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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.1 pp.53-58
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.1.053

Numerical Study for Behavior of FRP Panel in Steel Frame Structure

Min-Ho Kwon1, Hyun-Su Seo2, Jeong-Hee Lim3, Jin-Sup Kim4
1Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju-si, South Korea
2PhD., Department of Civil Engineering, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas, USA
3PhD. Candidate, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju-si, South Korea
4Assistant Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju-si, South Korea
Corresponding auth권 민호1
, 서 현수2, 임 정희3, 김 진섭4
or: Kim, Jinsup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 501 Jinju-Daero, Jinju, 52828, South Korea. +82-55-772-1791, +82-55-772-1799, jinsup.kim@gnu.ac.kr
March 3, 2017 March 10, 2017 March 16, 2017

Abstract

A behavior of FRP(Fiber Reinforced Polymer) panel in a steel frame structure was evaluated through the finite element analysis in this study. In order to numerical analysis, a experimental test results was used to develop a three dimensional finite element model of steel frame specimen. Numerical results of the steel frame specimen was well predicted the experimental behavior of steel frame specimen. Based on the developed three dimensional finite element model of steel frame specimen, the behavior of FRP panel in the steel frame specimen was evaluated. From the numerical analysis results, strength of the steel frame specimen with FRP panel was governed by FRP panel. Also, diagonal compression behavior governed the FRP panel in the steel frame specimen in the numerical analysis results.


강골조 구조물에서의 FRP 패널의 거동 평가를 위한 수치해석 모델

권 민호1, 서 현수2, 임 정희3, 김 진섭4
1경상대학교 토목공학과, 공학연구원, 교수
2텍사스 주립대학교 알링턴 캠퍼스, 박사 후 연구원
3경상대학교 토목공학과, 공학연구원, 박사수료
4경상대학교 토목공학과, 공학연구원, 조교수

초록


    Gyeongsang National University

    1.서 론

    2011년 규모 9.0의 강력한 지진이 일본 동북부 지역 에 이 발생하였으며, 이러한 강력한 지진이후 약 한 달 동안 규모 5.0이상의 여진이 400회 이상 발생한 것으로 보고되었다. 국내에서도 최근 경주지역에서 규모 5.8의 지진이 발생하였으며, 본진에 이은 여진이 장기간동안 발생하고 있다. 지진의 발생빈도 증가와 발생 지진의 규모 증가에 따라 시설물에 대한 내진설 계 및 내진보강에 대한 사회적 관심이 증가하고 있 다. 또한, 지진의 발생이 증가함에 따라, 인명 및 경 제적⋅사회적⋅정신적 피해를 발생시킬 위험도 증가 하고 있다.(Kim et al., 2013a) 이러한 지진에 의한 피 해를 최소화하기 위해서 많은 연구가 진행되고 있다.

    복합재료(Fiber Reinforced Polymer, FRP)는 다른 두 종 이상의 재료를 복합 및 조화시켜 만들어진 것 으로, 단일재료에 없는 강도 특성을 발휘할 수 있게 만든 것을 말한다. 건설 분야에 주로 유리섬유 복합 재료(GFRP, Glass Fiber Reinforced Polymer)와 탄소섬 유 복합재료(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer) 가 많이 사용되고 있다(Kim et al., 2013b, 2013c). 이 러한 복합재료(FRP)는 중량이 가벼우면서도 강도가 큰 장점을 가지고 있고, FRP와 같은 복합재료 보강재 의 경우 타 보강재에 비해 내구성이 우수하며 설계 및 시공여건에 큰 제약 없다는 장점이 있다(Jung, 2005).

    국내에 건설 된 중⋅저층 구조물에 사용되는 강골 조구조물의 경우 한국의 표준 강구조 접합부 기준에 따라 설계되며(Kwon et al., 2016), 이러한 강골조 구 조물에 대한 유한요소 수치해석 모델을 활용한 복합 재료 보강재에 대한 설계 및 해석적 평가가 가능한 수치해석 모델링이 필요하다.

    본 연구에서는 한국의 강골조 구조물에 적용할 FRP 복합재료 패널의 거동을 평가하기 위한 수치해 석 모델링을 개발하고자 하였다. 수치해석 모델의 개 발을 위하여 강골조 구조물에 대한 실험적 평가를 수 행하였고, 실험결과를 바탕으로 강골조 구조물의 3차 원 수치해석 모델을 검증하였다. 검증된 3차원 강골 조 구조물 모델을 사용하여, 강골조 프레임의 강성 및 강도 보강을 위한 복합재료 내력패널의 설계를 위 한 수치적 평가를 수행하고자 하였다. FRP 복합재료 패널부의 응력 분포를 분석하여 추후 내력패널의 최 적 설계를 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.

