2행 1열 오스테나이트계 스테인리스강(STS304) 볼트접합부의 종전단 및 블록전단 파단내력에 관한 연구

Abstract

오스테나이트계 스테인리스강이란 크롬과 니켈 함유량이 높은 강재로서 내식성, 내구성 인성 연성 등이 우수한 강종으로 국내·외에서 건축물의 내·외장재, 구조물 등의 주요 구조부재 등으로 활용되는 강재를 의미한다. 국외에서는 스테인리스강의 재료적 성질 및 구조부재의 구조적 거동에 관한 연구결과를 토대로, 구조용 재료로 지정되어 AISI(미국철강협회)에서 1968년 세계 최초 롤냉간선형 스테인리스강 구조부재의 설계기준을 제정하였고, 그 이후 미국토목학회(ASCE), 유럽기준(EC3), 미국강구조학회(AISC) 등에서 스테인리스강 구조설계기준을 제정하여 스테인리스강을 건축구조용 강재로 적용할 수 있는 기틀을 마련하고 있다. 국내에서는 스테인리스강 H형강보 횡좌굴내력에 관한 Lee(1990)의 연구를 기점으로 스테인리스강 강관의 압축력을 받는 부재의 구조거동에 관한 다양한 연구를 수행했다(Jang & Yang : 2003, Jang & Yang : 2004). 스테인리스강을 건축구조용 강재로 적용하기 위한 소재특성, 볼트접합부 및 용접접합부에 관한 연구가 수행되어 왔으며, 오스테나이트계 및 페라이트계 스테인리스강에 대한 볼트접합부와 용접접합부에 대한 실험 및 해석적 연구를 통해 스테인리스강의 기계적 성질의 특성과 스테인리스 강종의 차이에 따른 접합부의 거동을 고려한 내력 평가식을 제안해 왔다(Kim et al. : 2010, Kim et al. : 2013, Kim : 2016, Hwang et al. : 2017, Kim et al. 2019).

본 연구에서는 오스테나이트계 스테인리스강(STS304)을 대상으로 일면전단 볼트접합부를 계획하여 연구를 진행한 Kim & Lim(2013)등의 연구를 참고하여 면외변형이 구속된 이면전단 볼트접합부 실험체에 하중방향 연단거리와 평판두께를 변수로 한 2행 1열 볼트접합부에 구조적 거동을 조사하기 위한 실험을 수행하였으며 실험최대내력과 기준식 및 제안식, 해석결과의 적용성을 검토하고 해석모델의 타당성 검증을 토대로 추가변수해석을 진행하는 것을 연구목적으로 한다.

제 1장 서론에서는 오스테나이트계 스테인리스강(STS304)의 연구배경과 연구목적에 대한 내용을 정리하였다.

제 2장 볼트접합부 실험체 계획 및 재료시험에서는 실험체 계획 및 구성에 따른 내용 및 재료시험 방법을 정리하였다. 이때, 재료시험은 기계적 성질을 파악하기 위해 KS B 0802(금속재료 인장시험 방법)에 따라 재료 시험을 수행하였다.

제 3장 볼트접합부 실험에서는 실험방법과 실험결과 및 분석에 따른 파단형태와 최대내력 시점에 관하여 분석하였다. 실험체들은 종전단파단, 블록전단파단이 나타났으며, 이를 하중-변위 그래프로 나타내어 최대내력과 내력저하 발생을 정리하였다.

제 4장 현행기준식 및 최대내력 비교에서는 종전단파단, 블록전단파단 된 국내ㆍ외의 현행기준식과 기존연구자가 제안한 식을 토대로 실험결과 최대내력과 비교를 진행하여 타당성을 검증하였으며 종전단파단 된 경우에는 Xing et al.(2020)이 블록전단파단 된 경우에는 Kim et al.(2021)의 제안식(21)이 유사하게 나타났다.

제 5장 유한요소해석 모델에서는 접합부 모델링의 방법과 모델 구축에 관한 사항 그리고 유한요소해석결과와 실험결과의 비교에 따른 파단형태 및 하중-변위 그래프를 분석하여 정리하였으며, 해석모델의 타당성 검증을 토대로 추가변수해석을 진행하였다.

제 6장 결론에서는 각 장에서의 소결들을 종합하여 다음과 같은 결과를 나타냈다.

1. 재료 인장시험결과, 오스테나이트계 스테인리스강 STS304의 공칭두께 1.5mm와 3.0mm에 대해 KS D 3698의 STS304 기준의 최저 항복강도 205MPa, 인장강도 520MPa, 연신율 40% 이상인 값을 만족하는 것으로 나타났다.

2. 이면전단 볼트접합부의 하중방향 연단거리를 변수로 하는 실험체에서 하중방향 연단거리가 상대적으로 짧은 DSA2T15B60E12, DSA2T15B60E18, DSA2T15B60E24 DSA2T30B60E12, DSA2T30B60E18 및 DSA2T30B60E24에서 종전단파단이 관찰되었고, 하중방향 연단거리가 36mm 이상인 실험체 DSA2T15B60E36, DSA2T15B60E42, DSA2T30B60E36 및 DSA2T30B60E42에서 블록전단파단이 나타났다.

3. 두 파단형태에 대해 하중방향연단거리가 증가함에 따라 실험최대내력이 증가하였고, 평판두께의 비율에 따라 내력이 상승하는 것으로 나타났다.

4. 종전단파단의 현행기준식 KDS(2019)/AISC(2016), KDS(2022)/AISI/AISC(2021), ASCE AIJ, EC3와 기존 연구자 Teh & UZ(2015), Xing et al.(2020) 제안식에 의해서는 실험-설계 평균내력비가 0.56~0.96의 범위로 Xing et al.(2020)에 제안식에 의한 평균내력비가 0.96으로 가장 근접한 반면에, 나머지 기준식과 제안식은 과소평가되었다.

5. 블록전단파단의 내력식을 제안하고 있는 현행기준식 KDS/AISC(2016)/AISI, AISC(2021), AIJ 및 EC3와 기존연구자 Teh & Deierlein(2017) 및 Kim et al.(2021)에 의한 실험-설계 평균내력비가 0.58~1.22의 범위였으며 Kim et al.(2021)의 제안식(21)이 평균내력비 0.91로 가장 근접한 평가를 제공하였다.

6. 유한요소해석결과 하중방향 연단거리가 짧을수록 종전단파단이 길수록 블록전단파단이 나타났으며 이는 실험결과와 동일한 파단형태와 유사한 내력을 보이고 있었으며, 추가변수해석을 통한 결과도 이와 동일한 결과가 나타났다.