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[국내논문] 페라이트계 스테인리스강(STS430) 이면전단 볼트접합부의 구조거동에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Structural Behaviors of Double Shear Bolted Connections Fabricated with Ferritic Stainless Steel (STS430) 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.25 no.5 = no.126, 2013년, pp.463 - 474  

김태수 (한밭대학교, 건축공학과) ,  김민성 (형상엔지니어링, 구조설계부)

초록
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일면전단 오스테나이트계 스테인리스강탄소강에 관한 많은 실험 및 해석적 연구가 수행되어졌고, 수정된 내력평가식이 제안되었다. 본 연구에서는 볼트배열(2행 1열, 2행 2열)과 하중방향 연단거리를 주요변수로 하여 이면전단 볼트접합부 실험체가 제작되었고, 단순인장실험이 실시되었다. 고정변수로는 하중직각방향 연단거리, 볼트직경, 피치, 게이지를 설정하였다. 최대내력과 파단형태와 같은 실험결과와 현행기준식에 의한 예측결과와 비교 검토되었다. 볼트배열에 따른 블록전단내력평가식이 제안되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Many experimental and numerical researches for thin-walled carbon steel and austenitic stainless steel single shear bolted connections have been conducted and the modified design equations of ultimate strength were proposed. In this study, the tests of double shear bolted connections with bolt arran...

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  • 5(e) 5(f), ②)이 발생한 것으로 판단된다. 실험 종료시 종국파단형상은 순단면파단이지만, 볼트간의 인장파단에 의해서 실험체의 최대내력이 결정된 것으로 순단면파단 형상의 블록전단파단으로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스테인리스강이 탄소강에 비해 갖는 장점은 무엇인가? 스테인리스강은 탄소강에 비해 우수한 내식성, 내구성, 내화성 등의 특성을 지니고 있어, 국내외에서 건축물의 내·외장재의 비구조재뿐만 아니라 구조부재로써 그 사용량이 증가하고 있는 추세이다. 스테인리스강의 건축물에 있어서 구조부재로써의 역학적 거동에 관한 연구의 시발점은 1950년대에 Johnson and Winter(1966)[1]에 의한 냉간성형(박판) 스테인리스강의 기둥과 보부재의 거동에 대한 연구결과로 볼 수 있다.
본 실험에서 볼트배열(2행 1열, 2행 2열)과 하중방향 연단거리(30~60mm)를 변수로 하여 공칭두께 3.0mm, 페라이트계 스테인리스강 평판으로 제작된 이면전단 볼트접합부에 대한 단순인장실험을 실시한 결과는 어떠한가? (1) 2행 1열의 경우, 하중직각방향 볼트간 인장파단이 발생한 후, 하중방향으로 볼트구멍 외곽선에서 양쪽으로 전단파단되는 전형적인 블록전단파단이 발생하였다. 하중방향 연단거리가 증가함에 따라 내력도 최대 41%까지증가하였다. (2) 2행 2열 볼트배열에서는 종국상태에서 3가지 유형의 파단형태 (전형적인 블록전단파단, 볼트간 인장파단후 동시에 하중방향전단파단과 한쪽의 측단부로 인장파단, 볼트 간 인장파단후 양측단으로 인장파단). 각 종국파단형태는 상이했지만, 모두 볼트간 인장파단에 의해 최대내력이 결정되었다. (3) 블록전단을 포함한 네가지의 파단형태에 따른 내력식을 제안하고 있는 현행기준식 AISC, AIJ, AISI에 의한 예측 최대내력 및 파단형태를 실험결과와 비교한 결과, AISC와 AISI는 전반적으로 접합부의 내력을 과소평가하는 경향을 보였다. AIJ에 의해서는 2행 1열의 경우는 평균 13%정도 내력을 과소평가하였지만, 2행 2열의 볼트접합부는 블록전단내력이 실험과 양호한 대응을 보여주었다. 블록전단파단선 메카니즘은 AIJ와 AISI의 예측결과가 실험결과(순단면 볼트간 인장파단과 전단저항 총단면 파단의 조합)와 잘 일치하는 것으로 나타났다. (4) 현행기준식의 블록전단파단형태와 최대내력의 비교결과, 블록전단파단 내력식으로 2행 2열 접합부의 내력식으로 AIJ식(식 (9))을, 2행 1열 접합부의 경우는 미세스(Mises)항복이론을 적용한 전단파단강도를 산정하여 식 (23)을 추천하였다.
스테인리스강의 건축물에 있어서 구조부재로써의 역학적 거동에 관한 연구의 시발점은 무엇인가? 스테인리스강은 탄소강에 비해 우수한 내식성, 내구성, 내화성 등의 특성을 지니고 있어, 국내외에서 건축물의 내·외장재의 비구조재뿐만 아니라 구조부재로써 그 사용량이 증가하고 있는 추세이다. 스테인리스강의 건축물에 있어서 구조부재로써의 역학적 거동에 관한 연구의 시발점은 1950년대에 Johnson and Winter(1966)[1]에 의한 냉간성형(박판) 스테인리스강의 기둥과 보부재의 거동에 대한 연구결과로 볼 수 있다. AISI(미국철강협회)에서는 1968년 세계최초로 냉간성형 스테인리스강 구조부재의 설계기준을 제정하고[2], 그 이후 많은 연구자들에 의해 미국, 유럽, 일본, 호주 등의 설계기준이 개정·보완되어 현재 사용되고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. Johnson, A.L. and Winter, G. (1966) Behavior of stainless steel columns and beams, Journal Structural Division, ASCE, Vol. 92, No. 10, pp.97-118. 

