[논문]SHN490강종의 보-기둥 접합부 형태에 따른 실험적 연구

김소영; 변상민; 이호; 신경재

doi:10.7781/kjoss.2015.27.3.311

SHN490강종의 보-기둥 접합부 형태에 따른 실험적 연구
Test Results on the Type of Beam-to-Column Connection using SHN490 Steel 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.27 no.3, 2015년, pp.311 - 321

김소영 (경북대학교, 건축공학과) , 변상민 (명성구조기술사사무소) , 이호 (경북대학교, 건축공학과) , 신경재 (경북대학교, 건축공학과)

초록
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본 연구는 중 저층 건축물에 적용된 강재의 보-기둥 접합부에 따른 내진성능을 규명하기 위한 실험적 연구이다. 실험체는 보-기둥 접합부의 보 플랜지와 웨브의 접합형태에 따라 분류하여 총 5가지를 제작하였다. 실험체는 웨브와 플랜지 모두 용접한 접합부(SHN-W-W)와 웨브는 용접하고 플랜지는 고력볼트 접합한 접합부(SHN-W-B)와 웨브는 고력볼트 접합하고 플랜지는 용접접합한 접합부(SHN-B-W)와 웨브와 플랜지 모두 고력볼트 접합한 접합부(SHN-B-B)와 보 단부에 엔드플레이트를 이용하여 접합한 접합부(SHN-EP)이다. 실험은 KBC2009에서 제시하는 반복재하인증실험으로 층간변위각(${\theta}$)을 제어하기 위한 변위 제어방식으로 실시하였다. 실험으로부터 각 시험체의 하중-회전각 곡선을 나타내었으며, 접합부의 최종 파괴형상을 요약하였다. 접합부는 강성과 강도의 관점에서 강접합과 반강접합으로 분류하였으며 내진성능평가를 위한 에너지소산능력을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an experimental study to evaluate the seismic performance of beam-to-column connection for medium and low-rise building was conducted. Five connections using SHN490 steel were made with test variables such as flange welded or bolted, web welded or bolted. Specimen SHN-W-W is web welded and flange welded type. Specimen SHN-W-B is web welded and flange bolted type. Specimen SHN-B-W is web bolted and flange welded type. Specimen SHN-B-B is web bolted and flange bolted type. Specimen SHN-EP is a connection with the end plate to the beam ends. Cyclic loadings was applied at the tip of beam following KBC2009 load protocol. The load vs rotation curves for different connection are shown and final failure mode shapes are summarized. The connections are classified in terms of stiffness and strength as semi-rigid or rigid connection. Energy dissipation capacities for seismic performance evaluation were compared.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 중저층 철골 접합부를 가정하여 5개의 실험체를 반복가력 실험하였다. SHN강종을 이용한 모멘트 접합부의 성능에 대한 연구를 통하여 효율적인 내진설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
보-기둥접합부의 경우 건물내측의 접합부에 비해 건물외측의 접합부에 모멘트 부담이 커져서 접합부의 내력특성을 파악할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 소규모 건축물 보-기둥접합부의 내력성능 및 특성을 살펴보고자 한다.
반복재하인증실험을 진행하여 실험체 별 접합부의 하중-회전각, 접합부 파괴양상, 초기강성 및 강도에 따른 접합부의 분류, 에너지소산능력의 비교를 통해 내진성능을 분석하였다. 이를 통해 현재 내진설계가 적용되지 않은 국내 소규모 중･저층 공장건물 및 3층 이하의 저층건물의 접합부 거동특성을 분석하여 내력성능을 평가하고자 한다.

가설 설정

또한 건축 구조용 강재인 SHN 강종의 경우 성능의 편차가 적어 내진구조물에 많이 적용되고 있다. 본 연구에서는 중저층 철골 접합부를 가정하여 5개의 실험체를 반복가력 실험하였다. SHN강종을 이용한 모멘트 접합부의 성능에 대한 연구를 통하여 효율적인 내진설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
펀칭현상이 일어난 볼트에 작용한 전단력은 식 (7)과 같이 구할 수 있다. 여기서 R_pch1과 R_pch2의 값은 큰 차이가 없으므로 동일하다고 가정하여 계산하였다^[7].

