내진 적용을 위한 사전검증 접합부

12.1 EQUALJOINTS 프로젝트

유럽 연구 프로젝트 EQUALJOINTS는 EN 1998-1의 다음 버전을 위한 강구조 접합부의 사전검증 기준을 제공합니다. 이 연구 활동은 다양한 성능 수준을 충족하도록 설계된 중량 프로파일을 사용한 볼트 접합부 유형 세트 및 용접 축소 보 단면에 대한 설계 및 제작 절차의 표준화를 다루었습니다. 또한 유럽 내진 요구를 대표하는 유럽 사전검증을 위한 새로운 하중 프로토콜의 개발도 포함되었습니다. 유럽 일반 탄소강과 고강도 볼트의 반복 하중 특성화에 전념한 실험 캠페인은 네 가지 유형의 사전검증 접합부에 대해 요구되는 거동을 달성하였습니다: 헌치형 볼트 접합부, 비보강 확장 엔드 플레이트 볼트 접합부, 보강 확장 엔드 플레이트 볼트 접합부, 용접 축소 보 단면 접합부; Fig. 12.1.1 참조. EQUALJOINTS 프로젝트 내에서 실험적으로 달성된 결과는 (Stratan et al. 2017) 및 (Tartaglia and D'Aniello, 2017)에 요약되어 있습니다.

Fig. 12.1.1 EQUALJOINTS 프로젝트에서 사전검증된 구조 접합부

12.2 엔드 플레이트 접합부

확장 보강 엔드 플레이트 볼트 연결은 유럽 철강 제작 산업에서 가장 일반적이며, 제작 및 설치의 단순성과 경제성 덕분에 저층 및 중층 강구조 프레임의 모멘트 저항 접합부로 유럽 실무에서 널리 사용됩니다. 볼트 확장 보강 엔드 플레이트 보-기둥 접합부에 대한 설계 기준 및 관련 요구사항은 유한요소법 해석에 기반한 매개변수 연구를 바탕으로 EN 1998-1:2005에 깊이 조사되고 비판적으로 논의되어 현재 규정화되어 있습니다. 안타깝게도 내력 설계 절차는 구성요소 방법의 틀 안에서만 개발되었습니다. 또한 리브의 존재를 고려하며 다양한 성능 수준에 대한 접합부 거동을 제어할 수 있습니다.

비보강 확장 엔드 플레이트 접합부는 상당한 휨 모멘트가 전달되어야 하는 경우 강재 I형 또는 H형 보를 강재 I형 또는 H형 기둥에 연결하기 위해 강구조 시공에서 일반적으로 사용됩니다. 이 구성은 볼트 체결로 쉬운 설치를 가능하게 하며, 엔드 플레이트를 보에 용접하는 작업은 공장에서 자동화됩니다. 연결의 휨 저항은 대부분 연결된 부재의 휨 저항보다 낮습니다. 따라서 이러한 접합부는 부분 강도로 간주됩니다. 접합부의 소성 저항이 보 단면의 소성 저항과 대략 동일한 등강도 상황은 적절한 설계를 통해 달성될 수 있습니다. 휨에서의 연성은 파괴 모드에 영향을 미치는 접합부의 상세에 크게 의존합니다 (Jaspart, 1997). 파괴를 지배하는 접합부 구성요소가 연성적인 경우, 그리고 취성 활성 구성요소의 저항이 현저히 높은 경우, 연성적인 접합부 거동이 달성될 수 있습니다. 반대의 경우에는 내진 지역에서 에너지를 흡수하기 위해 내부 힘을 재분배하는 소성 힌지를 형성하는 접합부의 능력에 의존해서는 안 됩니다.

도그본(dog-bone)이라고도 불리는 용접 축소 보 단면 모멘트 저항 연결의 경우, 연결을 보강하거나 보를 약화시키는 두 가지 주요 전략이 채택되었습니다. 단면 축소 프로파일에 대한 이 두 가지 옵션 중 반경 절단은 최종 파괴를 지연시켜 상대적으로 더 연성적인 거동을 나타내는 경향이 있습니다 (Jones et al. 2002). 그러나 이 연구는 축소 보 단면 부재가 플랜지 면적의 감소로 인해 횡비틀림 좌굴에 더 취약하다는 것을 보여주었습니다. 깊은 기둥의 적용에 초점을 맞춘 추가적인 실험 및 분석 연구 (Zhang and Ricles, 2006)는 합성 바닥 슬래브의 존재가 보에 가새를 제공하고 하부 플랜지의 횡변위를 줄임으로써 기둥에서 발생하는 비틀림의 양을 크게 줄일 수 있음을 나타냈습니다.

