3.1 실험계획

본 연구는 H형강 기둥-보 접합부의 보플랜지에 리브보강을 통하여 접합부 회전능력에 따른 내진성능을 높이고 접합부 소성힌지를 기둥외부로 유도하여 H형강 기둥-보 용접접합부의 취성파괴를 방지하고자 한다. 그리고 소성변형이 기둥-보 용접부 주위에 집중되는 기존의 접합상세로는 큰 소성회전능력이 신뢰성 있게 확보될 수 없으므로 H형강 기둥-보 접합부 보플랜지에 리브를 보강함으로서 기둥 외주변이나 접합부 보경간 내부쪽으로 소성힌지를 유도함으로서 많은량의 에너지를 흡수할 수 있도록 계획하였다.

Table 1은 본 연구의 강구조 H형강 기둥-보 접합부의 실험계획으로, 구조적 안정성, 경제성 그리고 시공성을 고려한 내진성능 평가를 위해 리브플레이트를 보강한 신형상 H형강 기둥-보 접합부 실대형 시험체를 Figs. 1~2와 같이 제작하였다. 시험체 제작은 철골보가 설치될 위치의 기둥에 지지판을 용접하고 지지판에 각각 한 쌍식의 돌출판을 돌출하여 상단부에는 안내 만곡편을 만들어 보와 기둥이 접합되는 부분에 잘 안착될 수 있도록 선설치하고 보웨브의 역브이홈이 고정핀 볼트에 안착되도록 접합하였다. 이러한 전단탭을 이용한 접합은 시공시 크레인의 여유확보와 보-기둥 접합시간을 단축하여 공기를 단축하며 1면 전단접합을 통해 시공시간 및 공사비 절감을 기대한다.

Table 1

Test Plans of H Beam to Column Connections

Fig. 1

S2RN Specimen

Fig. 2

S2RR Specimen

Figs. 1~2는 본 연구의 실대형 H형강 기둥-보 접합부 시험체 형상으로, 보단면은 H-400 × 200 × 8 × 13의 SS275 일반구조용압연H형강이며, 기둥단면은 H-300 × 300 × 10 × 15의 SM355을 사용했다. H형강 기둥-보 접합존의 보플랜지는 완전용입 맞댐용접하였으며 쉬어탭은 모살용접하였다. 모든 시험체는 공장제작하였으며, 보웨브는 기둥플랜지에 양면 모살용접한후 접합한 쉬어탭에 F10T-M16 고장력볼트를 체결하였다.

3.2 실험방법

Fig. 3은 H형강 기둥-보 접합부 시험체의 셋팅 및 실험전경으로, 가력 프로그램은 SAC Joint Venture (1997, 2000) USA의 내진실험 표준반복하중을 사용하며 변위제어하였다. 경계조건으로 접합부 시험체 기둥 양단부는 핀지점으로 하였으며, 보 양단부에 오일잭과 압력게이지를 설치하여 가력하였다. 변형은 보 양단부 및 판넬존 주변에 변위계를 설치하여 판넬존 대각선 길이의 변화를 가지고 판넬 플레이트의 전단변형각을 구했으며, 기둥 및 보의 회전각을 구하기 위해 접합부 수평스티프너 위치와 기둥 플렌지 위치에 변위계를 설치하여 변위량를 측정하였다. 그리고 판넬존 및 접합부 주위 요소의 변형도 분포를 파악하기 위해 스트레인 게이지를 부착하였고, 판넬존의 주응력을 찾기위해 판넬존 중앙에 3방향 스트레인 게이지를 부착하였다. 하중가력은 층간변위가 0.4%, 0.5%, 0.8%일 때 각각 6사이클, 1%일 때 4사이클, 1.5%, 2%, 3%, 4%는 2사이클 씩 각각 가력하였으며, 시험체가 파괴되지 않을 경우 변위계의 용량한도까지 최대한 하중을 가하여 시험체의 파괴를 관찰하였다.