    2.강골조 프레임의 평면거동 평가

    2.1.강골조 시험체 설계

    강골조 시험체는 현재 사용 중인 강골조 구조물을 참 고하여 제작하였다. 우선, 본 연구에 적합한 강골조 구조물을 선정하고, 실제 구조물의 경우 실험이 현실 적으로 불가능하므로 일정 비율로 축소하여 강골조 접합부 시험체를 설계 하였다.

    강골조 시험체를 구성하는 기둥과 보의 단면은 기 존 참고 구조물의 보-기둥의 단면 2차 모멘트(Ix)의 비를 참고하여 설계하였다. 설계된 강골조 시험체는 기둥에 H-194×150×6×9×13 부재, 보에 H-125×125× 6.5×9×10 부재로 구성되었다. 축소 설계된 강골조 시험 체의 단면 2차 모멘트(Ix) 비는 참고 된 강골조 구조물 의 비와 거의 같은 3:2로 설계되었다.

    강골조 접합부 시험체의 접합부 형식은 한국의 표 준 강구조 접합부의 기준을 참고하여 용접접합을 사 용하였다. Fig.1은 본 연구에 사용된 강골조 접합부 시험체의 상세도이다.

    2.2.실험방법

    일정하게 변위를 증가시키는 방법으로 실험을 진행하 였고, 변위는 상부 가력 프레임의 변위값을 기준변위 로 하였다. 변위는 사이클의 증가에 따라 크기가 5mm 씩 증가하도록 설계하였으며, 한 사이클은 정방 향 부방향으로 한 번씩 가력하였다(Kim et al., 2015). 정방향과 부방향의 최대 변위는 실험장비 등을 고려 하여 100mm 로 설정하였다.

    2.3.실험장치 설계

    강골조 시험체의 실험을 위하여 구조실험용 가력프레 임과 엑츄에이터를 이용하여 구성하였다. 실험장치의 구성도 및 강골조 시험체의 실험 계획은 Fig.2와 같 다. 강골조 시험체의 설치는 면내 거동을 모사하기 위하여 상단부 가력 프레임에 4개의 가이드 힌지를 설치하여 강골조 시험체의 면외거동을 최대한 방지하 고자 하였다.

    강골조 접합부 시험체에 대한 변위하중은 강골조 시험체의 상단부에 연결된 가력 프레임의 변위를 통 하여 제어하였다.

    강골조 시험체의 경계조건을 결정하기 위하여 5층 의 강골조 프레임 구조물을 가정하고 유한요소 해석 을 수행하였다. 각 층의 프레임 구조물의 유한요소 해석 결과와 설계된 강골조 시험체만의 유한요소 해 석결과를 비교하였다. 유한요소 해석결과를 통하여 강골조 시험체의 경계조건을 힌지로 결정하였다.

    2.4.실험결과

    Fig.3은 강골조 시험체의 횡변위에 대한 반력 곡선이 다. 반복하중실험에서 하중은 변위가 증가함에 따라 증가하였으며, 급격한 하중감소는 발생하지 않았다. 반복하중 실험은 강골조 구조물의 내진성능을 평가하 기 위하여 사용하였다.

    반복하중 초기에는 탄성거동을 나타내고 양방향 변위 20mm 이후에는 소성거동을 나타내고 있다. 강 골조 시험체의 초기강성은 정방향(+)과 부방향구간에 서 거의 일정하게 2.30 kN/mm 으로 나타났다. 최대 변위에서의 반력은 정방향에서 74.8 kN, 부방향에서 76.1 kN으로 거의 일정하게 나타났다. 강골조 시험체 의 실험결과를 Table 1 에 정리하였다.

    강골조 시험체의 최대변위에서의 변형형상은 Fig.4 와 같다. 반복하중을 가력한 강골조 시험체의 최대변 위에서의 변형형상의 경우, 기둥의 변형보다 보의 변 형이 크게 발생하였다. 보의 변형이 크게 발생하였기 때문에 보의 기둥의 접합부의 응력이 크게 발생하여, 접합부 기둥부재의 복부에 전단변형이 발생하였다. 이 러한 결과는 유한요소 해석결과와 거의 일치하는 경 향을 나타내고 있다. 최대변위를 가력하고도 보와 기 둥의 접합부의 용접접합부 등에서의 용접부 파단과 같은 국소 파괴는 관찰되지 않았다.

