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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.4 pp.48-52
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.4.048

Seismic Performance Evaluation of Beam-Column Connections Using Superelastic Shape Memory Alloy Plate

Young-Chan Kim1, Jong-Wan Hu2
1PhD. Senior Researcher, Incheon Disaster Prevention Research, Incheon, Korea
2Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2019년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.



Corresponding author: Hu, Jong-Wan Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. Tel: +82-32-835-8463, Fax: +82-32-835-0775, E-mail: jongp24@incheon.ac.kr
July 30, 2019 August 5, 2019 August 5, 2019

Abstract


Although Korea has been recognized as a safe country from earthquakes, there is a growing interest in securing structural safety due to the damage caused by the Gyeongju and Pohang earthquake. The steel moment frame, which is widely applied to domestic low-rise buildings, has basic seismic performance but it causes various problems due to brittle fracture caused by plastic deformation of beam-column joint. Recently, researches on the utilization of superelastic shape memory alloys capable of recentering from the residual strain at room temperature have been carried out to solve these problems. Therefore, in this study, the seismic performance of a beam flange member subjected to plastic deformation by using a superelastic shape memory alloy reinforced plate is evaluated.



초탄성 형상기억합금 보강판을 활용한 보-기둥 접합부의 내진성능 평가 실험

김 영찬1, 허 종완2
1인천방재연구센터 책임연구원
2인천대학교 건설환경공학부 교수

초록


우리나라는 지진으로부터 안전한 국가라는 인식이 형성되었으나 최근 경주와 포항 지진에 의해 발생된 구조물 피해 로 구조물 안전성 확보를 위한 관심이 증가하고 있다. 국내 중저층 건축물에 다수 적용되고 있는 철골 모멘트 골조는 기본적인 내진성능을 보유하고 있지만 보-기둥 접합부의 소성변형으로 인한 취성파괴로 다양한 문제를 발생시킨다. 최근에는 이러한 문제 를 해결하기 위해 구조물에 상온에서 잔류변형으로부터 원형복원이 가능한 초탄성 형상기억합금의 활용에 관한 연구가 진행되 고 있다. 따라서 본 연구에서는 소성변형이 집중되는 보 플랜지 부재에 초탄성 형상기억합금 보강판을 활용한 보–기둥 접합부 에 대하여 실험을 통한 실질적인 내진성능을 평가하고자 한다



    National Research Foundation of Korea
    2018R1A6A3A01012859Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19CTAP-C152266-01

    1. 서 론

    우리나라는 과거 기록지진을 근거로 지진으로부터 안전한 국가라는 인식이 형성되어 왔으나 최근 경주 와 포항 지진에 의해 발생된 구조물 피해로 인하여 지진으로부터 구조물 안전성 확보를 위한 관심이 증 가하고 있다.

    현재 국내의 중·저층 건축물은 공장에서 제작하 고 현장에서 시공하여 경제성, 시공성 등의 장점을 갖는 철골 모멘트 골조 시스템이 다수 적용되고 있 다. 철골 모멘트 골조 시스템은 지진에 의한 하중을 구조물 부재의 연성능력으로 저항하는 기본적인 내 진성능을 나타내지만 보와 기둥의 접합 위치에서 응 력 집중으로 인한 취성파괴가 발생한다. 취성파괴는 소성힌지가 발생하여 에너지를 소산시키는 장점을 갖지만 영구적인 잔류변형이 발생하여 구조물 기능 손실을 유발하고 손상된 골조 구조물 보수로 인한 경제적 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근 소성힌지 위치를 조절하는 시스템적 접 근방법과 더불어 스마트 재료의 일종인 초탄성 형상 기억합금(Superelastic Shape Memory Alloy)과 같은 재 료를 활용하여 기존에 활용된 강재의 재료적 취약성 을 개선하는 재료적 접근방법에 대한 다수의 연구가 진행되고 있다. 초탄성 형상기억합금은 잔류변형이 거의 없는 깃발 모양의 이력거동을 나타내어 상온에 서 별도의 열처리를 하지 않아도 응력 제거만으로 원형복원(Recentering)이 가능한 재료이다. 초탄성 형 상기억합금은 티타늄과 니켈을 혼합하여 제조된 니티 놀 소재가 가장 많이 사용되며 혼합비율에 따라 6∼ 8% 변형률 범위에서 원형복원이 가능하다. 또한 일 반 강재보다 부식과 피로파괴 측면에서도 우수한 저 항성능을 나타내어 최근 건설 현장에서의 활용이 증 가하고 있다(DesRoches et al., 2004;Hu, 2014;Son et al., 2014). Mohammad 등은 보-기둥 접합부의 에너지 소산 및 전단 저항을 위한 구성 요소로 초탄성 형상 기억합금 긴장재를 활용한 수치해석을 수행하였다 (Mohammad and Mehdi, 2017). Moradi 등은 초탄성 형상기억합금 보강판이 포함된 보-기둥 접합부의 유 한요소해석을 수행하였다(Moradi and Alam, 2015). Wang 등은 초탄성 형상기억합금 긴장재와 앵글강을 활용한 보-기둥 접합부의 구조적 성능을 검증하였다 (Wang et al., 2015). 이러한 초탄성 형상기억합금을 활용한 보-기둥 접합부 연구에서는 재료의 우수한 성 능으로 인한 구조물의 잔류변형 감소와 에너지 소산 능력을 확인하였다. 따라서 상온에서 하중제거 만으 로 원형복원이 가능한 초탄성 형상기억합금을 보– 기둥 접합부의 소성변형이 집중되는 보 플랜지 부재 에 활용할 경우 부재에 발생하는 잔류변형이 감소되 어 부재 교체비용 감소 효과를 나타낼 것이다. 본 연 구에서는 접합부의 취성파괴를 효율적으로 제어하고 내진성능을 확보하기 위하여 용접 철골모멘트 골조의 보-기둥 접합부에 강재 이음판(Splice Plate)과 더불어 초탄성 형상기억합금 및 강재 보강판(Reinforced Plate) 을 덧댄 접합부를 제작하여 실험을 통한 실질적인 내 진성능을 평가하고자 한다.

