각형강관 기둥을 이용한 모멘트 접합부는 주로 관통형 다이어프램 형식으로 사용되고 있으나, 제작 및 시공과정이 복잡하여 적용하는데 어려움이 있다. 본 연구에서 제안하는 강구조물 시스템은 단위 유닛 모듈(각형강관 기둥, H형강 보, 원웨이 볼트)을 현장으로 반입하여 볼트조립만으로 완성되는 것이다. 따라서 이 연구에서는 내부보강판의 길이, 내부보강판의 형상을 변수로 설정하여 제안된 기둥-보 접합부의 내력 및 강성, 연성능력, 에너지 소산능력을 비교 분석하여 제시된 강구조물 시스템을 평가하였다.
각형강관 기둥을 이용한 모멘트 접합부는 주로 관통형 다이어프램 형식으로 사용되고 있으나, 제작 및 시공과정이 복잡하여 적용하는데 어려움이 있다. 본 연구에서 제안하는 강구조물 시스템은 단위 유닛 모듈(각형강관 기둥, H형강 보, 원웨이 볼트)을 현장으로 반입하여 볼트조립만으로 완성되는 것이다. 따라서 이 연구에서는 내부보강판의 길이, 내부보강판의 형상을 변수로 설정하여 제안된 기둥-보 접합부의 내력 및 강성, 연성능력, 에너지 소산능력을 비교 분석하여 제시된 강구조물 시스템을 평가하였다.
A through diaphragm is often used to ensure their stiffness for moment-resisting connections using rectangular steel-tube column and H-shaped beam. The through-diaphragm connections, however, have some difficulties for their applicabilities to the field due to the complexity of the fabrication and c...
A through diaphragm is often used to ensure their stiffness for moment-resisting connections using rectangular steel-tube column and H-shaped beam. The through-diaphragm connections, however, have some difficulties for their applicabilities to the field due to the complexity of the fabrication and construction processes. This study thus proposes a new modular system of steel structures assembled only using bolts without welding, by bringing a connection module composed of rectangular steel-tube column, H-shaped beam and oneway bolt onto the site. An experimental study to evaluate the seismic performance of the proposed connection details based on the new modular system is then conducted. The length and type of the inner reinforcement plate are considered as the primary design parameters, and the strength, stiffness, ductility and energy dissipation capability of the new connections are experimentally analyzed by comparison to those of conventional through diaphragm connections.
A through diaphragm is often used to ensure their stiffness for moment-resisting connections using rectangular steel-tube column and H-shaped beam. The through-diaphragm connections, however, have some difficulties for their applicabilities to the field due to the complexity of the fabrication and construction processes. This study thus proposes a new modular system of steel structures assembled only using bolts without welding, by bringing a connection module composed of rectangular steel-tube column, H-shaped beam and oneway bolt onto the site. An experimental study to evaluate the seismic performance of the proposed connection details based on the new modular system is then conducted. The length and type of the inner reinforcement plate are considered as the primary design parameters, and the strength, stiffness, ductility and energy dissipation capability of the new connections are experimentally analyzed by comparison to those of conventional through diaphragm connections.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내 중소기업에서 개발한 원웨이 볼트(oneway bolt)와 내부보강판을 활용한 신형상 내진접합부를 제안하고, 내진성능을 실험적으로 평가하였다. 또한 내부보강판 형상의 변수를 3가지로 설정하여 접합부에 대해 반복 가력 실험을 수행한 후, 각 접합부의 내진성능을 분석하였다.
이 연구에서는 내부보강판을 갖는 각형강관 기둥-H형강 보 접합부를 제안하고 구조성능을 실험적으로 평가하였다. 총 4개의 실험체에 대해 반복가력실험을 수행하였다.
제안 방법
각 실험체의 탄성 강성을 살펴보았다. 이를 위해 실험체별 하중-변위 관계에서 +방향과 –방향의 항복하중에서의 하중 을 변위로 나누어 평균값을 초기강성으로 산정하였다.
