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중심압축하중을 받는 일반구조용 각형강관의 좌굴내력에 관한 연구
양고을 숭실대학교 일반대학원 2009 국내석사
현재 세계적으로 건축물이 고층화, 대형화, 대공간화가 되어 감에 따라 풍·진동하중 및 수평·수직하중의 저항성을 고려한 에너지 흡수 능력과 소성변형능력이 큰 구조시스템의 요구가 증대되고 있다. 브레이스 및 트러스 구조에 사용되는 강관 부재는 다른 형강에 비하여 압축력에 대한 저항성 및 비틀림 강성이 매우 높을 뿐만 아니라, 부재의 중량을 경감할 수 있다는 이점을 갖고 있어 많이 사용되고 있다. 특히 각형강관은 연결부에서 직선 절단 및 용접이 가능하므로 구조물의 제작이 쉬워 구조부재로서의 사용도 높아질 것으로 예상되고 있다. 하지만 2차 가공된 구조용 강관부재에 대한 연구는 진행중으로 구조설계에 대한 체계가 아직 발전단계에 있어 건축물의 압축부재로 사용하기 위해서는 강관의 재료특성에 관한 연구에서부터 구조부재로서의 거동에 관한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서 사용한 일반구조용 각형강관은 냉간 압연된 소폭의 판재를 전기저항의 발열에 의해 용접·제관된 일반구조용 각형강관으로 이에 대한 구조성능을 파악하기 위해서 소재의 기계적 단면 특성을 평가하고, 기둥 좌굴 실험을 계획하여 좌굴내력 및 거동을 파악하였다. 또한 실험을 통해 나온 시험결과를 우리나라 기준식 및 유럽의 ECCS와 미국의 SSRC의 복수강도곡선과의 비교·분석 연구의 결과는 다음과 같다. (1) 인장시험 결과, 일반구조용 각형강관 SPSR 400의 용접부(SEAM) 및 비용접부의 항복강도와 인장강도는 규격값(항복강도=245㎫, 인장강도=400㎫)에 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 모두 규격값보다 1.25∼1.38배 큰 값이었다. (2) 단주 압축시험 결과, 압축항복강도와 최대압축강도를 설계기준강도로 나누어 비교한 결과 단주압축 항복강도가 1.31∼1.54의 내력을 갖고 있음을 확인하였다. (3) 기둥 좌굴 실험 결과, 모든 실험체는 최대내력이후 국부좌굴에 의한 급격한 내력저하가 발생하였다. 좌굴응력은 설계기준강도로 평가하면 구조물 설계시, 안전측으로 설계된다. 다만 이 연구에서의 인장시험 비 용접부 항복강도가 규격값보다 1.25∼1.38배 인 점을 감안하면 매우 염려되는 부분이 발견되었으며 좌굴내력에 있어 구조부재의 압축재로 사용 시 신중한 검토가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구 결과, 일반구조용 각형강관 좌굴응력의 분산이 크게 나타났으며 이는 강관 제관사의 차이에 따른 것으로 사료된다. 또한 실제 구조물의 압축재 설계 시에는 기준곡선을 만족하는 KS 규격값인 설계기준강도를 이용하여 설계해야 하는 것을 확인하였다. Nowadays, great importance have been attributed to functions of structural members in order to control the capacity of energy absorbtion and of variation in plasticity, considering the increasing constrains due to wind load and vibration brought by the skycraperlization and globally increasing size of building and their internal organization. Compared to conventional section steel, steel pipe have shown powerful torsion stiffness and resistance against pressure, justifying their usage in brace and truss. Especially, the capabilities of squared steel pipe to be welded and straightly cut are crucial advantages that ease the construction of structures. This element is thus naturally expected to because an alternative solution for the choice of structural members. However, even though the secondary processes for structural steel pipe has been developed, it has not been yet systemized; hence, we actually need to investigate characteristics from material of composition of steel pipe to behavior of structural members if we intend to integrate it as a compression member for construction. The material used in this study is a squared steel pipe which is first processed by cold-finished method and then welded by electric resistance-induced heat and manufactured. In this study, we applied buckling stress and assessed the behavior of squared steel pipe in order to understand structural performance; we evaluated the characteristics of section and designed column-buckling experiments. The results of this experiment as compared with standards of Korea, European Convention for Constructional Steel work (ECCS) and Structural Stability Research Council (SSRC) are described as follows: (1) According to the coupon test, the yield strength and tensile strength of squared steel pipe largely satisfied standards for both parts of seam and nonseam (yield strength=245MPa; tensile strength:400MPa), and it even was 1.25 to 1.38 times stronger than the standard. (2) According to the Stub-column compression test, we could see that compression yield strength comparing with the result obtained through the coupon test yield strength, buckling strength showed 1.31 to 1.54 times performance of tensile test yield strength and proves that squared steel pipe exhibits regular strength. (3) According to the column buckling test, Buckling strength satisfied Korea standards. These tests assessed the material behavior under realistic constrains and showed that the squared steel pipe has very satisfying performances. As a result of this study, we found that squared steel pipes did not perform consistently during buckling strength test. In consequence, when squared steel pipes are used in a real design of structure, we propose the Korean standard as the preferred standard reference for consistency.
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