EQUALJOINTS 프로젝트 내에서 개발된 설계 절차에 따르면, 접합부는 세 가지 매크로 구성요소로 구성됩니다: 기둥 웨브 패널, 연결 영역, 보 영역; Fig. 12.2.1 참조. 각 매크로 구성요소는 특정 가정에 따라 개별적으로 설계되며, 접합부를 평가하기 위해 정의된 세 가지 다른 설계 목표를 얻기 위해 내력 설계 기준이 적용됩니다: 완전 강도, 등강도, 부분 강도 접합부. 완전 강도 접합부는 EN 1998-1:2005의 강한 기둥-약한 보 내력 설계 규칙과 일치하는 보 내의 모든 소성 변형의 형성을 보장하도록 설계됩니다. 등강도 접합부는 이론적으로 모든 매크로 구성요소, 즉 연결, 웨브 패널, 보의 동시 항복을 특징으로 합니다. 부분 강도 접합부는 연결 또는 기둥 웨브 패널에서만 소성 변형이 발생하도록 설계됩니다. 등강도 및 부분 강도 접합부 모두에 대한 연결 및 기둥 웨브 패널 매크로 구성요소의 저항에 따라 추가적인 분류가 도입될 수 있습니다. 강한 웨브 패널의 경우, 소성 요구는 부분 강도 접합부의 연결에 집중되거나 등강도 접합부의 연결과 보에 집중됩니다. 균형 웨브 패널의 경우, 소성 요구는 부분 강도 접합부의 연결과 기둥 웨브 패널 사이에 분산되고 등강도 접합부의 연결, 웨브 패널, 보에 분산됩니다. 약한 웨브 패널의 경우, 소성 요구는 부분 강도 접합부의 기둥 웨브 패널에 집중되거나 등강도 접합부의 웨브 패널과 보에 집중됩니다.

Fig. 12.2.1 접합부의 매크로 구성요소 분할

접합부의 연성은 파괴 모드의 유형과 활성화된 구성요소의 해당 소성 변형 능력에 따라 달라집니다. 변형 능력은 CM에 대해 개발된 기준을 충족함으로써 대략적으로 예측되거나 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)에 의해 더 정확하게 계산될 수 있습니다. EQUALJOINTS 프로젝트 자료 및 ANSI/AISC358-16 표준에 기술된 두 가지 사전검증 접합부 구성의 설계 예시는 매크로 구성요소의 거동을 개별적으로 고려하여 아래에 제시됩니다.

12.2.1 검증

사전검증 접합부의 강성, 내하력 및 변형 능력에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델은 Montenegro (2017)에 의해 EQUALJOINTS 프로젝트에서 이용 가능한 실험 세트를 통해 검증되었습니다. 구조적 해결책의 예시는 Fig. 12.2.2에 있습니다. 파괴 모드 검증 결과는 Fig. 12.2.3에 나타나 있습니다. 15 % 변형률에 대한 저항 및 변형 능력 검증의 요약은 Figs 12.2.4 및 12.2.5에 나타나 있습니다.

Fig 12.2.2 검증에 사용된 접합부 a) EH2-TS-35-M 및 EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M 및 ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M 및 E2-TS-E-M

Fig. 12.2.3 헌치가 있는 확장 엔드 플레이트 접합부 E1-TS-F-C2에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 파괴 모드 검증 (Tartaglia and D'Aniello, 2017)

Fig.12.2.4 EQUALJOINTS 프로젝트 실험에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 저항 검증

Fig. 12.2.5 EQUALJOINTS 프로젝트 실험에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 회전 능력 검증

12.2.2 검증

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델은 EN 1993-1-8:2006의 Ch. 6에 따라 CM에 대해 검증되었습니다. 결과의 선택은 Tab.12.2.1 및 Fig 12.2.6에 제시되어 있습니다. 결과는 레버 암의 거친 가정이 정확도를 좌우하는 대형 접합부에서 CM의 정확도 손실을 보여줍니다.

