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문제 정의
- 이러한 연구의 연장선에서 본 연구에서는 현재 국내 기존건축물 중 소규모 철골조 건축물에서 실제 시공되고 있는 기존 약축접합부의 문제점을 파악하고, 소규모 철골조에 적용 가능한 새로운 형식의 약축접합부를 제안하고자 한다. 새로운 형식의 약축방향 접합상세는 보-기둥 접합이 고력볼트의 개수에 따라 어느 정도의 반강접을 발현하지로 설정하였으며, 반복가력 실험을 통해 제안된 접합부의 내진성능을 알아보고자 하였다.
- 이러한 연구의 연장선에서 본 연구에서는 현재 국내 기존건축물 중 소규모 철골조 건축물에서 실제 시공되고 있는 기존 약축접합부의 문제점을 파악하고, 소규모 철골조에 적용 가능한 새로운 형식의 약축접합부를 제안하고자 한다. 새로운 형식의 약축방향 접합상세는 보-기둥 접합이 고력볼트의 개수에 따라 어느 정도의 반강접을 발현하지로 설정하였으며, 반복가력 실험을 통해 제안된 접합부의 내진성능을 알아보고자 하였다.
가설 설정
- 내·외부 플레이트 두께를 산정하기 위해 외부 플레이트의 폭을 보 플랜지 폭과 동일하게 200mm로 가정하고 내부 플레이트의 폭을 80mm로 가정하였다.
제안 방법
- 또한, 장변 및 단변 방향으로 강접합이 사용된 건축물의 경우, 표준접합 상세에 따라 시공되었지만, 일부의 경우 데크플레이트의 시공을 위해 보 상부 플랜지 연결플레이트가 누락된 접합부도 있었으며, 장변 및 단변 방향 모두 핀접합으로 시공된 경우도 있었다. 그밖에 용접 불량 및 볼트 체결 불량 등을 확인하였다. 이는 도면상으로 약축방향 접합부까지 강접을 규정하여도 소규모 건축물의 현장 시공상의 제약성으로 인해 빚어진 한계라고 판단된다.
- 보 웨브, 보 플랜지, 플랜지 연결 플레이트의 변형률을 측정하기 위해 스트레인게이지를 부착하였다. 스트레인 게이지의 부착위치와 변위계(LVDT)의 설치위치는 Fig.
- 보-기둥 약축 접합부의 내진성능을 알아보기 위해 총 3개의 실물크기의 실험체를 대상으로 반복가력 실험을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 국내 소규모 철골조 건축물에서 실제 시공된 보-기둥 약축 접합부에 대한 현황조사를 바탕으로 시공성을 향상시킨 약축접합부 상세를 제안하였으며, 제안된 약 축접합부에 대한 반복가력 실험을 통해 접합부 내진성능을 평가하였다. 실험연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 접합부 설계를 위해 보 플랜지와 내·외부 플레이트는 오직 휨모멘트만 부담하고, 보 웨브 전단접합부는 전단력만 부담하는 것으로 설계하였다.
- 제안된 보-기둥 약축접합부의 강성을 현행 기준과 비교하기 위해 본 연구에서는 목표 회전각 0.00375 rad에서 첫 번째 싸이클의 강성값을 사용하였다. 각 실험체의 강성과 ANSI/AISC 360-10[20]과 EC3에 제시하고 있는 강성과의 비교는 Table 3에 요약되어 있다.
- 첫 번째 스텝(6cycles)은 회전각(θ) 0.00375rad(= 3.75mm), 두 번째 스텝(6cycles)은 0.005rad(5mm), 세 번째 스텝(6cycles)은 0.0075rad(7.5mm), 네 번째 스텝(4cycles)은 0.01rad(10mm), 다섯 번째 스텝(2cycles)은 0.015rad(15mm), 여섯 번째 스텝(2cycles)은 0.02rad(20mm), 그리고 일곱번째 스텝(2cycles)부터는 0.01rad씩 증가시키며 반복가력하였다[17].
