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문제 정의
- 반면, 국내에서는 웻지 연결부가 사용되나, 웻지 연결부에 대한 국내 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실험을 통해 국내에서 주로 사용하고 있는 웻지 연결부의 휨 강도와 비선형 회전 강성을 평가하였다. 또한 연결부의 강성 수준을 파악하기 위해 수직재와 수평재를 용접한 경우의 휨강도와 회전강성을 분석하여 결과를 비교 ⋅ 분석하였다.
가설 설정
- d1-2는 LVDT1 과 LVDT2 사이의 거리, d3와 d4는 각각 LVDT3과 연 결부 중심사이의 수직거리, LVDT4와 연결부 중심사이 의 수직거리를 나타낸다. 단, 본 실험에서는 수직재 하단을 고정시키기 위해 환봉을 지그로 사용하였으며, 환봉을 실험시 연결핀이 수직재에 닿는 부분 아래까지 설치하여 연결부 하단의 수직재 수평변위를 제어하였으므로 ∆4=0, d4=0으로 가정하여 회전각도를 계산하였다.
- 10에 나타내었다. 모멘트-회전 곡선에 대한 비선형 강성 모형으로 본 연구에서는 실제 곡선식에 유사한 Tri-linear 모델을 가정하였다. 가정한 Tri-linear의 구간별 강성값과 기준 회전각도의 정의는 Fig.
제안 방법
- 2. 연결부 모멘트-회전 곡선으로부터 비선형 연결부 회전강성에 대한 Tri-linear 모델을 제안하였다. 1회 타격에 대해 제안된 Tri-linear 모델의 첫 번째 구간의 회전강성은 26.
- swt, 0ht, 1ht의 Tri-linear 곡선의 구간별 평균회전강성은 강성변화의 기준이 되는 베타값에 따라 강성의 편화가 지나치게 큰 문제점이 있어 회전 강성은 각 실험체의 평균으로 구한 반면, 구간(β값)은 회전 강성을 가중치를 갖도록 가중산술평균으로 평가하였다.
- 하중에 따른 실험체의 변위와 회전각도를 측정하기 위한 센서로 수직재와 수평재에 변위계 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 설치하였다. 또한, 수평재와 연결부 링에 발생하는 응력을 측정하기 위해 변형률계를 부착하였다. LVDT1과 LVDT2는 수평재에 설치되었으며, LVDT3과 LVDT4는 수직재에 설치되었다.
- 은 클램프 연결부의 회전강성을 Tri-linear 곡선으로 분석하였으며7), Chandrangsu and Rasmussen은 Cuplock 연결부를 대상으로 하중 재하방향과 연결부 개수를 변수로 하여 회전강성을 연구한 결과, Cuplock 연결부의 초기 회전강성 값은 상향으로 하중을 재하할 경우가 가장 큰 것으로 분석하였다8). 또한, 연결부 개수를 매개변수로 분석하여 수평재를 4방향으로 연결한 경우, 3방향으로 연결한 경우, 2방향으로만 연결한 경우의 초기 회전강성을 제안하였다.
- 하중은 200 kN UTM을 사용하여 분당 10 mm로 속도로 재하하였다. 또한, 하중재하 점의 지그를 수평재의 곡률에 맞게 제작하여 하중재하시 수평재의 면외 거동을 방지하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 시스템 동바리 웻지 연결부를 대상으로 실험을 실시하여 연결부의 휨 강도와 비선형 회전강성을 평가하고 수직재와 수평재를 용접한 경우와 비교 ⋅ 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시스템 동바리의 수직재와 수평재 연결부는 3방향회전(Rx, Ry, Rz)강성을 고려할 수 있으나, 실질적으로 고려할 수준의 강성값을 갖는 경우는 수직재-수평재평면의 수직축을 중심으로 회전하는 회전강성(Ry)이므로 Fig. 1과 같이 수직재-수평재 평면의 수직축을 중심으로 회전하는 회전강성을 측정하기 위하여 연직방향으로 하중을 재하하였다.
- 실험에 사용한 실험체는 3가지 유형으로 각 3회 연결부 파괴실험을 실시하였다. 실험체 3가지 유형은 시스템 동바리를 조립할 때 현장에서 권장하는 방법인 수직재와 수평재 연결부의 핀을 망치로 1회 타격한 경우(1ht 실험체)와 연결부 핀을 타격하지 않고 설치한 경우(0ht 실험체)의 성능 차이를 분석하기 위해 실험체를 구분하여 실험을 진행하였다. 또한, 웻지 연결부 휨성능을 강결상태와 비교하기 위해 핀을 Fig.
