高張力鋼棒을 引張웨브재로 이용한 角形鋼管트러스 K型接合部의 最大强度

Abstract

최근 공항청사, 격납고, 스포츠 시설 등 대공간 구조물의 건립이 증가추세에 있으며, 향후에도 증가가 예상되고 있다. 현재까지는 장스팬 트러스에 주로 H형강이나 빌트업부재가 주로 사용되어 왔으나 H형강은 강축과 약축의 구분이 있다는 단점이 있고, 빌트업부재는 절단, 용접 등 가공비가 과다하게 들어가는 약점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고 시공의 편이성까지 고려한 강관 트러스 형식이 유럽을 중심으로 국외에서는 폭넓게 사용되어지고 있다. 강관은 폐쇄단면으로 압축좌굴과 비틀림에 대한 성능이 우수하고, 원형강관이나 정방형 각형강관의 경우 강축과 약축에 대한 구분이 없으며, 장방형 각형강관의 경우에도 약축에 대한 저항모멘트가 크기 때문에 구조체 전체적으로 자중이 경감되어 경제적이다. 또한 높이에 비해 길이가 긴 장스팬 구조물에 있어서 인장응력 상태가 지속되는 부재에 고장력 강봉을 도입하는 방식은 중립축을 중심으로 상하부가 압축과 인장으로 나누어 저항하는 휨응력 상태나, 세장한 부재에서 좌굴로 인해 불가피한 휨응력이 발생하는 압축응력과 비교하였을 때 부재의 효율이 높은 저항방식이라고 할 수 있다. 이와 같은 특성으로 인해 인장응력을 이용한 시스템은 경량화, 대공간에 유리한 구조적 효율성을 제공한다. 본 연구는 구조적 효율이 높은 각형강관을 이용한 장스팬 트러스의 웨브재 중 인장력이 작용하는 부재에 고장력 강봉을 사용하여 트러스 처짐을 제어하고, 사용에 따른 응력이완에 대응함으로써 보다 나은 경제성을 확보할 수 있는 시스템 개발의 일부로 새로운 접합형태인 더블플레이트-각형강관 K형 접합부의 강도식을 제안하는 것을 목적으로 한다. 이러한 강관과 강봉의 접합을 위해서는 종방향의 더블플레이트 연결부가 필요하게 된다. 그러나 이런 더블플레이트 연결부를 갖는 각형강관 접합부에 대한 연구는 현재 국내에서는 거의 전무한 실정으로 관련 연구가 필요하며, 본 연구에서 수행한 주요내용과 논문의 구성은 다음과 같다. 제 1 장에서는 본 논문의 서론으로 연구배경 및 목적과 연구내용, 범위에 대해서 기술하였다. 제 2 장에서는 기존 연구 및 관련 선행연구와 함께 각국의 관련 설계식을 정리하였으며, 접합부의 내력을 결정하는 주요 변수는 주관의 폭두께비(2γ)와 주관에 대한 지관의 폭의 비(β) 등인 것을 확인하여 본 연구 실험체 계획시 반영하였다. 제 3 장은 실험적 연구로 더블플레이트를 갖는 무편심 K형 접합부 실험과 편심 및 회전형 K형 접합부 실험을 통하여 각 변수별로 접합부 내력에 미치는 영향을 평가하였다. 주관의 폭두께비가 작을수록, 폭비가 클수록 접합부의 강도는 증가하며 인장지관측 주관면의 변형이 선행하여 접합부 강도가 결정되는 것으로 나타났다. 또한 주관상부면 플레이트 보강에 의해 접합부 강도가 상승하지만, 압축지관 회전에 의해서는 강도상승이 나타나지 않았으며, 기존식의 적용성을 검토한 결과 새로운 강도식의 필요성을 제기하였다. 제 4 장에서는 해석적 연구로 더블플레이트를 가지는 접합부를 고려한 수정항복선 이론식을 도출하여 실험연구와의 비교ㆍ평가를 하였으며, 유한요소 해석으로 실험결과와의 비교 평가를 통해 해석에 의한 강도예측 타당성을 알아보았다. 제 5 장은 강도식의 제안으로 제안 항복선 이론식의 평가를 통해 적용 가능한 강도예측식을 도출하고, 갭크기비에 따라 강도식을 분류하여 제시하였다. 즉, 22.2 ≤ 2γ≤ 33.3 이고, g' ≤ 0.66인 경우는 더블플레이트와 압축 각형강관 지관을 고려한 제안 강도식을 사용하여 접합부 강도를 산정하고, 유효갭크기비를 벗어난 g' ≥ 0.66인 경우에는 더블플레이트만을 고려한 강도식으로 접합부의 강도를 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 제 6 장에서는 이상의 연구를 통해 얻은 결론을 종합적으로 정리하였다. 본 연구는 각형강관 트러스 인장웨브재에 처짐 및 응력이완 조절에 유리한 고장력 인장강봉을 사용하기 위한 새로운 접합부에 대한 연구로 연결 더블플레이트를 갖는 K형 접합부 실험을 통해 접합부의 내력에 미치는 영향을 파악하였고, 기존 각형강관 지관 접합부 실험과의 비교를 통해 고장력 강봉의 적정성을 알아보았으며, 해석연구를 통하여 접합부 내력에 미치는 주요 변수를 도출하였다. 최종적으로 고장력 강봉을 인장웨브재로 이용한 각형강관 트러스 K형 접합부의 강도예측식을 제시하였다. 