대상 데이터
- Fig. 2에서 보이는 바와 같이 WS1, WS2, 그리고 WS3 실험체의 보 플랜지에 각각 2개, 4개, 6개의 고력볼트가 사용되었다. 따라서 연결부 휨내력은 플랜지에 설치된 볼트의 개수에 따라 결정된다.
- H형 기둥과 보는 각각 H-300×300×10×15(mm), H-400×200×8×13(mm)이 사용되었으며, 모든 부재는 공장제작을 위해 SS400 강종이 사용되었다.
- 3(a) 참조). WS1과 WS2 실험체의 수평스티프너는 웨브 두께를 제외한 플랜지 너비의 절반크기로 제작되었으며, WS3 실험체의 경우, 볼트 간격을 고려해 플랜지 너비의 절반보다 큰 연결 플레이트를 사용하였다. WS1, WS2, 그리고 WS3 실험체의 경우, 연결 플레이트의 내민길이는 각각 85, 145, 그리고 205mm이다.
- 플랜지 이음부 소요인장강도를 구하기 위해 소요휨강도(Mu)는 설계휨강도(∅bMn)과 동일하게 적용하였으며, 웨브 접합부 소요전단강도 역시 식 (2)를 사용하여 구하였다. 고력볼트는 M20(F10T)를 사용한다. 그 결과, 보 플랜지에 는 6개의 고력볼트가 필요하며, 웨브 전단접합부에는 3개의 볼트로도 충분한 것으로 나타났다.
- 그 결과, 요구되는 내·외부 플레이트의 두께는 각각 9.54mm와 8.91mm로 나타났으며, 이 연구에서는 접합부의 강도와 강성의 향상을 위해 두께 14mm의 플레이트를 사용하였다.
- H형 기둥과 보는 각각 H-300×300×10×15(mm), H-400×200×8×13(mm)이 사용되었으며, 모든 부재는 공장제작을 위해 SS400 강종이 사용되었다. 기둥의 높이는 2,000mm이고, 보의 길이는 2,050mm, 그리고 기둥 면에서부터 가력점까지의 거리는 1,850mm이다.
- 보 플랜지의 휨변형 측정을 위해 플랜지 연결플레이트 연단으로부터 100mm 떨어진 플랜지 상·하부에 3개씩 총 6개의 스트레인 게이지가 부착되었다.
- Table 1은 재료실험 결과를 보여준다. 실험체에 사용된 강재는 모두 SS400 강종이며, 재료실험을 통해 항복강도, 인장강도, 탄성계수 등이 측정되었다.
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2.6 재료실험
실험체에 사용된 재료의 물성치를 파악하기 위해 주요 부재를 대상으로 KS B 0801(1A호 시험편)[18]에 따라 3개씩 시편을 제작하여 재료실험을 수행하였다. Table 1은 재료실험 결과를 보여준다.
- H형 기둥과 보는 소규모건축물 구조지침[1]에서 제시하고 있는 표준단면치수를 사용하였다. 주요 실험 변수는 보 플랜지 접합에 사용된 볼트 개수이다. H형 기둥과 보는 각각 H-300×300×10×15(mm), H-400×200×8×13(mm)이 사용되었으며, 모든 부재는 공장제작을 위해 SS400 강종이 사용되었다.
이론/모형
- 8은 목표변위별 누적 에너지 소산능력을 나타낸다. 에너지 소산능력은 ACI T1.1-01[19]에 의해 하중-층간변위 곡선에서 목표 변위별 마지막 싸이클의 내부 면적으로 구했다. 누적 에너지 소산능력은 목표변위별 에너지 소산량을 모두 더한 값을 의미한다.
성능/효과
- (1) 보-기둥 접합부에 고력볼트가 8개와 12개가 사용된 WS2와 WS3 실험체의 휨모멘트 강도는 소성모멘트 강도를 초과하는 것으로 나타났다. 반면에, 4개의 볼트가 사용된 WS1 실험체의 강도는 소성모멘트 강도의 약 80% 수준으로 나타났다.