제안 방법

3은 SHN-W-B 실험체 접합부 상세도면을 나타낸다. L형강을 이용해 보 플랜지부분과 기둥을 볼트접합 하였으며 웨브는 8mm사이즈로 모살용접 하였다. Fig.
가력 Cycle은 KBC2009 ^[4]에서 제시하는 반복재하인증 실험으로 층간변위각(θ)을 제어하기 위한 변위 제어방식으로 실시하였다. Positive와 Negative를 각각 1주기씩 변위 3.75mm에서 6주기, 5mm에서 6주기, 7.5mm에서 4주기, 10mm에서 4주기, 15mm부터 150mm까지 2주기씩 실험을 진행하였다. 실험진행 중 실험체의 파단이 일어났을 때 더 이상 성능을 확인할 수 없다고 판단하여 실험을 중단하였다.
기둥중심으로부터 하중 가력점까지의 거리에 작용하중을 곱하여 기둥면에서의 보의 휨 모멘트를 산정하였고, 보단부의 변위를 변위측정 위치에서 기둥의 중심선까지의 거리로 나누어 층간변위각(θ)을 계산하였다.
실험체는 보-기둥접합부의 보의 웨브와 플랜지의 접합형태에 따라 5가지로 분류하였다. 반복재하인증실험을 진행하여 실험체 별 접합부의 하중-회전각, 접합부 파괴양상, 초기강성 및 강도에 따른 접합부의 분류, 에너지소산능력의 비교를 통해 내진성능을 분석하였다. 이를 통해 현재 내진설계가 적용되지 않은 국내 소규모 중･저층 공장건물 및 3층 이하의 저층건물의 접합부 거동특성을 분석하여 내력성능을 평가하고자 한다.
접합부 실험체의 기둥의 양단을 힌지로 고정프레임에 연결하여 설치하였으며 용량 2000kN의 Load Cell이 부착된 Actuator를 이용해 보 단부를 가력하였다. 수평변위에 대해서는 그림과 같이 Wire Gauge를 통해 측정하였으며, 패널존 하부 및 기둥의 좌측 중앙부에 LVDT를 설치하여 수직변위를 측정하였다.
5×9로 제작하였다. 실험체는 보-기둥접합부의 보의 웨브와 플랜지의 접합형태에 따라 5가지로 분류하였다. 반복재하인증실험을 진행하여 실험체 별 접합부의 하중-회전각, 접합부 파괴양상, 초기강성 및 강도에 따른 접합부의 분류, 에너지소산능력의 비교를 통해 내진성능을 분석하였다.
Table 1은 실험체 알람을 나타낸다. 실험체는 보-기둥접합부의 보의 웨브와 플랜지의 접합형태에 따라 분류하였다. 보의 웨브와 플랜지를 모두 용접한 접합부(SHN-W-W), 보의 웨브는 용접, 플랜지는 고력볼트접합한 접합부(SHNW-B), 보의 웨브는 고력볼트접합, 플랜지는 용접한 접합부(SHN-B-W), 보의 웨브와 플랜지 모두 고력볼트접합한 접합부(SHN-B-B), 보의 웨브와 플랜지는 엔드플레이트를 이용해 용접하여 접합한 접합부(SHN-EP)로 총 5가지 Type의 실험체를 제작하였다.
에 따라 SHN강재로 제작된 플랜지와 웨브 시편의 경우 압연방향으로 1A호로 절취하였으며, SM강재로 제작된 엔드플레이트 시편은 압연방향으로 5호로 인장시편을 절취하였다. 용량 600kN의 UTM(만능재료시험기)을 이용하여 인장시험을 수행하였다. 시험체는 강종별 각 3편씩 시험하여 평균값을 측정하였다.
7은 실험에 사용된 실험체 설치전경을 나타낸다. 접합부 실험체의 기둥의 양단을 힌지로 고정프레임에 연결하여 설치하였으며 용량 2000kN의 Load Cell이 부착된 Actuator를 이용해 보 단부를 가력하였다. 수평변위에 대해서는 그림과 같이 Wire Gauge를 통해 측정하였으며, 패널존 하부 및 기둥의 좌측 중앙부에 LVDT를 설치하여 수직변위를 측정하였다.
패널존의 파괴모드를 정확히 분석하기 위해 보와 기둥의 부재사이즈를 동일하게 제작하였다. 그 결과 패널존의 항복과 접합부의 파괴가 뚜렷히 구분되었다.

