 내진성능이 우수한 것으로 나타났다.
(3) 전체적인 비교 결과로써 해석모델이 실험결과를 비교적 정확히 예측했다. 초기강성은 실험치와 해석치가 정확히 일치하였고 하중-변위 관계와 면외변위 결과의 비교도가새의 좌굴이 증가함에 따라 다소 차이는 발생했지만, 실험결과와 해석결과가 유사하게 나타났다.
15와 16에 나타냈다. ANSYS로 모델링한 해석모델은 실험결과를 상당히 비슷한 결과를 얻었고 골조의 변위 능력도 잘 시뮬레이션했다고 할 수 있다. 인장측과 압축측의 밑면전단력에 대한 실험결과와 해석결과의 차이는 약 8%정도로 해석모델이 비교적 정확하게 실험결과를 시뮬레이션했다고 볼 수 있다.
이 연구는 코너 거셋플레이트를 포함한 가새에 관한 것으로 거셋플레이트 접합부는 가새의 최대성능을 발현하기 위해 충분한 강도와 강성을 가지고 디자인해야 하지만 지나치게 부과된 접합부 강성과 저항력은 가새의 비탄성 변형 능력과 연성 능력에 부정적인 영향을 미친다는 사실을 보여준다. 또한 이 연구에서는 과도한 접합부 강성과 저항력은 인접한 보와 기둥의 현저한 항복을 일으킨다는 사실도 보여준다. 이에 타원형 간극거리 모델을 제안, 얇고 더욱 컴팩트한 거셋플레이트를 유도하여 가새의 연성과 변형 능력을 증가시켰다.
0% 이상의 변위 폭에 도달하며 내진성능이 우수한 것으로 나타났다. 실험결과 코너부 및 중앙부에 적용한 개선된 거셋플레이트 디자인은 응력집중이 가새에만 집중되지 않고 응력분산을 시킴으로써 시스템 전체적으로 거동을 향상시켰다. 실험에서 얻은 이력곡선은 가새의 좌굴에 의한 효과적인 에너지 소산능력을 보여준다.
실험결과 코너부 및 중앙부에 적용한 개선된 거셋플레이트 디자인은 응력집중이 가새에만 집중되지 않고 응력분산을 시킴으로써 시스템 전체적으로 거동을 향상시켰다. 실험에서 얻은 이력곡선은 가새의 좌굴에 의한 효과적인 에너지 소산능력을 보여준다.
실험체는 예상했던 가새좌굴 거동을 보여줬고 ±2.0% 이상의 변위폭도 도달했다.
이 연구에서 거셋플레이트가 적절히 디자인되면 HSS 튜브를 포함한 골조 성능을 높인다는 결과를 얻었다. 이 연구는 코너 거셋플레이트를 포함한 가새에 관한 것으로 거셋플레이트 접합부는 가새의 최대성능을 발현하기 위해 충분한 강도와 강성을 가지고 디자인해야 하지만 지나치게 부과된 접합부 강성과 저항력은 가새의 비탄성 변형 능력과 연성 능력에 부정적인 영향을 미친다는 사실을 보여준다. 또한 이 연구에서는 과도한 접합부 강성과 저항력은 인접한 보와 기둥의 현저한 항복을 일으킨다는 사실도 보여준다.
. 이 연구에서 거셋플레이트가 적절히 디자인되면 HSS 튜브를 포함한 골조 성능을 높인다는 결과를 얻었다. 이 연구는 코너 거셋플레이트를 포함한 가새에 관한 것으로 거셋플레이트 접합부는 가새의 최대성능을 발현하기 위해 충분한 강도와 강성을 가지고 디자인해야 하지만 지나치게 부과된 접합부 강성과 저항력은 가새의 비탄성 변형 능력과 연성 능력에 부정적인 영향을 미친다는 사실을 보여준다.
ANSYS로 모델링한 해석모델은 실험결과를 상당히 비슷한 결과를 얻었고 골조의 변위 능력도 잘 시뮬레이션했다고 할 수 있다. 인장측과 압축측의 밑면전단력에 대한 실험결과와 해석결과의 차이는 약 8%정도로 해석모델이 비교적 정확하게 실험결과를 시뮬레이션했다고 볼 수 있다. 하지만 가새의 좌굴이 증가함에 따라 Fig.
해석결과는 비탄성변형에 대한 요구가 2층부 보다는 1층부에 좀 더 집중되는 결과를 보인 반면 실험의 경우, 두개층 모두 비슷한 변위를 나타냈고 가새, 거셋플레이트, 골조 부재에서 두 개층에 걸쳐 비슷한 비탄성 변형을 나타냈다. 즉, 면외변위 결과를 비교해 보면, 해석결과는 2층부보다는 1층부에 비탄성변형에 대한 요구가 컸기 때문에 가새의 좌굴이 증가함에 따라 실험결과보다 크게 나타났다. 향후, 본 연구의 결과를 바탕으로 더욱 다양한 변수를 고려한 X-형 가새골조의 분석이 가능해졌다.
(3) 전체적인 비교 결과로써 해석모델이 실험결과를 비교적 정확히 예측했다. 초기강성은 실험치와 해석치가 정확히 일치하였고 하중-변위 관계와 면외변위 결과의 비교도가새의 좌굴이 증가함에 따라 다소 차이는 발생했지만, 실험결과와 해석결과가 유사하게 나타났다. 이로써 본 연구의 결과를 바탕으로 더욱 다양한 변수를 고려한 X형 가새골조의 분석이 가능해졌다.
2(a)의 경우, 중앙부 거셋플레이트는 코너부 거셋플레이트에 적용한 타원형 간극거리 (Elliptical Clearance) 설계법을^[4] 이용해서 디자인 했고 슬래브를 포함하지 않으며 스티프너에 의한 보강도 없는 모델이다. 해석 결과, 중앙부 거셋플레이트는 동일한 방법으로 디자인한 코너부 거셋플레이트에 비해 훨씬 심각한 변형과 높은 국부 응력을 받는 것으로 나타났다. Fig.
해석결과 바닥슬래브의 영향과 보와 접합부의 비틀림 때문에 중앙부 거셋플레이트가 코너 거셋플레이트보다 취약하다는 것을 알 수 있었다. 이런 사실은 거셋플레이트와 보와의 용접부의 조기파단을 피하기 위해서 이 거셋플레이트의 강도와 강성 증가의 필요성을 제시한다.
16에서 보듯 가새의 면외변위의 비교 의 경우, 상당히 흡사하다가 가새의 좌굴이 증가하면서 차이가 생김을 알 수 있다. 해석결과는 비탄성변형에 대한 요구가 2층부 보다는 1층부에 좀 더 집중되는 결과를 보인 반면 실험의 경우, 두개층 모두 비슷한 변위를 나타냈고 가새, 거셋플레이트, 골조 부재에서 두 개층에 걸쳐 비슷한 비탄성 변형을 나타냈다. 즉, 면외변위 결과를 비교해 보면, 해석결과는 2층부보다는 1층부에 비탄성변형에 대한 요구가 컸기 때문에 가새의 좌굴이 증가함에 따라 실험결과보다 크게 나타났다.

