엑세스 홀 형상에 따른 WUF-W접합부의 회전성능평가

Abstract

본 연구에서는 특수모멘트골조(Special Moment Frame, SMF) 접합부 중 하나인 WUF-W (Welded Unreinforced Flange with Welded web) 접합부를 대상으로 하여 회전성능 평가를 수행하였다. 본 연구의 주요 매개변수는 엑세스 홀 형상으로서 개선된 엑세스 홀 형상을 결정하기 위해 비선형 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석 결과로부터 결정된 개선된 엑세스 홀 형상을 적용한 실물크기의 WUF-W접합부 실험체를 제작하여 비탄성 반복가력 실험을 수행하였다. 선행 연구인 황성훈 등(2010)에서는 보 춤을 주요 변수로 하여 현행기준(AISC 358,AISC 2010)의 접합상세를 따라 총2개의 실물크기의 실험체를 제작하여 비탄성 반복가력 실험을 수행하였다. 실험결과 보 춤이 약 700m인 D700-S실험체는 현행기준(AISC-358,AISC 2010)에서 제시하고 있는 특수모멘트골조 인증접합부의 요구조건인 총 층간변위 0.04rad을 만족하였다. 반면 보 춤이 약 900mm인 D900-S실험체의 경우 특수모멘트골조 인증접합부의 요구조건을 만족하지 못하고 파단이 발생하였다. 하지만 이는 기존연구자(Ricles 등, 2000)로부터 수행된 접합부 실험결과와는 상이한 결과로서, Ricles 등(2000)에서는 유사한 보 춤(약 920mm)을 가진 T1 실험체가 특수모멘트 접합부 요구성능을 만족하였다. 이에 두 실험체 간의 상이한 실험결과의 원인을 파악하기 위해 두 실험체의 접합상세를 비교한 결과 엑세스 홀 형상차이를 확인하였다. Ricles 등(2000)은 비선형 유한요소 해석을 수행하여 접합부의 보 플랜지 변형률을 최소화 할 수 있는 엑세스 홀 형상을 결정하여 이를 적용하였고, 황성훈 등(2010)은 현행기준(AISC-358, 2010)에서 제안하고 있는 엑세스 홀 형상을 적용하여 실험을 수행하였다. 따라서 본 연구에서는 엑세스 홀 형상이 WUF-W접합부의 회전성능에 영향을 끼치는 주요 변수라 판단되어 앞서 수행된 Ricles등(2000)의 실험과 같이 접합부의 보 플랜지의 변형률을 최소화 할 수 있는 개선된 엑세스 홀 형상을 결정하고자 비선형 유한요소 해석을 수행하였다. 비선형 유한요소 해석모델은 상용프로그램인 ABAQUS 6.10-1(2010)를 이용하였다. 해석은 이전 실험 연구인 황성훈 등(2010)의 실험과 동일한 경계조건 및 가력조건을 따라 수행하였으며, 엑세스 홀 형상 중 전체길이와 전이기울기를 달리한 6개의 엑세스 홀 형상을 계획하여 해석을 수행하였다. 또한 본 유한요소 해석모델 기법의 신뢰성을 검증하기 위해 이전연구 인 황성훈(2010)의 실험체 D900-S, D700-S 을 대상으로 하여 모델링 기법의 타당성을 입증하였다. 수행된 유한요소해석 결과 엑세스 홀의 전체길이가 증가하여 엑세스 홀 단부가 보 플랜지 응력집중 구간 내 존재할 경우 응력이 증가하여 파단의 가능성이 증가하였다. 또한 엑세스 홀 전이기울기가 증가할 경우 보 플랜지 단부에 응력이 집중되어 파단의 가능성이 증가하였다. 개선된 엑세스 홀 형상을 결정하기 위해 동일한 가력단계에서 등가소성 변형률 지표인 PEEQ Index를 비교한 결과 전이기울기가 13°, 엑세스 홀의 전체길이가 74mm인 엑세스 홀 형상에서 가장 적은 PEEQ Index값을 보이며 이를 개선된 엑세스 홀 형상으로 결정하여 반복가력 실험을 수행하였다. 실험체의 전반적인 계획은 이전연구 인 황성훈 등(2010)의 D900-S실험체와 엑세스 홀 형상차이에 따른 회전성능을 비교하기 위해 동일한 접합상세를 따라 계획되었으며 동일한 가력방법을 따라 실험을 수행하였다. 수행된 실험결과 개선된 엑세스 홀 형상을 적용한 실험체인 D900-S-A실험체에서 총 층간변위 0.04rad을 상회하는 회전성능을 보이며 현행기준(AISC-358,AISC 2010)에서 제시하고 있는 특수모멘트 골조 접합부 요구성능을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 동일한 가력단계에서 D900-S실험체와 D900-S-A실험체의 보 플랜지 단부의 변형률 값을 비교한 결과 개선된 엑세스 홀 형상을 적용한 D900-S-A실험체에서 요구되는 비탄성 변형률 값이 감소하는 것을 확인하였으며, 실험체의 가력단계 별 층간 변위각으로부터 에너지 소산능력을 비교한 결과 개선된 엑세스 홀 형상을 적용한 D900-S-A실험체에서 향상된 에너지 소산능력을 확인할 수 있었다.