[논문]국부좌굴을 고려한 건축구조용 고성능강(HSA800) 조립각형강관 압축재의 적용성 평가

유정한; 김주우; 양재근; 강주원; 이동우

doi:10.7781/kjoss.2013.25.3.223

국부좌굴을 고려한 건축구조용 고성능강(HSA800) 조립각형강관 압축재의 적용성 평가
Evaluation on Applicability of Built-up Square Tubular Compression Members Fabricated with HSA800 High Performance Steel Considering Local Buckling 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.25 no.3 = no.124, 2013년, pp.223 - 231

유정한 (서울과학기술대학교, 건축학부) , 김주우 (세명대학교, 건축공학과) , 양재근 (인하대학교, 건축공학과) , 강주원 (영남대학교, 건축학부) , 이동우 (아이스트)

초록
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최근 구조물의 고층화, 대형화 및 장스팬 활용 등의 요구로 고강도 고성능 재료의 건축물과 교량에의 적용이 증가하는 추세이다. 본 논문은 고성능강(HSA800)의 건축구조용 재료 특성과 고성능강재를 사용한 부재의 설계 기준을 위한 기본적인 연구의 일부이다. 조립각형강관 기둥의 국부좌굴 거동과 현행 폭두께비 설계 제한치를 검토하기 위하여 다양한 폭두께비 변수를 계획하고, 단축압축실험을 실시하였다. 또한, 유한요소결과로 얻어낸 단주의 국부좌굴거동을 실험결과와 비교하였으며 검증된 해석모델을 이용하여 변수연구를 수행하였고 현행 설계기준의 적용성에 대해 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, high-performance steels have been increasingly used for structural materials in buildings and bridges with the demand for high-rise and long-span of main structures. This paper offers a series of basic study for the design specification of structural members using high performance steel, that is material properties of HSA800 (High-performance rolled steel for building structures). Built-up square tube stub columns with variables of width-to-thickness ratios are planned as a parametric study in order to investigate the local buckling behaviors and check the current design limit of width-to-thickness ratio. In addition, the buckling behaviors of stub columns obtained finite element (FE) analysis were compared with those from experimental tests. The verified FE model was used for parametric study and checked applicability of high-strength steel on current design specification.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(4) 본 논문에서는 세장단면의 경우에 대한 초기결함의 민감도를 해석측면에서 조사하였다. 이를 뒷받침할 실험측면에서의 검증할 필요가 있다.
고강도강재와 일반강재는 응력-변형률 관계가 서로 상당히 다르므로 비탄성국부좌굴 거동이 서로 상이할 수 있다^[5],[6]. 그러므로 일반강재의 응력-변형률 곡선에 기초를 하고 있는 현행 설계기준의 판요소의 국부좌굴 강도식을 고강도강재에 그대로 적용할 수 있는지의 여부를 평가하고자 한다.
5배로 계획하여 변수연구를 수행하였다. 또한 초기결함(Initial Imperfection, I.I.)에 따른 좌굴거동의 민감도를 조사하기 위한 연구도 수행하였다. 실험체명과 동일한 방법으로, 변수연구의 모델 명칭을 정하였다.
본 연구는 고성능강(HSA800) 조립각형강관 기둥의 폭두께비(b/t)와 국부좌굴의 관계를 알아보기 위한 연구로, 특히 세장한 단면의 경우에 대해 FE Model을 이용하여 변수연구가 수행하였다. 또한 초기결함에 따른 좌굴거동의 민감도도 조사하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 현행 강구조설계기준에서 고강도강재를 이용한 판요소에 대한 압축재로서의 적용성을 판단하는 것을 목적으로 한다. 고강도강재와 일반강재는 응력-변형률 관계가 서로 상당히 다르므로 비탄성국부좌굴 거동이 서로 상이할 수 있다^[5],[6].