Fig. 3

Experimental Panorama

4.1 최대내력

Table 2는 플랜지 및 웨브에서 채취한 재료의 인장시험결과이며, Table 3은 보웨브의 고장력볼트 전단접합과 보플랜지의 리브보강에 따른 H형강 기둥-보 접합부 각 시험체의 실험결과이다. 접합부 각 시험체의 항복강도 비교시, 리브보강한 S2RR시험체가 무보강한 S2RN시험체보다 약 12%정도 상승했으며, 최대하중 비교시 리브보강한 S2RR시험체가 무보강한 S2RN시험체보다 약 10% 정도 상승했다. 각 시험체의 내력상승률(Pu/Py)을 비교한 결과, 무보강 S2RN시험체는 평균 1.58, 리브보강한 S2RR시험체는 평균 1.55배 상승했다.

Table 2

Test Results of Materials

Table 3

Test Results of H Beam to Column Connections

4.2 변형능력

Fig. 4는 H형강 기둥-보 접합부 S2RN시험체의 탄소성 이력거동에 따른 하중-변위 및 하중-스트레인 관계곡선으로, 층간변위비 1.3%까지 탄성거동을 보인후 1.7%에서 커버플레이트에서 항복징후가 나타났다. 가력이 계속되는 동안 층간변위비 2.3%에서 커버플레이트의 국부좌굴이 발생했으며 4.2%까지 연성거동을 보인 후 접합부에 미세균열은 발생했으나 파괴는 일어나지 않았다. Fig. 4(d)는 S2RN 기둥-보 접합부 시험체의 항복후변형모드이다.

Fig. 4

S2RN Specimen

Fig. 5는 S2RR시험체 기둥-보 접합부 탄소성 이력거동에 따른 하중-변위 및 하중-스트레인 관계곡선으로, 층간변위비 1.2%까지 안정적인 탄성거동을 보인후 소성역에 진입하였다. 층간변위비 2.3%에서 리브의 항복징후가 발생하였고 3.2%에서 리브와 기둥플랜지 사이의 용접부 주위에서 균열이 발생하였다. 층간변위비 4.3%에서 리브와 기둥플랜지 사이의 용접부 주위가 늘어나면서 파단이 발생함과 동시에 실험을 종료하였다. Fig. 5(d)는 S2RR 기둥-보 접합부 시험체의 항복후 변형모드로서, 플랜지 보강 리브 플레이트 파단후 판넬존에서 심한 전단변형을 보였다. 판넬존은 최대내력의 약 40%까지는 탄성거동을 보였으며, 비탄성역을 지나 최대내력의 약 85%에서 소성역에 진입하였다.

Fig. 5

S2RR Specimen

4.3 초기강성 및 에너지소산능력

탄성범위내에서 지진하중에 따른 구조물의 층간변위를 최소화하기 위해서는 접합부의 초기강성이 중요하다. Table 4는 접합부 실험결과로서, H형강 기둥-보 접합부 각 시험체의 단조화된 하중-변위 관계곡선에서 리브보강한 S2RR시험체가 무보강한 S2RN시험체보다 약 11% 정도 초기강성이 크게 나타났다.

Table 4

Strength Ratio, Initial Stiffness, and Ductility Capacity of Specimens

설계하중 이상의 규모가 큰 지진발생시 구조물이 탄성범위를 넘어 비탄성역에서 조기에 붕괴되는 취성파괴를 방지하기 위해서는 항복이후에 있어서의 에너지흡수능력이 대단히 중요하다. Table 4는 접합부 각 시험체의 에너지소산능력으로, 본 연구에서 에너지흡수능력은 각 시험체의 층간변위비 4%까지의 각 싸이클별 누적에너지의 총합으로서, 각 시험체가 패널존에서 가장 많은 에너지소산능력을 보였으며 기둥에서 가장 작은 에너지소산능력을 보여주었다. 그리고 H형강 기둥-보 접합부 실험결과, 리브보강한 S2RR시험체가 무보강한 S2RN시험체보다 약 13% 에너지소산능력이 크게 나타났다.

