고력볼트를 이용한 콘크리트 充塡 角形鋼管기둥-H形鋼보 接合部의 擧動 = Behavior of H-beam to concrete filled tubular column connections using high-strength bolts

국문 초록 (Abstract)

철골조 건축물에 있어서 기둥부재로는 H형강을 주로 사용하였지만, 이와 같은 단면의 형태는 외력작용시 횡좌굴(橫挫屈)이나 휨비틀림좌굴과 같은 면외불안정현상이 문제점으로 나타나고 있어, 최근에는 H형 단면보다는 비틀림 강성(剛性)이 뛰어난 각형강관에 관한 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 각형강관에 콘크리트를 충전하게 되면, 충전된 콘크리트는 강관의 구속효과(拘束效果)에 의해 일반 콘크리트 기둥보다 훨씬 높은 강도(强度)가 기대된다. 한편 각형강관은 판 요소의 국부좌굴 및 부가 휨에 의한 면내불안정현상을 보이고 있지만, 폐쇄형 단면이기 때문에 이와 같은 판 요소의 국부좌굴에 대한 보강이 어렵다. 이에 대한 대책으로 외다이아프램, 내다이아프램, 관통형다이아프램 등과 같은 보강판을 패널부에 사용하고 있다. 그러나 다이아프램을 이용한 보강방법은 접합부를 형성하기 위해 다이아프램과 주부재(기둥 또는 보)사이에 필수적으로 용접을 요하는데, 이와 같은 용접은 우수한 용접기술자의 확보도 어렵고, 또 인건비의 상승 등으로 인한 시공비용증가의 원인이 된다. 또한, 노스리지 지진으로 문제가 된 기둥-보 접합부에 있어서 플랜지 용접접합부에서 100개이상의 파괴 예가 관찰된 바가 있으며, 이것은 깨어질지도 모르는 플랜지 용접접합 근방에서 에너지를 흡수하는 것보다도, 다소 강도 및 강성(剛性)은 떨어져도 앵글 등과 같은 철물의 휨으로 에너지를 흡수하게 하는 편이 보다 안전한 접합형식이 될 수 있을지 모른다.
따라서 접합부가 충분한 내력(耐力)과 강성을 가지면서도 특별한 기술 없이도 현장에서 작업이 가능하고 품질관리가 용이한 고력볼트를 이용한 접합부의 개발이 주된 관심사로 대두되고 있다. 고력볼트를 이용한 H형강 기둥-보 접합부에 대한 연구는 이미 많은 연구가 이루어져 다양한 형태의 접합형식이 개발되어 실용화 되고 있다.
본 연구의 목적은 이러한 배경 및 문제점을 고려하여 시공적인 측면이나 경제적인 측면에서 철골구조의 적용이 다소 어려웠던 중층규모의 건축물에 철골구조를 도입하기 위한 기둥-보 접합부 형식의 개발과 설계방법의 제시이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 고력볼트를 이용한 3가지 형식의 접합부 실험을 통하여 초기강성, 내력, 변형능력 및 파괴형상을 비교 검토하여 접합부의 강성 과 내력에 영향을 주는 주요 변수를 파악하고, 실험결과에 근거하여 수치해석을 통한 초기강성 평가식과 항복선 이론 및 이론해석을 통해 최대내력 예측식을 제시하고, 접합부의 모멘트-회전각 관계의 예측 모델을 제시하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다.
제1장에서는 연구배경 및 목적을 기술하고 있으며, 기존 연구를 고찰하고 연구의 범위 및 방법을 설정한다. 제2장에서는 고력볼트를 이용한 세 가지 형태의 기둥-보 접합부에 대한 시험체 계획 및 실험결과를 수록하였으며, 실험변수에 대한 영향을 평가하였다. 실험결과로부터 수치해석을 이용한 초기강성 실험식과 항복선 이론을 이용한 내력 평가식을 기술하고 있다. 또한 접합부 형식별 비교를 통하여 관통형 고력볼트를 이용한 엔드플레이트 형식 접합부의 거동(擧動)이 가장 안정적인 것으로 파악되었다. 제3장에서는 앞서 수행된 접합부 형태 중 가장 안정적인 거동과 시공이 간편한 관통형 고력볼트를 사용한 엔드플레이트 형식 접합부의 보완 실험이 수행되었다. 앞선 실험결과에 따르면 접합부의 내력과 초기강성은 엔드플레이트의 강성과 볼트의 강성 비에 영향을 받고 있는 것으로 나타났으며, 실험결과를 근거로 하여 수정된 초기강성 실험식과 수정 T-stub모델을 이용하여 내력평가식을 제시하고 있다. 내력평가식은 실험결과를 비교적 정확히 예측하고 있다. 또 일본과 유럽의 규준 및 기존의 이론식과의 비교분석을 통해 비대칭 볼트 배열에 대한 적용성 타당여부를 검토하였다. 볼트의 대칭 배열을 근거로 하고 있는 기존의 규준 및 이론식은 실험결과와 다소 차이를 나타내고 있었으며, 특히 얇은 엔트플레이트에 대한 내력은 지나치게 낮게 평가되고 있다. 이는 얇은 엔드플레이트의 내력평가가 볼트 파단에 대한 고려 없이 단순히 판의 전소성모멘트에 근거하고 있기 때문이라고 사료된다. 제4장에서는 실험결과에 근거하여 관통형 고력볼트를 사용한 엔드플레이트 형식 접합부에 대해 볼트의 비대칭성과 볼트 파단을 고려한 등가 T-stub모델을 제시고 있으며, 이 모델로부터 볼트파단시의 접합부 최대내력 및 모멘트-회전각 관계를 예측하고 실험결과와 비교하였다. 