- 실험체의 변위와 응력상태를 측정하여 연결부가 저항하는 최대 휨모멘트와 거동상태를 분석하였으며, 모멘트-회전각도 관계를 구하여 연결부의 비선형 회전강성을 추정하였다.
- 121)로 분석되었다. 용접을 하지 않은 일반 웻지 연결부의 경우 전체적인 경향은 비슷하며, 1ht와 0ht의 각각의 최대 모멘트는 규칙성이 없는 것으로 판단되어 1ht와 0ht를 하나의 범주인 HT 그룹으로 분류하였다. HT 그룹의 최대 휨모멘트의 범위가 0.
- 하중에 따른 실험체의 변위와 회전각도를 측정하기 위한 센서로 수직재와 수평재에 변위계 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 설치하였다. 또한, 수평재와 연결부 링에 발생하는 응력을 측정하기 위해 변형률계를 부착하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 최대 휨모멘트와 제안 모델의 매개변수값을 측정함에 있어 일반 웻지 연결부 6개, 용접 연결부 3개를 대상으로 실험을 실시하였다. 결과 분석에 있어 실험체의 표준편차가 크므로 연결부의 최대 휨모멘트와 비선형 강성모델을 제안함에 있어 실험의 개수를 추가하여야 하며, 업체별 및 제품별로도 차이가 클 것으로 예상되므로 향후 확률에 기반한 보수적인 추정이 이루어질 계획이다.
- 수직재의 재질은 SGH490(항복강도 365 MPa)을 사용하였으며, 길이 432 mm, 단면치수는 60.5 mm(외경) × 2.6 mm(두께)이다.
- 수평재의 제질은 STK400(항복강도 235 MPa)이며, 길이는 1,468 mm, 단면치수는 42.7 mm(외경) × 2.2 mm(두께)이다.
- 실험에 사용된 연결부 형태는 국내에서 주로 사용되는 웻지 형태를 고려하였다(Fig. 2). 실험에 사용한 실험체는 3가지 유형으로 각 3회 연결부 파괴실험을 실시하였다.
- 2). 실험에 사용한 실험체는 3가지 유형으로 각 3회 연결부 파괴실험을 실시하였다. 실험체 3가지 유형은 시스템 동바리를 조립할 때 현장에서 권장하는 방법인 수직재와 수평재 연결부의 핀을 망치로 1회 타격한 경우(1ht 실험체)와 연결부 핀을 타격하지 않고 설치한 경우(0ht 실험체)의 성능 차이를 분석하기 위해 실험체를 구분하여 실험을 진행하였다.
- 지그는 하단부의 높이 30 mm, 단면치수는 200 mm × 200 mm인 정사각형판(SS400 강재)에 환봉을 용접해 구성하였으며, 환봉의 길이는 370 mm, 지름은 54 mm이다.
데이터처리
- 또한 연결부의 강성 수준을 파악하기 위해 수직재와 수평재를 용접한 경우의 휨강도와 회전강성을 분석하여 결과를 비교 ⋅ 분석하였다.
성능/효과
- 1. 실험에 사용된 웻지 연결부의 최대 휨모멘트는 평균 1.183 kNm(표준편차 0.121)로 분석되었으며, 수평재 끝단을 수직재에 용접 한 경우와 비교할 경우 약 70%의 최대 휨모멘트를 저항할 수 있다고 판단된다. 또한, 연결부 최대 휨모멘트의 범위는 0.
- 연결부 모멘트-회전 곡선으로부터 비선형 연결부 회전강성에 대한 Tri-linear 모델을 제안하였다. 1회 타격에 대해 제안된 Tri-linear 모델의 첫 번째 구간의 회전강성은 26.315 kNm/rad, 두 번째 구간의 회전강성은 5.930 kNm/rad, 세 번째 구간의 회전강성은 2.060 kNm/rad로 평가되었다. 첫 번째 구간의 회전강성을 의미하는 초기 회전강성은 수평재 끝단을 용접한 실험체 초기 회전강성의 66% 수준이라고 판단된다.
- 3. 실험체의 파단 형상과 변형률을 측정한 결과, 웻지 연결부에서는 연결부가 극한상태에 도달하여 실험체가 파괴되었음을 확인할 수 있으므로 연결부 강도가 수직재-수평재 연결 실험체의 파괴 강도를 지배한다고 판단된다. 반면, 연결부를 수직재에 연결한 경우, 연결부가 아닌 하중을 재하한 수평재의 극한거동으로 실험체가 파괴된 것으로 분석되었다.