5.1 소성회전능력

지진하중 및 풍하중과 같은 수평력에 저항하기 위해 건축구조물은 충분한 탄성거동과 함께 적절한 비탄성거동을 보인후 지진하중이 작용하는 동안 취성파괴없이 큰 에너지소산능력을 확보할 수 있도록 충분한 소성회전능력이 요구된다. Fig. 6은 모멘트-소성회전각 관계곡선으로, H형강 기둥-보 접합부 이력거동에 따른 각 시험체의 소성회전능력(θ_p)을 Eq. (1)에 준하여 구했다. 실험결과 S2RN 및 S2RR시험체는 0.027 rad 이상의 소성회전능력을 보여주었으며, 총 소성회전값 중 패널존이 차지하는 비율이 68~71%로 각각 나타났다. 또한 논스캘럽으로 인한 응력부담이 줄었으며 플랜지 용접부주위의 취성파괴는 발생하지 않았고 안정적인 이력거동을 보여주었다.

Fig. 6

Plastic Rotation Capacity

여기서, θ_p: 소성회전능력

P: 실험체에 가해진 하중

K_i: 각 실험체의 초기강성

L_cb: 기둥 중심에서 가력점까지 보의 길이

5.2 패널존 전단변형

골조가 지진과 같은 횡력을 받게 되면 기둥-보 접합부 주위 및 판넬존에는 전단력 및 휨모멘트가 동시에 작용하게 되며 기둥-보 접합부 및 판넬존은 최종 항복하게 된다. 일반적으로 기둥-보 접합부 및 판넬존은 탄성범위내에서 초기강성이 좋아야 하며 항복이후에는 비탄성변형능력 및 소성변형능력이 확보되어 많은량의 에너지를 흡수할 수 있어야 지진에 대한 안정성을 확보할 수 있다. 본 연구에서 H형강 기둥-보 접합부 이력거동에 따른 각 시험체 패널존의 전단변형(γ)은 Eq. (2)와 같이 구했다.

여기서,b: 패널존 측정점의 폭

h: 패널존 측점점의 높이

Δ₁, Δ₂: 패널존의 대각선 변위

Fig. 7은 H형강 기둥-보 접합부 패널존의 전단변형능력으로 미국강구조학회(American Institute Steel Construction, AISC) 골조별 접합부 소성회전능력[층간변위비에 따른 내진성능 요구값으로 보통모멘트연성골조 0.01 rad (2%), 중간모멘트연성골조 0.02 rad (3%), 특수모멘트연성골조 0.03 rad (4%)]과의 비교시 중간모멘트연성골조의 요구값 0.02 rad을 충분히 만족시키고 있다. 그리고 특수모멘트연성골조의 접합부로서 인정되기 위해서는 층간 변위비 4%, 총 소성회전능력 0.03 rad 이상 및 파괴시까지 원단면보 전소성모멘트의 80% 이상의 내력을 유지하여야 하는데, 본 실험의 경우 각각의 시험체가 층간 변위비 4.2% 및 총 소성회능력 약 0.027 rad 이상 그리고 접합부 최대내력이 원단면보 전소성모멘트의 약 125% 이상을 상회하여 본 연구의 신형상 접합부 상세는 지진하중에 따른 반응수정계수 R값 적용시 중간모멘트연성골조 이상의 내진상세를 적용할 수 있을 것으로 사료된다. Fig. 8은 S2RN 및 S2RR H형강 기둥-보 접합부 시험체 각 부위의 파괴형상이다.