    2. 본 론

    2.1 실험 계획

    본 연구에서는 보의 일부를 공장 용접하고 나머지 부분을 고력볼트를 이용하여 현장 접합하는 보-기둥 접합부의 내진성능향상을 위해 보의 플랜지 연결위 치를 초탄성 형상기억합금과 강재 판으로 보강하는 접합부에 대한 실험적 연구이다. Fig. 1은 반복하중 이 작용할 때 이러한 보-기둥 접합부의 예상거동 메 커니즘을 보여준다. 보-기둥 접합부의 보강판에 의한 전체 거동은 강재와 초탄성 형상기억합금의 거동이 병렬 결합하여 나타난다. 초탄성 형상기억합금의 경 우 하중 제거 시 원형으로 복원되는 거동을 나타내 므로 강재에 의해 발생하는 상당량의 잔류변형을 감 소시키고 보-기둥 접합부의 강도를 추가적으로 향상 시킨다. 강재의 경우 보-기둥 접합부의 외부하중에 의해 저항하는 강도와 에너지 소산 능력을 향상시킨 다. 따라서 본 연구에서는 강재로 보강하는 일반적 인 보-기둥 접합부 보강방법에 추가적으로 초탄성 형상기억합금을 보강하여 에너지 소산 능력 증진과 잔류변형 감소 효과를 관찰하고자 한다.

    초탄성 형상기억합금을 활용한 보-기둥 강축 접 합부의 내진 성능평가를 위하여 Fig. 2와 같이 보 플 랜지의 내·외부 연결부에 초탄성 형상기억합금과 강 재를 보강한 실험체를 제작하였다. 구조물의 보부재 를 기둥부재에 강축 접합하는 보-기둥 접합부는 기둥 부재에 발생하는 소성힌지로 인한 취성파괴를 방지해 야 한다. ANSI/AISC 341-05 기준은 철골 모멘트 골조 의 연성능력을 확보하기 위하여 접합부에서 기둥의 휨강도를 보의 휨강도보다 크게 설계하여 보에서 먼 저 소성힌지를 발생하도록 유도하는 강기둥-약보 조 건(기둥과 보의 휨모멘트비가 1.0 이상)을 만족하도록 한다. 이는 지진 거동 시 기둥보다 보에서 먼저 소성 힌지가 발생하여 구조물의 소성변형을 고르게 분포시 킴으로써 안정적으로 지진에너지를 소산시키도록 하 는 설계이다(AISC, 2005).

    본 연구의 보-기둥 접합부는 보 부재에 충분한 소성변형이 확보되도록 기둥과 보의 소성모멘트 비 를 고려하여 실험체를 설계하고 제작하였다. Fig. 3과 같이 실험체의 보 부재는 국내에서 일반적으로 사용 되고 있는 H형강 H-300×300×10×15(길이 3,000mm)으 로 제작하였고 기둥 부재는 실험여건에 따라 H형강 H-410×400×15×25(길이 3,150mm)으로 제작하여 사용 하였다. 보와 기둥 부재는 모두 SS400으로 제작하였 으며 보와 기둥 접합에 사용된 볼트는 F10T-M20 고 장력 볼트를 사용하였다.