- (2) 모든 실험체는 플랜지 연결플레이트의 연단쪽 보 플랜지 볼트 구멍 주위에서 국부적인 지압파괴와 파단 등이 발생하였다. 이때 플랜지 연결 플레이트는 주목할만한 파괴양상이 발생하지 않았다.
- (3) 현행 구조기준인 ANSI/AISC 360-10과 EC3에서 제시하고 있는 강성과 실험을 통해 구한 강성값을 상호 비교한 결과, 두 기준에 의한 강성 평가 결과는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. ANSI/AISC 360-10을 사용해 강성값을 비교한 결과, WS1과 WS2 실험체는 단순접합 (또는 핀 접합)으로, WS3 실험체는 부분 강접합으로 나타났다.
- (4) 접합부 강도를 비교한 결과, 4개의 볼트를 사용한 WS1과 8개의 볼트를 사용한 WS2 실험체는 부분 강접합 접합부로, 12개의 볼트가 사용된 WS3 실험체는 완전 강접합 접합부의 요구조건을 만족시키는 것으로 나타났다. 아울러, WS3 실험체는 AISC에서 제시하고 있는 특수 모멘트 골조의 요구조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- (5) 본 연구에서 제안하고 있는 보-기둥 약축 접합부의 거동은 수평 스티프너에 연결되는 고력볼트의 개수의 의해 결정되는 것으로 나타났다. 하지만, 웨브 높이와 플랜지 폭이 작은 기둥을 사용할 경우, 접합부에 사용되는 고력볼트의 개수는 제한적으로 사용되어야 할 것으로 판단된다.
- 실험결과, WS1 실험체의 경우(Fig. 6(a) 참조), 강재 보는 소성모멘트에 도달하지 않았으며, WS2와 WS3 실험체는 모두 소성모멘트에 도달한 것으로 나타났다(Figs. 6(b), (c) 참조) 보의 휨저항성능이 소성모멘트에 도달했을 때의 횡하중에 대한 최대 횡하중 값의 비(Mpeak/Mp)는 WS1 실험체의 경우, 정가력일 때 0.
- 6(a) 참조), 강재 보는 소성모멘트에 도달하지 않았으며, WS2와 WS3 실험체는 모두 소성모멘트에 도달한 것으로 나타났다(Figs. 6(b), (c) 참조) 보의 휨저항성능이 소성모멘트에 도달했을 때의 횡하중에 대한 최대 횡하중 값의 비(Mpeak/Mp)는 WS1 실험체의 경우, 정가력일 때 0.79, 부가력일 때 0.85이었고, WS2 실험체는 정부가력일 때 모두 1.25, 그리고 WS3 실험체의 경우, 정가력일 때 1.52, 부가력일 때 1.55를 나타냈다. 이러한 결과는 보 상·하부 플랜지를 연결하는 연결 플레이트의 내민길이가 증가할수록 웨브를 연결하는 연결플레이트에서 발생하는 볼트 구멍에서의 지압파괴를 최대한 지연시킴과 동시에 보 플랜지의 항복은 물론 보 웨브도 항복에 이르렀기 때문으로 판단된다.
- 각 실험체의 강성과 ANSI/AISC 360-10[20]과 EC3에 제시하고 있는 강성과의 비교는 Table 3에 요약되어 있다. ANSI/AISC 360-10[20]에 의해 강성을 비교한 결과, WS3 실험체만이 부분강접합으로 고려될 수 있는 것으로 나타났다. 반면에, EC3에 의한 강성평가는 모든 실험체의 강성값이 기준에서 제시하고 있는 부분강접합일 때의 강성값을 초과하는 것으로 나타났다.
- (3) 현행 구조기준인 ANSI/AISC 360-10과 EC3에서 제시하고 있는 강성과 실험을 통해 구한 강성값을 상호 비교한 결과, 두 기준에 의한 강성 평가 결과는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. ANSI/AISC 360-10을 사용해 강성값을 비교한 결과, WS1과 WS2 실험체는 단순접합 (또는 핀 접합)으로, WS3 실험체는 부분 강접합으로 나타났다. 특히, EC3에서 제시하고 있는 단순접합부에 대한 강성값이 ANSI/AISC 360-10에서 제시하고 있는 값의 1/4에 해당하는 값으로서 모든 실험체 대해 부분 강접합 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- WS2와 WS3 실험체의 경우, 연결 플레이트가 항복한 이후 보 플랜지가 항복했으며, 최종적으로는 보 웨브도 항복하였다. WS2 실험체의 경우, 보 상·하부 연결 플레이트는 층간변위 2% 내외에서 항복하였다.
