외다이아프램 형식을 가지는 강구조 각형강관 기둥-H형 보 접합부의 구조성능에 관한 해석적 연구 = Numerical Analysis on Structural Performance of H-Beam to Rectangular Hollow Section Column Connections with External Diaphragm Type

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 각형강관 기둥의 외다이아프램 모멘트 접합부의 설계변수에 따라 강도를 비교하였다. 현재 외다이아프램 관련 국내 매뉴얼은 AIJ 1990 기준을 인용하고 있으나, 일본은 최근 AIJ 2021로 기준을 개정하여 내력식과 제한범위에 상이하다. 또한 두 기준 모두 일본의 부재 규격을 기반으로 하므로, 현재 국내 기성재 규격을 적용한 유한요소해석을 수행하여 두 제안식의 오차율을 분석하고 국내 적용성을 검토하였다. 신뢰성 검증을 완료한 해석모델을 기반으로 다이아프램 인장 및 접합부 휨 변수 해석을 수행하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
1) 본 연구에서 구축한 유한요소해석 모델의 신뢰성을 검증하기 위해, 선행 연구 의 단조가력 결과와 해석결과를 비교하였다. 그 결과, 핵심 지표인 초기강성의 오차율이 HSS-ND 논다이아프램 접합부 모델에서 4.05%, HSS-TD 관통형 다이아프램 접합부 모델에서 5.26%로 산정되었다. 이는 5% 내외의 높은 정확도로, 본 해석모델이 실험체의 초기 탄성 거동을 검증하였다.
2) 외다이아프램 인장 변수해석을 통해, 외다이아프램 형식 접합부의 내력이 기둥의 폭두께비에 지배적인 영향을 받음을 확인하였다. 현행 국내 매뉴얼이 인용 하는 AIJ 1990 식은 이러한 강관의 영향을 적절히 반영하지 못하여, 기둥의 조기 국부항복이 발생하는 모델(□-400x400x9)에서 최대 46.16%, 평균 31.39%의 높은 오차율을 보였다. 반면, AIJ2021 식은 강관의 국부좌굴 영향을 일부 반영하여 평균 오차율이 21.84%로 감소하였으나, 여전히 해석결과와는 차이가 존재하였다.
3) 외다이아프램 형식 보-기둥 접합부 해석을 통해, 기존 외다이아프램 상세가 다 이아프램의 꺾인 모서리 및 보-다이아프램 용접부 등에 심각한 응력집중이 발생하는 근본적인 취약점을 가지고 있음을 확인하였다. 이는 접합부의 취성파단 가능성을 내포하므로, 응력완화를 위한 상세 개선이 시급함을 시사한다. 한편, 휨 내력에 대한 설계식 오차율은 인장 해석보다 전반적으로 감소하였으며, AIJ 2021 평균 13.59%이 AIJ 1990 평균 26.96%보다 휨 거동 예측에 더 적합한 것으로 나타났다.
4) 본 연구에서는 외다이아프램 접합부의 항복 내력을 정밀하게 예측하기 위해, 실제 항복선의 기하학적 경로를 반영한 수정 제안식을 도출하였다. 제안식의 타당성을 검토한 결과, 단순 인장 해석 및 보-기둥 접합부 해석에서 각각 12.31%, -9.78%의 평균 오차율을 기록하여 기존 AIJ 설계식 대비 해석결과에 가장 근접한 예측 성능을 나타냈다. 특히 변동계수(C.O.V.)가 8.12~8.44% 수준으로 산출되어 기하학적 변수 변화에 관계없이 우수한 설계 일관성을 확보하였다. 다만, 보-기둥 접합부 모델의 경우 전체적으로 비보수적인 예측 경향을 나타냈으며, 일부 극한조건에서의 내력 과대평가에 대해서는 향후 보정계수 도입을 통한 보완이 필요할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ.서론 1
• 1.1.연구 배경 1
• 1.2.연구 목적 및 방법 3
• Ⅱ.이론적 고찰 5
• 2.1.각형강관 기둥-보 접합부의 형식 5
• 2.2.국내 채택 설계식과 AIJ2021 설계식 8
• 2.3.용접부에 대한 고찰 23
• 2.3.1.파괴형식의 특징 23
• 2.3.2.국내 용접상세 25
• 2.3.3.외다이아프램의 용접부 대안상세 26
• Ⅲ.유한요소해석 28
• 3.1.신뢰성 해석 28
• 3.1.1.선행 실험연구 28
• 3.1.2.해석사용 프로그램 33
• 3.1.3.해석물성치와 경계조건 34
• 3.1.4.실험결과와 해석결과 비교 39
• 3.2.외다이아프램 인장 해석 42
• 3.2.1.외다이아프램 인장 해석모델 경계조건 43
• 3.2.2.외다이아프램 인장 해석변수 46
• 3.2.3.외다이아프램 인장 해석결과 50
• 3.3.외다이아프램 형식 보-기둥 접합부 해석 61
• 3.2.1.외다이아프램 형식 보-기둥 접합부 해석모델 경계조건 61
• 3.2.2.외다이아프램 형식 보-기둥 접합부 해석결과 63
• Ⅳ.결론 75
• Ⅴ.참고 문헌 77
• ABSTRACT 79