대상 데이터

Fig. 2는 중･저층구조물 모델의 입면도이며 본 연구에 사용된 실험체는 Fig. 1의 점선박스 부분의 모델을 나타낸다.
실험체는 보-기둥접합부의 보의 웨브와 플랜지의 접합형태에 따라 분류하였다. 보의 웨브와 플랜지를 모두 용접한 접합부(SHN-W-W), 보의 웨브는 용접, 플랜지는 고력볼트접합한 접합부(SHNW-B), 보의 웨브는 고력볼트접합, 플랜지는 용접한 접합부(SHN-B-W), 보의 웨브와 플랜지 모두 고력볼트접합한 접합부(SHN-B-B), 보의 웨브와 플랜지는 엔드플레이트를 이용해 용접하여 접합한 접합부(SHN-EP)로 총 5가지 Type의 실험체를 제작하였다.
본 연구에서는 건축구조용 압연강재 SHN490(KS D3866)으로 이루어진 모멘트골조접합부 실험체를 설계하였다. 실험체 설계는 국내 건축구조기준(KBC2009)^[4]과 AISC 내진 기준^[5]을 참고하였다.
6은 볼트접합이 있는 접합부 상세를 나타낸다. 볼트는 M16의 T/S고력볼트를 사용하였다.
시편 제작은 시험체 제작에 사용된 형강의 잔여부분에서 KS B 0801 금속재료 인장시험편^[6]에 따라 SHN강재로 제작된 플랜지와 웨브 시편의 경우 압연방향으로 1A호로 절취하였으며, SM강재로 제작된 엔드플레이트 시편은 압연방향으로 5호로 인장시편을 절취하였다. 용량 600kN의 UTM(만능재료시험기)을 이용하여 인장시험을 수행하였다.
실험체는 실제 소규모건축물에 흔히 적용하는 H-600×200×11×17의 사이즈를 사용하려 하였으나 실험실의 규모 및 장비 재원의 제한으로 인해 실험체 사이즈는 실제 중저층 구조물에 이용되는 부재의 1/2 크기의 H-300×150×6.5×9로 제작하였다.

데이터처리

용량 600kN의 UTM(만능재료시험기)을 이용하여 인장시험을 수행하였다. 시험체는 강종별 각 3편씩 시험하여 평균값을 측정하였다.

이론/모형

가력 Cycle은 KBC2009 [4] 에서 제시하는 반복재하인증 실험으로 층간변위각(θ)을 제어하기 위한 변위 제어방식으로 실시하였다.
본 연구에서는 건축구조용 압연강재 SHN490(KS D3866)으로 이루어진 모멘트골조접합부 실험체를 설계하였다. 실험체 설계는 국내 건축구조기준(KBC2009)^[4]과 AISC 내진 기준^[5]을 참고하였다. 소규모 중･저층 공장건물 및 3층 이하의 저층건물의 경우 경제성의 문제에 의해 보와 기둥의 부재를 동일한 크기로 설계하는 경우가 많다.

