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확장단부판 접합부 실험의 모든 부재는 SS275 강재로 제작하였으며, Fig. 1과 같이 보와 엔드플레이트는 필렛 용접으로 접합되었다. 또한, 기둥과 엔드플레이트의 접합에는 F10T-M20 볼트가 사용되었다. 실험체는 모두 패널 항복형 접합부를 구성하기 위하여 Table 1과 같이 부재를 선정하였다. 실험 과정에서 대상 접합부의 형태에 따라 실험체는 Series Ⅰ과 Series Ⅱ로 구분되며, 정적실험과 동적실험에서 접합 상세는 동일하게 유지되었다. 기둥의 길이는 정적실험과 동적실험 모두 1,900 mm로 동일하나 설치 등의 문제로 보의 길이는 정적실험과 동적실험 각각 1,700 mm와 1,622 mm로 오차가 있어 보 길이의 차이를 반영한 결과 분석이 요구된다. 4개의 실험체는 각각 ‘Series I-S’, ‘Series I-D’, ‘Series II-S’, ‘Series II-D’로 명명하였다, S와 D는 각각 정적(static)과 동적(dynamic)을 의미한다.

Fig. 1. 
Details of connections

패널 존과 보, 기둥의 강도비를 구하기 위한 식은 다음과 같다. (식 (1)‒식 (3)^[9], Fig. 1 참조)

여기서, b_c = 기둥 플랜지의 폭,
d_b = 보의 춤,
d_c = 기둥의 춤,
t_pz = 패널 존(기둥 웨브)의 두께,
t_fc = 기둥 플랜지의 두께,
F_yc = 기둥 웨브의 항복강도.

정적·동적 실험에서의 계측 계획은 동일하며, 변위계는 보 단부의 연직변위와 기둥의 변위, 그리고 패널 존의 변위를 측정하였다. 변형률 게이지는 보의 최대 응력 예상지점인 플랜지 상·하단 각 5개소, 웨브 5개소, 패널에 3축 방향으로 9개소까지 총 24개소에 부착하였다(Fig. 2 참조).

Fig. 2. 
Instrument installation diagram

Table 3에 ‘KS B 0801 금속재료 인장시험편’에 따라 1A호 인장시험결과로 얻은 강재특성을 나타냈다^[13],[14]. 총 24개 인장시험편의 재료인장시험결과에 따른 사용 강재의 기계적 성질 값을 산정한 결과, ‘KS D 3503 일반 구조용 압연 강재’^[15]에서 제시하고 있는 SS275 강재의 기계적 성질의 기준값을 만족하였으며 기준값은 Table 3에 적시하였다.

Fig. 9은 Series I-S 실험체의 모멘트-회전각 관계로 6 %rad까지 강도 저감이 발생하지 않았고, 정방향(압축 방향)에서 최대 157.53 kN·m, 부방향(인장 방향)에서 155.29 kN·m의 값을 보였다. 5 step(1.5 %rad) 가력 중에 기둥 패널 존과 플랜지에서 국부적인 좌굴이 발생하였다.

Fig. 9. 
Moment-rotation angle of Series I-S

Fig. 10은 Series I-D 실험체의 파단이 발생한 9스텝의 모멘트-회전각 관계로 4 step(50 %)부터 패널 존과 기둥 플랜지의 국부 좌굴이 관찰되었다. 8 step(150 %)에서 기둥 플랜지에 균열이 발생했으며, 9 step(170 %)에서는 보의 용접부에서 파단이 발생하였고 보 웨브에 면외 방향으로 국부 좌굴이 발생하였다. 파단이 발생한 9 step에서는 정방향에서 최대 146.88 kN·m, 부방향에서 134.98 kN·m의 값을 보였다.

Fig. 10. 
Moment-rotation angle of Series I-D

Fig. 11은 Series II-S 실험체의 모멘트-회전각 관계로 실험체는 4 step(1 %rad)부터는 기둥 패널 존과 플랜지에서 좌굴이 관찰되었으며 10 step(6 %rad)까지 강도의 저감이 없었으나, 액추에이터의 최대 허용용량인 120 mm 가력 시 2 cycle에서 내력이 약 10 % 저감되는 것으로 나타났다.

Fig. 11. 
Moment-rotation angle of Series II-S

Fig. 12는 Series II-D 실험체의 파단이 포함된 9 step의 모멘트-회전각 관계로 3 step(30 %)에서 패널 존과 보 플랜지에 밀스케일이, 5 step(70 %)에서 패널 존과 기둥 플랜지의 국부 좌굴이 관측되었다. 7 step(130 %)에서는 기둥 패널 존의 스티프너 용접부에 미세한 균열이 관측되었다. 8 step(150 %) 이후에는 기둥 플랜지에 균열이 발생하였고, 9 step(170 %)에서는 기둥 플랜지에 파단이 발생하였다.