이러한 연구성과를 바탕으로 고장력 강봉의 적용범위 확대에 기여하고, 향후 경제성 및 시공성이 향상된 대공간 구조시스템의 접합부 설계기술 확보 및 경쟁력 향상에 따른 국내외 건설기술 발전에 기여할 것으로 판단된다.; Hollow structural sections (HSS) have been used increasingly during the last decades for their structural and economical advantages over open sections, as well as aesthetic appeal. From a structural point of view, HSS exhibits a high strength-to-weight ratio, high torsional resistance, and excellent compression resistance for both axes. Due to these advantages, HSS members are widely used for columns and in trusses. Meanwhile, if a high-strength rod is used for a tension branch in place of an HSS in K-joints in a long span truss, the overall weight of the truss can be reduced, deflection can be easily controlled during the service life, and tension force can be reapplied in case of stress relaxation. To connect the high-strength rod to the rectangular HSS chord, a connection with plates can be used for the spade end of the rod. The main purpose of the study reported herein was therefore to investigate experimentally the behavior of gapped K-joints comprising square hollow section(SHS) members for a chord and a compression branch, a high-strength tensile rod for a tension branch, and a pair of longitudinal plates for a connecting element. The applicability of the current design equations for such connections is also examined. The yield line analysis is then carried out based on the failure modes observed during the tests, from which an equation is proposed to estimate the strength of the connections. This dissertation consists of six chapters as follows; Chapter 1 describes the background, purpose and objective of this study. In Chapter 2, previous literatures and design codes of some countries are investigated. Chapters 3 covers experimental studies, where the effects of main parameters on strength and deformation are investigated for double plate-to-SHS K-joints. Chapter 4 contains an analytical study. In this part, we derived the modified yeild line theory formula with K-joints with double palte-SHS and compared the formula with the experiemntal results. we also carried out FEM analysis and examined the verification of strength prediction. Chapter 5 deals with the proposal of strength equation. we evaluated the proposed yield line theory formula and then derived the applicable strength prediction formula and also classified and suggested the formula according to the gap ratios. that is 22.2?2γ?33.3. In the case of g'?0.66, the proposed strength formula with double plate-SHS is used to calculate the strength of connections and in the case of g'?0.66, the formula with only double plate is used to predict the strength of connections. Finally, the conclusions from the experimental and analytical study are summarized in Chapter 6. The results of this study can contribute to expand use of high- strength tensile rod and also develop domestic construction technology for long span structural system.