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Journal of Korean Society of Steel Construction - Vol. 27 , No. 5

[ Article ]
Journal of Korean Society of Steel Construction - Vol. 27, No. 5, pp. 423-433
ISSN: 1226-363X (Print) 2287-4054 (Online)
Print publication date Oct 2015
Received 04 Jun 2015 Revised 17 Sep 2015 Accepted 19 Sep 2015
DOI: https://doi.org/10.7781/kjoss.2015.27.5.423

전단탭이 없는 상·하부 스플릿 티 접합부의 접합부상세 제안
양재근1, * ; 이형동2 ; 김용범3 ; 배다솔3
1)교수, 인하대학교, 건축공학과
2)공학석사, 인하대학교, 건축공학과
3)석사과정, 인하대학교, 건축공학과

Proposal of Connection Details for a Double Split Tee Connection Without a Shear tap
Yang, Jae Guen1, * ; Lee, Hyung Dong2 ; Kim, Yong Boem3 ; Pae, Da Sol3
1)Professor, Department of Architectural Engineering, Inha University
2)Master of Science, Department of Architectural Engineering, Inha University
3)Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Inha University
Correspondence to : * Tel: +82-32-860-7588, Fax: +82-32-866-4624, E-mail: jyang@inha.ac.kr


Copyright ⓒ 2015 by Korean Society of Steel Construction

초록

상・하부 스플릿 티 접합부는 보-기둥 모멘트 접합부로써 T-stub 플랜지의 두께, 고장력볼트의 게이지 거리, 고장력볼트의 개수 및 직경 등의 영향에 따라서 상이한 거동특성을 나타낸다. 상・하부 스플릿 티 접합부는 일반적으로 접합부에 작용하는 휨모멘트는 T-stub이 지지하고 전단력은 전단탭이 지지하는 것으로 이상화되어 설계되고 있다. 그러나 중・저층 규모의 강구조물에 상・하부 스플릿 티 접합부가 적용되는 경우, 작은 규격의 보 부재가 적용될 수 있기 때문에 보 웨브에 전단탭을 설치하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이 연구는 이와 같이 보 웨브에 전단탭을 설치할 수 없는 기하학적 형상을 갖는 상・하부 스플릿 티 접합부가 충분한 전단력 지지능력을 갖도록 하는 접합부상세를 제안하기 위하여 진행하였다. 이를 위하여 상・하부 스플릿 티 접합부에 대한 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다.

Abstract

A double split tee connection, which is a beam-column moment connection, shows different behavioral characteristics under the influences of the thickness of a T-stub flange, a high-strength bolt gauge distance, and the number and diameter of a high-strength bolt. A double split tee connection is idealized and designed that a flexural moment normally acting on connections can be resisted by a T-stub and a shear force by a shear tap. However, where a double split tee connection is adopted to a low-and medium-rise steel structure, a small-sized beam member can be adopted. Then, a shear tab may not be bolted to the web of a beam. This study was conducted to suggest the details of a connection to secure that a double split tee connection with a geometric shape has a sufficient capacity to resist a shear force. To verify this, this study was conducted to make a three-dimensional nonlinear finite element analysis on a double split tee connection.


키워드: 상・하부 스플릿 티 접합부, 전단지지능력, 전단탭, 접합부상세
Keywords: Double split tee connection, Shear resisting capacity, Shear tab, Connection detail

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.



Fig. 1. Double split tee connection with a shear tap

Fig. 2. Double split tee connection without a shear tap




Table 1. Design shear strength of a shear tap

Analytical

model

Bearing

fracture

(kN)

Shear

yield

(kN)

Shear fracture

(kN)

Block

shear

(kN)

G110-SI

282.24

253.8

181.5

255.7




Table 2. Number of added high-strength bolt of bottom T-stub

Analytical model

Number of high-strength bolt in shear tap

Number of necessary high-strength bolt

G110-T11

2

2

3

4

4

4

G110-T15

2

2

3

4

4

4

G110-T19

2

2

3

4

4

4




Table 3. Geometric variable of T-stub

Analytical

model

atop

abot

btop

bbot

c

G110-T11-SI

45

45

51.5

51.5

-

200

7

11

110

16

G110-T11-SX

45

45

51.5

51.5

75

200

7

11

110

16

G110-T15-SI

45

45

51.5

51.5

-

200

10

15

110

24

G110-T15-SX

45

45

51.5

51.5

75

200

10

15

110

24

G110-T19-SI

45

45

51.5

51.5

-

200

11

19

110

20

G110-T19-SX

45

45

51.5

51.5

75

200

11

19

110

20




Table 4. Fiexural strength of double split tee connections

Analytical

model

(kN・m)

(kN・m)

(kN・m)

(kN・m)

(kN・m)

G110-T11

416.8

377.92

72.35

206.7

511.46

G110-T15

418.37

546.43

139.44

224.15

513.42

G110-T19

418.37

602.74

226.52

240.74

513.42


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].



