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논문명/저자명: 저사이클 하중하에 스티프너 보강된 강박스 기둥의 파괴 거동 = Fracture behavior of steel box column with stiffener under low cycle loading / 신중민

발행사항: 서울 : 중앙대학교 대학원, 2017.2

청구기호: TM 624.1 -17-10

형태사항: ix, 94 p. ; 26 cm

자료실: 전자자료

제어번호: KDMT1201717468

주기사항: 학위논문(석사) -- 중앙대학교 대학원, 토목공학과 구조공학전공, 2017.2. 지도교수: 장경호

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표제지

Nomenclature 12

제1장 서론 13

1.1. 연구 배경 13

1.2. 기존 연구 16

1.3. 연구 목적 25

제2장 국내 건축물 내진설계 방법 26

2.1. 국내 건축물 내진 설계 기준 26

2.2. 지진하중 평가 40

2.3. 내진등급에 따른 반복하중하에 강박스 기둥의 거동 42

2.3.1. 해석 모델 및 경계·하중 조건 42

2.3.2. 해석 결과 및 고찰 43

제3장 잔류응력이 강박스 기둥의 저사이클 파괴 거동에 미치는 영향 45

3.1. 해석 모델 및 경계·하중 조건 45

3.2. 강박스 기둥의 잔류응력 49

3.3. 하중-변위 곡선 51

3.4. 응력 거동 53

제4장 수직 스티프너 적용시 강박스 기둥의 탄소성 3차원 저사이클 유한요소 해석 68

4.1. 스티프너 개수 및 보강 간격이 강박스 기둥의 파괴 거동에 미치는 영향 68

4.1.1. 해석 모델 및 경계·하중 조건 68

4.1.2. 하중-변위 곡선 70

4.1.3. 응력 거동 72

4.1.4. 파괴 거동 81

4.2. 하단부 스티프너 보강이 박스 기둥의 파괴 거동에 미치는 영향 89

4.2.1. 해석 모델 및 경계·하중 조건 89

4.2.2. 하중-변위 곡선 90

4.2.3. 응력 및 파괴 거동 92

제5장 결론 99

참고문헌 101

국문초록 104

Abstract 105

Table 1.1. Classification of fatigue 19

Table 2.1. 지진구역 구분 및 지역계수 26

Table 2.2. 지반의 분류 27

Table 2.3. 단주기 지반증폭계수, Fa(이미지참조) 29

Table 2.4. 1초주기 지반증폭계수, Fv(이미지참조) 29

Table 2.5. 내진등급과 중요도 계수 32

Table 2.6. 단주기 설계스펙트럼가속도에 따른 내진설계범주 32

Table 2.7. 주기 1초에서 설계스펙트럼가속도에 따른 내진설계범주 33

Table 2.8. 내진설계범주'D'에 대한 해석법 34

Table 2.9. 허용 층간 변위 34

Table 2.10. 주기상한계수 36

Table 2.11. 진도, 진앙에 따른 PDD 40

Table 2.12. 해석 모델의 분류 43

Table 2.13. 강박스 기둥의 허용층간변위 43

Table 3.1. 해석 모델의 분류 46

Table 3.2. 재료 기계적 성질 48

Table 4.1. 해석 모델의 분류 69

Table 4.2. 재료 기계적 성질 70

Table 4.3. 해석 모델의 분류 90

Table 4.4. 재료 기계적 성질 90

Fig. 1.1. 실제 건물에 사용하는 강 박스 기둥 13

Fig. 1.2. 저사이클 하중에 의한 파괴 사례 14

Fig. 1.3. Cyclic tension-compression response for high cycle... 19

Fig. 2.1. 국가지진위험지도, 재현주기 2400년 최대예상지진의... 31

Fig. 2.2. 지진력의 연직분포 38

Fig. 2.3. 층전단력의 연직분포 39

Fig. 2.4. 내진설계 예시 39

Fig. 2.5. KBC2009,1940 El Centro 지진, Traft 지진 스펙트럼 비교 40

Fig. 2.6. 강박스기둥 해석 모델 42

Fig. 2.7. 허용층간변위 하중을 재하한 SM490사용 model의 하중-변위 곡선 44

