냉간성형 조립재로 보강된 H형 가새의 구조거동 :Structural Behavior for H-shaped Brace reinforced by Cold-Formed Elements

김민규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김민규 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 최성모

발행연도: 2013

저작권: 서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

냉간성형 조립재로 보강된 H형 가새의 구조거동

김민규 건축공학과 2013.01 학위논문

2012

냉간성형 조립재로 보강된 가새의 구조거동

김민규 , 김도범 , 권윤상 외 1명 대한건축학회 학술발표대회 논문집 2012.10 학술대회자료

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강구조의 횡력저항시스템 중 가새골조(Braced Frames)는 모멘트 골조(Moment Resisting Frames)와 함께 가장 많이 사용되고 있는 시스템이다. 가새골조는 크게 중심가새골조(Concentric Braced Frames, 이하 CBF)와 편심가새골조(Eccentric Braced Frames, 이하 EBF)로 구분된다.
가새골조는 가새의 축 강성과 강도를 활용하기 때문에 건물의 횡력에 대한 저항력을 최소의 철골물량으로 그 안정성을 확보할 수 있는 매우 효과적인 시스템이다. 또한, 대부분의 접합부를 전단접합(Shear-Connection)을 사용함으로써 접합부 제작비용을 절감할 수 있으며 구조해석 및 설계도 용이하다. 그러나 가새골조는 본래 탄성거동을 전제로 풍하중에 대한 저항력 증진을 위한 시스템으로서 비탄성거동을 수반하는 지진하중이 작용할 경우 특정 층 가새에 좌굴이 발생하면, 최초 좌굴층에 소성변형이 집중되어 연약층(soft story) 거동으로 인해 건물의 붕괴로 이어질 가능성이 매우 높다.
가새의 보강은 강성의 증가 없이 강도를 발휘할 수 있도록 보강하는 방법으로, 가새의 휨-좌굴내력을 억제하여 인장력과 압축력에 대해 동일한 강도를 발휘함으로서 경제적으로 구조물의 안정성을 높일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 세장한 H형 가새의 휨좌굴을 억제하여 압축내력을 발휘할 수 있도록 냉간성형 조립재를 이용한 볼트 체결방식으로 김도범(2012)에 의해 선행연구된 단면형상을 토대로 무보강 구간을 갖는 가새에 대한 보강길이와 보강량에 따른 가새의 최대내력과 변형성능, 파괴거동 등 부재성능을 평가하기 위해 세장비 140 정도의 실험체에 대하여 단순압축가력과 반복가력에 대한 실험과 유한요소 해석을 수행하였다. 그리고 실험과 해석을 통해 검증된 가새의 능력을 골조에서 평가하기 위해 보강전·후 가새의 이력곡선을 이상화하여 예제구조물에 적용 후 비선형 정적해석을 수행 하였고, 해석결과를 토대로 도출된 결론은 다음과 같다.

(1) H형 가새에 냉강성형 보강재를 볼트로 조립하여 보강한 실험체는 심재의(Critical Load)를 상회하는 내력증가를 나타내었으며, 심재의 보강길이에 따라 요구되는 보강범위가 변하게 된다.

(2) 실험을 기초로 해석모델을 작성 후 보강량을 변수로 해석한 결과심재의 요구보강량() 경계면에 존재하는 보강량의 경우 항복강도 발휘 후 H형 심재의 단부와 중앙부의 변형율 분포가 균질하였으며, 최대축력비()는 1.2, 연성비()는 5.0 이상으로 증가하는 것을 볼 수 있었다.

(3) 골조에서의 가새는 보강전 압축가새의 좌굴로 인한 특정층에 큰 변형이 집중되어 구조물의 급격한 내력저하로 인한 강성감소를 유발하였으나, 보강후 가새는 심재의 단면내력까지 압축강도를 확보함으로써 구조물의 안정적 성능곡선을 보였다.