Fig. 7

Shear Deformation Capacity of Panel Zone

Fig. 8

Failure Shapes of Specimens

5.3 접합부 분류

구조해석 및 모델링시 접합부 컨디션은 해석결과 및 구조물의 변형모드에 많은 영향을 미친다. 일반적으로 강구조물 해석시 지점은 핀지점으로 그리고 기둥-보 접합부는 강절점으로 가정하여 해석하고 있으나, 실구조물은 핀절점에서 강절점에 이르기까지 다양한 절점구속조건을 형성하게된다. 따라서 구조물 시공시에는 해석시 구속조건을 가정한 설계조건과 실구조물의 거동이 최대한 유사한 조건이 될 수 있도록 하여야 한다.

강구조 접합부는 구조체의 거동 및 응력전달과 같은 구조적인 문제와, 제작 및 설치 등의 시공적인 문제에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 따라서 구조설계시에는 이러한 응력전달방법 및 건축물의 형태나 규모 그리고 시공성 및 경제성 등을 종합적으로 고려하여 설계하여야 한다. 강구조의 접합부는 접합방법이나 접합요소들의 형상 및 치수등에 따라 접합부의 모멘트-회전관계가 변화되는데, 구조설계시에는 접합부의 거동을 고려하여 설계목적에 적당한 접합형식의 선택이 중요하다. 일반적으로 강구조 접합부의 접합형식은 접합부의 회전에 대한 구속정도에 따라 단순접합(Simple), 반강접합(Semirigid) 그리고 강접합(Rigid)으로 분류된다. 단순접합은 접합부 회전이 자유롭고 유연(Flexible)하여 모멘트 저항없이 전단력만을 저항하는 접합방법으로 전단접합(Shear Connection)이라고도 한다. 강접합은 접합부에 회전이 발생하지 않거나, 완전한 모멘트 저항을 갖는 접합으로 모멘트접합(Moment Connection)이라고도 한다. 그리고 반강접은 접합부 모멘트 저항이 강접합과 단순접합의 중간형태인 접합을 의미한다. 실제 구조물에서는 완전강성 또는 완전유연인 접합은 없기 때문에 접합부 형식은 완전강성 또는 완전모멘트 저항이 발휘할 수 있는 모멘트에 대한 비율에 따라 분류하는 것이 일반적인 관례인데, 완전모멘트 저항이 발휘될 수 있는 고정도에 따라 EURO CODE (유럽기준)에서는 단순접합은 0~20%, 반강접은 20~90% 그리고 강접합은 90~100%의 모멘트에 대한 저항을 갖는 것으로 분류한다. 참고로 미국 AISC-LRFD 규준에서는 접합형식을 두가지 형식으로 나누고 있는데, 접합부 저항강성에 따라 완전접합(Fully Restrained Type, FR)과 부분접합(Partially Restrained Type, PR)으로 분류하고 있다. 여기서 완전접합은 강접합을 가정한 것이고, 부분접합은 반강접이나 단순접합을 가정한 것이다. 강구조의 전단접합은 접합방법이 간단하여 구조물의 공작 및 설치가 용이한 시공적인 특성과 보의 단부에 발생되는 휨모멘트를 기둥과 같은 지지부재에 전달하지 않는 구조적 특성으로 고층건물의 튜브구조형식에서 기둥-보 접합부 및 큰보와 작은보의 접합에 적용되며, 공장건물 등과 같은 간단한 구조물에 많이 이용되고 있다.

Fig. 9는 EURO CODE (Design of Steel Structure, 유럽기 준)에 의한 접합부 분류법에 따른 비교로서, θ는 회전각, θ_p는M_p/(EI/L_b)로 정의 되며, EI 및 L_b는 보의 휨강성 및 보의 길이이다. 본 실험에서 강접합을 100%로 했을 때 S2RN시험체는 91% 그리고 S2RR시험체는 93%의 접합부 강성을 보였으며, 작용모멘트/보전소성모멘트의 비가 1.48 정도로 나타났다. 따라서 보웨브의 고장력볼트 2면 전단접합과 보플랜지의 리브보강에 따른 신형상 접합부의 실험결과 강접합의 범주에 근접하게 나타났다.

Fig. 9

Types of H Beam to Column Connection