[논문]CFT 합성골조의 내진성능을 위한 스마트 반강접합의 이력거동

김주우

doi:10.7781/kjoss.2015.27.1.099

CFT 합성골조의 내진성능을 위한 스마트 반강접합의 이력거동
Hysteresis Behavior of Partially Restrained Smart Connections for the Seismic Performance of Composite Frame 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.27 no.1, 2015년, pp.99 - 108

초록
AI-Helper

상하부 스플릿 T 접합부를 이용한 스마트 CFT 기둥-보 접합부는 긴결재의 직경과 체결력, 스플릿 T 형강의 기하학적 형상, 재료적 물성 특성 등의 변화에 의하여 상이한 거동특성을 나타낸다. 본 논문은 반복하중을 받는 상 하부 스플릿 T 접합부의 구조적 거동에 대해 체계적으로 수행된 3차원 비선형 유한요소 해석으로부터 얻은 결과를 제시하고 있다. 이러한 상 하부 스플릿 T 접합부는 CFT 합성골조의 변위복원 및 충분한 에너지 소산 능력을 확보하기 위하여 초탄성 성질을 갖는 형상기억합금(SMA)과 강으로 제작된 봉과 T-stub가 적용된다. 부가적인 다양한 구조적 거동은 T-stub의 두께 및 게이지 거리로 상 하부 스플릿 T 접합부의 파라미터에 대한 영향을 설명하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The partially restrained smart CFT (concrete filled tube) column-to-beam connections with top-seat split T connections show various behavior characteristics according to the changes in the diameter and tightening force of the fastener, the geometric shape of T-stub, and material properties. This paper presents results from a systematic three-dimensional nonlinear finite element study on the structural behavior of the top-seat split T connections subjected to cyclic loadings. This connection includes super-elastic shape memory alloy (SMA) T-stub and rods to obtain the re-centering capabilities as well as great energy dissipation properties of the CFT composite frame. A wide scope of additional structural behaviors explain the influences of the top-seat split T connections parameters, such as the different thickness and gage distances of split T-stub.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 우수성 때문에 지진지역에서 내진 건축물을 설계 및 시공하는데 최근 많이 채택되고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 잔류변형을 최소화시키기 위하여 상･하부 스플릿 T 접합부에 SMA를 적용하고자 한다.
그러나 SMA를 이용한 CFT 기둥-보의 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. 본 연구에서는 3차원 비선형 유한요소 해석을 통하여 SMA를 이용한 CFT 합성골조의 상･하부 스플릿 T 접합부의 응력분포와 파괴모드를 분석함과 더불어 모멘트-회전각 관계에 근거하여 휨모멘트 내력, 에너지소산 및 복원 능력 등의 구조적 거동을 알아보고자 한다.
본 연구에서는 다이아프램의 이용을 배제하고 높은 연성 및 시공성의 확보 외에 에너지소산과 복원 능력을 확보하기 위하여, 전형적인 상･하부 스플릿 T 접합 형태에 SMA를 적용한 CFT 기둥-보 접합부에 대한 상세를 제공하였다. 최근에는 양재근 등^[10]이 SMA 강봉으로 체결된 T-stub가 축방향 인장력을 받는 경우에 에너지소산 능력을 파악하였다.

가설 설정

접합부 부재들 사이 중에서 콘크리트와 강봉, 스플릿 T 형강과 강봉, 그리고 스플릿 T 형강과 보 사이의 접촉면은 마찰 거동이 고려되어야 하며, 이러한 접촉면 각각에 대한 마찰계수가 Table 2에 제시되어 있다. Table 2에서 CFT 기둥과 상부 스플릿 T 형강 사이의 접촉면은 휨모멘트를 받는 다리의 들림 현상으로 인한 접촉면의 분리를 허용하도록 모델링이 되었으며, 스플릿 T 형강과 볼트, 보와 볼트 사이의 접촉면은 접촉 후에 부재 상호간의 관입이 발생하지 않는다고 가정하였다.
Table 3에서와 같이 CFT 기둥-보 접합부에 사용되는 볼트와 강봉의 수는 일정하다고 가정하였다. 다른 한편으로, 스플릿 T-stub의 플랜지 두께 및 강봉 게이지 거리의 변화에 따른 스플릿 T 접합부의 에너지소산능력과 응력 및 변형 등의 구조적 거동을 파악하기 위하여, 스플릿 T-stub의 플랜지 두께 t_f를 14 mm와 15 mm로 변화시켰으며, 강봉 게이지 거리 g_t는 160 mm와 210 mm를 고려하였다.
기둥-보 접합부의 각 부재에 적용되는 강재의 재료특성 및 CFT 기둥 내부의 콘크리트의 재료특성은 Table 1에 나타나 있다. 여기서 강관과 스플릿 T 형강에 적용되는 HSB600과 H형강에 적용되는 SM490 강재 및 F10T 볼트와 강봉의 응력-변형율 관계는 Fig. 6과 같이 bilinear와 완전탄소성으로 가정하였다. 접합부의 복원능력을 확인하기 위한 SMA 봉과 SMA T-stub의 재료특성은 Fig.