- 반면에, EC3에 의한 강성평가는 모든 실험체의 강성값이 기준에서 제시하고 있는 부분강접합일 때의 강성값을 초과하는 것으로 나타났다. 각 실험체는 ANSI/AISC 360-10[20]과 EC3에서 제시하고 있는 완전강접합일 때의 강성값에 비해 약 5~11% 수준으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 수행된 실험체 중 WS1과 WS2 실험체는 단순접합 (또는 핀접합)으로, WS3 실험체는 부분 강접합으로 고려될 수 있다.
- 각 실험체별 누적 에너지 소산능력을 비교한 결과, 용접 플레이트의 길이를 기둥 플랜지 폭보다 조금 더 내밀어 보 플랜지와 연결한 WS3 실험체의 에너지 소산능력이 플레이트 길이와 기둥 플랜지 폭이 같은 WS1과 WS2 실험체보다 큰 것으로 나타났다. 회전각 0.
- 02rad일 때 접합부의 모멘트 강도가 보 소성모멘트의 20%이상 100%미만이 되어야 한다고 규정하고 있다. 각 실험체의 보 소성모멘트 강도에 대한 회전각 0.02rad일 때의 모멘트 강도 비는 WS1 실험체는 정․부가력일 때 모두 0.51, WS2 실험체는 정가력일 때 0.52, 부가력일 때 0.75, 그리고 WS3 실험체는 정가력일 때 1.05, 부가력일 때 1.10으로 나타났다.
- 고력볼트는 M20(F10T)를 사용한다. 그 결과, 보 플랜지에 는 6개의 고력볼트가 필요하며, 웨브 전단접합부에는 3개의 볼트로도 충분한 것으로 나타났다. 여기서, 보 웨브 전단접합부의 볼트개수는 실제로 3.
- 모든 실험체는 Fig. 6(d)에서 보이는 바와 같이 접합부 회전각이 0.04rad을 초과하더라도 강도저하 현상은 발생하지 않았으며, 오히려 실험체가 최종파괴 시까지 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 실험결과, 모든 실험체는 특수모멘트 골조에 필요한 변위 요구조건을 만족시키는 것으로 나타났다.
- (1) 보-기둥 접합부에 고력볼트가 8개와 12개가 사용된 WS2와 WS3 실험체의 휨모멘트 강도는 소성모멘트 강도를 초과하는 것으로 나타났다. 반면에, 4개의 볼트가 사용된 WS1 실험체의 강도는 소성모멘트 강도의 약 80% 수준으로 나타났다. 이러한 결과는 플랜지 연결 플레이트의 길이가 상대적으로 짧아 휨모멘트 강도의 대부분이 보 플랜지의 볼트구멍 주위에 집중되어 발생한 것으로 판단된다.
- ANSI/AISC 360-10[20]에 의해 강성을 비교한 결과, WS3 실험체만이 부분강접합으로 고려될 수 있는 것으로 나타났다. 반면에, EC3에 의한 강성평가는 모든 실험체의 강성값이 기준에서 제시하고 있는 부분강접합일 때의 강성값을 초과하는 것으로 나타났다. 각 실험체는 ANSI/AISC 360-10[20]과 EC3에서 제시하고 있는 완전강접합일 때의 강성값에 비해 약 5~11% 수준으로 나타났다.
- 04rad일 때의 접합부 모멘트 강도의 비를 나타낸다. 비교결과, WS3 실험체는 ANSI/AISC 341-10[18]에서 제시하고 있는 특수모멘트 골조의 요구조건을 만족하는 것으로 나타났다. 반면에, WS1과 WS2 실험체는 중간모멘트 골조와 특수모멘트 골조의 요구조건을 모두 만족하지 않는 것으로 나타났다.
