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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김태수
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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현재 건축구조용 강재로 탄소강이 주종을 이루고 있지만 사회 및 경제적 요구에 따라 탄소강에 비해 친환경성, 내구성, 심미성, 유지관리용이성, 연성 등이 우수한 스테인리스강을 건축물의 구조재로 적용하기 위한 연구가 국내외로 진행되고 있다. 높은 연신율과 항복강도에 대한 인장강도비를 가져 재료적 측면에서도 우수한 것으로 나타났고, 상당한 변형률 경화가 있는 독특한 비선형적 특성 때문에 탄소강 부재와 다른 거동을 보인다고 밝혀졌다. 그래서 스테인리스강의 내진성능에 대한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 이 연구에서는 오스테나이트계 스테인리스강 2종(STS304 TKC와 STS316 TKC)과 듀플렉스계 스테인리스강(STS329FLD TKC)으로 반복 축 하중을 받는 각형강관을 제작하고, 실험을 실시한다. 또한 실험결과를 바탕으로 유한요소해석 모델을 구축하여 각형강관의 좌굴형상과 최대내력을 예측하고, 유한요소해석 모델의 타당성을 검증한다. 유한요소해석법의 타당성을 바탕으로 강관의 두께 및 부재의 길이에 따른 매개변수해석을 실시하고 현행기준식과 기존연구자 제안식에 의한 예측좌굴내력과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 오스테나이트계 스테인리스강(STS304 TKC와 STS 316 TKC)과 듀플렉스계 스테인리스강(STS329FLD TKC)으로 인장재료시험을 수행하였다. 평판부의 경우 오스테나이트계 스테인리스강 STS304 TKC의 각형강관의 항복강도와 인장강도가 STS316 TKC 각형강관보다 각각 평균 8.6%, 17.6% 높게 나타났고, 듀플렉스계 스테인리스강 STS329FLD TKC 각형강관은 다른 강종보다 항복강도가 평균 25% 높은 것으로 나타났다. 코너부의 경우 전반적으로 코너부의 재료적 성질이 평판부의 재료적 성질에 비해 편차가 큰 것으로 나타났고 이는 코너부 가공 시 경화에 따른 조직 변화와 강도 산정에 필요한 단면적의 불균일성으로 기인한 것으로 판단된다.
2) 부재의 길이, 두께 및 강종에 따라 반복가력실험을 수행한 결과, 오스테나이트계 스테인리스강 각형강관 실험체(C-A1S series and C-A2S series)는 압축영역에서 중앙부 전체좌굴에 의해 압축좌굴내력이 결정되었고 인장영역에서는 스티프너 용접하단 용접열영향부에서 인장파단(C-A1S 50 series)과 중앙부 좌굴위치에서 인장파단으로 인장최대내력을 결정하였다. 듀플렉스계 스테인리스강 실험체(C-DS series)는 높은 폭-두께비, 낮은 연신율과 항복 후 취성 거동으로 상부 또는 중앙부에 국부좌굴이 조기에 발생하여 다른 강종에 비해 낮은 사이클 수에서 최대내력이 결정되었다.
3) 유한요소해석은 두 가지 해석요소(Shell요소 S4R, Solid 요소 C3D8R)와 두 가지의 메쉬크기(강관표면기준으로 10mm, 20mm)를 Case로 하여 수행하였고, 추가적으로 Shell요소 모델의 특성을 반영한 각형강관의 전체 폭을 모델링하는 방법 외에 강관 두께의 중심을 기준으로 모델링(Shell-t/2모델)을 하여 해석을 수행한 결과, Shell-t/2 mesh20모델이 압축최대 내력비가 1.05로 나타났고, 베이스플레이트 들림현상이 발생한 실험체 C-A1S-50-3-1과 C-A1S-50-3-2를 제외한 실험체에 대해서 인장최대 내력비는 1.04로 나타났다. 또한, 실험결과에서는 전체좌굴이 발생하고 해석결과에서는 전체좌굴과 국부좌굴이 동시에 발생한 실험체 C-A2S-70-3-2를 제외한 모든 실험체에서 좌굴형상이 유사하게 나타났다.
4) 실험결과와 최대내력 및 좌굴형상이 가장 유사하게 예측하는 Shell-t/2 mesh20을 적용한 모델의 하중-변위 그래프를 비교한 결과, 인장영역에서 해석결과의 강성은 실험결과와 유사하였으나 압축영역의 강성에서는 차이가 발생하였다. 또한, 실험결과에서는 좌굴발생 이후 다음 사이클에서 압축내력이 크게 저하되고, 강관의 모서리에 균열이나 코너부 벌어짐이 발생하면서 압축내력이 급격하게 저하되는 현상이 관찰되었으나, 해석결과에서는 좌굴이후의 내력저하가 크게 발생하지 않았다. 이유는 균열과 코너부 벌어짐 현상이 해석에서는 직접적으로 발생하지 않았기 때문이다. 차기 연구에서는 최대내력 이후 손상 및 파단해석을 위해 재료모델에 연성손상(Ductile damage)을 고려한 해석 모델을 구축할 필요가 있다.
5) 타당성을 검증한 Shell-t/2, mesh size20을 적용한 오스테나이트계 스테인리스강의 추가매개변수 해석내력과 현행기준식(ASCE, EC3), 기존연구자에 의한 제안식(CSM)에 의한 예측내력을 비교한 결과, ASCE, EC3, CSM에서 평균 좌굴내력비는 각각 1.07, 1.23, 1.01 변동계수(COV)는 각각 0.22, 0.24, 0.18로 나타나 ASCE가 7% EC3가 23% 과 CSM이 1%로 과소평가하였고, EC3가 가장 보수적으로 평가하는 것으로 나타났다. 기존연구자(Arrayago et al.)가 제안한 CSM이 좌굴내력을 가장 정확하고 유사하게 예측하였고, 변동계수 기준으로 가장 일관된 예측을 하는 것으로 나타났다.