제안 방법

4의 확대된 스플릿 T 형강, 볼트, 강봉 및 CFT 기둥의 콘크리트의 유한요소모델로부터 응력집중이 발생될 가능성이 있는 부분에 더욱 세밀한 요소망이 형성되어있음을 볼 수 있다. CFT 기둥 양쪽 끝단의 경계 조건은 고정으로 하였으며 하중은 H형강 보의 자유 단부에 가해지는 변위제어법을 이용하였다. 변위하중은 Fig.
CFT 기둥-보 접합부 해석모델(Table 3 참조)의 모멘트회전각 이력곡선을 얻기 위하여 Fig. 5와 같은 단조증가 반복하중이력을 적용하였다.
이 때 CFT 기둥의 높이와 H형강 보의 길이는 각각 3,200 mm와 2,150 mm이며, 1개의 상부 스플릿 T 형강과 1개의 하부 스플릿 T 형강 및 16개의 강봉과 12개의 볼트로 연결되어 있다. Fig. 4에서와 같이 범용유한요소해석 소프트웨어인 ANSYS^[13]를 이용하여 접합부의 각 요소(즉, 각형강관, 콘크리트, H형강, 스플릿 T-stub, 강봉, 볼트)에 대한 3차원 유한요소모델링이 이루어졌다.
Table 3에서와 같이 CFT 기둥-보 접합부에 사용되는 볼트와 강봉의 수는 일정하다고 가정하였다. 다른 한편으로, 스플릿 T-stub의 플랜지 두께 및 강봉 게이지 거리의 변화에 따른 스플릿 T 접합부의 에너지소산능력과 응력 및 변형 등의 구조적 거동을 파악하기 위하여, 스플릿 T-stub의 플랜지 두께 t_f를 14 mm와 15 mm로 변화시켰으며, 강봉 게이지 거리 g_t는 160 mm와 210 mm를 고려하였다. 또한 접합부의 복원능력을 파악하기 위하여 CFT 기둥과 T-stub를 연결하는 강봉과 강재 T-stub에 SMA를 적용하여 FE 모델링을 수행하였다(Table 3 참조).
다른 한편으로, 스플릿 T-stub의 플랜지 두께 및 강봉 게이지 거리의 변화에 따른 스플릿 T 접합부의 에너지소산능력과 응력 및 변형 등의 구조적 거동을 파악하기 위하여, 스플릿 T-stub의 플랜지 두께 t_f를 14 mm와 15 mm로 변화시켰으며, 강봉 게이지 거리 g_t는 160 mm와 210 mm를 고려하였다. 또한 접합부의 복원능력을 파악하기 위하여 CFT 기둥과 T-stub를 연결하는 강봉과 강재 T-stub에 SMA를 적용하여 FE 모델링을 수행하였다(Table 3 참조).
본 연구에서는 반복하중을 받는 CFT 합성골조의 상･하부 스플릿 T 접합부에 초탄성 SMA 재료를 적용하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 상･하부 스플릿 T 접합부의 모멘트 내력, 응력분포 및 파괴모드를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 반복하중을 받는 CFT 합성골조의 상･하부 스플릿 T 접합부에 초탄성 SMA 재료를 적용하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 상･하부 스플릿 T 접합부의 모멘트 내력, 응력분포 및 파괴모드를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

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

이론/모형

CFT 기둥 양쪽 끝단의 경계 조건은 고정으로 하였으며 하중은 H형강 보의 자유 단부에 가해지는 변위제어법을 이용하였다. 변위하중은 Fig. 5와 같이 AISC 내진설계 매뉴얼[14]에서 제시한 단조증가 반복하중이력을 이용하였다.
7과 같이 DesRoches 등^[15]의 응력-변형률 관계를 이용하였다. 비탄성 범위에 대한 재료적 비선형 해석을 위한 항복기준은 von Mises 항복 조건을 사용하였으며, ANSYS에서 von Mises 등가소성응력은 다음 식(13)과 같이 정의된다.
6과 같이 bilinear와 완전탄소성으로 가정하였다. 접합부의 복원능력을 확인하기 위한 SMA 봉과 SMA T-stub의 재료특성은 Fig. 7과 같이 DesRoches 등^[15]의 응력-변형률 관계를 이용하였다. 비탄성 범위에 대한 재료적 비선형 해석을 위한 항복기준은 von Mises 항복 조건을 사용하였으며, ANSYS에서 von Mises 등가소성응력은 다음 식(13)과 같이 정의된다.

