[논문]SMA 적용 상·하부 ㄱ형강 CFT 기둥-보 접합부의 내진성능

김주우; 이성주

doi:10.7781/kjoss.2017.29.6.423

SMA 적용 상·하부 ㄱ형강 CFT 기둥-보 접합부의 내진성능
Seismic Performance of Top and Seat Angle CFT Column-to-Beam Connections with SMA 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.29 no.6, 2017년, pp.423 - 434

초록
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본 논문에서는 반복하중을 받는 부분강접 접합부인 상 하부 ㄱ형강 접합부의 이력거동을 구하기 위하여 체계적인 수치해석이 수행되었다. 이러한 상 하부 ㄱ형강 접합부는 CFT 합성골조의 원상복원 및 충분한 에너지 소산 능력을 확보하기 위하여 초탄성 성질을 갖는 형상기억합금(SMA)으로 제작된 봉과 ㄱ형강이 적용된다. 접합부의 회전강성, 휨모멘트 내력 및 파괴모드를 연구하기 위하여 3차원 비선형 유한요소 해석이 수행되었다. 부가적인 다양한 구조적 거동은 ㄱ형강의 두께 및 강봉 게이지 거리로 상 하부 ㄱ형강 접합의 파라미터에 대한 영향을 설명하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper a systematic numerical analysis is performed to obtain the hysteresis behavior of partially restrained top and seat angle connections subjected to cyclic loading. This connection includes superelastic shape memory alloy (SMA) angles and rods in order to secure the recentering capacities as well as proper energy dissipation effects of a CFT composite frame. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the rotational stiffness, bending moment capacity and failure modes. A wide scope of additional structural behaviors explain the different influences of the connection's parameters, such as the various thickness of connection angles and the gage distance of steel and SMA rods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 3차원 비선형 유한요소 해석을 통하여 SMA를 이용한 CFT 합성골조의 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부의 응력분포와 파괴모드를 분석함과 더불어 모멘트-회전각 관계에 근거하여 휨모멘트 내력, 에너지소산 및 복원 능력 등의 구조적 거동을 알아보고자 한다.

가설 설정

접합부 부재들 사이 중에서 콘크리트와 강봉, ㄱ형강과 강봉, 그리고 ㄱ형강과 보 사이의 접촉면은 마찰 거동이 고려되어져야 하며, Table 3에 나타난 바와 같이 이러한 접촉면 은 작용력에 의한 마찰의 방향에 따라서 마찰계수가 다르게 적용되어야 한다. CFT 기둥과 상부 ㄱ형강 사이의 접촉면은 휨모멘트를 받을 경우 다리의 들림 현상으로 인해서 접촉면의 분리를 허용하도록 모델링이 되었으며, ㄱ형강과 볼트, 보와 볼트 사이의 접촉면은 접촉 후에 부재 상호간의 관입이 발생하지 않는다고 가정하였다.
Table 4에서와 같이 CFT 기둥-보 접합부에 사용되는 ㄱ 형강의 길이, 볼트와 강봉의 수, 직경 및 피치거리는 일정하다고 가정하였다. 이에 반해 ㄱ형강 두께 및 강봉 게이지 거리의 변화에 따른 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부의 응력 및 변형 등과 같은 구조적 거동에 대한 경향을 파악하기 위하여, ㄱ형강 두께 tt op를 7mm, 10mm, 13mm로 변화시켰으며, 강봉의 게이지거리 gt는 45mm, 55mm, 65mm로 세 가지 경우를 고려하였다(Table 4 참조).
부분강접 접합부는 힌지접합형식에 일부 보강만으로 수평 강성 확보가 가능하며 사용하중 하에서 강접합과 유사한 거동을 보인다. 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부는 부분강접 접합부의 한 형태로 중‧ 저층 건물에 적합하다. 이러한 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부는 실험적 연구^[2],[3],[4]를 통하여 접합부의 전단, 휨 모멘트 지지능력, 강도 및 강성이 ㄱ형강의 두께와 길이, 볼트의 개수와 직경, 용접 길이와 강도 등에 의하여 주로 영향을 받으며, 이러한 변수들에 따라서 다양한 접합부의 파괴양상을 나타내는 것을 밝혔다.