성능/효과

(1) 실험결과 최대모멘트는 SHN-W-W, SHN-W-B, SHN-B-W, SHN-B-B, SHN-EP 각각 237.5kN･m, 131.32kN･m, 245.49kN･m, 129.36kN･m, 182kN･m 으로 나타났으며 이때 회전각은 각각 0.0501rad, 0.0150rad, 0.0479rad, 0.0570rad, 0.0403rad으로 나타났다.
(2) 패널존 설계전단강도는 558.70kN으로 나타났으며 SHN-W-W와 SHN-B-W의 경우 패널존 전단강도가 각각 711.89kN, 735.94kN으로 설계전단강도보다 크게 나타났으며, 패널존의 항복으로 인한 변형을 보였다. 반면, SHN-W-B, SHN-B-B, SHN-EP의 경우 패널존 전단강도가 각각 325.
(3) 초기강성 및 최대 하중점에서의 강성 비교 결과, 초기강성은 1mm변위에서 SHN-W-W, SHN-W-B, SHN-B-W, SHN-B-B, SHN-EP 각각 19.5kN/mm, 17.4kN/mm, 14kN/mm, 14.4kN/mm, 17.9kN/mm으로 나타났다.
(4) 접합부 분류 결과 초기강성에서 SHN-W-W와 SHN-EP 의 경우 Rigid한 것으로 나타났으며 SHN-W-B, SHN -B-W, SHN-B-B의 경우 Semi-Rigid한 것으로 나타났다. 강도는 SHN-W-W와 SHN-B-W의 경우 Rigid 로 나타났으며, SHN-W-B, SHN-B-B, SHN-EP의경우 Semi-Rigid한 것으로 나타났다.
(5) 에너지 소산능력 누적량 비교 결과 SHN-W-W, SHN-W-B, SHN-B-W, SHN-B-B, SHN-EP 각각 301.77kN･m, 39.46kN･m, 229.28kN･m, 82.24kN･m, 65.78kN･m 로 나타났다. 따라서 최종 가력사이클까지의 에너지소산능력은 SHN-W-W, SHN-B-W, SHN-B-B, SHN-EP, SHN-W-B의 순서로 나타났다.
③ SHN-B-W는 SHN-W-W와 마찬가지로 패널존이 완전 항복하였고, 패널존 항복 후 보 플랜지와 용접부 기둥플랜지의 모살용접부와 열영향부가 최종적으로 파단되었다.
78kN･m 로 나타났다. 따라서 최종 가력사이클까지의 에너지소산능력은 SHN-W-W, SHN-B-W, SHN-B-B, SHN-EP, SHN-W-B의 순서로 나타났다.
③ SHN-B-W의 경우 SHN-W-W와 마찬가지로 패널존 전단변형을 육안으로 확인할 수 있었다. 또한 보 플랜지부분용접부가 모멘트에 저항하여 파단이 난 형상을 확인할 수 있었으며, 웨브 L형강의 볼트접합부는 지압파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다.
94kN으로 패널존의 전단내력보다 패널존에 작용하는 전단력의 값이 크게 나타났고, 파괴양상을 보면 패널존이 항복하여 변형이 생기는 것을 발견 할 수 있었다. 반면 실험체 SHN-W-B, SHN-B-B, SHN-EP의 경우 패널존에 작용하는 전단력(V_u)을 산정하면 각각 325.99kN, 387.80kN, 545.60kN으로 패널존의 전단내력이 크게 나타났으며 패널존의 변형은 비교적 미미하며, 접합부의 변형이 생긴 것을 확인할 수 있었다.
보의 웨브와 플랜지 모두 용접 접합한 실험체 SHN-W-W의 최대모멘트 값이 가장 클 것으로 예상했으나, 실험결과 실험체 SHN-B-W의 최대모멘트 값이 SHN-W-W의 최대모멘트 값에 비해 3.3% 더 큰 값으로 나타났다. 실험체 SHN-W-W와 SHN-B-W 모두 패널존의 전단내력보다 패널존에 작용하는 전단력이 크게 나타나 패널존의 항복에 의한 파괴형상이 얻어졌으므로 실험강도는 오차범위 안에 있는 것으로 판단된다.