    3.FRP 패널의 거동평가를 위한 수치해석 모델링

    3.1.수치모델링

    경계조건을 힌지로 고려하고 강골조 시험체의 거동을 실험을 통하여 평가하였다. 실험평가 결과를 바탕으 로 강골조 시험체에 대한 유한요소 해석모델을 제안 하고자 하였다. 제안된 강골조 시험체 유한요소 해석 모델을 이용하여 FRP 복합재료 팬널의 보강 설계에 활용하고자 하였다. 강골조 시험체 유한요소 해석모 델의 개발을 위하여 실제 실험에 사용된 강골조 시험 체의 보와 기둥단면 정보를 최대한 반영하고자 하였 다. 강골조 시험체의 유한요소 해석모델 제안을 위하 여 상용 구조용 해석프로그램인 ABAQUS를 사용하였 다(ABAQUS, 2011).

    모든 모델의 수치해석을 위하여 3차원 솔리드요소 를 사용하였다. 실험에서의 조건을 최대한 반영하기 위하여 실제 치수를 적용하였으며, 경계조건의 설정 을 위하여 유한요소 모델의 단면 설정기능을 사용하 였다. 실험에서는 반복하중을 사용하였지만 유한요소 해석에서는 단조하중으로 해석을 수행하였다. 단조하 중을 사용함으로써 경제적 해석이 가능하며, FRP 복 합재료 패널의 거동평가의 용이함을 최대화 할 수 있 다(Lim et al., 2015). Fig.5는 수치해석을 위한 강골조 시험체의 3차원 유한요소 모델링이다. FRP 복합재료 패널을 두께가 있는 판넬형으로 가정하였으며, FRP 복합재료 패널과 강골조 시험체와의 경계부에는 컨택 요소를 사용하였으며, 실제 거동을 가정하여 FRP 복 합재료 패널의 횡방향 경계조건을 설정하였다.

    3.2.재료구성모델

    강골조 시험체의 유한요소 해석을 위하여 실제 재료 물성치를 해석에 사용하였다. 유한요소 해석에 사용 된 재료 구성모델은 Fig.6과 같다. 강재의 재료구성모 델은 탄성영역과 소성영역이 고려된 비선형 모델을 사용 하였으며, FRP 복합재료의 경우 실제 거동과 같 이 파단과 동시에 파괴가 발생하는 재료구성모델을 사용하였다(Kwon et al., 2013, Kim et al., 2013b, 2013c). 강재의 재료구성모델은 초기강성(E0) 및 항복 이후의 소성강성(Eh)을 갖는 두 개의 기울기를 가지는 직선으로 고려되며, 적층된 FRP 복합재료의 경우 최 대강도, 초기강성(E0) 그리고 파단강도만으로 고려되 었다. 유한요소 해석에 사용된 강재와 FRP 복합재료 의 재료물성치는 Table 2와 같다.

    3.3.해석결과 및 분석

    FRP 복합재료 패널의 거동평가를 위하여, 강골조 시 험체에 대한 유한요소 해석모델을 검증하였다. 유한 요소 해석을 통하여 강골조 시험체를 해석하였으며, 해석결과와 실험결과를 비교 검토하여 해석법의 신뢰 성을 확보하고자 하였다. Fig.7은 단조하중 실험과 해 석결과를 바탕으로 변위-하중의 관계 그래프를 나타 내고 있다. 제안된 강골조 시험체의 유한요소 해석모 델의 해석결과는 실험에서의 초기 탄성과 최대하중이 잘 일치하고 있으며, 항복하중 이후의 소성거동이 잘 나타나고 있다. 따라서 제안된 강골조 시험체에 대한 3차원 유한요소 수치해석모델은 실제 강골조 시험체 의 단조하중에 대한 거동을 비교적 잘 예측하는 것으 로 판단된다. 따라서, 제안된 강골조 시험체의 3차원 유한요소 수치해석모델을 이용하여 FRP 복합재료 패 널의 보강설계를 위한 해석에 사용이 가능할 것으로 판단된다.