성능/효과

(1) T-stub의 두께, 폭 및 게이지거리와 같은 기하학적 특성이 동일할 경우, 접합부 전체를 강재로 적용한 경우가 SMA 봉 또는 SMA T-stub를 적용한 접합부보다 초기 강성이 더 큰 것으로 나타났다.
(2) 강재로 된 상･하부 스플릿 T 접합부에 SMA 봉 또는 SMA T-stub를 적용할 경우 에너지 소산능력은 감소하나, 변형 복원능력은 향상되는 것으로 나타났다. 더욱이, T-stub에 SMA 재료를 사용할 경우 하중 제거 시 잔류 변형이 거의 발생하지 않아 복원능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
(3) SMA T-stub의 폭, 두께 및 게이지 거리의 변화에 따라 접합부의 에너지 소산능력과 각 부재의 응력분포가 달라지며, 이에 따른 파괴모드 및 변형형상이 달라지나, 이러한 T-stub의 기하학적 변화가 변형 복원능력에 변화를 주지 않는 것으로 나타났다.
0233 radian인 STSB 접합부보다 약 30% 복원능력을 향상시킨 것을 의미한다. SMA T-stub를 사용한 MTSB 접합부에서는 하중 제거시 잔류 회전각이 거의 발생하지 않아 복원능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
(2) 강재로 된 상･하부 스플릿 T 접합부에 SMA 봉 또는 SMA T-stub를 적용할 경우 에너지 소산능력은 감소하나, 변형 복원능력은 향상되는 것으로 나타났다. 더욱이, T-stub에 SMA 재료를 사용할 경우 하중 제거 시 잔류 변형이 거의 발생하지 않아 복원능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
8로부터 동일한 기하학적 특성을 갖는 경우 강재 T-stub와 강봉(즉, STSB)을 적용한 접합부가 SMA 봉(즉, STMB) 또는 SMA T-stub(즉, MTSB)를 적용한 접합부보다 초기강성이 더 큰 것으로 나타는 것을 알 수 있다. 또한, STSB 접합부에서 가장 크게 에너지가 소산되며, MTSB 접합부에서 가장 작게 에너지가 소산되는 것으로 나타났다. 에너지소산 능력의 감소가 비교적 적은 STMB 접합부의 최대 잔류 회전각은 0.
예상한데로, G210-T15- B300-STMB인 경우 G160-T14-B250-STMB보다 전체적으로 강성이 증가하는 거동을 보인다. 또한, 에너지 소산능력은 다소 증가하는 것으로 나타났으나, 변형 복원능력에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
또한, STSB 접합부에서 가장 크게 에너지가 소산되며, MTSB 접합부에서 가장 작게 에너지가 소산되는 것으로 나타났다. 에너지소산 능력의 감소가 비교적 적은 STMB 접합부의 최대 잔류 회전각은 0.0164radian으로 나타났으며, 이는 최대 잔류 회전각이 0.0233 radian인 STSB 접합부보다 약 30% 복원능력을 향상시킨 것을 의미한다. SMA T-stub를 사용한 MTSB 접합부에서는 하중 제거시 잔류 회전각이 거의 발생하지 않아 복원능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.

후속연구

Table 4에 동적하중에 대한 6가지의 CFT 기둥-보 접합부 해석모델에 대한 최대응력, 최대휨모멘트 및 최대회전각을 요약하였으며, 이러한 것들은 기존의 강재와 초탄성 SMA 재료를 적용하여 더욱 효과적인 에너지소산 능력과 복원능력을 확보한 스마트 반강접을 갖는 CFT 합성골조의 비선형 동적해석에 필요한 기초적 데이터베이스가 될 것이다.
향후, 형상기억합금을 이용한 스마트 CFT 합성골조의 반강접 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
	CFT는 어떤 시스템인가?	CFT(Concrete Filled Steel Tube)구조는 원형 혹은 각 형단면의 강관내부에 콘크리트를 충전한 구조로 강관과 충전콘크리트의 상호 합성작용에 의하여 강성, 내력, 변형성능, 내화, 시공 등의 측면에서 우수한 특성을 발휘하는 구조 시스템이다. 특히, 반복하중의 작용에 대해서는 우수한 내진성능을 발휘하고 경제성이 우수하며 범용성이 높아 사용이 증가하고 있는 추세이다.
	SMA는 무엇인가?	SMA(shape memory alloy)는 일반적으로 오스테나이트 상태(austenite phase)와 마르텐자이트 상태(martensite phase)의 상호변화에 의하여 뛰어난 형상기억능력과 초탄성(super-elastic) 능력을 나타내는 신재료로, 형상합금의 배합, 오스테나이트와 마르텐자이트의 온도에 따라서 Fig. 1과 같은 응력-변형률 관계 곡선을 나타낸다[1].
	본 연구에서 상･하부 스플릿 T 접합부의 모멘트 내력, 응력분포 및 파괴모드를 분석한 결과 복원능력이 뛰어난 경우는 무엇인가?	(2) 강재로 된 상･하부 스플릿 T 접합부에 SMA 봉 또는 SMA T-stub를 적용할 경우 에너지 소산능력은 감소하나, 변형 복원능력은 향상되는 것으로 나타났다. 더욱이, T-stub에 SMA 재료를 사용할 경우 하중 제거 시 잔류 변형이 거의 발생하지 않아 복원능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.

