무용접 좌굴방지재로 보강된 철골 역V형 가새의 구조거동 :Structural Behavior of Inverted V-type Steel Brace Reinforced by Non-welded Buckling Restraint Element

문지영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 문지영 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 최성모

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

무용접 좌굴방지재로 보강된 철골 역V형 가새의 구조거동

문지영 건축공 2014.01 학위논문

2013

FRP, 알루미늄 등 신소재를 이용한 철골가새의 무용접 좌굴방지보강

문지영 , 이원식 , 권윤상 외 2명 대한건축학회 학술발표대회 논문집 2013.04 학술대회자료

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철골 중심 가새골조는 최소의 물량으로 건물의 횡력에 대한 저항력을 확보할 수 있는 매우 효과적인 시스템이다. 그러나 중심가새 골조는 탄성거동을 전제로 풍하중에 대한 구조시스템으로 비탄성거동을 수반하는 지진하중에 대해서는 가새 좌굴 이후의 에너지 소산능력저하와 반복하중 하에 가새 및 접합부의 취성파단 가능성이 제기된다. 그로 인해 가새의 좌굴이 최초로 발생한 층에 소성변형이 집중되어 연약층 발생에 의한 건물의 붕괴로 이어질 가능성이 높다. 따라서 본 논문에서는 기 설치된 H형 가새를 무용접 냉간성형보강재로 보강하여 휨-좌굴을 억제하고 인장력과 압축력에 동일한 강도를 확보하는 보강안에 대한 연구를 진행하였다. 역 V형 가새골조에 설치된 H형가새의 보강방안으로 선행연구(4Piece)의 보강재를 약축보강형(2Piece)으로 변경하여 보강방안을 제시하고 부재실험, 부재변수해석, 골조실험을 통해 구조성능을 평가하였으며, 도출된 결과는 아래와 같다.

(1) 일축가력 부재실험을 통하여 약축보강형 단면을 이용한 모든 실험체가 심재의 내력(AsFy)이상을 발휘하였다. 보강길이와 보강량(단면)에 따라 60~80%의 부재 연성도가 증가되었다. Inoue(2001)의 강도-강성식을 H형가새에 적용 가능한 평가식을 제안하였고, 실험결과를 적용하여 평가한 결과 아래식을 통하여 요구 보강량을 만족하는 경제적인 단면을 도출할수 있을 것으로 판단된다.

(2) 해석을 통하여 보강길이(70%, 90%)에 따른 보강량(보강단면)과 선행연구(4Piece)와 약축보강형(2Piece) 보강재의 성능을 평가하였다. 보강길이별 LS성능을 발휘하는 보강단면은 70%의 경우 5.0, 90%의 경우 3.9이상 이다. 보강형상에 따른 해석평가 결과 유사한 최대내력과 연성도를 보여 충분한 보강성능을 발휘하였다. 10%의 무게감소와 50%의 볼트갯수 감소로 시공성, 현장적용성, 경제성을 확보하였다.

(3) 제안 보강방안에 대한 실 건물내 거동을 평가하기 위하여 골조실험을 진행하였다. 최대 내력 발휘 후 급격한 내력저하를 보이는 무보강 실험체와 달리 보강된 가새는 최대내력 발휘 후에도 안정적인 거동을 보였다. 보강 후 가새의 연성도가 5.21~ 7.73을 발휘함으로써 FEMA기준인 LS(Life Safety), CP(Collapse Prevention)을 만족하였다.

(4) 가새의 불균형력에 의한 보의 파괴를 방지하기 위하여 AISC Seismic Provision내 BRB의 표준성능평가에서는 압축강도조정계수(β: 최대압축력과 최대인장력의 비)가 1.3을 초과하지 않도록 권고하고 있다. 보강 후 가새는 0.72~1.3범위에 분포함으로 기준을 만족하였다. 이를 통해 보강으로 골조 내 가새의 불균형력에 의한 보의 파괴가 방지될 것이라 판단된다.

Steel concentrically braced frame is an efficient system that can acquire resistance against the lateral force of buildings with the least amount of quantity. However, the concentrically braced frame entails degraded function of dissipating the energy after applying brace buckling and also issues of rupture on the fragility on the connection and bracing from repeated loading on the earthquake load that entails inelastic behavior. Because of this issue, plastic deformation is concentrated on the layer that firstly causes brace buckling that can lead to the collapse of buildings due to weak layers. Therefore, this study is intended to proceed on the research of schemes for reinforcement by supplementing previously installed H-formed brace with non-welded cold-formed plastic stiffening materials restricting the flexure and buckling and acquire a consistent strength on the tensile and compressive force. As for the measures of supplementing previously-installed inverted V-formed braced frame, stiffening materials in the previous studies (4-pieces) were converted to weak-axial supplementing materials (2-pieces) to suggest a specific scheme evaluating the structural function through an experiment of members, interpretation of members, and frame-focused experiment. Hereupon, derived results are as follows.