제안 방법

(2) 실험결과와 해석결과의 비교에 의해 검증된 모델을 이용하여 변수연구 수행하였다. 변수연구 결과, 조립각형강관 모델의 폭두께비가 증가함에 최대내력에 도달한 후 국부좌굴에 의해 내력이 급격하게 저하됨을 알 수 있었다.
그 결과, 일부 실험체는 가력장치의 최대가력용량을 초과하여 종국상태(국부좌굴)에 도달되지 못하는 경우가 발생했지만, 모든 실험체는 현행설계기준의 요구강도를 만족하는 것으로 나타났다^[5],[13]. HSA800 고강도강재 부재의 성능에 대한 또 다른 연구로 유정한 등^[14]과 김태수 등[15]에 의해 HSA800 고성능강 소재의 단순인장시험을 통해 기계적 성질을 확인하고 조립H형강과 조립각형강관 압축재의 중심압축실험을 실시하였고, 유한요소해석을 통한 결과값과 비교하였다. 예상한대로 모든 실험체는 현행설계기준의 요구강도를 만족 하는 것으로 나타났으며 이러한 실험결과를 비교적 정확히 예측하는 유한요소모델을 제시하였다.
HSA800의 조립각형강관 단주 중심압축 실험은 RIST 강구조 연구소의 실험실에 설치되어 있는 10,000kN(약 1,000tf) UTM을 사용하여 실시하였다. 조립각형강관 단주 중심압축 실험결과 얻어진 실험최대압축하중(최대내력, P_eMax), 실험 최대평균응력(σ_eMax) 및 파단양상은 Table 2에 정리하였고, 폭두께비에 따른 축하중(P)-축변위(δ) 관계곡선과 평균응력(σ_e)-변형도(ε_e) 관계곡선은 Fig.
유한요소모델은 3-D solid 구조에 적절한 solid 185 요소를 모델 전체에 사용했다. Solid 185 요소는 각 노드에 3개의 자유도를 가지는 8 노드로 구성되어 있고, 재료적 비선형과 기하학적 비선형 해석이 가능하여 소성(plasticity), 고탄성(hyperelasticity), 강성보강(stress stiffening), 크리프(creep), 대변위(large deflection), 대변형률(large strain) 의 특성을 반영한다. ANSYS에서의 solid 185 요소를 사용한 기둥의 해석모델은 Fig.
[11],[12] 최근에 이철호 등^[13]에 의해 HSA800 고강도강재의 단주 압축실험과 편심압축실험을 통해 얻어진 내력을 현행 강구조설계기준^[2],[3]의 설계강도와 비교를 하였고, 잔류응력이 항복강도에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과, 일부 실험체는 가력장치의 최대가력용량을 초과하여 종국상태(국부좌굴)에 도달되지 못하는 경우가 발생했지만, 모든 실험체는 현행설계기준의 요구강도를 만족하는 것으로 나타났다^[5],[13].
건축구조물에 고강도강의 적용에 대한 요구 증대로 SM570 및 SM570TMC 강재로 용접 제작된 박스형 및 H형 단주 중심압축 실험을 실시하여 폭두께비와 세장변수가 압축 좌굴내력에 미치는 영향을 평가하였고, 현행 설계기준의 만족 여부를 조사하였다.^[11],[12] 최근에 이철호 등^[13]에 의해 HSA800 고강도강재의 단주 압축실험과 편심압축실험을 통해 얻어진 내력을 현행 강구조설계기준^[2],[3]의 설계강도와 비교를 하였고, 잔류응력이 항복강도에 미치는 영향을 검토하였다.
본 연구의 경우, 초기결함의 민감도를 조사하기 위해 판의 세장비가 한계세장비 이상(λ > λr)의 변수에 대해서 초기결함(I.I.)의 크기를 달리하여 그 차이를 조사하였다.
메쉬 사이즈는 해석의 정확도와 수렴을 위해 비교적 조밀한 크기(10mm x 10mm)로 결정했다. 선형 고유치 해석을 통해 얻은 첫 번째 변형된 좌굴 형상을 업데이트시켜 초기 결함 (Initial Imperfection, I.I.) 을 지닌 모델로 만들어 비선형 좌굴 해석을 수행하였다.
압축재를 구성하는 판재의 폭두께비에 따른 국부좌굴 내력을 평가하고, 현행설계기준식의 적용여부를 평가하기 위해 고성능강 HSA800 강종으로 용접제작된 조립각형강관 단주에 대해 중심압축실험을 실시했다. 조립각형강관 단주실험체는 플레이트의 폭두께비(b/t)를 8, 13, 18, 23, 28로 설정하여 실험체를 결정하였다(Table 1 참조).
HSA800 고강도강재 부재의 성능에 대한 또 다른 연구로 유정한 등^[14]과 김태수 등[15]에 의해 HSA800 고성능강 소재의 단순인장시험을 통해 기계적 성질을 확인하고 조립H형강과 조립각형강관 압축재의 중심압축실험을 실시하였고, 유한요소해석을 통한 결과값과 비교하였다. 예상한대로 모든 실험체는 현행설계기준의 요구강도를 만족 하는 것으로 나타났으며 이러한 실험결과를 비교적 정확히 예측하는 유한요소모델을 제시하였다.
압축재를 구성하는 판재의 폭두께비에 따른 국부좌굴 내력을 평가하고, 현행설계기준식의 적용여부를 평가하기 위해 고성능강 HSA800 강종으로 용접제작된 조립각형강관 단주에 대해 중심압축실험을 실시했다. 조립각형강관 단주실험체는 플레이트의 폭두께비(b/t)를 8, 13, 18, 23, 28로 설정하여 실험체를 결정하였다(Table 1 참조).
3(b)에 나타냈다. 플레이트의 폭두께비(b/t)를 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38, 43(Table 4 참조)으로 설정하였고, 모델의 길이(L)는 비탄성좌굴을 유도하기 위한 단주실험체 제작을 위해 단면 최대폭(B) 또는 높이(H)의 3.5배로 계획하여 변수연구를 수행하였다. 또한 초기결함(Initial Imperfection, I.
해석결과로 얻어진 평균응력(F_cr)을 인장시편 실험에서 얻어진 항복강도(F_y)로 무차원화(F_cr/F_y)하여 현행설계기준^[2],[3]의 요구강도(Fig. 7에서 실선)와 비교하였다.