Fig. 12. 
Moment-rotation angle of Series II-D

접합부의 탄성 강성은 구조물이 탄성 범위 내에서 지진하중에 따른 층간 변위를 최소화하기 위해 중요한 요소로, Table 4에 나타난 바와 같이 각 시험체의 하중-변위 관계 곡선에서 동적실험이 정적실험 대비 98 %–99 %로 탄성 강성이 유사하게 나타났다.

각 실험에 따른 이력특성의 변화를 비교한 결과는 Figs. 13–14와 같다. 항복내력과 항복변형각의 경우 동적실험이 정적실험 대비 최대 약 1.1배 정도 크게 나타났다. 최대 내력의 경우 동적실험이 정적실험 대비 약 0.88배로 작게 나타났으며, 정적실험의 최대 내력에 미치지 못하고 파단이 발생하는 양상을 보였다.

Fig. 13. 
Moment-rotation angle of Series I

Fig. 14. 
Moment-rotation angle of Series II

최대 모멘트에서 변형각은 동적실험이 정적실험 대비 약 0.9배로 작게 나타났다. 실험 결과 동적실험에서 정적실험 대비 최대 내력이 감소하여 변형능력이 저하되는 이력특성이 나타났다. 이는 기존의 재료에 대한 연구들로 밝혀진 빠른 하중속도에 의해 항복내력과 최대 내력이 증가하며, 최대 변형률이 감소한다^[4]–[6]는 연구결과와 상이하며, 부재나 구조물에 대한 동적 하중 조건의 영향에 대한 연구의 필요성을 야기한다.

각 실험체의 종국상태 사진은 Figs. 15–16과 같다. 정적실험의 경우 Series I, II 실험체 패널 존과 기둥 플랜지의 소성변형으로 인한 국부좌굴이 발생했다(Fig. 14 참조). Series I-D 실험체의 경우 9 step에서 보 용접부에서 취성 파단이 발생했고, Series II-D 실험체의 경우 9 step에서 기둥 플랜지에 파단이 발생하였다(Fig. 15 참조). 각 실험체 별 파괴 모드는 Table 5에 정리하였다.

Fig. 15. 
Failure mode of static test

Fig. 16. 
Failure mode of dynamic test

Figs. 17–18은 각 실험체별 보의 최대 응력지점과 패널 존의 최대 응력지점에서의 변형률 분포로 그래프상의 적색 파선은 재료인장시험을 통해 얻은 재료의 항복 변형률이다. 정적실험에서는 각각 6 step, 4 step에서 패널이 소성변형을 한 것으로 판단되며, 이때 보는 탄성거동 중에 있다. 동적실험에서는 정적실험과 달리 보와 패널이 동시에 소성거동에 관여하는 것으로 나타난다. 이는 동적실험에서 높은 하중속도에 의해 정적실험과 달리 패널 존에서 충분한 소성변형을 하지 못하고 보에서도 항복이 진행된 것으로 판단된다.

Fig. 17. 
Strain data of Series I

Fig. 18. 
Strain data of Series II

설계하중 이상의 지진 시, 비탄성영역에서 취성파괴에 의한 구조물의 조기 붕괴를 방지하기 위해 항복 후의 에너지흡수능력 및 소성변형능력이 확보되어야 지진에 대한 안정성을 얻을 수 있다.

본 연구에서 에너지흡수능력은 정적실험의 경우 액추에이터의 최대 허용용량까지의 각 사이클별 누적에너지의 총합이며, 동적실험의 경우 파단단계에서의 누적에너지 총합이다. 본 연구에서 H형강 기둥-보 접합부 이력거동에 따른 각 시험체 패널 존의 전단변형은 Fig. 19, 식 (4)의 방식으로 구했다.

Fig. 19. 
Panel zone diagram

Fig. 20는 각 실험체별 패널 존의 하중-변위 관계를 비교한 것으로, 그래프상의 흑색 파선은 정적실험, 적색 실선은 동적실험의 하중-변위 관계이다. 동적실험에서 패널 존의 변형량은 정적실험 최대 변형량의 0.3배에 미치지 못하는 모습을 확인하였다.

Fig. 20. 
Shear deformation capacity of panel zone

실험결과에 따른 이력곡선을 바우싱거부와 골격곡선부로 분해한 결과를 Figs. 21–22에 나타냈다. Series I, Series II가 각각 전체이력곡선에서 소성변형에너지는 정적실험에 비해 동적실험이 약 0.88, 0.47배로 나타났으나, 골격곡선부의 경우 약 0.5배로 나타났다.

Fig. 21. 
Comparison of plastic energy of Series I

Fig. 22. 
Comparison of plastic energy of Series II

4.1–4.4의 정적·동적 실험에서 구조성능, 파괴 모드, 에너지소산능력 등에서의 차이는 빠른 하중속도에 의해 동적실험에서 정적실험과 달리 패널 존이 충분한 소성변형을 하지 못해, 약(弱) 패널 존 접합부의 복원력을 발휘하지 못하고 용접부를 따라 응력집중현상이 발생하여 취성파단한 것으로 판단된다.