    주요부재인 이음판과 보강판의 경우 Fig. 4와 같 이 제작하였다. 강재 이음판은 SS400 소재로 폭 121mm, 길이 186mm, 두께 10mm의 총 2개 부재를 제작하여 보의 웨브 이음부에 볼트 결합하였다. 초탄성 형상 기억합금 보강판은 니티놀 소재로 폭 50mm, 길이 250mm, 두께 3mm의 총 8개 부재를 제작하여 보 플 랜지의 외부영역 이음부의 보강판으로 사용하였다. 강재 보강판은 SS400 소재로 폭 105mm, 길이 250 mm, 두께 3mm의 총 4개 부재를 제작하여 보 플랜 지의 내부영역 이음부의 보강판으로 사용하였다. 볼 트의 지압과 부재의 인장으로 발생하는 볼트구멍의 파단을 방지하기 위해 R10의 곡선을 갖는 뼈다귀 (Dog Bone)형태로 제작하였으며 초탄성 형상기억합 금의 세부 물리적 특성은 Table 1과 같다.

    2.2 실험 방법

    보-기둥 접합부 실험체는 보 부재에 작용하는 휨 모 멘트의 영향을 받는 보강판의 성능을 검증하기 위해 기둥부재를 힌지 상태로 설치하였다. 또한 보 단부 를 최대용량 3000kN·m, 최대 스트로크 ±300mm의 동 적 엑추에이터로 반복가력을 수행하였다. 횡 방향 보의 면외 변형을 방지하기 위해 가력 끝단 양쪽에 횡 지지 브레이스를 설치하였다. Fig. 5는 접합부 실 험체 설치 도면과 사진이다.

    실험계측은 보 플랜지의 이음부에 볼트 접합한 초탄성 형상기억합금 보강판과 강재 보강판의 변형 을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 부착하였다. 스트레인 게이지의 부착위치는 8개의 초탄성 형상기 억합금 보강판의 중앙부와 2개의 강재 보강판의 중 앙부에 각각 부착하였다. 가력방법은 Fig. 6과 같이 ANSI/AISC SSPEC-2002 Cyclic Loading Program 기준을 근거하여 전체 시편 길이의 8% (210.8mm)로 산정된 층 간 변위 비를 기준으로 총 12 Steps (44cycles)의 반복가 력실험을 수행하였다(AISC, 2002). 하중은 단계별로 0.375% (9.88mm), 0.5% (13.18mm), 0.75% (19.76mm), 1% (26.35mm)의 경우 6cycles, 1.5% (39.53mm), 2% (52.70mm)의 경우 4cycles, 3∼8% (79.05∼210.80mm)의 경우 2cycles씩 증가시키며 반복가력 하였다.

    3. 실험 결과

    3.1 자동복원 능력

    Fig. 7(a)는 반복하중 재하실험에 따른 보-기둥 접합 부의 전체 하중-변위 이력거동을 나타낸다. 하중-변 위 이력거동은 강성, 강도, 자동복원, 에너지 소산 능력에서 이론과 유사한 결과를 나타냈다. 일반적으 로 강재만 사용할 경우 사다리꼴 형태의 하중-변위 거동을 나타나지만 초탄성 형상기억합금을 사용함에 따라 하중제거 시 잔류변형이 감소되는 형태의 거동 을 나타냄을 알 수 있다. 실험 결과 최대 177.72kN 의 하중을 받는 것으로 나타났으며 210mm 변위 후 초탄성 형상기억합금 보강판의 파단으로 인해 강도 가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 파괴 형상은 반복하중의 인장 후 압축하중이 작용할 때 초탄성 형상기억합금의 상변화 영역에서 나타났으며 보강판 의 고력볼트 접합부에서 단면 손실에 의한 내력감소 로 발생하였다.