    강골조 시험체의 3차원 유한요소 모델을 사용하 여, FRP 복합재료 패널의 거동을 평가하고자 하였다. 강골조 프레임 내의 거동을 검토하기 위하여 FRP 복합 재료 보강재의 모델을 가정하였다. 가정된 FRP 복합재 료 보강재의 두께는 20mm 이고, 가로와 세로의 길이는 2056mm×1500mm로 강골조 시험체의 내부에 공차가 발생하지 않도록 모델링하였다. FRP 복합재료 패널과 강골조 시험체와의 접촉조건은 실제와 유사하게 거동 하도록 접촉후 모델의 간섭이 발생하지 않도록 구조 해석 프로그램의 내장모델인 하드컨텍 기능을 사용하 였다. 해석에서 확보하고자 하는 결론은 강골조 시험 체 내부에서 FRP 복합재료 패널의 거동을 확인하고 자 하였으므로, 해석결과 횡방향변위와 하중의 관계 그래프와, FRP 복합재료 패널의 압축응력 분포를 확 인하고자 하였다. Fig.8은 유한요소 해석결과로 작성 한 FRP 복합재료 패널로 보강된 강골조 시험체의 변 위-하중 그래프이다. FRP 복합재료 패널로 보강되기 전과 비교하여, 소성구간은 명확하게 발생하지 않고 있으며, 변위 22mm 이후에 강도의 감소가 발생하고 있다. 이러한 거동특성은 FRP 복합재료 패널의 영향 으로 판단할 수 있으며, FRP 복합재료 패널이 이 구 조물의 강도에 지배적인 영향이 있음을 확인하였다. 따라서, FRP 복합재료 패널의 강도를 설계할 수 있다 면, 강골조 구조물의 강도 증가를 위한 설계 기법의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

    FRP 복합재료 패널의 응력분포형태를 검토하였다. Fig.9는 FRP 복합재료 패널의 유효응력분포도이다. 최 대압축응력은 좌상단 모서리와 우하단 모서리에서 발 생하는 대각선 압축기둥의 형태로 발생하고 있다.

    FRP 복합재료 패널의 압축거동으로 최대 압축 변 형률이 대각선 형태로 발생하고 있다. 압축거동에 따 른 압축 영역을 평가하기 위하여 최대압축 변형률이 0.002인 영역의 길이를 측정하였다. 측정된 유효응력 길이를 Table 3에 정리하였다.

    FRP 복합재료 패널의 대각선 방향 모서리의 응력 분포 형태는 대칭으로 발생하였으며, 압축거동길이는 수직방향으로 15%, 수평방향으로 30%의 길이비율을 나타내고 있다. 이런한 압축영향길이를 바탕으로 대각 선의 유효응력장을 가정한다면, 강골조 프레임 구조물 의 강도 증가를 목적으로 하는 설계법을 개발할 수 있을 것으로 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 강골조 구조물내에서 FRP 복합재료 패널의 거동을 유한요소 해석을 통하여 평가하였다. 해석평가를 위하여 강골조 시험체에 대한 실험평가를 바탕으로 3차원 유한요소 수치해석모델을 검증하였다. 검증된 3차원 유한요소 수치해석모델을 바탕으로 FRP 복합재료 패널의 거동을 해석적으로 검토하였다. FRP 복합재료 패널로 보강된 강골조 프레임 구조물 의 경우, FRP 복합재료 패널의 강도가 지배적으로 작 용하는 것으로 나타났다. 강골조 프레임내에서 FRP 복합재료 패널은 압축거동이 지배적으로 발생하였으 며, 유효 압축영역을 검토하기 위하여 FRP 복합재료 패널의 유료 압축길이를 검토하였다. 검토결과 FRP 복합재료 패널의 유효 압축길이는, 패널의 수직방향 길이의 15%, 수평방향 길이의 30%로 나타났다. 따라 서, 본 연구에서 개발된 강골조 프레임구조물에 대한 3차원 유한요소 모델을 FRP 복합재료 패널의 거동평 가에 활용이 가능하며, FRP 복합재료 패널의 경우 강 골조 프레임내에서 대각선 압축거동이 발생함을 확인 하였다. 더불어, 본 연구를 바탕으로 FRP 복합재료의 압축거동 및 압축영역에 대한 설계법 연구에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 연구는 2016년도 경상대학교 신임교원연구기반조 성 연구비(2016-04-025)에 의하여 수행되었음.

    Figure

    KOSACS-8-53_F1.gif
    Steel frame specimen
    KOSACS-8-53_F2.gif
    Test setup
    KOSACS-8-53_F3.gif
    Load-displacement relationship of steel frame specimen
    KOSACS-8-53_F4.gif
    Final deformation shape of steel frame specimen
    KOSACS-8-53_F5.gif
    Finite element model
    KOSACS-8-53_F6.gif
    Material constitutive model
    KOSACS-8-53_F7.gif
    Comparison of load-displacement relationships
    KOSACS-8-53_F8.gif
    Load-displacement relationship of steel frame specimen with FRP panel
    KOSACS-8-53_F9.gif
    Stress distribution of FRP panel

    Table

    Experimental test results
    Material properties
    Effective compression length of FRP panel

    Reference

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