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문제 정의
- 이와 같은 CBF의 취약성을 보완하기 위해 압축 가새의 휨-좌굴을 억제하여 인장력과 압축력에 대해 동일한 강도를 확보함으로서 보다 효율적으로 구조물의 안정성을 높이는 방안이 모색될 필요가 있다[1],[2],[3]. 따라서, 본 논문에서는 기 설치된 H형 가새에 무 용접 냉간성형 보강재를 도입하여 휨-좌굴을 억제하고 인장력과 압축력이 동등한 강도를 갖도록 계획하였다. 즉, 제안한 보강재가 골조상태에서 반복하중 작용시 안정적인 거동을 유도할지에 대해 검토하고자 한다.
- 무용접 조립재로 구성된 보강재를 역 V형 가새에 적용하여 반복하중에 따른 내진성능과 거동을 분석하였다. 또한 본 골조실험은 실제 건물에 적용하기 위한 목적에 개발되어 실대크기로 실험이 수행되었으며 목표로 한 현장에 적용하였다.
- 15와 같이 설치되었다. 본 연구의 목적은 기존에 설치되어있는 가새에불균형력 보 파괴를 방지 하기 위해 압축과 인장력이 동등하도록 내진보강 하는 것이다. 발전소라는 현장여건을 고려하여 건식공법이 가능하며, 실제 보강재를 설치함에 있어 빠른 시공이 가능했다.
- 따라서, 본 논문에서는 기 설치된 H형 가새에 무 용접 냉간성형 보강재를 도입하여 휨-좌굴을 억제하고 인장력과 압축력이 동등한 강도를 갖도록 계획하였다. 즉, 제안한 보강재가 골조상태에서 반복하중 작용시 안정적인 거동을 유도할지에 대해 검토하고자 한다. 역V형 가새 골조 실험을 수행하였으며 변수(보강율, 보강길이, 보강재 분절여부)에 따른 가새의 변형성능과 보의 불 균형력을 방지하는 압축강도조정계수(β), 구조물의 내진 특성인 에너지 소산능력을 통해 골조 내 보강 가새의 거동에 대해 평가하였다.
- 발전소라는 현장여건을 고려하여 건식공법이 가능하며, 실제 보강재를 설치함에 있어 빠른 시공이 가능했다. 추후 최적화된 내진설계를 위해 보강이 필요한 위치와 요구량을 분석하여 효과적인 설계안을 제안하고자 한다.
제안 방법
- (1) 골조실험은 AISC(2010)에 제시된 BRB의 가력프로그램을 이용하여 총 7주기의 반복하중으로 계획하였다. 실 건물과 동일한 조건을 유지하기 위하여 가새를 볼트로 접합하였고, 이로 인해 약간의 슬립 발생이 진행되었지만 기대이상 내력이 발휘하였으며, 보강된 실험체의 경우 무보강 실험체에 비해 최대내력 발휘 이후에도 안정적인 거동을 보였다.
- 2(b)와같이 신 형상을 제안하였다. 2 Piece로 조립되는 보강재의 구조실험은 보강길이, 보강재 분절(이음) 유무, 보강재와 심재(H형강)의 단면2차 모멘트 비에 따른 거동을 분석하였다. 실험결과 전체 가새 길이(3.
- 가새 세장비는 140으로 단면(H-100×100×6×8)과 기둥, 보의 단면 형상(H- 400×400×13×21)은 모두 동일하여 사용하였다. 골조 내의 가새의 거동을 파악하기 위한 실험으로 기둥, 보에 최대한 응력이 전달되지 않도록 Base Plate는 볼트(Pin)접합 하였다. 내력에 영향을 미치지 않고 오로지 심재와 보강재의 밀실한 체결을 위해서 얇은 플레이트를 500mm마다 용접(spot)하였다.
- 골조 실험은 실제 건물을 대상으로 하여 가새 형상 및 스팬길이 강종 등을 그대로 모사 하여 제작하였다. 실험체 일람은 Table 2와 같이 보강길이와 보강단면, 그리고 분절유무 3가지의 변수로 총 4개의 역 V형 가새를 제작하였다.
- 선행 연구에서는 보강재의 형상과 보강 길이의 최적범위를 제시하였다. 그리고 단일부재(가새)에 한에 단조, 반복 재하실험을 통해 축 내력과 거동을 분석하였다. 실제 현장 경계조건을 감안한 골조실험을 통해 정량적인 분석이 추가된다면, 현장적용에 합리적인 보강근거자료가 될 것으로 판단된다.
