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건축 구조물의 보-기둥 접합부는 구조 전체 거동을 지배하는 핵심적 역할을 수행한다. 이는 접합부가 부재 간 힘의 전달 경로를 형성하고, 외력 작용 시 발생하는 휨모멘트, 전단력 및 축력을 조절함으로써 전체 구조계의 강성, 연성, 에너지 소산능력에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 따라서, 접합부의 강성 및 회전 성능은 구조물의 안정성뿐만 아니라 경제성, 시공성 및 지속가능성과도 밀접하게 연관된다. 이러한 배경하에 반강접 접합부(Semi-rigid connection)는 강접합과 단순접합의 중간적 성질을 지니며, 구조 효율성과 안전성을 동시에 확보할 수 있는 대안으로 많은 연구자들의 관련연구를 수행해왔다^[1]-[4].

이러한 중요성에 착안하여, 기존 연구에서는 주로 탄소강을 적용한 반강접 접합부의 구조 성능을 다양한 접근법을 통해 규명해 왔다^[5]-[8]. 초기 연구에서 Kishi와 Chen^[5]은 멱함수형(moment-rotation) 모델을 제안하여 반강접 접합부의 초기 강성과 휨모멘트를 효과적으로 예측할 수 있는 기초적 접근방법을 제시하였으며, 이후 다수의 연구에서 이를 확장·적용하여 설계 및 해석의 기반을 마련하였다. 이어서 Abdalla et al.^[6]은 플랜지 및 웨브 앵글을 포함한 반강접 접합부의 비선형 거동을 규명하기 위하여 3차원 비선형 유한요소해석(finite element analysis, 이하 FEA) 모델을 제시하고, 단조가력 실험과의 비교를 통해 해석 결과의 신뢰성과 실효성을 검증하였다. Béland et al.^[7]은 플랜지 앵글과 이중 웨브 앵글 볼트 접합부를 대상으로 반복 및 전단가력 실험을 수행하여, 접합부의 모멘트-회전 거동에 영향을 미치는 주요 응답 변수와 임계 매개변수를 규명하고, 기존 수학적 모델의 한계를 지적하며 수정 가능성을 제안하였다. 또한 Kong과 Kim^[8]은 이중 웨브 앵글을 갖는 top-seat 앵글 접합부의 초기 강성과 극한 모멘트를 보다 정밀하게 산정하기 위한 새로운 예측식을 제시하였으며, 다양한 실험 결과와의 비교를 통해 높은 정합성을 확보하였다. 이와 같이 기존 연구들은 접합부의 초기 강성, 극한 강도 및 비선형 거동 특성을 다각적으로 규명함으로써, 반강접 접합부의 설계 합리화와 내진 성능 향상을 위한 학문적 토대를 마련해 왔다.

Yun et al.^[1]은 탄소강과 오스테나이트계 스테인리스강의 앵글을 적용한 보-기둥 반강접 접합부에 대해 단순가력 실험을 수행하였고 두 강종의 항복강도, 항복비 및 변형도 경화 특성 차이에 따른 접합부 초기강성과 휨거동을 비교하였다. 탄소강 앵글을 적용한 접합부는 항복회전각을 제외한 초기강성과 항복모멘트는 스테인리스강 앵글접합부보다 각각 29 %, 21 % 높게 나타났다.

또한, 반강접 접합부의 세부 매개변수의 영향에 대한 연구도 축적되어 왔다. Citipitioglu et al.^[9]은 유한요소해석을 활용하여 볼트접합면의 마찰조건이 접합부의 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였고, Pirmoz et al.^[10], Wang et al.^[11], Alemdar & Balaban^[12]는 실험과 해석을 병행하여 탄소강 앵글 보-기둥 접합부의 비선형 거동을 규명하고 유한요소해석의 적용가능성을 검증하였다. 이러한 연구들은 반강접 접합부의 구조 거동 이해에 크게 기여했지만, 동시에 다음과 같은 한계도 존재한다. 첫째, 대부분의 연구는 특정한 접합 형식이나 제한된 조건에서 수행되었기 때문에 실제 구조설계 시 다양한 변수들이 복합적으로 작용하는 상황을 충분히 반영하지 못하였다. 둘째, 마찰계수, 앵글 두께, 요소 유형 등과 같은 설계 변수의 변화가 접합부의 성능에 미치는 영향을 체계적이고 정량적으로 규명한 연구는 부족하다. 셋째, 기존의 일부 해석모델은 실험결과와 양호한 일치를 보였음에도 불구하고 설계기준으로 직접 활용하기에는 복잡성이 크거나 신뢰성이 제한적이었다.

