스테인리스강을 적용한 강재댐퍼의 구조성능 평가 :Structural Performance Estimation of Stainless Steel Damper

황보경

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황보경 (한밭대학교, 한밭대학교 대학원)

지도교수: 김태수

발행연도: 2022

저작권: 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수35

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

스테인리스강을 적용한 강재댐퍼의 구조성능 평가

황보경 건축공학과 2022.01 학위논문

2018

스테인리스강 댐퍼의 구조성능에 관한 해석적 연구

황보경 , 김성수 , 김태수 외 1명 한국강구조학회 학술대회 발표집 2018.05 학술대회자료

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우리나라는 최근에 발생된 경주지진 및 포항지진으로 지진발생 빈도가 증가하고 있는 추세로 지진피해의 위험성이 높아졌으며, 지진에 대한 경각심과 내진설계의 필요성에 대한 인식이 높아지고 있다. 국내·외에서 에너지 소산형 장치인 강재댐퍼에 관한 연구가 진행되어왔고, 일반적으로 강재댐퍼는 일반 탄소강을 이용하여 신축 건물이나 기존 건물의 내진보강을 위해서 적용되고 있다. 최근에는 미국과 유럽에서는 내진 보강을 위해 건축물에 스테인리스강을 적용하여 내진 응답 특성과 보강 효과에 대한 실험적 수치적 연구가 진행되고 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 탄소강에 비해 내식성, 내구성, 지속성, 내화성이 우수하여 구조재료로 널리 사용된다. 특히, 탄소강보다 항복강도가 낮고, 연성적인 인장 특성을 가지므로 내진시스템에서 적용되는 강재가 먼저 항복하고 충분한 변형능력을 보유해야 하는 강재댐퍼의 요구조건에 적합한 성질을 가질 수 있기때문에 구조부재로서의 안전성을 확인할 필요가 있다. 또한, 국내에서는 현재까지 스테인리스강의 구조설계기준의 부재로 일반구조용 강재뿐만 아니라 내진구조용 강재로 적용된 연구 및 사례가 거의 없어 기초 연구자료도 부족한 실정이다.
따라서 이 연구에서는 다양한 가력프로토콜에 따른 스테인리스강 슬릿댐퍼의 이력거동과 구조성능을 조사하기 위하여 탄소강 슬릿댐퍼와 비교하고, 오스테나이트계 스테인리스강 댐퍼의 성능을 평가한다. 실험체는 반복하중을 받는 스트럿의 양 끝단에 응력 집중으로 인해 파손되도록 계획하였다. 적용강종, 댐퍼의 형상, 두께, 가력유형을 변수로 하여 반복가력실험을 수행한다. 또한, 댐퍼의 설계항복내력를 실험 항복내력과 비교하고 반복 소성경화가 강재댐퍼의 항복강도에 미치는 영향에 대해서도 논의하였다.
또한, 강재댐퍼의 비선형 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 실험결과를 기초로 하여 유한요소해석모델을 구축하고, 실험결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하였다. 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 다양한 경화 모델이 반복하중 이력거동에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, 스테인리스강 댐퍼의 거동을 예측하는데 타당한 해석결과를 보여주었으며, 제안된 등방경화 및 이동경화의 재료상수는 스테인리스강 댐퍼의 이력거동을 효과적으로 예측하는 것을 확인하였다.

