전단탭이 없는 상·하부 스플릿 티 접합부의 접합부상세 제안

1. 서 론

상･하부 스플릿 티 접합부는 보-기둥 모멘트 접합부의 한 형태로 접합부에 전달되는 휨모멘트는 T-stub이 지지하고 전단력은 전단탭이 지지하는 것으로 이상화하여 설계 및 시공되고 있다^{[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7]}. 이러한 상･하부 스플릿 티 접합부가 중･저층 강구조물에 적용될 경우, 작은 규격의 보 부재가 적용되어 부득이 전단탭이 보 웨브에 설치되지 못하는 상황이 발생할 수 있다. 이 경우에 상･하부 스플릿 티 접합부의 전단탭이 부담하는 전단력을 지지할 수 있는 접합부상세의 제안이 필요한 상황이다. 이를 위해서는 상･하부 스플릿 티 접합부의 전단탭에 대한 한계상태 즉, 전단탭의 전단항복, 전단탭의 전단파단, 전단탭의 블록전단, 전단탭-기둥 플랜지 용접부 파단, 전단탭에 체결된 고장력볼트의 전단파단 등에 대한 한계상태의 검토가 우선적으로 선행되어야 한다. 그러므로 이 연구는 전단탭의 역할을 대체할 수 있는 상･하부 스플릿 티 접합부에 대한 접합부상세를 제안하고, 제안된 접합부가 충분한 강성, 강도, 에너지소산능력을 발현하는 것을 확인하기 위하여 진행하였다. 이를 위하여 상･하부 스플릿 티 접합부의 거동에 영향을 미치는 변수 중에서 T-stub 플랜지의 두께를 변수로 선택하고, 전단탭이 있는 상･하부 스플릿 티 접합부와 전단탭이 없는 새로이 제안한 접합부상세의 상･하부 스플릿 티 접합부의 거동특성을 파악하였다.

2. 상･하부 스플릿 티 접합부의 유한요소해석

2.1 상･하부 스플릿 티 접합부 해석모델 선택

상･하부 스플릿 티 접합부에 대한 해석모델은 Fig. 1과 같은 전단탭이 있는 기존의 접합부와 이 연구에서 제안하는 전단탭이 없는 접합부에 대하여 진행하였다. 새로이 제안하는 접합부상세는 전단탭이 부담하는 전단력 산정이 우선적으로 수행되어야 한다. 이를 위하여 전단탭에 대한 한계상태를 다음과 같은 Eq’ns (1)∼(4)를 적용하여 검토하였다. Table 1과 같이 전단탭의 설계전단강도를 산정하였다. Table 1에 나타난 것과 같이 전단탭의 전단파단 강도가 설계강도를 좌우하므로 이를 하부 T-stub에 체결된 추가된 고장력볼트가 부담하는 것으로 하였다. 즉, Fig. 2에 나타난 것과 같이 하부 T-stub에 전단력을 지탱하는 고장력볼트 열을 1열 추가한 접합부 상세를 제시하였다. Table 2에 정리한 것과 같이 하부 T-stub에 체결되는 고장력볼트의 개수는 1면전단, 고장력볼트의 나사부가 전단면에 포함된 것으로 가정하여 아래 Eq’n (5)을 적용하여 산정한다. Table 3은 새로이 제안한 접합부상세를 갖는 상･하부 스플릿 티 접합부에 대한 기하학적 형상 변수를 정리한 것이다.

전단탭에 체결된 고장력볼트의 지압:

 (1)

전단탭의 전단항복:

 (2)

전단탭의 전단파단:

 (3)

전단탭의 블록전단:

 (4)

하부 T-stub에 체결된 고장력볼트의 전단파단:

 (5)

상･하부 스플릿 티 접합부에 대한 설계휨강도는 다음과 같은 Eq’ns (6)∼(17)을 적용하여 검토하였다. Table 4에 나타난 것과 같이 T-stub 플랜지의 휨항복 시의 값이 설계강도를 좌우함을 알 수 있다^[8]. 상･하부 스플릿 티 접합부에 대한 휨강도 검토에 있어서 기둥의 패널존의 전단항복 및 기둥 플랜지의 국부좌굴이 발생하지 않도록 패널존에 연속 플레이트와 기둥 플랜지는 충분히 두꺼운 기둥부재를 선택하여 모델링 하였다. Fig. 3은 상･하부 스플릿 티 접합부의 설계휨강도 산정시에 적용된 접합부의 기하학적 형상변수를 나타낸다^{[9],[10],[11],[12],[13],[14]}.

보 플랜지에 체결된 고장력볼트의 전단파단:

 (6)

여기서,

 (7)

T-stub 스템의 순단면 파단:

 (8)

여기서,

 (10)

 (11)

T-stub 플랜지의 휨항복:

 (12)

여기서,

 (13)

 (14)

T-stub 플랜지에 체결된 고장력볼트의 인장파단:

 (15)

보 플랜지의 순단면 파단:

 (16)

여기서,

 (17)