- 골조 내의 가새의 거동을 파악하기 위한 실험으로 기둥, 보에 최대한 응력이 전달되지 않도록 Base Plate는 볼트(Pin)접합 하였다. 내력에 영향을 미치지 않고 오로지 심재와 보강재의 밀실한 체결을 위해서 얇은 플레이트를 500mm마다 용접(spot)하였다. 플레이트 크기는 정사각형으로 폭이 70mm, 두께가 2mm이다.
- 무용접 조립재로 구성된 보강재를 역 V형 가새에 적용하여 반복하중에 따른 내진성능과 거동을 분석하였다. 또한 본 골조실험은 실제 건물에 적용하기 위한 목적에 개발되어 실대크기로 실험이 수행되었으며 목표로 한 현장에 적용하였다.
- M(2012~2013)[9],[10]는 H형 가새에 건식공법으로 내진보강이 가능한 보강재를 중점으로 실험 연구를 진행하였다. 보강재는 얇은 판(2.3~3mm) 요소를 갖는 냉간성형 절곡하여 제작되고 그 형상은 Fig. 4와 같이 시공성 확보를 위해 개선된 단면형태를 제안하였다.
- 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위하여 KS B0801 5호의 금속재료 인장시편 규정에 따라 실험에 사용되는 H형강과 보강재의 인장시편 시험을 수행하였다[13],[14]. 각 항복강도(Fy), 인장강도(Fu), 항복비를 Table 3에 정리 하였다.
- 역V형 가새 골조 실험을 수행하였으며 변수(보강율, 보강길이, 보강재 분절여부)에 따른 가새의 변형성능과 보의 불 균형력을 방지하는 압축강도조정계수(β), 구조물의 내진 특성인 에너지 소산능력을 통해 골조 내 보강 가새의 거동에 대해 평가하였다.
- 실험체 모두 세장한 요소로 이뤄져 있어 횡 좌굴을 방지하고자 기둥위치에 횡 지지대를 4곳 설치하였다. 횡지지대와 기둥사이 발생될 마찰을 최소화하기 위하여 테프론(Teflon) 플레이트를 부착하여 제작하였다.
대상 데이터
- 대상으로 하고 있는 무용접 용접조립 보강재를 실제 현장에 적용하였다. 적용 건물은 154kV ❍❍발전소 ❍호기 1층에 기존 설치된 역 V형 가새에 적용되었다.
- 플레이트 크기는 정사각형으로 폭이 70mm, 두께가 2mm이다. 모든 실험체는 SS400강종을 사용하였다. 실험체 형상을 Fig.
- 8에 도식화 하였다. 실험체 모두 세장한 요소로 이뤄져 있어 횡 좌굴을 방지하고자 기둥위치에 횡 지지대를 4곳 설치하였다. 횡지지대와 기둥사이 발생될 마찰을 최소화하기 위하여 테프론(Teflon) 플레이트를 부착하여 제작하였다.
- 골조 실험은 실제 건물을 대상으로 하여 가새 형상 및 스팬길이 강종 등을 그대로 모사 하여 제작하였다. 실험체 일람은 Table 2와 같이 보강길이와 보강단면, 그리고 분절유무 3가지의 변수로 총 4개의 역 V형 가새를 제작하였다. 가새 세장비는 140으로 단면(H-100×100×6×8)과 기둥, 보의 단면 형상(H- 400×400×13×21)은 모두 동일하여 사용하였다.
- 모든 실험체는 SS400강종을 사용하였다. 실험체 형상을 Fig. 5에 나타냈으며, 제작된 가새의 총 길이는 2,840mm이다. 그에 따라 70% 보강재의 경우 2,000mm, 90% 보강재의 경우 2,500mm로 제작하였다.
- 대상으로 하고 있는 무용접 용접조립 보강재를 실제 현장에 적용하였다. 적용 건물은 154kV ❍❍발전소 ❍호기 1층에 기존 설치된 역 V형 가새에 적용되었다. 앞서 평가된 실험내용을 바탕으로 Y5090X 타입 보강재가 Fig.
- 내력에 영향을 미치지 않고 오로지 심재와 보강재의 밀실한 체결을 위해서 얇은 플레이트를 500mm마다 용접(spot)하였다. 플레이트 크기는 정사각형으로 폭이 70mm, 두께가 2mm이다. 모든 실험체는 SS400강종을 사용하였다.