(4) 예제 구조물 3~9층의 경우 가새 보강전에 비해 보강후 강도증가(약 25~50%)의 효과와 보에 소성힌지 유발을 방지 하였다.

철골 가새골조의 횡력저항 성능을 향상시키기 위해 H형 가새의 좌굴을 억제함으로서 항복강도 이상의 내력과 연성을 증대 시켰고, 보강후 구조물의 안정적 성능곡선을 보였다. 후속적으로 좀 더 다양한 층수와 모델에 대한 폭 넓은 연구와 평가가 필요할 것으로 판단된다.

According to the capacity design concept which forms the basis of the current steel seismic codes, the braces in concentrically braced frames(CBFs) should dissipate seismic energy through cyclic tension yielding and cyclic compression buckling while the beams and the columns should remain elastic. Brace buckilng in inversed V-braced frames induces unbalanced vertical forces which impose the additional beam moments and column axial forces. However, due to difficulty in predicting the location of buckling stories, the most conservative approach implied in the design code is to estimate the column axial forces by adding all the unbalanced vertical forces in the upper stories.
The chevron barced frames designed without considering the unbalanced force induced in floor beams tend to become unstable when they are subjected to a seismic load. Among the ways to improve the resistance to lateral force by reinforcing structural strength, adding new elements to resist lateral force has been avoided. Preventing the bending buckling of braces and securing the same degree of strength against tensile force and compressive force is an economically efficient way to improve structural safety.
In order to evaluate the compressive behavior of the reinforced brace which suggests the 4 surfaces of slender H-shaped steel brace were covered with cold-formed W-shaped element and bolt-connected to make the brace look like a square steel tube having a protrusion by Do-Bum, Kim(2012). Moreover, the result of the finite element analysis by the software ABAQUS was compared with the output of the existing component capacity analysis.
In this study, structural performance test and Finite Element Analysis were conducted with variables of slenderness ratio and the amount of reinforcement. In addition, 3, 6 and 9-story were designed and the inelastic analysis was performed by using RUAUMOKO.
The conclusion obtained from the analysis of strength, stiffness, deformation and destructive behavior is as follows.
(1) The reinforcement improved load capacity which is (Critical Load). It was decided from the variable of sectional reinforcement amount that depends on the length of H-shaped brace constraining flexural buckling having unconstrained area.
(2) From the test and FEM with sectional area ratio shown in the following equation should be satisfied in order to secure compressive strength higher than yield strength. It could be decided final failure between local failure at the end of steel core and lack of bending strength of external tube.

(3) Building seems to be better their performance curves than before. Preventing the bending buckling of braces and securing the same degree of strength against tensile force and compressive force are an economically efficient way to improve structural safety.
(4) As a result of pushover analysis, example buildings(3~9 stories) are more efficient than former model and it prevents plastic hinge of beams.

Restraining the buckling of the slender H-shaped steel brace in an attempt to improve the resistance to lateral force in steel brace frame provided maximum load capacity above yield strength.
Follow-up studies on a various researches about multi-bay and stories should be conducted based on the amount of reinforcement of the braces in use.

#가새 #횡력저항성능 #냉간성형요소 #비선형 정적해석 #가새골조

제1장 서론 3
제1절 연구배경 및 목적 3
제2절 기존연구 5
제3절 연구방법 11
제4절 논문의 구성 12
제2장 가새의 보강 15
제1절 가새의 보강법 15
제2절 심재와 보강재의 강도-강성관계 16
제3절 보강길이 선정 19
제3장 실험 및 해석 25
제1절 실험개요 25
제2절 해석개요 31
제3절 단순압축가력 38
제4절 반복가력 52
제5절 소 결 60
제4장 역 V형 가새골조의 비선형 정적해석 63
제1절 역 V형 가새골조의 특징 63
제2절 비선형 정적해석 67
제3절 예제구조물 68
제4절 소 결 76
제5장 결 론 79
참고문헌 84
부 록 88
ABSTRACT 95

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	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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