Fig. 3. Geometry variables in T-stub failure modes


보 플랜지에 체결된 고장력볼트의 전단파단:

 (6)

여기서,

 (7)

T-stub 스템의 순단면 파단:

 (8)

여기서,

 min.

 (9)

 (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.



Fig. 4. Double split tee connection analytical models




Table 5. Material properties of beam and column

(N/mm2)

(N/mm2)

(N/mm2)

325

490

205,000

0.001585

0.08158




Table 6. Material properties of shear tap, stiffner doubler plate and continuity plate

(N/mm2)

(N/mm2)

(N/mm2)

235

400

205,000

0.001146




Table 7. Material properties of high-strength bolt

(N/mm2)

(N/mm2)

(N/mm2)

900

1000

205,000

0.003886

0.08388




Table 8. ABAQUS options for the finite element analysis

Contact surface

Command

Option

T-stub - Column

contact

finite

sliding

allow

separation

after contact

adjust only

to remove

over closure

T-stub - Beam

T-stub - Bolt

Beam - Bolt

Column - Bolt

Column - Doubler plate

mpc

tie

Column - Continuity plate

Column - Shear tap

Beam - Stiffener



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



Fig. 5. Stress contours of double split tee connections


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.



Fig. 6. Moment-Rotation hysterisis curve of double split tee connections


,

전단탭이있는경우 (18)

,

전단탭이없는경우 (19)



Fig. 7.  Energy dissipation capacity according to the T-stub flange thickness variation




Table 9.  Energy dissipation capacity of double split tee connections

Analytical models

G110-T11-SI

86.8255

G110-T15-SI

103.8740

G110-T19-SI

113.5250

G110-T11-SX

76.7566

G110-T15-SX

99.2410

G110-T19-SX

100.9010



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.

기 호(Notation)

 : 고장력볼트의 공칭단면적(mm2)

 : 전단면의 총 단면적(mm2)

 : 전단면의 순단면적(mm2)

 : 인장면의 순단면적(mm2)

  : 고장력볼트 중심축과 T-stub 플랜지 끝 단 사이의 거리(mm)

  : 고장력볼트 볼트구멍 끝단과 T-stub 스템 면 사이 의 거리(mm)

 : T-stub 플랜지 폭(mm)

 : T-stub 플랜지 분절의 길이(mm)

: 보의 춤(mm)

 : 고장력볼트의 직경(mm)

 : 기둥의 폭(mm)

 : 강재의 탄성계수(N/mm2)

 : 강재의 할선계수(N/mm2)

 : 강재의 인장강도(N/mm2)

 : 고장력볼트의 공칭인장강도(N/mm2)

 : 강재의 항복강도(N/mm2)

 : 고장력볼트의 공칭항복강도(N/mm2)

 : 고장력볼트의 전단강도(N/mm2)

 : T-stub의 고장력볼트 게이지 거리(mm)

 : 볼트구멍을 제외한 T-stub의 고장력볼트 게이지 거리(mm)

 : 인장볼트의 총 개수

 : 최단 고장력볼트의 순 거리(mm)

  : 고장력볼트의 피치(mm)

  : 필릿 반경(mm)

 : 기둥 외면으로부터 T-stub 스템 첫 번째 고장력볼트 중심간 거리(mm)

 : T-stub 스템 고장력볼트 사이 거리(mm)

 : T-stub 스템 양끝단 고장력볼트 사이 거리(mm)

  : 부재의 두께(mm)

 : 기둥 웨브의 두께(mm)

: T-stub 플랜지의 두께(mm)

: T-stub 스템의 두께(mm)