이론/모형
- 가력방법은 AISC Seismic Provision(2010)[15]에 제시된 BRB (Buckling Restrained Brace)의 골조실험 가력 프로그램을 사용하였으며 변위제어 하였다. 표준 하중재하방법은 1Step -1Cycle, 1Step-2Cycle까지는 심재의 항복변위(Dby)를 기준으로 하며, 2Step-1Cycle 이상부터 목표 층간 변위(Dbm)를 기준으로 0.
- 7과 같이 조립되었다. 거셋플레이트의 두께 결정은 Lin, M.L.(2005)[12]연구자가 제안한 식 (6),(7)과 같이 BRB 압축, 인장력 관계식에 의해 설계되었다. 모든 접합요소는 볼트 접합되며, 베이스 플레이트 및 거셋플레이트의 상세도를 Fig.
성능/효과
- (2) 무보강 실험체의 경우 전체 좌굴에 의해 파괴되었지만 보강된 실험체의 경우 보강재가 끝나는 지점의 국부좌굴이 발생하는 다른 양상을 보였다. 또한 비교 대상 중 보강길이를 확대하는 것보다 보강량을 확대 할 경우 보다 효과적인 내력과 거동을 기대할 수 있었다.
- (3) 실험도중 발생된 Base Plate 변형은 실제 실험체 결과보다 보수적으로 평가됐을 가능성이 크다고 판단되며, 기존 가새에 보강재를 추가 보완할 경우 전체 골조에 대한 검토가 함께 다뤄질 것으로 보인다.
- (4) 내진설계 적용을 위하여 변형성능을 평가한 결과 보강가새의 경우 약 5.21~7.23의 연성도를 갖는 것으로 분석되었다. 즉 5이상의 연성도를 나타냈으므로 LS(Life Safety)기준을 만족는 것으로 평가되었다.
- (5) 골조 내에 설치된 가새의 불균형력에 의한 보의 파괴를 방지하기 위하여 AISC에서는 최대 압축력과 최대 인장력의 비가 1.3배를 초과하지 않을 것을 권고하고 있으며, 보강 후 가새의 경우 0.72~1.3범위에 분포함으로써 기준을 만족하였다. 또한 구조물의 중요한 내진특성중 하나인 누적 소산 에너지평가 시 무보강 실험체 대비 보강된 가새의 경우 약 1.
- 3범위에 분포함으로써 기준을 만족하였다. 또한 구조물의 중요한 내진특성중 하나인 누적 소산 에너지평가 시 무보강 실험체 대비 보강된 가새의 경우 약 1.9~2.7배 이상 발휘하여 나타났다.
- 예비실험을 통하여 심재와 보강재 사이 Filler(페인트, 그리스, 시트)에 관계없이 유사한 내력과 파괴거동을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한 보강 유･무, 보강재의 단면크기에 따른 단조가력 실험을 진행하였고 실험결과 모든 실험체는 좌굴하중(Pe) 이상 월등한 내력을 발휘하였다. 보강되지 않은 실험체의 경우 압축 재하 시 탄성거동을 보이는 반면 보강된 실험체의 경우 최대내력 이후 후 완만한 내력감소를 보이며 연성적 거동을 보였다.
- 4m)에 70%에서 90% 확대하여 보강했을 때, 축 내력이 약 10% 증가되었다. 또한 보강량(단면2차모멘트 비)을 1.3배 증가했을 때, 최대내력 이후 거동이 매우 연성적으로 거동하는 등 보강길이 보다 효과적인 내력과 거동을 기대할 수 있다고 분석되었다. 선행 연구에서는 보강재의 형상과 보강 길이의 최적범위를 제시하였다.
- (2) 무보강 실험체의 경우 전체 좌굴에 의해 파괴되었지만 보강된 실험체의 경우 보강재가 끝나는 지점의 국부좌굴이 발생하는 다른 양상을 보였다. 또한 비교 대상 중 보강길이를 확대하는 것보다 보강량을 확대 할 경우 보다 효과적인 내력과 거동을 기대할 수 있었다.
- 72사이에 존재 하고 있어, 규준에 만족되지 못했다. 보강된 실험체의 경우 전체 반복하중에서 0.72 ~1.3 범위의 압축강도 조정계수의 분포에 있어 제한범위 내 만족하는 것으로 평가되었다. 분석된 결과를 통해 약축 보강형 보강재를 가새에 적용할 경우 가새의 불균형력으로 인한 보의 파괴는 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3 범위의 압축강도 조정계수의 분포에 있어 제한범위 내 만족하는 것으로 평가되었다. 분석된 결과를 통해 약축 보강형 보강재를 가새에 적용할 경우 가새의 불균형력으로 인한 보의 파괴는 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 각 항복강도(Fy), 인장강도(Fu), 항복비를 Table 3에 정리 하였다. 시험결과 항복강도는 평균 282MPa, 인장강도는 403MPa로 평가 되었다.