1) 오스테나이트계 스테인리스강(STS304 TKC와 STS 316 TKC)과 듀플렉스계 스테인리스강(STS329FLD TKC)으로 인장재료시험을 수행하였다. 평판부의 경우 오스테나이트계 스테인리스강 STS304 TKC의 각형강관의 항복강도와 인장강도가 STS316 TKC 각형강관보다 각각 평균 8.6%, 17.6% 높게 나타났고, 듀플렉스계 스테인리스강 STS329FLD TKC 각형강관은 다른 강종보다 항복강도가 평균 25% 높은 것으로 나타났다. 코너부의 경우 전반적으로 코너부의 재료적 성질이 평판부의 재료적 성질에 비해 편차가 큰 것으로 나타났고 이는 코너부 가공 시 경화에 따른 조직 변화와 강도 산정에 필요한 단면적의 불균일성으로 기인한 것으로 판단된다.
2) 부재의 길이, 두께 및 강종에 따라 반복가력실험을 수행한 결과, 오스테나이트계 스테인리스강 각형강관 실험체(C-A1S series and C-A2S series)는 압축영역에서 중앙부 전체좌굴에 의해 압축좌굴내력이 결정되었고 인장영역에서는 스티프너 용접하단 용접열영향부에서 인장파단(C-A1S 50 series)과 중앙부 좌굴위치에서 인장파단으로 인장최대내력을 결정하였다. 듀플렉스계 스테인리스강 실험체(C-DS series)는 높은 폭-두께비, 낮은 연신율과 항복 후 취성 거동으로 상부 또는 중앙부에 국부좌굴이 조기에 발생하여 다른 강종에 비해 낮은 사이클 수에서 최대내력이 결정되었다.
3) 유한요소해석은 두 가지 해석요소(Shell요소 S4R, Solid 요소 C3D8R)와 두 가지의 메쉬크기(강관표면기준으로 10mm, 20mm)를 Case로 하여 수행하였고, 추가적으로 Shell요소 모델의 특성을 반영한 각형강관의 전체 폭을 모델링하는 방법 외에 강관 두께의 중심을 기준으로 모델링(Shell-t/2모델)을 하여 해석을 수행한 결과, Shell-t/2 mesh20모델이 압축최대 내력비가 1.05로 나타났고, 베이스플레이트 들림현상이 발생한 실험체 C-A1S-50-3-1과 C-A1S-50-3-2를 제외한 실험체에 대해서 인장최대 내력비는 1.04로 나타났다. 또한, 실험결과에서는 전체좌굴이 발생하고 해석결과에서는 전체좌굴과 국부좌굴이 동시에 발생한 실험체 C-A2S-70-3-2를 제외한 모든 실험체에서 좌굴형상이 유사하게 나타났다.
4) 실험결과와 최대내력 및 좌굴형상이 가장 유사하게 예측하는 Shell-t/2 mesh20을 적용한 모델의 하중-변위 그래프를 비교한 결과, 인장영역에서 해석결과의 강성은 실험결과와 유사하였으나 압축영역의 강성에서는 차이가 발생하였다. 또한, 실험결과에서는 좌굴발생 이후 다음 사이클에서 압축내력이 크게 저하되고, 강관의 모서리에 균열이나 코너부 벌어짐이 발생하면서 압축내력이 급격하게 저하되는 현상이 관찰되었으나, 해석결과에서는 좌굴이후의 내력저하가 크게 발생하지 않았다. 이유는 균열과 코너부 벌어짐 현상이 해석에서는 직접적으로 발생하지 않았기 때문이다. 차기 연구에서는 최대내력 이후 손상 및 파단해석을 위해 재료모델에 연성손상(Ductile damage)을 고려한 해석 모델을 구축할 필요가 있다.
5) 타당성을 검증한 Shell-t/2, mesh size20을 적용한 오스테나이트계 스테인리스강의 추가매개변수 해석내력과 현행기준식(ASCE, EC3), 기존연구자에 의한 제안식(CSM)에 의한 예측내력을 비교한 결과, ASCE, EC3, CSM에서 평균 좌굴내력비는 각각 1.07, 1.23, 1.01 변동계수(COV)는 각각 0.22, 0.24, 0.18로 나타나 ASCE가 7% EC3가 23% 과 CSM이 1%로 과소평가하였고, EC3가 가장 보수적으로 평가하는 것으로 나타났다. 기존연구자(Arrayago et al.)가 제안한 CSM이 좌굴내력을 가장 정확하고 유사하게 예측하였고, 변동계수 기준으로 가장 일관된 예측을 하는 것으로 나타났다.
목차
표 목 차 ⅲ그 림 목 차 ⅳ국 문 요 약 ⅴⅠ. 서 론 11.1 연구배경 및 목적 11.2 연구의 범위 및 방법 3Ⅱ. 실험적 연구 42.1 실험개요 42.1.1 실험체 계획 및 구성 42.1.2 평면부 재료인장시험 및 결과 82.1.3 코너부 재료인장시험 및 결과 132.1.4 초기변형 측정 202.2 반복가력 실험 222.2.1 실험결과 및 분석 22Ⅲ. 해석적 연구 303.1 해석조건 303.2 해석결과 353.3 추가 매개변수해석 493.4 현행기준식과 압축좌굴내력 비교 58Ⅵ. 결론 67참 고 문 헌 70ABSTRACT 72
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