  2. AISI (1968) Specification for the design of light gage cold-formed stainless steel structural members, AISI. 

  3. 임성우, 장인화(2003) 스테인리스 304 강재의 국부좌굴에 관한 연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제15권, 제1호, pp.51-57. Im, S.W. and Chang, I.H. (2003) A Study on the Local Buckling Strength of Stainless Steel 304, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol. 15, No. 1, pp.51-57 (in Korean). 

  4. 이명재, 김희동(2005) 스테인리스 각형강관기둥의 최대 내력, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제17권, 제1호, pp.73-82. Lee, M.J. and Kim, H.D. (2005) The Maximum Strength of Stainless Steel Rectangular Hollow Section Columns and Beam-Columns, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol. 17, No. 1, pp.73-82 (in Korean). 

  5. Kuwamura, H. and Isozaki, A. (2002) Ultimate Behavior of Fastener Connections of Thin stainless Steel Plates, Journal of Structural and Construction Engineering, Vol. 6, No. 556, pp.159-166. 

  6. Kim, T.S. and Kuwamura, H. (2007) Finite element modeling of bolted connections in Thin-walled stainless steel plates under static shear, Thin-walled Structures, Vol. 45, No. 4, pp.407-421. 

  7. 김민성, 김태수, 김승훈, 이용택(2011) 오스테나이트계 스테인레스강(STS304) 앵글 볼트 접합부의 구조적 거동에 관한 실험적 연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제23권, 제1호, pp.29-39. Kim, M.S., Kim, T.S., Kim, S.H., and Lee, Y.T. (2011) An Experimental Study on Structural Behavior of Bolted Angle Connections with Austenitic Stainless Steel, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol. 23, No.1, pp.29-39. 

  8. 임진성, 김태수, 김승훈, 이용택(2010) 페라이트계 스테인레스강(STS430) 박판 일면전단 볼트접합부의 거동에 관한 실험적 연구, 2010년도 학술대회발표집, 한국강구조학회, pp.219-220. Lim, J.S., KIM, T.S., KIM S.H., and Lee, Y.T. (2010) An Experimental Study on Behavior of Single Shear Bolted Connections with Thin-walled Ferritic Stainless Steel, Proceedings of Annual Conference Korean Society of Steel Construction, KSSC, pp.219-220 (in Korean). 

  9. 김지훈, 이용택, 김승훈, 김태수(2012) 페라이트계 스테인레스강 볼트접합부의 연단거리에 대한 변수 해석, 2012년도 추계학술대회논문집, 대한건축학회, 제32권, 제2호, pp.459-460. KIM, J.H., Lee, Y.T., KIM, S.H., and KIM, T.S. (2012) Parametric Analysis on End/Edge distance of Ferritic stainless Bolted Connections, Proceedings of Annual Conference Architectrural Institute of Korea, AIK, Vol. 32, No. 2, pp.459-460 (in Korean). 

  10. 김민성, 김태수, 김승훈, 이용택(2010) 페라이트계 스테인레스강(STS430) 박판 볼트접합부의 종국거동에 관한 실험적 연구, 2010년도 추계학술대회논문집, 대한건축학회, 제30권, 제1호, pp.141-142. KIM, M.S., KIM, T.S., KIM, S.H., and Lee, Y.T. (2010) An Experimental Study on Ultimate Behavior of Bolted Connections with Thin-walled Ferritic Stainless Steel, Proceedings of Annual Conference Architectrural Institute of Korea, AIK, Vol. 30, No. 1, pp.141-142 (in Korean). 

  11. 대한건축학회(2009) 건축구조기준 및 해설(KBC2009). AIK (2009) Korean Building Code and Commentary, Architecural Institute of Korea (in Korean). 

  12. AISC (2001), Manual of Steel Construction-Load and Resistance Factor Design, 3rd edition, American Institute of Steel Construction. 

  13. AIJ (2002) Recommendations for Limit State Design of Steel Structures, Architectural Institute of Japan. 

  14. AIS (2007) North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members, AISI S100-07, American Iron and Steel Institute. 

  15. ASCE (2002) Specification for the design of coldformed stainless steel structural members. SEI/ASCE-8-02, American Society of Civil Engineers. 

  16. 김태수, 김민성, 정하영, 이용택, 김승훈(2010) 탄소강일면전단과 이면전단 볼트접합부의 종국거동의 비교연구, 대한건축학회구조계논문집, 대한건축학회, 제26권, 제4호, pp.31-38. KIM, T.S., KIM, M.S., Lee, Y.T., and KIM, S.H. (2010) Comparative Study on Ultimate Behavior of Single shear and Double Shear Bolted Connections with Thin-walled Carbon Steel, Journal of Architectrural Institute of Korea, AIK, Vol. 26, No. 4, pp.31-38 (in Korean). 

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