Fig. 3.1. 강박스기둥 해석 모델 46

Fig. 3.2. SM490, SM400 강재의 물리정수 47

Fig. 3.3. SM490 강재의 기계적 성질 47

Fig. 3.4. 해석 하중의 형태 LCF1 48

Fig. 3.5. 해석 하중의 형태 LCF2 48

Fig. 3.6. 수평 반복 하중(LCF)을 재하한 해석 모델 49

Fig. 3.7. 응력 방향 및 도식화 위치 49

Fig. 3.8. SM490 강박스 기둥의 외부 잔류응력 50

Fig. 3.9. SM490 강박스 기둥의 내부 잔류응력 50

Fig. 3.10. WBC-1, NWBC-1 모델의 잔류응력 분포 51

Fig. 3.11. LCF1을 재하한 SM490사용 model의 하중-변위 곡선 52

Fig. 3.12. LCF2을 재하한 SM490사용 model의 하중-변위 곡선 52

Fig. 3.13. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ +30mm)에서... 57

Fig. 3.14. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ +30mm)에서... 57

Fig. 3.15. 1사이클의 2/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ 0mm)에서... 58

Fig. 3.16. 1사이클의 2/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ 0mm)에서... 58

Fig. 3.17. 1사이클의 3/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ -30mm)에서... 59

Fig. 3.18. 1사이클의 3/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ -30mm)에서... 59

Fig. 3.19. 1사이클의 4/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ 0mm)에서... 60

Fig. 3.20. 1사이클의 4/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝ 0mm)에서... 60

Fig. 3.21. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ +100mm)에서... 61

Fig. 3.22. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ +100mm)에서... 61

Fig. 3.23. 1사이클의 2/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ 0mm)에서... 62

Fig. 3.24. 1사이클의 2/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ 0mm)에서... 62

Fig. 3.25. 1사이클의 3/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ -100mm)에서... 63

Fig. 3.26. 1사이클의 3/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ -100mm)에서... 63

Fig. 3.27. 1사이클의 4/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ 0mm)에서... 64

Fig. 3.28. 1사이클의 4/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝ 0mm)에서... 64

Fig. 3.29. 11사이클의 1/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝100mm)에서... 65

Fig. 3.30. 11사이클의 1/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝100mm)에서... 65

Fig. 3.31. 11사이클의 3/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝-100mm)에서... 66