각형강관 기둥-H형강 보 실험체별 에너지소산능력을 평가하였다. 이를 위해 ACI T1.
09rad까지 구조적인 거동 을 확인하고자 1,000kN급 엑츄이에터를 사용하였다. 기둥 상․하단 힌지 경계조건을 구성하기 위하여 H형강을 설치한 후, 각형강관 기둥을 하중전달이 연속되도록 이에 연결하였다. 기둥 중앙에서 가력점까지의 거리는 2,500mm이다.
엔드플레이트 모멘트접합부의 경우 AISC 358-16[9]에 인증된 내진접합부이지만, 지침에 제시된 접합부는 H형강 기둥으로만 구성되어 있다[10]. 따라서 폐단면인 각형강관 기둥에 엔드플레이트를 연결하기 위해서는 일반적인 고장력볼트와 너트의 사용이 어렵기 때문에, 이 연구에서는 원웨이 볼트(oneway bolt)와 원웨이 너트(oneway nut)를 사용하였다. 제안한 각형강관 기둥 볼트접합부 상세는 다음과 같은 특징을 갖는다.
따라서 본 연구에서는 국내 중소기업에서 개발한 원웨이 볼트(oneway bolt)와 내부보강판을 활용한 신형상 내진접합부를 제안하고, 내진성능을 실험적으로 평가하였다. 또한 내부보강판 형상의 변수를 3가지로 설정하여 접합부에 대해 반복 가력 실험을 수행한 후, 각 접합부의 내진성능을 분석하였다.
에 따라 가력하였으며, 각형강관 기둥 중앙에서 가력점까지의 거리를 기준으로 층간변위각을 산정하여 이를 기준으로 변위제어 하였다. 반복하중 가력은 Fig. 6과 같이 층간변위비를 기준으로 0.375%, 0.5%, 0.75%일 때 각각 6회, 1%일 때 4회, 1.5%이 상의 경우 2회씩 반복하중 가력을 실시하였다.
본 연구에서 제안하는 각형강관 기둥 내진접합부는 일종의 엔드플레이트 모멘트 접합부라 할 수 있다. 엔드플레이트 모멘트접합부의 경우 AISC 358-16[9]에 인증된 내진접합부이지만, 지침에 제시된 접합부는 H형강 기둥으로만 구성되어 있다[10].
우선, 비교를 위해 일반적으로 현장에서 사용되고 있는 관통형 다이아프램 접합부(TD) 1개를 계획하였다. 신형상 접합부는 내부보강판 길이와 형상이 다른 3개의 실험 체(IP-L, IP-S, IA-S)로 계획하였다. 신형상 접합부 형상은 기둥과 접하는 보의 상하부 플랜지에 스티프너를 설치한 엔드플레이트 접합부 형상이다.
실험에서 사용된 강재의 기계적 성질을 알아보기 위해 인장시편 규준[12],[13]에 따라 각 3개씩의 인장 시험편을 절취하여 인장시험을 수행하였다. 본 실험에서 사용된 재료는 각형강관 9mm SPSR400 강재, H형강 플랜지 9mm와 웨브 6mm, 내부보강판․ 다이아프램 9mm, 엔드플레이트 16mm의 SS400 강재이다.
각형강관 기둥-H형강 보 실험체별 에너지소산능력을 평가하였다. 이를 위해 ACI T1.1-01[17]에서 제시된 방법으로 실험체 힘-변위 관계의 내부면적인 소산에너지를 각 하중단계 별로 산정하고 누적하였다. 사이클별 누적 에너지와 총 누적 에너지를 실험체별로 Figs.
이를 위해 실험체별 하중-변위 관계에서 +방향과 –방향의 항복하중에서의 하중 을 변위로 나누어 평균값을 초기강성으로 산정하였다.