Tab. 12.2.1 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 CM에 대한 검증

Fig. 12.2.6 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 CM에 대한 저항 검증

세 가지 편측 헌치형 접합부는 (Landolfo et al. 2017) 및 (Equaljoints application)에 더 자세히 기술되어 있습니다. 접합부는 처짐 및 호깅 휨 모멘트와 해당 전단력 하중을 받습니다. 기둥 웨브는 더블러로 보강되어 있으므로 결정적인 구성요소는 엔드 플레이트 또는 기둥 플랜지의 T-스터브입니다. 회전축은 처짐 휨 모멘트의 경우 상부 보 플랜지의 중심에, 호깅 휨 모멘트의 경우 헌치의 중간에 위치하는 것으로 가정합니다. 소성 힌지의 위치는 헌치 끝단의 보강 플레이트 면에 위치하는 것으로 가정합니다. 연결부 검토에 사용되는 기둥 면에서의 휨 모멘트는 해당 전단력 하중에 의해 증가됩니다; Fig. 12.2.7 참조.

Fig. 12.2.7 소성 힌지의 위치, 헌치형 접합부에서의 휨 모멘트 분포

Tab. 12.2.2 헌치형 접합부에 대한 CM의 구성요소 저항

변형률 경화 계수는 EN 1993-1-8:2006 및 Equaljoints 프로젝트 최종 보고서에서 제안한 대로 1,2로 선택되었습니다 (EN 1998-1:2005는 1,1을 제안합니다). 초과강도 계수는 1,25로 가정되었습니다 (Landolfo et al. 2017). 모든 강재는 S355 등급이었습니다. 개별 구성요소의 저항은 Tab. 12.2.2에 요약되어 있습니다. 굵게 표시된 검토 항목은 불만족입니다. 헌치 저항은 엔드 플레이트에서 헌치가 있는 보 단면의 소성 저항임을 유의하십시오. 보의 강도는 소성 힌지 위치에서 초과강도 계수에 의해 증가되는 것으로 가정되지만 엔드 플레이트에서는 그렇지 않습니다. 엔드 플레이트에서도 초과강도 계수가 사용되었다면 이 저항은 더 높았을 것입니다. 따라서 그 다음으로 낮은 저항인 T-스터브 – 엔드 플레이트가 접합부 No. 267의 접합부 저항을 지배하는 것으로 가정되었습니다. 조사된 접합부 중 어느 것도 완전 강도 접합부의 요구사항을 충족하지 못합니다. 그러나 저항이 매우 근접하여 접합부는 등강도입니다. 기둥 웨브 패널은 모든 경우에 강합니다.

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)에 의한 지배적인 파괴 모드는 플레이트의 항복을 동반한 볼트 파괴이며, 주로 엔드 플레이트, 기둥 플랜지, 헌치에서 발생합니다. CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)에 따르면, 접합부 No. 4.2 및 No. 264는 완전 강도이고 접합부 No. 267은 등강도입니다. 기둥 웨브 패널은 모든 경우에 강합니다.

Fig. 12.2.8 저항에서의 변형률 a) 전체 접합부, b) 볼트 엔드 플레이트 연결 매크로 구성요소만, c) 웨브 더블러가 있는 전단력을 받는 기둥 웨브 패널 매크로 구성요소만, d) 보 매크로 구성요소만

12.2.3 비보강 확장 엔드 플레이트 접합부

민감도 연구를 위해 사전검증된 비보강 확장 엔드 플레이트 접합부가 선택되었습니다. IPE 450 보는 두께 25 mm의 확장 엔드 플레이트와 12개의 M30 10.9 볼트로 HEB 300 기둥에 연결되며, 두께 10mm의 웨브 더블러 유무에 따라 구분됩니다. 모든 플레이트에는 S 355 강재 등급이 사용되었습니다. 각 매크로 구성요소의 기여를 개별적으로 결정하기 위해, 선택된 매크로 구성요소의 재료 다이어그램은 탄소성으로 설정하고 나머지 접합부는 탄성 재료 다이어그램만 사용하였습니다. 전체 접합부, 웨브 더블러가 있는 전단력을 받는 기둥 웨브 패널만, 볼트 엔드 플레이트 연결만의 저항에서의 변형률을 Fig. 12.2.8에서 보 매크로 구성요소만과 비교합니다. 각 매크로 구성요소가 접합부 거동에 미치는 영향은 Fig. 12.2.9에 제시되어 있으며, 웨브 더블러 유무에 따른 기둥 웨브 패널이 나타나 있습니다. 접합부 거동은 연결 매크로 구성요소의 더 높은 저항을 보여줍니다.