- (1) 골조실험은 AISC(2010)에 제시된 BRB의 가력프로그램을 이용하여 총 7주기의 반복하중으로 계획하였다. 실 건물과 동일한 조건을 유지하기 위하여 가새를 볼트로 접합하였고, 이로 인해 약간의 슬립 발생이 진행되었지만 기대이상 내력이 발휘하였으며, 보강된 실험체의 경우 무보강 실험체에 비해 최대내력 발휘 이후에도 안정적인 거동을 보였다.
- 2 Piece로 조립되는 보강재의 구조실험은 보강길이, 보강재 분절(이음) 유무, 보강재와 심재(H형강)의 단면2차 모멘트 비에 따른 거동을 분석하였다. 실험결과 전체 가새 길이(3.4m)에 70%에서 90% 확대하여 보강했을 때, 축 내력이 약 10% 증가되었다. 또한 보강량(단면2차모멘트 비)을 1.
- 가새부재 실험 전에 각 보강재와 심재(H형강)와의 예비실험이 선행되었다. 예비실험을 통하여 심재와 보강재 사이 Filler(페인트, 그리스, 시트)에 관계없이 유사한 내력과 파괴거동을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한 보강 유･무, 보강재의 단면크기에 따른 단조가력 실험을 진행하였고 실험결과 모든 실험체는 좌굴하중(Pe) 이상 월등한 내력을 발휘하였다.
- 보강되지 않은 실험체의 경우 압축 재하 시 탄성거동을 보이는 반면 보강된 실험체의 경우 최대내력 이후 후 완만한 내력감소를 보이며 연성적 거동을 보였다. 이를 통해 세장한 H형 가새의 횡구속력을 보강재는 충분히 억제하는 것을 확인하였다. 이후 제안한 4 Piece 조립 보강재(Fig.
- 9배 증가되어 평가 되었다. 종합적으로 평가해 보면 가새에 보강재가 추가됨에 따라 약 2배 가까운 변형성능을 갖게 되어 내진보강에 매우 합리적인 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- 좌･우측 가새의 초기강성(Ki), 최대내력(Pmax), 연성도(δmax/δy)를 비교 정리한 결과 AISC에서 제안한 변형성능(10~20배)에는 못 미치는 수준으로 분석된다.
- 23의 연성도를 갖는 것으로 분석되었다. 즉 5이상의 연성도를 나타냈으므로 LS(Life Safety)기준을 만족는 것으로 평가되었다.
- 실험의 경계조건(Base Plate)이나 보강량을 향상시켜 반복이력을 재 평가 한다면 AISC에서 제시하고 있는 변형성능에 근접한 결과를 얻을 수 있을거라 예상된다. 한편, 보강된 실험체 모두 5 이상의 연성도를 보여 LS(Life Safety)수준을 만족하는 것으로 분석되었다. 보강된 가새의 비교 대상 중 Y3670X 실험체의 경우 최소 보강량(Isy/Iby:3.
후속연구
- 또한 실험도중 Y5090X 실험체와 같이 횡 지지대를 연결한 Base Plate에 변형이 발생됨에 따라 원활한 내력발휘가 어려운 것으로 판단된다. 결과적으로 실제 현장에 적용된 Base Plate는 보강재가 없는가새(H형강)를 고려하여 설계되었지만, 보강재가 추가된 가새를 설계 할 경우에는 Base Plate에 대한 보강 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 그리고 단일부재(가새)에 한에 단조, 반복 재하실험을 통해 축 내력과 거동을 분석하였다. 실제 현장 경계조건을 감안한 골조실험을 통해 정량적인 분석이 추가된다면, 현장적용에 합리적인 보강근거자료가 될 것으로 판단된다.
- )를 비교 정리한 결과 AISC에서 제안한 변형성능(10~20배)에는 못 미치는 수준으로 분석된다. 실험의 경계조건(Base Plate)이나 보강량을 향상시켜 반복이력을 재 평가 한다면 AISC에서 제시하고 있는 변형성능에 근접한 결과를 얻을 수 있을거라 예상된다. 한편, 보강된 실험체 모두 5 이상의 연성도를 보여 LS(Life Safety)수준을 만족하는 것으로 분석되었다.
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