대상 데이터

3, 항복조건은 von-Mises 이론을 적용하였다. 유한요소모델은 3-D solid 구조에 적절한 solid 185 요소를 모델 전체에 사용했다. Solid 185 요소는 각 노드에 3개의 자유도를 가지는 8 노드로 구성되어 있고, 재료적 비선형과 기하학적 비선형 해석이 가능하여 소성(plasticity), 고탄성(hyperelasticity), 강성보강(stress stiffening), 크리프(creep), 대변위(large deflection), 대변형률(large strain) 의 특성을 반영한다.

데이터처리

실험결과와 해석결과의 전체적인 비교(global level comparisons)로써 폭두께비에 따른 축하중-축변위 관계곡선과 평균응력-변형도 관계곡선을 Fig. 2에 나타냈고, 각각의 좌굴 하중의 실험결과와 해석결과를 Table 3에서 비교하였다.
유한요소 해석 프로그램인 ANSYS^[16]를 사용하여 3차원 모델링을 수행하였고, 비선형 좌굴해석을 통해 세장비와 폭두께비가 조립각형강관 기둥의 국부좌굴거동에 미치는 영향을 분석하고 실험치값과 비교 분석하였다. HSA800 강재의 응력-변형율 관계는 재료 인장시험 결과를 바탕으로 비선형 모델인 multi-linear kinematic hardening 모델을 사용했고, 국부좌굴을 시뮬레이션하기 위해 대변위 해석 (large deflection analysis)을 수행했다.