 : 강재의 인장 변형률

 : 강재의 항복 변형률


Acknowledgments

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


References
1. 김희동, 양재근, 이재윤, 이형동(2014) 상·하부 T-Stub 접합부의 초기회전강성 평가, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제26권, 제2호, pp.133-142.
Kim, H.D., Yang, J.G., Lee, J.Y., and Lee, H.D. (2014) Evaluation of the Initial Rotational Stiffness of a Double Split Tee Connection, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.26, No.2, pp.133-142 (in Korean).
2. 양재근, 김주우, 김윤(2012) 상·하부 스플릿 T 접합부의 휨강도 설계식, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제5호, pp.511-520.
Yang, J.G., Kim, J.W., and Kim, Y. (2012) Design Formula for the Flexural Strength of a Double Split Tee Connection, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.24, No.5, pp.511-520 (in Korean).
3. 양재근, 김윤, 박재호(2012) 상·하부 스플릿 T 접합부의 초기회전강성 예측모델, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제3호, pp.279-287.
Yang, J.G., Kim, Y., and Park, J.H. (2012) Prediction Model for the Initial Rotational Stiffness of a Double Split T Connection, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.24, No.3, pp.279-287 (in Korean).
4. Faella, C., Piluso, V., and Rizzano, G. (2000) Structural Steel Semirigid Connections: Theory, Design and Software, CRC Press, UK.
5. Kulak, G.L., Fisher, J.W., and Struik, J.H.A. (2001) Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints (2nd Ed.), American Institute of Steel Construction, USA.
6. Yang, J.-G., Park, J.-H., Choi, J.-H., and Kim, S.-M. (2011) Characteristic Behavior of a T-Stub Connection Under Shear, Including the Effects of Prying Action and Bolt Pretension, Proceedings of 6th International Symposium on Steel Structures, KSSC, Korea, pp.1086-1092.
7. Yang, J.-G., Kim, H.-K., Park, J.-H., Baek, M.-C. (2013) Analytical Models for the Initial Axial Tensile Stiffness and Ultimate Tensile Load of a T-Stub, Including the Effects of Prying Action, International Journal of Steel Structures, KSSC, Vol.13, No.2, pp.341-352.
8. SAC Joint Venture (2000) Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings (FEMA-​350), Federal Emergency Management Agency, USA.
9. Astaneh-Asl, A. (1985) Procedure For a Design and Analysis of Hanger-Type Connections, Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, Vol.22, No.2, pp.​63-66.
10. Piluso, V., Faella, C., and Rizzano, G. (2001) Ultimate Behavior of Bolted T-Stubs, I: Theoretical Model, Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, Vol.127, No.6, pp.686-693.
11. Piluso, V., Faella, C., and Rizzano, G. (2001) Ultimate Behavior of Bolted T-Stubs, II: Model Validation, Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, Vol.127, No.6, pp.694-704.
12. Swanson, J.A. (2002) Ultimate Strength Prying Models for Bolted T-Stub Connections, Engineering Journal, American Society of Civil Engineers, Vol.39, No.3, pp.​136-147.
13. Swanson, J.A., Kokan, D.S., and Leon, R.T. (2002) Advanced Finite Element Modeling of Bolted T-Stub Connection Components, Journal of Constructional Steel Research, Elsevier, Vol.58, pp.1015-1031.
14. Thornton, W.A. (1985) Prying Action: A General Treatment, Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, Vol.22, No.2, pp.67-75.
15. Coelho, A.M.G., da Silva, L.S., and Bijlaard, F.S.K. (2004) Characterization of the Nonlinear Behaviour of Single Bolted T-Stub Connections, Connections in Steel Structures V (Proceedings of the 5th International Workshop on Connections), American Institute of Steel Construction/​European Convention for Constructional Steel, Netherlands, pp.53-64.
16. Coelho, A.M.G., da Silva, L.S., and Bijlaard, F.S.K. (2006) Finite-Element Modeling of the Nonlinear Behavior of Bolted T-Stub Connections, Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, Vol.132, No.​6, pp.918-928.
17. Lemonis, M.E., and Gantes, C.J. (2006) Incremental Modeling of T-Stub Connections, Journal of Mechanics of Materials and Structures, Mathematical Sciences Publishers, Vol.1, No.7, pp.1135-1159.
18. Stankiewicz, B. (2002) Experimental Tests of T-Stub Joints and Refined Finite Element Method Computer Model, Proceedings of EUROSTEEL 2002: The 3rd European Conference on Steel Structures (Vol. 2), European Convention for Constructional Steel, Portugal, pp.927-​936.