모듈형 조립식 각형강관 기둥-H형강 보 접합부의 내진성능평가 :Seismic Performance Evaluation for Modular Prefabricated Connections of H-Shaped Steel Beam to Rectangular Tube Steel Column

진주호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 진주호 (단국대학교, 단국대학교 정보·지식재산대학원)

지도교수: 이경구

발행연도: 2019

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모듈형 조립식 각형강관 기둥-H형강 보 접합부의 내진성능평가

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2016년 경주지진과 2017년 포항지진 발생을 계기로 지진 피해에 대한 우려가 고조되면서, 건축구조물의 내진성능의 중요성에 대한 인식이 확산되고 있다. 또한, 최근 강구조 건축물에서 구조적 효율성, 강재량 절감, 건물 유효면적 증가 등의 장점으로 인해 각형강관 기둥에 한 관심이 증가하고 있다. 각형강관 기둥을 이용한 철골모멘트접합부에는 일반적으로 관통형 다이아프램 접합부 형식이 사용되고 있으나, 제작 및 시공과정이 복잡하여 적용하는데 어려움이 있다.

본 연구에서는 단위 유닛 모듈(각형강관 기둥, H형강 보, 원웨이 볼트)을 현장으로 반입하여 볼트조립만으로 완성되는 모듈형 조립식 철골모멘트접합부를 제안하고, 그 내진성능을 평가하였다. 이를 위해, 내부보강판 길이와 내부보강판 형상(일자형, L형)을 변수로 설정하여 실험 및 해석을 수행한 후, 제안된 모듈형 조립식 철골모멘트접합부의 내력, 강성, 회전각, 연성능력 및 에너지 소산능력을 비교 분석하였다.

연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 이 연구에서 제안하는 모듈형 조립식 접합부 모두 관통형 다이아프램 접합부와 비교하여, 탄성(초기)강성과 최대 내력이 동등 이상으로 나타났다. 모듈형 조립식 접합부의 연성능력과 에너지 소산능력도, 관통형 다이아프램 접합부에 비해, 우수한 것으로 나타났다.

(2) 제안하는 모듈형 조립식 접합부 모두 0.07 rad 회전각까지 안정적인 탄소성 거동을 보였다. 또한 건축구조기준 및 AISC 내진규정에서 요구하는 특수모멘트골조의 요구성능을 만족하는 것으로 나타났다.

(3) L형 내부보강판을 적용한 모듈형 조립식 접합부(IA-S 실험체)가 초기강성, 최대 내력, 연성능력, 에너지 소산 능력에 있어서 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 L형 내부보강판이 각형강관 기둥면 플랜지의 면외 변형 방지와 힘의 흐름면에서 유리하기 때문으로 판단된다. 그러나 L형 내부보강판의 경우, 복잡성과 정밀제작의 어려움이 있다.

(4) 플레이트(일자형) 내부보강판을 적용한 모듈형 조립식 접합부의 경우, 내부보강판 길이가 긴 접합부(IP-L 실험체)가 보다 우수한 것으로 확인되었다. 경제성과 제작성을 고려할 때, IP-L 실험체 접합부를 사용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

The Gyeongju earthquake in 2016 and the Pohang earthquake in 2017 have brought a widespread concern for the damage to buildings that has not been experienced before, and there is a growing awareness of the importance of seismic resistance of building structures. Recently, an interest in rectangular steel tube columns is increasing due to advantages such as structural efficiency, reduction of steel resources and increase of usable area of buildings in steel structures. For the steel moment connections using a rectangular steel tube column, a type of through-diaphragm connection is generally used, but it is difficult to apply it to the site because of the complicated fabrication and construction process.

In this study, the modular prefabricated steel moment connections, which are a kind of bolted connection with a unit module (composed of square steel column, H beam and one-way bolts) brought to the site and assembled on site, were proposed and their seismic performance was evaluated. To this end, the tests and analyses were performed varying the length and shape (plate, L-shaped) of the inner-stiffener. Then, the strength, stiffness, rotation, ductile capacity, and energy dissipation capacity of the proposed modular prefabricated steel moment connections were compared and analyzed.

The results of the study are summarized as follows.

(1) The elastic (initial) stiffness and maximum strength of the modular prefabricated connections proposed in this study are similar to or greater than those of the through-diaphragm connections. Also, the ductile and energy dissipation capacity of the proposed connections are greater than those of the through-diaphragm connections.

(2) All of the proposed modular prefabricated connections showed stable elastic-plastic behaviors until the rotation angle of 0.07 radian is reached. Also, it is confirmed that the requirements for the special moment frame specified in the Korean Building Code (KBC) and the AISC seismic standards are satisfied.

(3) It was experimentally validated that the modular prefabricated connection with the L-shaped inner stiffener (IA-S specimen) have the best performance in terms of initial stiffness, maximum strength, ductility, and energy dissipation capacity. The reason is that the L-shaped inner stiffener has the advantage over the prevention of out-of-plane deformation on the column face flange and the load transfer mechanism. However, the L-shaped inner stiffener would be more complicated than the plate inner stiffener and it would be difficult in the precise fabrication.

(4) It was shown that the modular prefabricated connection with the long plate inner stiffeners (IP-L specimen) has the better performance. It is recommended to use the connection with the long plate inner stiffener (IP-L specimens), considering the cost efficiency and manufacturing process.

Ⅰ. 서론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 연구방법 및 범위 2
Ⅱ. 기존 연구 고찰 3
1. 국내·외 각형강관 기둥 접합부 고찰 3
1) 국내 각형강관 기둥 접합부 연구사례 10
2) 국외 각형강관 기둥 접합부 연구사례 20
3) 국내·외 각형강관 기둥 접합부 연구사례 분석 29
Ⅲ. 접합부 실험 30
1. 실험체 계획 30
1) 실험체 개요 30
2) 실험계획 33
3) 실험체 셋팅 및 재하 프로그램 36
4) 계측 계획 및 설치 38
2. 실험결과 40
1) 재료실험결과 40
2) 접합부 실험 결과 43
3) 각 실험체별 거동 및 파괴양상 46
3. 실험결과 분석 55
1) 내력 및 강성 55
2) 부재별 변형도 분포 59
3) 층간 부재각 비교 65
4) 모멘트-총 회전각 비교 68
5) 소성변형능력 72
6) 에너지흡수능력 75
Ⅳ. 유한요소해석 77
1. 개요 77
1) 실험체 모델 개요 77
2) 실험기반 해석모델수립 79
3) 볼트 모델링 82
2. 해석모델 검증 및 상세 분석 85
1) TD(Through diaphragm) 85
2) IP-L(Inner plate - Long type) 89
3) IP-S(Inner plate - Short type) 93
4) IA-S(Inner angle - Short type) 97
Ⅴ. 결론 101
참고문헌 103
부 록 106
영문요약 116

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