참고문헌 (15)

Abolmaali, A., Treadway, J., Aswath, P., Lu. F.K., and McCarthy, E. (2006) Hysteresis Behavior of T-stub Connections with Superelastic Shape Memory Fasteners, Journal of the Constructional Steel Research, Vol.62, pp.831-838.

상세보기
Piluso, V., Faella., C., and Rizzand, G. (2001) Ultimate Behavior of Bolted T-stubs. I : Theoretical Model, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.127, No.6, pp.686-693.

상세보기
Swanson, J.A. (2002) Ultimate Strength Prying Model for Bolted T-stub Connections, Engineering Journal. AISC, Vol.39, No.3, pp.136-147.
양재근, 이길영(2006) 더블앵글 접합부의 초기강성 및 극한모멘트 산정을 위한 해석모델, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제18권, 제3호, pp.311-320. Yang, J.G. and Lee, G.Y. (2006) Analytical Models for the Initial Stiffness and Ultimate Moment of a Double Angle Connection, Journal of the Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.18, No.3, pp.311-320.

원문보기 상세보기
Pirmoz, A., Mohammadrezapour, E., Seyed Khoei, A., and Saedi, D.A. (2009) Moment - Rotation Behavior of Bolted Top and Seat Angle Connections, Journal of Constructional Steel Research, Vol.65, pp.973-984.

상세보기
양재근, 김윤, 박재호(2012) 상.하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성 예측모델, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제3호, pp.279-287. Yang, J.G., Kim, W., and Park, J.H. (2012) Prediction Model for the Initial Rotational Stiffness of a Double Split T connection, Journal of the Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.24, No.3, pp.279-287.

원문보기 상세보기
양재근, 김주우, 김윤(2012) 상.하부 스플릿 T 접합부의 휨강도 설계식, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제5호, pp.511-520. Yang, J.G., Kim, J.W., and Kim, W. (2012) Design Formula for the Flexural Strength of a Double Split T Connection, Journal of the Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.24, No.5, pp.511-520.

원문보기 상세보기
이성주, 김주우(2013) 더블 웨브앵글 반강접 CFT 기둥-보접합부의 이력거동, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제25권, 제1호, pp.15-24. Lee, S.J. and Kim, J.W. (2013) Hysteresis Behavior of Semirigid CFT Column-to-beam Connections with a Double Web-angle, Journal of the Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.25, No.1, pp.15-24.

원문보기 상세보기
이성주, 김주우(2014) 상.하부 ㄱ형강 반강접 CFT 기둥-보 접합부의 단조 및 이력거동, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제26권, 제3호, pp.191-204. Lee, S.J. and Kim, J.W. (2014) Monotonic and Hysteresis Behavior of Semirigid CFT Column-to-beam Connections with a Top-seat Angle, Journal of the Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.26, No.3, pp.191-204.
양재근, 백민창, 이재윤, 이형동(2014) SMA 강봉으로 체결된 T-stub의 에너지소산능력, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제26권, 제3호, pp.231-240. Yang, J.G., Baek, M.C., Lee, J.Y., and Lee, H.D. (2014) Energy Dissipation Capacity of the T-stub Fastened by SMA Bars, Journal of the Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.26, No.3, pp.231-240 (in Korean).

원문보기 상세보기
Auricchio, F. and Sacco, E. (1997) A One-dimensional Mode; For Superelastic Shape-memory Alloy with Different Elastic Properties Between Austenite and Martensite, International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol.32, No.6, pp.1101-1114.

상세보기
Auricchio, F., Taylor R.L., and Lubliner, J. (1997) Shape-memory alloy: macromodelling and numerical simulations of the superelastic behavior, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.146, pp.281-312.

상세보기
ANSYS (2012) ANSYS multiphysics, Version 14.5, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA.
AISC (2006) Manual of Steel Construction, American Institute of Steel Construction, American Institute of Steel Construtions, 13th Edition, American Institute of steel Construction, Chicago.
DesRoches, R., McCormick, J., and Delemont, M. (2004) Cyclic Properties of Superelastic Shape Memory Alloy Wires and Bars, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 1, pp.38-46.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증