- HT 그룹의 최대 휨모멘트의 범위가 0.97 kNm∼1.31 kNm로 최대와 최소값이 약 1.351배의 차이가 나타났으며, 평균은 1.183 kNm(표준편차 0.121)로 분석되었다.
- Tri-linear 모델의 첫 번째 구간의 강성을 의미하는 초기 회전강성은 일반 웻지 연결부에서 1ht는 26.315 kNm/rad(표준편차 8.575), 0ht는 16.057 kNm/rad(표준편차 3.057)으로 1ht의 초기회전강성이 0ht보다 약 1.64배 높은 것으로 분석되었으며, 용접을 한 실험체의 평균 초기 회전강성은 71.892 kNm/rad(표준편차 55.361)로 분석되었다. 첫 번째 구간의 회전각도 한계값은 일반 웻지 연결부(1ht)는 0.
- 941 kNm/rad이므로 일반 웻지 연결부 초기 회전강성 중 1ht는 용접한 경우의 약 66%, 0ht는 용접한 경우의 약 40% 수준으로 평가되었다. 또한, 가정한 1ht 실험체의 Tri-linear 모델의 두 번째 구간의 회전 강성은 5.930 kNm/rad, 회전각도 한계값은 0.116 rad로, 세 번째 구간의 회전 강성은 2.060 kNm/rad, 회전각도 한계값은 0.185 rad으로 분석되었다.
- 그러므로 웻지 연결부 실험체의 항복하중은 용접한 실험체의 40% 정도인 것으로 분석되었다. 반면, 최대하중은 웻지 연결부 실험체에서 평균 2,366 N, 용접한 경우 3,340 N로 측정되었으므로 웻지 연결부를 사용한 실험체가 받는 최대하중은 용접한 경우의 약 70%로 평가되었다.
- 본 논문에서 제시한 1ht 실험체의 Tri-linear 모델의 초기 회전 강성은 26.315 kNm/rad이며, 기존 연구 결과들에서 제시한 초기 회전강성의 범위가 약 21 kNm/rad ∼34.34 kNm/rad이므로 본 연구에서 산출된 웻지 연결부의 회전 강성은 적정한 범위에 있다고 판단된다11-13).
- 용접 실험체의 경우, 값이 크게 나온 실험체(swt-1)를 제외하고 유사한 범위인 실험체 2개의 평균은 39.941 kNm/rad이므로 일반 웻지 연결부 초기 회전강성 중 1ht는 용접한 경우의 약 66%, 0ht는 용접한 경우의 약 40% 수준으로 평가되었다. 또한, 가정한 1ht 실험체의 Tri-linear 모델의 두 번째 구간의 회전 강성은 5.
- 361)로 분석되었다. 첫 번째 구간의 회전각도 한계값은 일반 웻지 연결부(1ht)는 0.016 rad이며, 용접을 한 실험체는 0.016 rad로 분석되었다. 각 변수의 평균 분포가 넓은 원인은 실험에 사용된 실험체의 수가 적고 연결핀과 연결부 내부의 마찰력에 의한 강성변화 때문이라고 판단된다.
- 060 kNm/rad로 평가되었다. 첫 번째 구간의 회전강성을 의미하는 초기 회전강성은 수평재 끝단을 용접한 실험체 초기 회전강성의 66% 수준이라고 판단된다.
- 핀 연결 후 타격을 하지 않은 경우,(0ht-1~3 실험체) 초기 회전강성 (K1)의 범위는 12.742 kNm/rad~18.815 kNm/rad로 평가되었으며, 핀 연결 후 1회 타격을 실시한 경우(1ht-1~3 실험체) 초기 회전강성은 18.134 kNm/rad∼35.236 kNm/ rad의 범위를 갖는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 최대 휨모멘트와 제안 모델의 매개변수값을 측정함에 있어 일반 웻지 연결부 6개, 용접 연결부 3개를 대상으로 실험을 실시하였다. 결과 분석에 있어 실험체의 표준편차가 크므로 연결부의 최대 휨모멘트와 비선형 강성모델을 제안함에 있어 실험의 개수를 추가하여야 하며, 업체별 및 제품별로도 차이가 클 것으로 예상되므로 향후 확률에 기반한 보수적인 추정이 이루어질 계획이다.
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