Fig. 3.32. 11사이클의 3/4 재하시점(LCF2 Displacement load ＝-100mm)에서... 66

Fig. 3.33. LCF2 하중에 의한 WBC-2의 잔류 변형 67

Fig. 4.1. 강박스기둥 해석 모델 69

Fig. 4.2. 해석 하중의 형태 LCF1 69

Fig. 4.3. LCF1을 재하한 SM490강재 사용 model의 하중-변위 곡선 71

Fig. 4.4. LCF1을 재하한 SM400강재 사용 model의 하중-변위 곡선 71

Fig. 4.5. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 75

Fig. 4.6. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 75

Fig. 4.7. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 76

Fig. 4.8. 10사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 76

Fig. 4.9. 21사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 77

Fig. 4.10. 20사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 77

Fig. 4.11. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 78

Fig. 4.12. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 78

Fig. 4.13. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 79

Fig. 4.14. 4사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 79

Fig. 4.15. 5사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 80

Fig. 4.16. 5사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 80

Fig. 4.17. LCF1을 재하한 NSBC-1의 하중-변위 곡선 83

Fig. 4.18. LCF1을 재하한 SBC-1의 하중-변위 곡선 83

Fig. 4.19. LCF1을 재하한 SBC-2의 하중-변위 곡선 84

Fig. 4.20. LCF1을 재하한 NSBC-1의 파괴 진전 과정 84

Fig. 4.21. LCF1을 재하한 SBC-1의 파괴 진전 과정 85

Fig. 4.22. LCF1을 재하한 SBC-2의 파괴 진전 과정 85

Fig. 4.23. LCF1을 재하한 NSBC-2의 하중-변위 곡선 86

Fig. 4.24. LCF1을 재하한 SBC-1의 하중-변위 곡선 86

Fig. 4.25. LCF1을 재하한 SBC-2의 하중-변위 곡선 87

Fig. 4.26. LCF1을 재하한 NSBC-2의 파괴 진전 과정 87

Fig. 4.27. LCF1을 재하한 SBC-3의 파괴 진전 과정 88

Fig. 4.28. LCF1을 재하한 SBC-4의 파괴 진전 과정 88

Fig. 4.29. 강박스기둥 해석 모델 89

Fig. 4.30. 해석 하중의 형태 LCF1 90

Fig. 4.31. LCF1을 재하한 SM490강재 사용 model의 하중-변위 곡선 91

Fig. 4.32. LCF1을 재하한 SM400강재 사용 model의 하중-변위 곡선 92

Fig. 4.33. LCF1을 재하한 BSBC-1의 파괴 진전 과정 94

Fig. 4.34. LCF1을 재하한 BSBC-2의 파괴 진전 과정(내용없음) 11

Fig. 4.35. LCF1을 재하한 SBC-1의 파괴 진전 과정 94

Fig. 4.36. BSBC-1모델의 높이에 따른 길이방향 응력 분포 95

Fig. 4.37. BSBC-2 모델의 높이에 따른 길이방향 응력 분포 95

Fig. 4.38. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 96

Fig. 4.39. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 96

Fig. 4.40. BSBC-3모델의 높이에 따른 길이방향 응력 분포 97

Fig. 4.41. BSBC-4모델의 높이에 따른 길이방향 응력 분포 97

Fig. 4.42. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 98

Fig. 4.43. 1사이클의 1/4 재하시점(LCF1 Displacement load ＝100mm)에서... 98

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지진과 같은 저사이클 하중하에 강 박스 기둥에 균열을 동반한 좌굴이 발생된다. 특히 대변형 후에 파괴는 기둥의 소성 흰지 부분에서 발생한다. 그래서 스티프너는 대변형 발생 후 파괴를 방지하기 위해 박스 기둥의 설계 시 고려되어진다. 기둥의 스티프너 설계 시 스티프너의 폭-두께 비, 간격, 길이방향 길이와 같은 설계 변수 들이 있다. 또한 스티프너의 설계 변수에 대한 효과를 명확히 하는 것은 중요하다.

지난 몇 년 동안 반복 하중 하에서 원형 파이프 기둥의 좌굴 거동 및 연성 성능을 조사하기 위해 반복 히스테리시스 구성 방정식을 사용한 탄소성 모델이 제안되었다. 반복 소성 모델은 수치 연구에서 필수적이지만 구성 모델링에서 반복 소성을 사용하지 않았다. 그들은 등방 경화 규칙과 함께 비선형 응력-변형률 방정식을 사용하였다. 또한 용접 잔류 응력도 고려하지 않았다. 따라서 반복 하중을 받은 용접 부재의 역학적 거동은 완전히 평가되지 않았다.

본 연구는 스티프너 강 박스 기둥의 연성 능력 및 파괴 거동을 3차원 저사이클 해석 기법을 사용하여 명확히했다. 또한 용접 접합을 재현하기 위해 3차원 비정상 열 전도 해석 및 열 탄소성 해석을 수행했다. 결과 적으로 저사이클하중하에서 강박스 기둥의 스티프너 설계 변수에 따른 파괴 거동을 명확히했다. 또한 용접 잔류응력이 저사이클하중하에 강박스 기둥의 어떠한 영향을 미치는지 명확히 하였다.

논문명/저자명: 저사이클 하중하에 스티프너 보강된 강박스 기둥의 파괴 거동 = Fracture behavior of steel box column with stiffener under low cycle loading / 신중민

발행사항: 서울 : 중앙대학교 대학원, 2017.2

청구기호: TM 624.1 -17-10

형태사항: ix, 94 p. ; 26 cm

자료실: 전자자료

제어번호: KDMT1201717468

주기사항: 학위논문(석사) -- 중앙대학교 대학원, 토목공학과 구조공학전공, 2017.2. 지도교수: 장경호

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