Fig. 12.2.9 매크로 구성요소의 영향, 전단력을 받는 더블러가 있는 기둥 웨브 패널,
볼트 엔드 플레이트 연결 및 보가 전체 접합부 거동에 미치는 영향

12.2.4 압축 중심의 위치

엔드 플레이트 접합부의 경우, EN 1993-1-8:2006은 압축 중심이 보 플랜지 두께의 중간에 위치하거나, 헌치형 접합부의 경우 헌치 끝단에 위치하도록 규정합니다. 실험 및 수치 결과는 압축 중심의 위치가 각 접합부 구성요소의 서로 다른 참여를 통한 소성 모드 형성으로 인해 접합부 유형과 회전 요구 모두에 의존함을 보여주었습니다 (Landolfo et al. 2017). 제안된 CM 설계 절차에 따르면, 실험 및 수치 결과 모두를 기반으로, 보강 엔드 플레이트 접합부의 경우 보 플랜지와 리브 스티프너로 구성된 단면의 도심 부근에서, 헌치형 접합부의 경우 헌치 높이의 약 0,5 지점에서 접촉이 예상됩니다. 이 거친 가정은 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 절차에 의해 정밀화되며, 하중 재하 및 접합부 부분의 초기 항복 중에 정확한 값을 제공합니다.

제시된 결과는 EQUALJOINTS 실험 및 CM에 대해 검증된 ROFEM에 검증된 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 우수한 정확도를 보여줍니다. 이는 매크로 구성요소의 거동을 개별적으로 고려하고 하중/소성화에 따라 중립축의 위치를 정확하게 고려할 수 있는 가능성을 제공합니다.

12.3 용접 축소 보 단면 접합부

ANSI/AISC 358-16에 따른 사전검증된 용접 축소 보 단면 접합부가 이 연구를 위해 선택되었습니다. IPE 450 보는 플랜지의 맞대기 용접과 3개의 예인장 M30 10.9 볼트가 있는 두께 12mm의 핀 플레이트로 HEB 300 기둥에 연결되며, 두께 10mm의 웨브 더블러 유무에 따라 구분됩니다; Fig. 12.3.1 참조. 사용된 모든 강재는 S355 등급입니다.

전체 접합부의 극한 저항에서의 변형률과 웨브 더블러가 있는 전단력을 받는 기둥 웨브 패널 매크로 구성요소만의 변형률이 Fig. 12.3.2에 나타나 있습니다. 각 매크로 구성요소가 접합부 거동에 미치는 영향은 Fig. 12.3.3에 제시되어 있으며, 웨브 더블러 유무에 따른 기둥 웨브 패널이 나타나 있습니다. 접합부는 접합부 매크로 구성요소의 저항이 잘 최적화되어 있음을 보여줍니다.

Fig. 12.3.1 축소 보 단면 접합부, a) 축소 단면이 있는 보, b) 전단력을 받는 더블러가 있는 기둥 웨브 패널, 볼트 엔드 플레이트 연결,

Fig. 12.3.2 저항에서의 변형률 a) 전체 접합부 및 b) 더블러가 있는 전단력을 받는 기둥 웨브 패널 매크로 구성요소만 

Fig. 12.3.3 M-φ 다이어그램에서 전체 접합부 거동에 대한 매크로 구성요소의 영향

참고문헌

EN 1993-1-8, Eurocode 3, 강구조 설계 – Part 1-8: 접합부 설계, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. 반복 하중을 받는 축소 보 단면 모멘트 연결의 실험적 평가. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. 내진 지역 건물의 강구조 설계, ECCS Eurocode 설계 매뉴얼. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. 헌치가 있는 볼트 확장 엔드 플레이트 보-기둥 연결의 실험적 사전검증. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. 기둥 제거에 노출된 확장 보강 엔드 플레이트 볼트 보-기둥 접합부의 비선형 성능. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. 깊은 기둥에 대한 축소 보 단면 연결의 실험적 평가. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.