이에 이 연구에서는 기존 한계를 보완하고, 보다 현실적인 설계 자료를 제공하기 위해 탄소강을 사용한 반강접 보-기둥 접합부에 대한 재료시험 및 접합부 실험 결과를 바탕으로 유한요소해석(FEA) 모델을 구축하였다. 제안된 모델은 단조가력 조건에서의 하중-변위 관계 및 극한 성능을 모사하고, 실험 결과와 비교하여 타당성과 신뢰성을 검증하였다. 또한, 마찰계수, 앵글 두께, 요소 종류 등 주요 설계 변수를 추가적으로 고려하여 접합부 성능에 미치는 영향을 분석함으로써, 실제 구조 설계 시 활용 가능한 기초 데이터를 제시하고자 하였다.

따라서, 이 연구에서는 기둥과 보의 연결요소로 절곡한 탄소강 앵글을 적용한 반강접 접합부의 기존연구의 단조가력 실험결과^[1]를 토대로 주요변수에 따른 초기강성과 휨모멘트 성능을 예측할 수 있는 유한요소해석모델을 구축하고 앵글두께를 변수로 하여 구조거동을 조사하는 것을 연구목적으로 한다.

각 실험체의 실험체별 하중-변위 곡선으로부터 Fig. 4와 같은 방법으로 곡선^[18]의 직선구간에서의 기울기를 초기강성(K_i)으로 하였고, 초기강성 구배를 갖는 직선과 초기강성기울기의 1/3인 직선을 평행 이동시켰을 때 초기강성 기울기 직선과 만나는 점에서의 하중과 변위를 각각 항복내력(P_y), 항복변위(δ_y)로 정의하였다.또한, 실험종료시점에서의 변위와 하중을 각각 최대변위(δ_max), 최대하중(P_max)으로 설정하였다. Table 4에 단조가력 시 하중-변위 곡선으로부터 얻어진 접합부의 실험결과를 정리하였다. 두 실험체에서 H형강의 플랜지와 웨브 모두 앵글 접합한 M-TSDW 접합부에 대한 플랜지만 앵글접합한 M-TS 접합부의 항복내력 비율은 1.51으로 나타나고 최대내력 비율은 1.73으로 나타났다. 실험결과, 고장력 볼트와 H형강 보와 기둥에서는 큰 변형과 파단은 관찰되지 않았고, 고장력 볼트의 미끄럼과 앵글의 항복 또는 소성변형에 의해 구조거동이 결정되었다.

Fig. 4. 
Concept of method for calculating the yield strength

이는 M-TSDW 접합부에서 회전변형이 웨브 앵글접합에서 구속되어 초기강성, 항복내력 및 실험종료시점에서 최대내력이 모두 증가되었다.

이 연구에서는 SS275 탄소강 앵글을 사용한 보-기둥 반강접 접합부의 구조 거동을 규명하기 위하여 기존 실험 결과를 토대로 유한요소해석(FEA) 모델을 구축하고, 해석 결과를 실험과 비교함으로써 모델의 타당성을 검증하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

• (1) 기존실험결과에서 H형강 보-기둥 접합부에서 플랜지앵글뿐만 아니라 웨브앵글의 존재가 반강접 접합부의 모멘트 성능에 큰 영향을 미쳤다. 웨브앵글이 부착된 TSDW 실험체는 웨브앵글이 없는 TS 실험체 대비 초기강성이 약 29 %, 최대내력이 약 72 % 향상되었다. 이는 H형강보의 웨브에 H형강 기둥과 접합되는 웨브앵글이 보-기둥 접합부의 휨강성과 모멘트의 증가에 기여하는 것을 확인하였다.
• (2) 제안된 유한요소해석결과는 하중-변위 곡선의 전반적인 형상뿐만 아니라 초기강성과 최대내력 측면에서도 실험결과와 양호한 일치를 보였다. 해석요소의 경우, C3D8R 요소는 실험과 유사한 거동을 재현하면서도 계산 효율성이 우수하였으나, C3D8I 요소는 강성을 과대평가하는 한계가 있었다.
• (3) 추가적으로 수행된 변수 해석에서는 마찰계수와 앵글 두께가 접합부의 구조 거동에 미치는 영향을 정량적으로 확인하였다. 마찰계수가 낮을수록 접촉면 슬립이 조기에 발생하고 최대 내력이 감소하는 경향이 나타났다. 또한 앵글 두께가 증가할수록 초기 강성과 최대 내력이 모두 향상되어 설계 시 앵글 두께의 중요성이 재확인되었다.
• (4) 이 연구에서 제시한 유한요소해석 모델은 실험적 검증을 기반으로 구축된 만큼 반강접 접합부의 구조 성능을 신뢰성 있게 예측할 수 있다. 따라서 향후 실험이 제한적인 상황에서 대체 수단으로 활용 가능하며, 다양한 변수 효과를 체계적으로 평가하여 합리적인 설계안을 도출하는 데 기초 자료로서 의미가 크다. 더 나아가, 본 연구는 보-기둥 반강접 접합부의 합리적 설계와 구조 안전성 확보에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.