제안 방법

4의 확대된 ㄱ형강, 볼트, 강봉 및 CFT 기둥의 콘크리트의 유한요소모델로부터 응력집중이 발생될 가능성이 있는 부분에 더욱 세밀한 요소망이 형성 되어있음을 볼 수 있다. CFT 기둥 양쪽 끝단을 고정으로 경계조건을 적용하였으며, 하중은 H형강 보의 자유 단부에 가해지는 변위제어법을 이용하였다. 변위하중은 Fig.
CFT 기둥-보 접합부 해석모델(Table 3 참조)의 모멘트-회전각 이력곡선을 얻기 위하여 Fig. 5와 같은 단조증가 반복하중이력을 적용하였다.
본 연구에서는 반복하중을 받는 CFT 합성골조의 상‧ 하부 ㄱ형강접합부에 초탄성 SMA 재료를 적용하여 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 상 ‧ 하부 ㄱ형강 접합부의 모멘트 내력, 응력분포 및 파괴모드를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
Table 4에서와 같이 CFT 기둥-보 접합부에 사용되는 ㄱ 형강의 길이, 볼트와 강봉의 수, 직경 및 피치거리는 일정하다고 가정하였다. 이에 반해 ㄱ형강 두께 및 강봉 게이지 거리의 변화에 따른 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부의 응력 및 변형 등과 같은 구조적 거동에 대한 경향을 파악하기 위하여, ㄱ형강 두께 tt op를 7mm, 10mm, 13mm로 변화시켰으며, 강봉의 게이지거리 gt는 45mm, 55mm, 65mm로 세 가지 경우를 고려하였다(Table 4 참조).

대상 데이터

이러한 모델링 과정에서 강재의 재료 및 기하학적인 비선형을 지원하는 ANSYS의 3차원 요소인 Solid 185와 CFT 기둥의 콘크리트의 재료적 특성을 갖고 있는 3차원 요소인 Solid 65가 적용되었다. Fig.

이론/모형

Fig. 4 에서와 같이 범용유한요소해석 소프트웨어인 ANSYS^[22]를 이용하여 접합부의 각 부재(즉, 각형강관, 콘크리트, H형강, ㄱ형강, 강봉, 볼트)에 대한 3차원 유한요소모델링이 이루어졌다.
또한, 직경이 22mm(M22)인 F10T 볼트 및 강봉을 체결할 시, 축방향으로 발생되는 프리텐션을 고려해야 한다. 따라서 본 연구의 유한요소 해석모델에서는 현행 기준(KBC2016)에 제시된 200kN의 프리텐션값을 주었다. 상‧ 하부 ㄱ형강을 이용한 CFT 기둥-보 접합부는 각형강관, 콘크리트, ㄱ형강, 볼트 등과 같이 다양한 부재와 재료들로 구성되어 있으므로 이러한 부재들 사이의 상호작용은 매우 다양하게 고려되어야 한다.
7과 같이 DesRoches 등^[24]의 응력-변형률 관계를 이용하였다. 비탄성 범위에 대한 재료적 비선형 해석을 위한 항복기준은 von Mises 항복조건을 사용하였으며, ANSYS에서 von Mises 등가소성응력은 다음 식 (13)과 같이 정의된다.