총 4개의 실험체에 대해 반복가력실험을 수행하였다. 제안 접합부는 각형강관 기둥 내부에 내부보강판 길이(IP-L, IP-S) 및 형상(IA-S)을 변수로 하였고, 기존의 관통형 다이아프램 접합부(TD)와 비교하였다.
이 연구에서는 내부보강판을 갖는 각형강관 기둥-H형강 보 접합부를 제안하고 구조성능을 실험적으로 평가하였다. 총 4개의 실험체에 대해 반복가력실험을 수행하였다. 제안 접합부는 각형강관 기둥 내부에 내부보강판 길이(IP-L, IP-S) 및 형상(IA-S)을 변수로 하였고, 기존의 관통형 다이아프램 접합부(TD)와 비교하였다.
한편 소성변형성능을 보다 자세히 살펴보았다. 연성계수를 Park, R(1998)[16]가 제안한 극한회전각 대항복회전각의 비로 정의하였다.
대상 데이터
각형강관 기둥 - H형강 보 내진접합부 실험체 총 4개를 계획하였다. 우선, 비교를 위해 일반적으로 현장에서 사용되고 있는 관통형 다이아프램 접합부(TD) 1개를 계획하였다.
각형강관 기둥(-200×200×9)은 SPSR400 강재를 사용하였고, H형강 보(H-250×125×6×9)는 SS400 강재를 사용하여 정밀하게 제작하였다.
에 따라 각 3개씩의 인장 시험편을 절취하여 인장시험을 수행하였다. 본 실험에서 사용된 재료는 각형강관 9mm SPSR400 강재, H형강 플랜지 9mm와 웨브 6mm, 내부보강판․ 다이아프램 9mm, 엔드플레이트 16mm의 SS400 강재이다. 각 시험편의 시험결과 항복강도, 인장강도, 연신율의 평균값을 Table 2에 정리하였다.
각형강관 기둥 - H형강 보 내진접합부 실험체 총 4개를 계획하였다. 우선, 비교를 위해 일반적으로 현장에서 사용되고 있는 관통형 다이아프램 접합부(TD) 1개를 계획하였다. 신형상 접합부는 내부보강판 길이와 형상이 다른 3개의 실험 체(IP-L, IP-S, IA-S)로 계획하였다.
5에서 보는 바와 같이 기둥 상․하단을 힌지 상태로 유지하고, 보 단부에 1,000kN급의 엑츄에이 터를 설치하였다. 층간 변위각 0.09rad까지 구조적인 거동 을 확인하고자 1,000kN급 엑츄이에터를 사용하였다. 기둥 상․하단 힌지 경계조건을 구성하기 위하여 H형강을 설치한 후, 각형강관 기둥을 하중전달이 연속되도록 이에 연결하였다.
이론/모형
하중은 ANSI/AISC 341-10의 반복가력이력[11]에 따라 가력하였으며, 각형강관 기둥 중앙에서 가력점까지의 거리를 기준으로 층간변위각을 산정하여 이를 기준으로 변위제어 하였다. 반복하중 가력은 Fig.
성능/효과
(1) 이 연구에서 제안하는 접합부 모두TD실험체와 비교하여, 탄성(초기)강성과 최대내력이 동등 이상으로 나타났다.
(2) 제안 접합부 모두 0.07rad 회전각까지 안정적인 탄소성 거동을 보였다. 제안 접합부는 건축구조기준 및 AISC 내진규정에서 요구하는 특수모멘트골조의 0.
(3) 연성능력과 에너지소산능력도 제안 접합부가 기존 관통형 다이아프램 접합부에 비해, 연성능력은 약 1.5~1.8배,에너지소산능력은 약 2.9~4.6배로 나타났다. 이를 통해 제안 접합부는 우수한 연성능력과 에너지소산능력을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
(4) 제안 접합부에서 ㄱ형강 내부보강판(IA-S실험체)을 적용한 접합부가 초기강성, 최대내력, 연성능력, 에너지 소산능력에서 모두 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한 플레이트 내부보강판을 적용할 경우 길이가 긴 접합부 (IP-L 실험체)가 보다 우수한 것으로 확인되었다.