이론/모형

를 사용하여 3차원 모델링을 수행하였고, 비선형 좌굴해석을 통해 세장비와 폭두께비가 조립각형강관 기둥의 국부좌굴거동에 미치는 영향을 분석하고 실험치값과 비교 분석하였다. HSA800 강재의 응력-변형율 관계는 재료 인장시험 결과를 바탕으로 비선형 모델인 multi-linear kinematic hardening 모델을 사용했고, 국부좌굴을 시뮬레이션하기 위해 대변위 해석 (large deflection analysis)을 수행했다. 여기서 프와송비(ν)는 0.
여기서 프와송비(ν)는 0.3, 항복조건은 von-Mises 이론을 적용하였다.
33배로 계획하였다. 용접은 고성능강에 적합한 용접방법인 불활성가스 금속아크용접인 GMAW를 적용하며 불활성가스로서 Ar(알곤)가스를 사용하였고 용접봉은 스웨덴산 OK AristoRod 13.3로 하였다. 전형적인 단주 실험체의 설치상황을 Fig.
해석모델로부터 얻어진 결과는 실험결과와의 비교, 해석모델의 검증, 그리고 검증된 모델을 이용하여 변수연구 수행에 사용된다. 3장의 실험결과는 조립각형강관의 폭두께비(b/t)가 28 경우를 제외한 모든 실험체가 비조밀단면에 해당하므로 세장단면의 경우에 대해 변수연구가 필요하다.