성능/효과

(1) ㄱ형강의 두께, 폭 및 게이지거리와 같은 기하학적 특성이 동일할 경우, 접합부 전체를 강재로 적용한 경우가 SMA 봉 또는 SMA ㄱ형강을 적용한 접합부보다 초기강성이 더 큰 것으로 나타났다.
(2) 강재로 된 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부에 SMA 봉 또는 SMA ㄱ형강을 적용할 경우 에너지 소산능력은 감소하나, 변형 복원능력은 향상되는 것으로 나타났다. 더욱이, ㄱ 형강에 SMA 재료를 사용할 경우 하중 제거 시 잔류 변형이 거의 발생하지 않아 복원능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
(3) SMA ㄱ형강의 폭, 두께 및 게이지 거리의 변화에 따라 접합부의 에너지 소산능력과 각 부재의 응력분포가 달라지며, 이에 따른 파괴모드 및 변형형상이 달라지나, 이러한 ㄱ형강의 기하학적 변화가 변형 복원능력에 변화를 주지 않는 것으로 나타났다.
0068radian인 SASB 접합부보다 약 7% 복원능력을 향상 시킨 것을 의미한다. SMA ㄱ형강을 사용한 MASB 접합부에서는 하중 제거 시 잔류 회전각이 거의 발생하지 않아 복원 능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
예상한대로 게이지 거리가 작을수록, ㄱ형강의 두께가 클수록 강성이 증가하는 거동을 보인다. 또한, 에너지 소산능력과 변형 복원능력에서 다소 증가 하는 것으로 나타났다.
또한, SASB 접합부에서 가장 크게 에너지가 소산되며, MASB 접합부에서 가장 작게 에너지가 소산되는 것으로 나타났다. 에너지소산 능력의 감소가 비교적 적은 SAMB 접합부의 최대 잔류 회전각은 0.0063radian으로 나타났으며, 이는 최대 잔류 회전각이 0.0068radian인 SASB 접합부보다 약 7% 복원능력을 향상 시킨 것을 의미한다. SMA ㄱ형강을 사용한 MASB 접합부에서는 하중 제거 시 잔류 회전각이 거의 발생하지 않아 복원 능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.

후속연구

Table 6에 동적하중에 대한 27가지의 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 상하부 ㄱ형강 반강접 접합부를 갖는 여러 가지 구조물의 거동을 알아보고 이해하기 위해서는 더욱 다양한 파라미터에 대한 해석적 연구와 이를 검증하기 위한 실험적 연구가 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상‧ 하부 ㄱ형강 접합부는 어디에 적합한가?	부분강접 접합부는 힌지접합형식에 일부 보강만으로 수평 강성 확보가 가능하며 사용하중 하에서 강접합과 유사한 거동을 보인다. 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부는 부분강접 접합부의 한 형태로 중‧ 저층 건물에 적합하다. 이러한 상‧ 하부 ㄱ형강 접합부는 실험적 연구[2],[3],[4]를 통하여 접합부의 전단, 휨 모멘트 지지능력, 강도 및 강성이 ㄱ형강의 두께와 길이, 볼트의 개수와 직경, 용접 길이와 강도 등에 의하여 주로 영향을 받으며, 이러한 변수들에 따라서 다양한 접합부의 파괴양상을 나타내는 것을 밝혔다.
	CFT구조의 장점은?	또한, CFT(Concrete Filled Steel Tube)구조는 원형 혹은 각형단면의 강관내부에 콘크리트를 충전한 구조로 강관과 충전콘크리트의 상호 합성 작용에 의해서 압축 내력을 증가 시켜주며, 콘크리트는 강관의 국부좌굴을 감소 시켜주기 때문에 단면을 증가시키지 않아도 내력을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 이 구조는 강성, 내력, 변형성능, 내화, 시공 등의 측면에서 우수한 특성을 발휘하는 구조시스템 이다. 특히, 반복하중의 작용에 대해서는 우수한 내진성능을 발휘하고 경제성이 우수하며 범용성이 높기에 사용이 증가하고 있는 추세이긴 하나 우리나라에서는 콘크리트 충전성 확보 및 품질 검사 등의 어려움으로 인하여 실무에 많이 적용되는 구조시스템이 아니다.
	형상기억합금이란?	형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 Fig. 1의 응력-변형률 관계[1]에서 보여지는 것과 같이 오스테나이트 상태(austenite phase)와 마르텐자이트 상태(martensite phase)의 상태변화에 의하여 물체의 고유형상을 기억하는 뛰어난 형상기억능력과 초탄성(superelastic) 복원능력을 나타내는 신재료이며, 변형이 발생한 후 원래의 형상으로 복원하는 와이어나 강봉, 또는 댐퍼의 형태로 강구조 건축물에 적용하여 에너지소산능력을 증가시켜 내진성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 진동제어 및 충격흡수와 잔류변형이 없는 변형능력, 모멘트-회전각 능력, 내부식성 등에서 일반 강재보다 우수하다.

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