- 04rad을 초과하더라도 강도저하 현상은 발생하지 않았으며, 오히려 실험체가 최종파괴 시까지 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 실험결과, 모든 실험체는 특수모멘트 골조에 필요한 변위 요구조건을 만족시키는 것으로 나타났다. 아울러 중간모멘트 골조는 회전각 0.
- 036 rad에서 항복하는 것으로 나타났다. 실험결과, 접합부 설계 시 예상한 파괴모드와 실제 파괴모드는 거의 일치하는 것으로 나타났다.
- 하지만, 접합부의 내력이 충분하지 않을 경우 보 웨브의 항복없이 외부 플레이트 또는 보 플랜지에서의 블록전단파괴가 발생할 수도 있다. 실험체 설계결과, 보 플랜지에 6개의 고력볼트가 필요하므로, 2개와 4개의 고력볼트가 사용된 WS1과 WS2 실험체는 보 웨브가 소성상태에 도달하기 전 외부 플레이트 또는 플랜지의 파괴가 발생할 것이며, 6개의 고력볼트가 사용된 WS3 실험체는 외부 플레이트가 항복한 이후 보 웨브의 휨파괴가 발생할 것으로 판단된다. 이 때, 선형으로 가정된 단면의 변형률 분포를 이용하여 구한 외부 플레이트가 항복강도(Fy=235MPa)에 도달했을 때와 보 플랜지에서 블록전단파괴(Fu=400MPa)가 발생했을 때의 휨강도는 각각 504.
- (4) 접합부 강도를 비교한 결과, 4개의 볼트를 사용한 WS1과 8개의 볼트를 사용한 WS2 실험체는 부분 강접합 접합부로, 12개의 볼트가 사용된 WS3 실험체는 완전 강접합 접합부의 요구조건을 만족시키는 것으로 나타났다. 아울러, WS3 실험체는 AISC에서 제시하고 있는 특수 모멘트 골조의 요구조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- 특히, EC3에서 제시하고 있는 단순접합부에 대한 강성값이 ANSI/AISC 360-10에서 제시하고 있는 값의 1/4에 해당하는 값으로서 모든 실험체 대해 부분 강접합 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 오직 WS3 실험체만이 두 기준의 부분 강접합 요구조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 이후 보 하부 플랜지와 상부 플랜지가 각각 층간변위 –0.032rad과 –0.034rad에서 항복하는 것으로 나타났다.
- 접합부 강도를 비교한 결과, 4개의 볼트를 사용한 WS1과 8개의 볼트를 사용한 WS2 실험체는 부분 강접합 접합부로, 12개의 볼트가 사용된 WS3 실험체는 완전 강접합 접합부의 요구조건을 만족시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 EC3에 의해 평가한 결과와 동일하다.
- ANSI/AISC 360-10을 사용해 강성값을 비교한 결과, WS1과 WS2 실험체는 단순접합 (또는 핀 접합)으로, WS3 실험체는 부분 강접합으로 나타났다. 특히, EC3에서 제시하고 있는 단순접합부에 대한 강성값이 ANSI/AISC 360-10에서 제시하고 있는 값의 1/4에 해당하는 값으로서 모든 실험체 대해 부분 강접합 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 오직 WS3 실험체만이 두 기준의 부분 강접합 요구조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 각 실험체별 누적 에너지 소산능력을 비교한 결과, 용접 플레이트의 길이를 기둥 플랜지 폭보다 조금 더 내밀어 보 플랜지와 연결한 WS3 실험체의 에너지 소산능력이 플레이트 길이와 기둥 플랜지 폭이 같은 WS1과 WS2 실험체보다 큰 것으로 나타났다. 회전각 0.04rad일 때 WS3 실험체의 누적 에너지 소산능력은 WS1과 WS2 실험체에 비해 약 2.38배, 1.69배 정도 향상되는 것으로 나타났으며, 0.06rad일 때는 약 1.94배, 1.59배 정도 향상되는 것으로 나타냈다.
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