Table 9는 실험체 별 에너지소산 누적량에 따른 비교를 나타내었다. 실험체 SHN-W-W를 100%로 두고 비율을 환산하면 SHN-W-W에 비해 SHN-W-B는 약 13.08%, SHN -B-W는 약 75.98%, SHN-B-B는 약 27.25%, SHN-EP는 약 21.80%의 에너지소산능력을 보였다. 에너지소산능력 누적량 비교 결과 실험체 SHN-W-W, SHN-B-W, SHNB-B, SHN-EP, SHN-W-B의 순서로 에너지소산능력을 발휘하였다.
3% 더 큰 값으로 나타났다. 실험체 SHN-W-W와 SHN-B-W 모두 패널존의 전단내력보다 패널존에 작용하는 전단력이 크게 나타나 패널존의 항복에 의한 파괴형상이 얻어졌으므로 실험강도는 오차범위 안에 있는 것으로 판단된다. 또한 0.
80%의 에너지소산능력을 보였다. 에너지소산능력 누적량 비교 결과 실험체 SHN-W-W, SHN-B-W, SHNB-B, SHN-EP, SHN-W-B의 순서로 에너지소산능력을 발휘하였다.
R_v는 패널존의 전단내력을 나타낸다. 이때 실험체 SHN-W-W와 SHN- B-W의 경우 패널존에 작용하는 전단력(V_u)을 산정하면 각각 711.89kN, 735.94kN으로 패널존의 전단내력보다 패널존에 작용하는 전단력의 값이 크게 나타났고, 파괴양상을 보면 패널존이 항복하여 변형이 생기는 것을 발견 할 수 있었다. 반면 실험체 SHN-W-B, SHN-B-B, SHN-EP의 경우 패널존에 작용하는 전단력(V_u)을 산정하면 각각 325.
인장시험결과 시험체의 항복강도와 인장강도는 규정치(Fy =325MPa, Fu =490MPa) 이상을 모두 만족하고 있는 것으로 나타났다.
접합부 실험체의 반복재하실험 결과를 재료에 따라 분석한 결과 실험체 SHN-W-W, SHN-W-B, SHN-B-W, SHN-B-B, SHN-EP의 회전각이 각각 0.0501, 0.0150, 0.0479, 0.0570, 0.0403(rad)일 때 최대모멘트는 각각 237.50, 131.32, 245.49, 129.36, 182kN･m으로 나타났다.
초기강성 값은 예상한 바와 같이 SHN-W-W가 19.5kN/mm 로 가장 큰 값을 나타냈으며 SHN-EP, SHN-W-B, SHN-B-B, SHN-B-W의 순서로 각각 17.9, 17.4, 14.4, 14.0kN/mm 의 초기강성이 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축구조물에 가장 큰 영향을 미치는 자연재해는 무엇인가?	지진으로 인한 지반운동은 구조체에 횡변형을 일으키며 이로 인해 관성력이 발생하고, 관성력이 구조체에 응력을 발생시켜 지진하중으로 작용한다. 이러한 지진하중은 자연재해 중 건축구조물에 가장 큰 영향을 미친다. 과거 연구에서는 지진하중에 의한 영향에도 모멘트접합골조는 충분한 연성능력으로 강진에 충분한 저항능력을 발휘하는 것으로 간주되었다.
	지진으로 인한 지반운동이 구조체에 미치는 영향은 무엇인가?	지진은 사전에 예측하기 어려운 자연현상으로 최근 그 빈도가 급증하는 추세이다. 지진으로 인한 지반운동은 구조체에 횡변형을 일으키며 이로 인해 관성력이 발생하고, 관성력이 구조체에 응력을 발생시켜 지진하중으로 작용한다. 이러한 지진하중은 자연재해 중 건축구조물에 가장 큰 영향을 미친다.
	모멘트골조접합부 실험체를 설계하기 위하여 무엇을 참고하였는가?	본 연구에서는 건축구조용 압연강재 SHN490(KS D3866) 으로 이루어진 모멘트골조접합부 실험체를 설계하였다. 실험체 설계는 국내 건축구조기준(KBC2009) [4] 과 AISC 내진 기준 [5] 을 참고하였다. 소규모 중･저층 공장건물 및 3층 이하의 저층건물의 경우 경제성의 문제에 의해 보와 기둥의 부재를 동일한 크기로 설계하는 경우가 많다.

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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].

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