Table 4는 각 실험체별 항복회전각과 극한회전각의 비를 적용한 연성계수를 나타낸 것이다. IP-L실험체의 경우 TD실험체에 대비 연성능력이 약 75% 향상된 것으로 나타나고 있으며, IP-S, IA-S실험체는 TD실험체 대비 약 49%, 84% 향상된 연성능력이 확인되었다.
이를 위해 실험체별 하중-변위 관계에서 +방향과 –방향의 항복하중에서의 하중 을 변위로 나누어 평균값을 초기강성으로 산정하였다. TD 실 험체 초기강성 대비 IP-L 실험체 초기강성은 1.02배, IP-S 실험체 초기강성은 0.84배, IA-S 실험체 초기강성은 0.99 배 확보하는 것으로 나타났다. 이를 통해 내부보강판 길이와 ㄱ형강의 구속력이 초기강성 증가에 영향을 미치는 사실을 확인하였다.
06배로 나타났다. ㄱ형강 보강 실험체 IA-S실험체는 각형 강관 4면의 구속 및 원활한 힘의 흐름으로 인하여 정방향 가력 시 60.52kN의 최대내력으로 TD실험체의 정방향 최대내력 (51.29kN)에 비해 1.18배로 나타났다. 최대내력 측면에서 내 부보강판이 플레이트보다는 ㄱ형강이 우수하고, 내부보강판 길이가 길수록 우수함을 확인할 수 있다.
각 실험체의 회전각별로 누적에너지를 비교한 결과, IA-S 실험체의 총 누적 에너지 소산 능력이 TD실험체, IP-L실험 체, IP-S실험체보다 높은 것으로 나타났다. 회전각 0.
91kN․m) 중에서 TD실험체가 가장 높은 것으로 나타내고 있다. 그러나 각 실험체별 총 누적 에너지 소산 능력에서 는 IP-L실험체(50.9kN․m), IP-S실험체(45.2kN․m), IA-S 실험체(80.5kN․m)가 TD실험체 대비 190%, 157%, 358%의 소산능력이 나타났다.
8은 각 실험체의 반복가력 실험 결과를 단조화 형상 곡선으로 근사화하여 하중-변위 관계로 나타낸 것이다. 내 부보강판을 길게 증가시킨 IP-L실험체의 정방향 최대내력 (58.13kN)은 관통형 다이아프램 형식의 TD실험체의 정방향 최대내력(51.29kN)에 비해 1.13배이고, 길이가 짧은 내부보 강판 실험체인 IP-S실험체의 정방향 최대내력(54.46kN)의 최대내력은 TD실험체의 정방향 최대내력(51.29kN)에 비해 1.06배로 나타났다. ㄱ형강 보강 실험체 IA-S실험체는 각형 강관 4면의 구속 및 원활한 힘의 흐름으로 인하여 정방향 가력 시 60.
8Mp이상을 유지하여야 하는 특수모멘트골조의 변형능력 요구조건을 만족시킨다. 따라서, 이 연구에서 제안하는 내부보강판을 갖는 각형강관 기둥-H 형강 보 접합부는 특수모멘트골조 로서의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
최대내력 측면에서 내 부보강판이 플레이트보다는 ㄱ형강이 우수하고, 내부보강판 길이가 길수록 우수함을 확인할 수 있다. 또한 내부보강판을 사용한 제안 접합부가 관통형 다이아프램 접합부보다 큰 최 대내력을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
(4) 제안 접합부에서 ㄱ형강 내부보강판(IA-S실험체)을 적용한 접합부가 초기강성, 최대내력, 연성능력, 에너지 소산능력에서 모두 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한 플레이트 내부보강판을 적용할 경우 길이가 긴 접합부 (IP-L 실험체)가 보다 우수한 것으로 확인되었다. 이는 내부보강판으로 보다 많은 구속을 할 경우, 각형강관 기 둥의 플랜지의 변형 방지와 인장력에 저항에 유리하기 때문으로 판단된다.