2.2 상･하부 스플릿 티 접합부 유한요소해석 모델링

상･하부 스플릿 티 접합부 해석모델^{[1],[15],[16],[17],[18]}은 상용프로그램인 ABAQUS (ver. 6. 14) 부재요소 중 C3D8R (Eight-node liner brick, reduced integration, hourglass control)를 활용하여 Fig. 4와 같이 모델링하였다. 상･하부 스플릿 티 접합부 해석모델은 H-300×300×10×15 규격의 기둥부재, H-350×175×7×11 규격의 보 부재, T-stub 부재는 SM490 강재 적용하였고 그 외 판재의 경우 SS400 강재로 구성된 것으로 하였다. 유한요소해석에 있어서 각 부재의 재료적 물성값은 Table 5와 Table 6, Table 7에 정리한 것과 같이 T-stub과 보 및 기둥, 고장력볼트의 재료적 물성값은 공칭강도 값을 적용하였다. F10T-M20 고장력볼트는 165kN의 축력이 발현되도록 체결하였다. 접합부 모델링에 있어서 각 부재 사이에 접촉 및 지압 현상, 고장력볼트의 초기장력 도입 등도 고려하였다. 각 부재 사이의 미끄럼계수는 블라스트 후 도장하지 않은 표면을 가정하여 0.3으로 선택하였다. 해석모델의 기하학적 변수는 Table 3과 같이 T-stub의 게이지 거리 별로 전단탭이 있는 SI 모델과 전단탭이 없는 SX모델을 적용하였고, 반복하중은 보 단부에 연직방향의 전단력 형태로 FEMA350에서 제시한 구조체 접합부 시험의 재하조건을 작용하는 것으로 하였다. 유한요소해석에 있어서 적용한 ABAQUS 옵션은 Table 8 정리하였다. 상･하부 스플릿 티 접합부 해석모델은 약 74,300개의 절점과 54,400개의 부재요소로 구성되었다.

3.상･하부 스플릿 티 접합부의 유한요소해석 해석결과

3.1 상･하부 스플릿 티 접합부의 응력분포

Fig. 5에 나타난 것과 같이 각 접합부에 작용하는 하중이 증가함에 따라서 T-stub 플랜지와 기둥 플랜지에 체결된 고장력볼트가 만나는 부분 및 T-stub 필릿부에 응력이 집중되기 시작한다. 하중이 휨모멘트-회전각 관계 이력곡선의 참조모멘트 영역을 지나서 작용하면 이 두 부분의 응력집중현상은 더욱 심화된다. 이때 기둥 플랜지에 체결된 고장력볼트의 축부에도 응력집중현상이 심화된다. 일반적으로 T-stub 플랜지에 축방향 인장력이 작용할 때와 마찬가지로 T-stub 플랜지가 비교적 얇은 접합부는 이와 같은 응력집중현상에

의하여 T-stub 플랜지의 휨항복 후 소성변형의 영향으로 파괴가 발생할 가능성이 높아진다. 반면에, T-stub 플랜지가 상대적으로 두꺼운 접합부는 T-stub 플랜지의 휨항복 후 소성변형의 영향보다는 기둥 플랜지에 체결된 고장력볼트의 인장파단 혹은 보 플랜지에 체결된 고장력볼트의 전단파단에 의하여 파괴가 발생할 가능성이 높아진다. 하부 T-stub 플랜지에 체결된 고장력볼트의 전단응력을 검토한 결과, 고장력볼트의 전단응력을 초과하지 않았기 때문에 고장력볼트의 전단파단은 발생하지 않은 것으로 판단한다. 그러므로 제안한 접합부상세를 갖는 전단탭이 없는 상･하부 스플릿 티 접합부는 충분한 전단력 지지능력을 갖는 것으로 판단한다. 따라서 제안한 접합부상세를 갖는 전단탭이 없는 상･하부 스플릿 티 접합부는 적용하기에 타당한 것으로 판단한다.

3.2 상･하부 스플릿 티 접합부의 에너지소산능력

3차원 비선형 유한요소해석을 통하여 얻은 각 접합부 해석모델의 휨모멘트-회전각 관계 이력곡선은 Fig. 6과 같다. 휨모멘트-회전각 관계 이력곡선의 내부면적에 해당하는 에너지소산능력 은 아래의 Eq'n (18)과 Eq'n (19)와 같이 정리된다.

,

전단탭이있는경우 (18)

,

전단탭이없는경우 (19)

4. 결 론

이 연구는 전단탭이 없는 상･하부 스플릿 티 접합부에 대한 접합부상세를 제안하기 위하여 진행하였다. 또한, 제안한 접합부상세로 구성된 상･하부 스플릿 티 접합부가 충분한 강도, 강성, 에너지소산능력을 발현할 수 있는지 파악하기 위하여 유한요소 해석을 통하여 해석적 연구를 진행하였다. 이 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 전단탭이 지지하는 전단력을 부담하기 위하여 제안된 상･하부 스플릿 티 접합부의 접합부상세는 충분한 휨강도를 발현하였다. 또한, 하부 T-stub에 체결된 고장력볼트의 전단파단이 발생하지 않았기 때문에 충분한 전단강도도 발현하는 것을 알 수 있다.

(2)반복하중을 받는 전단탭이 없는 상･하부 스플릿 티 접합부는 충분한 에너지소산능력을 발현하였다. 각 접합부의 휨강도 및 휨강성은 상대적으로 T-stub 플랜지의 두께가 두꺼울수록 더 크다는 것을 알 수 있다.

(3)전단탭이 없는 T-stub 플랜지 두께가 얇은 상･하부 스플릿 티 접합부는 T-stub 플랜지의 휨항복 후 소성변형에 의하여 파괴되었다. 반면에, T-stub 플랜지의 두께가 증가함에 따라서 하부 T-stub에 체결된 고장력볼트의 응력집중현상도 증가되었다.

Acknowledgments

이 연구는 한국연구재단의 지원(과제번호: NRF-2013 R1A1A2008363)에 의하여 수행된 과제의 일부입니다. 이에 논문의 저자들은 깊은 감사의 말씀을 전합니다.

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