수정된 등가 T-stub 모델은 실험결과를 비교적 정확히 평가하고 있다. 또한 유한요소해석을 실시하여 고력볼트를 이용한 엔드플레이트 접합부의 모델링 기법을 제시하고 있다. 제5장에서는 수평하중 작용시의 접합부의 거동을 파악하기 위하여 역대칭 반복가력 실험을 수행하고, 실험결과를 근거로 접합부의 이력거동과 복원력 특성 및 에너지흡수능력에 대한 변수의 영향을 파악하였다. 또한 von Mises 항복조건을 이용한 강재부분의 전단내력과 수정 Strut로부터 구한 콘크리트 부분의 전단내력을 단순누가(單純累加) 하는 방법으로 실험결과와 비교하였다. 이와 같은 방법으로 얻은 전단력과 전단력-변형각 관계는 실험결과와 좋은 대응을 보이고 있다. 제6장에서는 이상과 같은 실험 및 해석을 통하여 얻어진 결과를 정리하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.1.1 연구 배경 1
• 1.1.2 연구목적 3
• 1.2 연구 내용 및 방법 4
• 1.2.1 연구 범위 4
• 1.2.2 연구 내용 5
• 1.2.3 연구 방법 6
• 1.3 기존 연구 및 규준식 10
• 1.3.1 T-stub 및 엔드플레이트 10
• 1.3.2 접합부 패널의 거동 27
• 제 2 장 고력볼트를 사용한 기둥-보 접합부의 실험 39
• 2.1 실험개요 39
• 2.1.1 실험목적 39
• 2.1.2 시험체 계획 39
• 2.1.3 가력 및 측정 방법 45
• 2.1.4 실험에 필요한 기자재 46
• 2.2 실험 결과 47
• 2.2.1 소재시험결과 47
• 2.2.2 단순가력 실험결과 49
• 2.3 강성 및 내력의 평가 59
• 2.3.1 관통형고력볼트를 이용한 엔드플레이트형식 접합부 59
• 2.3.2 두께중복형식 접합부 66
• 2.3.3 앵글형식 접합부 74
• 2.4 접합부의 분류 80
• 2.4.1 반강 접합부의 의미 80
• 2.4.2 관통형 고력볼트를 사용한 엔드 플레이트형식 접합부 86
• 2.4.3 고력볼트를 사용한 두께중복형 엔드 플레이트형식 접합부 88
• 2.4.4 고력볼트를 사용한 앵글형식 접합부 89
• 2.5 소 결 91
• 2.5.1 초기강성 91
• 2.5.2 내력평가 91
• 제 3 장 고력볼트를 사용한 엔드 플레이트 형식 인장접합부
• 의 거동 93
• 3.1 일반사항 93
• 3.2 실험개요 99
• 3.2.1 실험목적 99
• 3.2.2 시험체 계획 99
• 3.2.3 가력 및 측정 방법 102
• 3.2.4 실험에 필요한 기자재 103
• 3.3 실험 결과 104
• 3.3.1 소재시험결과 104
• 3.3.2 실험결과 106
• 3.4 실험 결과 비교 및 분석 115
• 3.4.1 초기강성의 평가 115
• 3.4.2 기존의 이론식과 실험결과의 비교 116
• 3.4.3 볼트의 극한상태를 고려한 T-stub모델 126
• 3.5 접합부의 분류 129
• 3.6 소 결 131
• 3.6.1 초기강성 131
• 3.6.2 기존의 엔드플레이트 내력 평가와의 비교 131
• 제 4 장 관통형 고력볼트를 사용한 엔드플레이트형식
• 접합부 패널의 전단성능 133
• 4.1 일반사항 133
• 4.2 실험개요 133
• 4.2.1 실험목적 133
• 4.2.2 실험체 계획 134
• 4.2.3 가력 및 측정방법 136
• 4.3 실험결과 139
• 4.3.1 재료시험 결과 139
• 4.3.2 반복가력 실험결과 141
• 4.4 분석 및 고찰 146
• 4.4.1 단조-반복가력 실험결과의 비교 146
• 4.4.2 에너지 흡수능력 148
• 4.4.3 기존 이론식과 실험결과의 비교 150
• 4.4.4 접합부 패널의 전단내력 평가 152
• 4.4.5 접합부 패널의 전단력-변형각 관계 156
• 4.5 접합부의 분류의 검토 159
• 4.6 소 결 165
• 4.6.1 접합부 패널의 전단내력 165
• 4.6.2 접합부 패널의 전단력-변형각 관계 166
• 제 5 장 이론해석 167
• 5.1 등가 T-Stub 모델 167
• 5.1.1 해석모델 168
• 5.1.2 모멘트-회전각 관계 173
• 5.1.3 실험치와 해석치의 최대내력 비교 176
• 5.1.4 모멘트-회전각 관계의 비교 177
• 5.2 유한요소 해석 183
• 5.2.1 목적 183
• 5.2.2 모델링 183
• 5.2.3 해석방법 187
• 5.2.4 해석결과 189
• 5.3 소 결 195
• 5.3.1등가 T-stub 모델 195
• 5.3.2 유한요소해석 196
• 제 6 장 결 론 197
• 6.1 접합부 형식별 내력 및 초기강성 197
• 6.1.1 초기강성 197
• 6.1.2 내력평가 197
• 6.2 엔드플레이트 인장접합부 198
• 6.3 이론해석 198
• 6.3.1 등가 T-stub 모델 199
• 6.3.2 유한요소해석 199
• 6.4 접합부의 이력거동 199
• 6.4.1 접합부 패널의 전단내력 200
• 6.4.2 접합부 패널의 전단력-변형각 관계 200