성능/효과

(1) 초기강성은 실험값과 해석값이 정확히 일치하였고 축하중-축변위 관계 및 응력-변형도 곡선 양상 또한 실험결과와 해석결과가 상당히 유사했다. 전체적인 비교 결과로써 좌굴하중의 평균오차가 약 2.
(3) 초기결함에 따른 좌굴거동의 민감성에 대한 연구 결과, 좌굴하중은 초기결함의 정도에 매우 민감하게 반응함을 알 수 있었고 특히 증폭계수를 감소시켰을 때 최대하중은 증가함을 알 수 있었다. 초기결함의 증폭계수를 달리한 경우를 비교해 보면, 초기결함의 증폭계수를 큰 값을 사용한 경우(I.
Fig. 5와 Table 4에서 보듯이, 폭두께비가 증가함에 따라 평균응력-변형도 관계곡선으로 부터 모델의 최대평균응력의 일부는 재료의 항복강도(760.95MPa)를 상회하는 것을 알 수 있으며(초기결함을 크게한 경우, 폭두께비가 8, 13, 18인 모델과 초기결함을 작게한 경우, 폭두께비가 8, 13, 18, 23, 28인 모델), 일부는 재료의 항복강도(760.95MPa)보다 낮은 값에서 최대평균응력이 결정되는 것을 알 수 있다(초기결함을 크게한 경우, 폭두께비가 23, 28, 33, 38, 43인 모델과 초기결함을 작게한 경우, 폭두께비가 33, 38, 43인 모델). 또한 초기결함이 큰 경우는, 현행설계기준의 요구강도 값을 상회하는 결과(# 최대 17%)를 보여주었고, 초기결함이 작은 경우엔 현행설계기준의 요구강도 값을 크게 상회하는 결과(#, 최대 45%)를 보여주었다(Table 4 참조).
7 그리고 Table 4에서 보듯이, 초기결함의 증폭계수에 따른 최대압축하중의 비를 비교해 보면, 폭두께비가 증가함에 따른 최대내력의 차이가 점점 커지는 것(3% → 28%)을 알 수 있다. 또한 초기결함의 증폭계수를 큰 값을 사용한 경우(I.I.=1.0), 현행설계기준의 요구강도에 근접한 결과를 얻었고, 초기결함의 증폭계수를 감소시켰을 경우(I.I.=0.001), 현행설계기준의 요구강도에 크게 상회하는 결과를 얻었다. 특히 이 현상은 폭두께비가 커질수록 더욱 두드러졌다.
95MPa)보다 낮은 값에서 최대평균응력이 결정되는 것을 알 수 있다(초기결함을 크게한 경우, 폭두께비가 23, 28, 33, 38, 43인 모델과 초기결함을 작게한 경우, 폭두께비가 33, 38, 43인 모델). 또한 초기결함이 큰 경우는, 현행설계기준의 요구강도 값을 상회하는 결과(# 최대 17%)를 보여주었고, 초기결함이 작은 경우엔 현행설계기준의 요구강도 값을 크게 상회하는 결과(#, 최대 45%)를 보여주었다(Table 4 참조).
(2) 실험결과와 해석결과의 비교에 의해 검증된 모델을 이용하여 변수연구 수행하였다. 변수연구 결과, 조립각형강관 모델의 폭두께비가 증가함에 최대내력에 도달한 후 국부좌굴에 의해 내력이 급격하게 저하됨을 알 수 있었다. 반면에 최대압축하중을 단면적으로 나눈 최대 평균 응력은 폭두께비가 증가함에 따라 감소하였다.
실험체의 재료시험결과에서 얻어진 HSA800의 항복강도 760.95MPa와 탄성계수 196.21GPa를 근거로 하여, 조립 각형강관 실험체의 폭두께비가 7.91∼17.82의 범위에 대해서는 비조밀단면이며, 폭두께비가 22.78과 27.74인 실험체가 세장단면으로 분류되었다.
(1) 초기강성은 실험값과 해석값이 정확히 일치하였고 축하중-축변위 관계 및 응력-변형도 곡선 양상 또한 실험결과와 해석결과가 상당히 유사했다. 전체적인 비교 결과로써 좌굴하중의 평균오차가 약 2.3%로 해석모델이 실험결과를 비교적 정확히 예측했다. 국부적인 비교 결과로써 응력 집중과 함께 국부 좌굴 형상도 실험결과와 해석결과가 유사하게 나타났다.
이는 폭두께비가 작을수록 판의 국부좌굴 발생 전에 외부하중에 대해 전단면이 충분히 저항하여 단면의 대부분이 재료의 항복강도 이상까지 저항한다는 것을 나타낸다. 현행설계기준의 요구강도와 비교한 결과, 모든 모델에서 요구강도를 상회하는 결과(#, 초기결함이 큰 경우와 작은 경우 각각 평균 6%, 25%)를 보여주었다.(Table 4 참조)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강재의 단점은?	고강도(고성능) 강재를 건축물에 적용함으로써 구조부재의 콤팩트화, 부재크기의 축소, 건축물의 자중감소 등의 구조적인 장점과 더불어 부재크기 감소에 의한 자재의 비용절감, 운송, 양중 및 유효 공간 확보 등의 여러 측면에서 다양한 이점이 있다고 판단된다. 하지만 강재는 특성상 강도가 높아지면 항복점이 명확하지 않고, 항복비가 상승하여 연신율과 인성이 감소되기 때문에 강도의 증가와 함께 연신율 및 인성을 높여서 항복비를 낮추어야 하는 과제를 안고 있다[1].
	고성능강재의 개발이 활발히 진행되고 있는 이유는?	건축물의 초고층화, 대형화 및 장스팬화에 따라 구조재료의 성능 증대에 대한 요구가 증가되고 있고, 이에 따라 고성능 재료의 건축물과 교량에의 적용이 시도되고 있다. 이런 사회적 요구에 발맞추어 고성능강재의 개발이 활발히 진행되고 있다. 고강도(고성능) 강재를 건축물에 적용함으로써 구조부재의 콤팩트화, 부재크기의 축소, 건축물의 자중감소 등의 구조적인 장점과 더불어 부재크기 감소에 의한 자재의 비용절감, 운송, 양중 및 유효 공간 확보 등의 여러 측면에서 다양한 이점이 있다고 판단된다.
	고성능강재의 장점은?	이런 사회적 요구에 발맞추어 고성능강재의 개발이 활발히 진행되고 있다. 고강도(고성능) 강재를 건축물에 적용함으로써 구조부재의 콤팩트화, 부재크기의 축소, 건축물의 자중감소 등의 구조적인 장점과 더불어 부재크기 감소에 의한 자재의 비용절감, 운송, 양중 및 유효 공간 확보 등의 여러 측면에서 다양한 이점이 있다고 판단된다. 하지만 강재는 특성상 강도가 높아지면 항복점이 명확하지 않고, 항복비가 상승하여 연신율과 인성이 감소되기 때문에 강도의 증가와 함께 연신율 및 인성을 높여서 항복비를 낮추어야 하는 과제를 안고 있다[1].

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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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