후속연구

향후, 본 연구의 결과를 바탕으로 더욱 다양한 변수를 고려한 X-형 가새골조의 분석이 가능해졌다. 또한 이런 큰 스케일의 구조체의 거동과 결과를 좀 더 자세히 시뮬레이션하기 위해 추가 해석이 요구된다고 하겠다.
따라서 본 연구에서는 실제크기 다층 X-형 가새골조의 일부인 2층 중심가새골조를 이용하여 실험적, 해석적 연구를 수행하였다. 이번 연구는 이들 중앙부 거셋플레이트의 내진 거동을 조사하는 새로운 연구가 될 것이다.
즉, 면외변위 결과를 비교해 보면, 해석결과는 2층부보다는 1층부에 비탄성변형에 대한 요구가 컸기 때문에 가새의 좌굴이 증가함에 따라 실험결과보다 크게 나타났다. 향후, 본 연구의 결과를 바탕으로 더욱 다양한 변수를 고려한 X-형 가새골조의 분석이 가능해졌다. 또한 이런 큰 스케일의 구조체의 거동과 결과를 좀 더 자세히 시뮬레이션하기 위해 추가 해석이 요구된다고 하겠다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가새골조란?	가새골조는 가장 경제적이고 효과적인 횡저항 시스템 중 하나로 지진 다발지역에서 자주 사용된다. 가새 골조의 비탄성 휨반응은 가새의 좌굴 후 거동에 의해 지배되고 이에 상응하는 디자인 규정은 가새에 초점이 맞추어져 있다[1].
	잘못 디자인된 거셋플레이트는 무엇을 초래할 수 있는가?	그러나 가새 시스템의 거동은 가새 뿐만 아니라 거셋플레이트, 골조 부재 모두에 달려있다. 잘못 디자인된 거셋플레이트는 가새 골조의 강도와 강성에서 상당한 손실을 초래할 수 있다. 골조 성능을 개선하기 위해, 거셋플레이트의 강도, 강성, 연성 등은 가새골조 디자인에서 반드시 고려해야 한다.
	Roeder 등의 거셋플레이트에 대한 현 디자인 모델들을 검토 및 평가 연구에서의 한계는?	Roeder 등은 과거 실험결과를 이용, 거셋플레이트에 대한 현 디자인 모델들을 검토 및 평가하였다[2]. 그러나 이들 디자인 모델들은 거셋플레이트의 좌굴에 대한 예측을 강조할 뿐 아직 적절한 거셋플레이트 디자인의 가이드라인을 주기 어렵다. 게다가 거셋플레이트의 실제 거동은 매우 비선형적이고 복잡하다. 구조 설계자는 시스템과 접합부 성능을 대략적으로 예측할 수 있는 골조 부재를 포함한 단순화한 모델을 원한다.

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