In Korea, the risk of earthquake damage is increasing as the frequency of earthquakes has increased due to the recent Gyeongju and Pohang earthquakes. Studies on steel dampers, which are energy dissipating devices, have been conducted at home and abroad, and in general, steel dampers are applied for seismic reinforcement of new or existing buildings using general carbon steel.
Recently, in the United States and Europe, experimental and numerical studies have been conducted on earthquake-resistance characteristics and reinforcement effects by applying stainless steel to buildings for seismic reinforcement. Austenitic stainless steel is widely used as a structural material because of its superior corrosion resistance, durability, and fire resistance compared to carbon steel.
In particular, since the yield strength and ductility are lower than that of carbon steel, it can have properties suitable for the requirements of the steel damper (pre-yielding and sufficient ductility is required in the seismic system). It is necessary to ensure that it is safe as a structural member. In addition, in Korea, there are few studies or cases applied to seismic structural steel as well as general structural steel due to the absence of structural design standards for stainless steel, so basic research data are insufficient.
Therefore, in this study, to investigate the hysteresis behavior and structural performance of stainless steel slit dampers according to various loading protocols, they are compared with carbon steel slit dampers and the performance of austenitic stainless steel dampers is evaluated.
The specimen was designed to be damaged due to stress concentration at both ends of the strut subjected to repeated loads. A cyclic loading test is performed using the applied steel type, the shape of the damper, the thickness, and the loading type as variables. In addition, the design yield strength of the damper was compared with the experimental yield strength, and the effect of cyclic plastic hardening on the yield strength of the steel slit damper was also discussed.
Large plastic deformations can occur when subjected to cyclic loads such as earthquakes. In order to solve this problem, it is necessary to accurately evaluate and predict the nonlinear behavior of the material according to the cyclic loading. The mechanical properties of the austenitic stainless steel, which are most often used for construction, are identified by conducting tests under simple tensile and repeated stress (tension and compression) conditions. In order to investigate the effect on the nonlinear behavior of the steel damper, a finite element analysis model was constructed based on the test results, and the validity was verified through comparison with the experimental results. The effects of various hardening models for austenitic stainless steels on cyclic load hysteresis behavior were investigated. The results showed reasonable analysis results to predict the behavior of the stainless steel damper, and the material constants of the proposed isotropic curing and mobile curing effectively predict the hysteresis behavior of the stainless steel damper.

표 목 차 ⅳ
그 림 목 차 ⅴ
국 문 요 약 ⅷ
I. 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 4
1.3 논문의 구성 5
II. 기존연구 및 스테인리스강 적용현황 6
2.1 강재댐퍼의 연구동향 7
2.2 스테인리스강의 적용현황 14
2.2.1 스테인리스강의 장점 14
2.2.2 스테인리스강 적용 내진 연구 17
III. 강재댐퍼의 실험 연구 19
3.1 실험체 계획 19
3.1.1 적용강종 19
3.1.2 실험체 상세 및 일람 21
3.2 실험방법 24
3.2.1 실험체 설치 및 계측 24
3.2.2 가력계획 27
3.3 재료시험 31
3.3.1 단순인장 재료시험 31
3.3.2 반복 인장-압축 재료시험 36
3.4 실험결과 및 성능 비교 46
3.4.1 파단형태 및 사이클 수 46
3.4.2 단조화 곡선 53
3.4.3 강성 및 내력 59
3.4.4 변형능력 및 에너지흡수능력 75
3.4.5 변형도 분포 84
3.4.6 유효강성 및 유효감쇠 87
3.5 댐퍼 이론성능과의 비교 91
3.5.1 이론식 도출 91
3.5.2 댐퍼 이론성능과의 비교 93
IV. 강재댐퍼의 해석 연구 105
4.1 해석개요 105
4.2 경화모델 이론 107
4.2.1 등방경화모델(Isotropic hardening model) 이론 108
4.2.2 이동경화모델(Kinematic hardening model) 이론 109
4.2.3 복합경화모델(Combined hardening model) 이론 111
4.3 재료 경화 모델 변수 결정 112
4.3.1 경화 모델 변수 결정 방법 112
4.3.2 등방경화모델 112
4.3.3 복합경화모델 114
4.4 해석결과 116
4.4.1 등방경화모델(Case 1) 적용 해석결과 116
4.4.2 복합경화모델(Case 2) 적용 해석결과 119
4.4.3 복합경화모델(Case 3) 적용 해석결과 124
V. 결 론 133
참 고 문 헌 137
ABSTRACT 145
감 사 의 글 147

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