    Fig. 7(b)는 Step에 따라 분류한 하중-변위 이력거동 을 나타낸다. 초기 반복하중재하 후 Step 4 (24cycles) 까지는 인장 후 압축으로 하중이 작용할 때 30kN 하중에서 잔류변위의 감소가 나타나지만 가파른 경 사로 힘이 감소되므로 변위회복이 거의 발생하지 않 고 강재와 초탄성 형상기억합금의 강성에 따라 탄성 거동과 유사한 거동을 나타낸다. 하중재하 Step 6 (32cycles)~Step 12 (44cycles)에서는 극한 강도에 도 달 후 압축력이 작용할 때 잠시 동안 강재의 영향 (최종 44cycles의 경우 210kN하중까지)에 의한 거동 을 나타내지만 그 후 초탄성 형상기억합금의 영향으 로 자동복원 거동을 나타낸다. 전체적으로 보-기둥 접합부의 거동은 강재 보강판의 강성과 마찰에 의한 영향으로 잔류변위가 다소 발생하지만 초탄성 형상 기억합금의 영향으로 자동복원 되는 효과를 나타낸 다. 또한 보-기둥 접합부 보강판의 자동복원 능력은 잔류변형의 하중 Step(층간 변위 비)에 따른 누적 값 으로 Fig. 8과 같이 나타냈다. 잔류변위는 하중 Step 1 (0.375%)~Step 4 (1%)까지 1.28mm~5.31mm로 완만 한 기울기로 나타났지만 Step 5 (1.5%)부터는 기울기 가 급격히 증가하여 Step 10 (6%)에서 최대 58.95mm 로 나타났다. 잔류변위는 하중증가에 따라 초탄성 형상기억합금의 복원력에 의해 다소 감소하지만 강 재의 소성변형의 증가로 인해 평균적으로 증가현상 을 나타낸다.

    3.2 에너지 소산 능력

    Fig. 8과 같이 보-기둥 접합부 보강판은 하중 증가에 따라 강도성능 뿐만 아니라 하중-변위 곡선의 면적 을 나타내는 에너지 소산 능력도 증가하는 것을 알 수 있다. 에너지 소산 능력은 하중 Step 1 (0.375 %)~Step 4 (1%)까지 119.42kN·mm~999.19kN·mm로 완만한 기울기로 나타났지만 Step 5 (1.5%)부터는 4329.66kN·mm로 기울기가 급격히 증가하여 Step 12 (8%)에서 최대 56849.29kN·mm로 나타났다. 에너지 소산 능력은 보 부재의 소성변형의 발생으로 형성되 어 잔류변위의 증가에 따라 평균적으로 증가현상을 나타낸다. 따라서 강재 보강판과 자동복원 성능의 초탄성 형상기억합금 보강판을 적절히 활용하면 에 너지 소산 능력뿐만 아니라 소성변형으로 발생하는 잔류변위도 조절 가능할 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 초탄성 형상기억합금 보강판을 활 용한 보-기둥 접합부의 구조실험을 수행하여 성능을 평가하였다. 실험결과로부터 초탄성 형상기억합금과 강재 보강판의 실험결과를 분석하여 다음과 같은 결 론을 도출하였다.

    • 1) 초탄성 형상기억합금 보강판을 활용한 보-기 둥 접합부는 지진과 같은 반복하중을 받을 때 초탄성 형상기억합금의 자동복원 성능에 의해 잔류변형이 감소되는 결과를 나타냈다. 따라서 일반적 방법인 강재만으로 보강할 경우 보다 초탄성 형상기억합금 보강판을 같이 사용할 경우 사용수명을 향상시킬 수 있을 것이다.

    • 2) 초탄성 형상기억합금 보강판과 강재 보강판을 같이 활용할 경우 하중 증가에 따라 접합부의 안정적인 에너지 소산을 제공하여 내진성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

    추후 초탄성 형상기억합금 보강판을 활용한 보-기 둥 접합부의 기초자료 정립과 구조물 적용을 위해서 는 다양한 파리미터에 대한 해석 및 실험적 연구를 통한 성능검증이 추가적으로 수행되어야 할 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한 국연구재단의 기초연구사업(2018R1A6A3A01012859) 의 지원에 의해 수행되었고, 국토교통부 국토교통기 술촉진연구사업(19CTAP-C152266-01)의 지원에 의해 수행되었습니다. 본 연구 지원에 깊은 감사를 드립 니다.

    Figure

    KOSACS-10-4-48_F1.gif
    Response Mechanism of Reinforced Plates with Beam-Column Joints
    KOSACS-10-4-48_F2.gif
    Beam-column Joint Design Plan
    KOSACS-10-4-48_F3.gif
    Details of Beam-Column Connection Test Specimen
    KOSACS-10-4-48_F4.gif
    Details of Reinforced and Splice Plates
    KOSACS-10-4-48_F5.gif
    Installation of Beam-Column Joint
    KOSACS-10-4-48_F6.gif
    Applied Cyclic Loading History
    KOSACS-10-4-48_F7.gif
    Force-Displacement Curve of Reinforced Plates with Beam-Column Joint
    KOSACS-10-4-48_F8.gif
    Residual Displacement and Energy Dissipation Capacity According to Measured Loading Cycles

    Table

    Mechanical Properties of Superelastic Shape Memory Alloy

    Reference

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