(1) All the specimens using the weak-axial supplementing cross-section through member experiment exerted strength of higher than the core strength(AsFy). The flexibility of members was increased from 60% to 80% according to the length and amount of supplementation (cross-section). Strength-stiffness equation by Inoue(2001) was suggested on the evaluation formula to be applied on H-formed brace incorporating the results of experiment to derive an economic cross-section that satisfies a certain amount of supplementation required by the following formula.

(2) The amount of supplementation (70% and 90%) (cross-section) and weak-axial supplementing materials (2-pieces) in the previous studies (4-pieces) was evaluated through the interpretation. Cross-section of supplementation exerting LC function in each of the length was 5.0 in case of 70% and more than 3.9 in case of 90%. According to the result evaluating the interpretation of supplementation form, it exerted a function of deriving enough supplementation representing the similar amount of max strength and flexibility. Hereupon, construct-ability, applicability on the field, and economic feasibility were acquired by reducing 10% of the weight and 50% of the number of bolt.

(3) Frame experiment was proceeded to evaluate behaviors in the building as to the measures for suggested supplementation. Unlike non-supplemented specimens representing a rapid reduction of strength after exerting the max force, reinforced brace showed stable behaviors after exerting the max strength. Reinforced brace exerted flexibility of 5.21 to 7.73 that satisfied LS (life safety) and CP (collapse prevention) as FEMA criteria.

(4) According to the result of evaluating the standard function of BRB in the AISC seismic provision designed to prevent beams from being ruptured due to imbalanced strength of the brace, a coefficient of adjusting the compress (β: proportion of the max compress and tensile force) was recommended not to exceed 1.3. Reinforced brace satisfied the requirement to be included within 0.72 and 1.3. It seems to prevent brace from being ruptured due to imbalanced strength in the beam.

#H형 가새 #무용접 #압축내력향상 #역 V형 가새골조

제1장 서론 3
제1절 연구배경과 목적 3
제2절 연구내용과 방법 5
제2장 가새 보강의 이론적 고찰 9
제1절 선행연구 9
1. 보강형상 제안 및 구조거동에 대한 실험적 연구(2012) 10
2. 보강형상 검증 및 최적단면형상에 대한 해석적 연구(2013) 12
제2절 보강목표 설정 14
1. 규준별 제한사항 14
2. 보강목표 설정 및 보강단면 제안 16
제3절 보강재 선정 제안식 17
1. 보강재 평가식 제안 17
2. 해석을 통한 검증 21
3. 보강단면 선정 23
제3장 보강 H형 가새의 부재실험 성능평가 27
제1절 개요 27
제2절 성능평가실험 28
1. 실험체 계획 28
2. 실험체 측정위치 및 가력방법 30
3. 재료시험 결과 32
4. 최대내력 및 초기강성 32
5. 변형성능 34
6. 파괴모드 38
제3절 보강 성능평가 40
1. 변수에 따른 최대내력과 연성도 평가 40
2. 제안식 평가 41
제4절 소결 43
제4장 보강 H형 가새의 부재해석 성능평가 47
제1절 개요 47
제2절 성능평가해석 48
1. 해석대상 및 순서 48
2. 비선형 및 잔류응력 51
3. 해석 결과 54
4. 실험과 해석 비교 57
제3절 보강 성능 평가 59
1. 보강길이와 보강량에 따른 연성도 평가 59
2. 선행보강단면과 신형상의 구조성능 평가 60
제4절 소결 62
제5장 보강 역V형 가새의 골조성능평가 65
제1절 개요 65
제2절 골조성능 평가실험 66
1. 실험 계획 66
2. 가력계획 및 측정위치 69
3. 실험체별 골조의 이력거동 72
4. 파괴형상 77
5. 실험체별 변형률 분석 80
제3절 보강 성능 평가 86
1. 골조 내 가새의 변형성능 평가 86
2. 압축강도 조정계수(β) 89
3. 에너지 소산능력 평가 90
제4절 소결 91
제6장 결론 95
참고문헌 97
부록 103
Abstract 115

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