이를 통해 내부보강판 길이와 ㄱ형강의 구속력이 초기강성 증가에 영향을 미치는 사실을 확인하였다. 실험결과, 내부보강판이 긴 IP-L과 ㄱ형강인 IA-S의 초기강성이 내부보강판이 짧은 IP-S의 초기강성에 비해 증가됨을 확인하였다. 그 이유는 내부보강판이 길거나 ㄱ형강인 경우, 각형강관 기둥면의 국부적 변형을 상대적으로 제한하여 초기강성이 증가된 것으로 판단된다.
99 배 확보하는 것으로 나타났다. 이를 통해 내부보강판 길이와 ㄱ형강의 구속력이 초기강성 증가에 영향을 미치는 사실을 확인하였다. 실험결과, 내부보강판이 긴 IP-L과 ㄱ형강인 IA-S의 초기강성이 내부보강판이 짧은 IP-S의 초기강성에 비해 증가됨을 확인하였다.
6배로 나타났다. 이를 통해 제안 접합부는 우수한 연성능력과 에너지소산능력을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
07rad 회전각까지 안정적인 탄소성 거동을 보였다. 제안 접합부는 건축구조기준 및 AISC 내진규정에서 요구하는 특수모멘트골조의 0.04rad 회 전각 성능을 만족하는 것으로 나타났다.
18배로 나타났다. 최대내력 측면에서 내 부보강판이 플레이트보다는 ㄱ형강이 우수하고, 내부보강판 길이가 길수록 우수함을 확인할 수 있다. 또한 내부보강판을 사용한 제안 접합부가 관통형 다이아프램 접합부보다 큰 최 대내력을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
그 이유는 내부보강판이 길거나 ㄱ형강인 경우, 각형강관 기둥면의 국부적 변형을 상대적으로 제한하여 초기강성이 증가된 것으로 판단된다. 한편, IPS와 같이 내부보강판이 짧으면, 기둥면 국부적 변형이 초기부터 발생하여 초기강성 저하를 야기시킬 수 있으므로 이를 설계에 고려해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
각형강관 기둥을 이용한 모멘트 접합부는 어떤 형식으로 사용되어지는가?
각형강관 기둥을 이용한 모멘트 접합부는 주로 관통형 다이어프램 형식으로 사용되고 있으나, 제작 및 시공과정이 복잡하여 적용하는데 어려움이 있다. 본 연구에서 제안하는 강구조물 시스템은 단위 유닛 모듈(각형강관 기둥, H형강 보, 원웨이 볼트)을 현장으로 반입하여 볼트조립만으로 완성되는 것이다.
각형강관 기둥을 이용한 모멘트 접합부의 단점은 무엇인가?
각형강관 기둥을 이용한 모멘트 접합부는 주로 관통형 다이어프램 형식으로 사용되고 있으나, 제작 및 시공과정이 복잡하여 적용하는데 어려움이 있다. 본 연구에서 제안하는 강구조물 시스템은 단위 유닛 모듈(각형강관 기둥, H형강 보, 원웨이 볼트)을 현장으로 반입하여 볼트조립만으로 완성되는 것이다.
각형강관 기둥-H형강 보 접합부의 문제점은 무엇인가?
각형강관 기둥-H형강 보 접합부는 일반적으로 하중 전달이 명확하다는 장점으로 인해 다이아프램 형식이 사용된다. 특히 관통형 다이아프램 접합부 형식이 주로 사용되고 있는데, 복잡한 상세로 인해 제작 및 현장 적용이 어렵다. 또한 용접 성능이 확보되지 않은 경우, 보와 기둥간의 하중전달에 영향을 주며 응력집중으로 인한 취성파괴가 발생할 수 있다. 이에 접합부 용접을 최소화 할 수 있는 새로운 형상의 각형강관 기둥-H형강 보 접합부 상세 개발이 필요한 실정이다.
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