용접을 최소화한 각형강관 기둥-H형강 보 내진접합부 개발을 위한 기초연구

Abstract

Rectangular Hollow Section (RHS) has excellent performance. However, the features of closed sections are mostly welded connections, which are very complex, require a lot of resources for assembling and processing, and cannot expect uniform performance. In addition, the recent earthquake in Gyeongju has caused growing interest in seismic moment connections, and the weld joint with brittle fracture is vulnerable to earthquakes. Another problem with the use of RHS columns is that when composed of H-shaped steel beams, it causes out of plane deformation on the flange of the RHS, resulting in reduction of the rigidity and strength of the connections. Japan, which is commonly used for RHS columns, is overcoming problems by utilizing diaphragm. To compensate for these problems, the purpose of the proposal was to provide a seismic connection to the column of RHS using oneway bolts and diaphragm. However, the cyclic loading test on the proposed connection showed results close to the pin connection, not the rigid or semi-rigid one. Therefore, the analysis of variables was carried out using the commercial structure analysis program to identify the exact problem based on the results of the experiment. A numerical analysis was performed through various variables such as thickness of the column joint plate, performance of the joint bolts, quantity of bolts, and presence of construction margin, confirming improvement of joint performance according to the quantity of joint bolts and the presence of construction margin. For the purpose of establishing and controlling the proposed connection limit conditions and the strength hierarchy between each joint member to resolve the identified problems, the optimum value of the joint member was derived by referring to AISC-LRFD and KBC2017, AISI/AISC 358-16 (BEP). In addition, by combining ideas that could be referenced to the integration of columns and beams, the proposed revision of ribs and connections were proposed and the evaluation was conducted through numerical analysis. The results showed that the connection has improved stiffness and is close to FR connections compared to the weld joint of the column and diaphragm. However, it is said that the location, size and thickness of ribs added in the revision process should be supplemented through additional R&D.

각형강관 기둥은 압축부재로서 우수한 성능을 가지고 있다. 하지만 폐쇄형 단면의 특징으로 용접을 사용한 접합부가 대부분이며 접합상세가 매우 복잡하며 조립 및 가공에 많은 자원이 필요하고 균일한 성능을 기대하기는 힘들다. 또한 최근에 경주 지진 이후 국내에서도 내진접합부의 관심이 커지고 있으며 취성파괴를 동반한 용접접합이 내진에 취약하다는 문제점이 대두되고 있다. 또 다른 각형강관 기둥 활용 시 문제점은 H형강 보와 함께 접합부로 구성 시 각형강관 플랜지에 면외변형을 유발하여 접합부의 강성 및 강도저하가 일어나는 것이다. 각형강관 기둥에 사용이 일반적인 일본은 다이어프램을 활용하여 문제점을 극복하고 있다. 이와 같은 각형강관 기둥의 문제점들을 보완하기 위하여 일방향볼트와 다이어프램을 활용한 각형강관 기둥 내진접합부를 제안하고자 하였다. 하지만 제안접합부에 대한 반복재하 인증실험을 통해 강접 혹은 반강접 접합부가 아닌 핀 접합부에 가까운 결과를 확인할 수 있었다. 그래서 실험 결과를 토대로 정확한 문제점을 파악하기 위하여 상용구조해석 프로그램을 활용하여 변수해석을 진행하였다. 기둥접합 플레이트의 두께, 접합볼트의 성능, 볼트의 수량, 시공여유의 유무 등 다양한 변수를 통해 수치해석을 진행한 결과 접합볼트의 수량 및 시공여유(Gap)의 유무에 따라 접합부의 성능 향상을 확인하였다. 파악된 문제점 해결을 위해 제안 접합부의 한계상태와 각 접합 부재 간의 강도위계를 설정하고 이를 제어하기 위해 AISC-LRFD와 KBC2017, AISI/AISC 358-16(BEP)를 참고하여 접합부재의 최적값을 도출하였다. 또 기둥과 보의 일체화에 참고할 만한 아이디어를 결합하여 리브 보강 수정접합부를 제안하고 수치해석을 통한 평가를 진행하였다. 그 결과 기둥과 다이어프램의 용접 접합부와 비교하여 접합부 강성이 향상되고 강접에 가까운 결과를 보이는 것으로 확인됐다. 하지만 수정 과정에서 추가된 리브의 위치 및 크기, 두께 등은 추가 연구개발을 통해 보완해야 할 것으로 사료된다.