냉간성형 일체형 강판전단벽의 구조성능에 관한 연구
Structural Performance of Cold-Formed Steel Integrated Shear Walls
- 주제(키워드) 일체형 강판전단벽 , 경량철골구조 , 냉간성형 립 C형강 , 강도 설계 , 국부좌굴
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 조봉호
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 건축공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030344
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
골조와 용접 접합되는 후판의 열연 강판전단벽은 전단좌굴 발생 후에 작용하는 인장영역장의 강도를 고려한 공학적 이론식으로 설계되나, 경량철골구조에서 골조와 스크류 접합되는 냉간성형 강판전단벽은 스크류 접합부의 경계조건이 불명확하여 실험을 근거로 하여 전단강도를 산정하는 설계 방식이 채택되고 있어 설계 시 제한 요소가 많다. 본 논문은 경량철골구조에서 강판전단벽을 대체할 수 있는 일체형 강판전단벽을 제안한다. 일체형 강판전단벽을 구성하는 일체형부재는 최대 794의 웨브 폭두께비를 갖는 냉간성형 립 C형강이다. 본 논문의 실험 연구와 해석 연구에 따르면 일체형 강판전단벽은 횡력에 대하여 휨에 의한 국부좌굴이 발생한 이후에 인장영역장이 작용하여 강성이 감소하지만, 내력이 증가하는 안정적인 하중변위관계를 보인다. 단독주택 용도의 경량철골구조에 요구되는 2.0%의 비탄성 횡변위비 수준에서 일체형 강판전단벽에 국부좌굴이 발생하였는데, 웨브 폭두께비에 대한 치수 제한이 300에 불과한 기존 냉간성형강 설계 기준은 국부좌굴 발생 시의 강도를 정확하게 예측하지 못한다. 특히 공칭전단강도는 전단좌굴에 의한 판좌굴이론에만 기초하여 계산되기 때문에 일체형부재의 웨브 폭두께비가 클수록 일체형 강판전단벽의 전단강도를 과소평가하는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 3개의 실험체와 72개의 해석모델을 근거로 하여 일체형 강판전단벽의 국부좌굴 발생 시의 강도를 산정할 수 있는 설계식을 국부좌굴응력과 유효스트립법 관점으로 제안하였으며, 제안된 일체형 강판전단벽의 설계식은 유효폭법에서와 같은 반복계산절차가 없어 일체형 강판전단벽의 국부좌굴이 발생할 시의 강도를 간단하고 정확하게 산정할 수 있다. 일체형 강판전단벽과 강판의 스크류 접합부에서 파손이 발생한 강판전단벽의 구조성능을 비교한 결과 일체형 강판전단벽은 강판전단벽보다 높은 최대강도, 최대변위, 탄성강성, 연성, 반응수정계수를 보였으며, 일체형 강판전단벽의 반응수정계수는 5.9 수준으로 평가된다. 본 논문에서 정의한 경량철골구조 내에서 일체형 강판전단벽의 설계 시 요구되는 스크류 접합부, 앵커볼트 접합부의 접합강도를 만족하면 일체형 강판전단벽의 설계강도가 충분히 발휘될 수 있다.
more초록/요약
The hot-rolled steel-sheathed shear wall made from a thick plate is welded to a framework based on the engineering theory that considers the strength of the tension field after shear buckling occurs. However, for a cold-formed steel-sheathed shear wall that is screwed to a framework in light gauge steel frames, a design method that calculates the shearing strength based on experiments is used due to inaccurate boundary conditions for the screw connection, among other limitations in design. Therefore, this study proposes an integrated shear wall as an alternative to the steel-sheathed shear wall used in light gauge steel frames. The integrated shear wall is formed using cold-formed steel lipped C- section with a web width:thickness ratio of up to 794. This study found that the integrated shear wall presents a stable load-displacement relationship with increased strength, although its stiffness decreased due to bending under a lateral load in the tension field after local buckling occurs. The local buckling occurred at a 2.0% inelastic lateral drift ratio, which is required for light gauge steel frames for a detached house. The current design standard for cold-formed steel limits the web width:thickness ratio to 300, and this makes it difficult to accurately estimate the local buckling strength of the integrated shear wall. In particular, since the nominal shear strength is calculated based on shear buckling using the plate buckling theory in AISI, the shear strength of the integrated shear wall was often underestimated when the integrated member had a larger web width:thickness ratio. This study proposed a design equation that can calculate local buckling strength in the integrated shear wall. It uses three specimens and 72 finite element method models based on the local buckling stress and effective strip method. The proposed design equation for integrated shear wall provides simpler and more accurate local buckling strength calculations without repeating calculation procedures when using the effective width method. Comparing the structural performance between the integrated shear wall and a steel-sheathed shear wall with damaged screw connection, the integrated shear wall showed higher maximum strength, maximum displacement, elastic stiffness, ductility, and reaction correction factor. The response modification coefficient was evaluated to be about 5.9. When the required connection strength at screw connection and anchor bolt connection for light gauge steel frames was satisfied as defined in this study, the proposed design strength of the integrated shear wall can be applied.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 및 범위 8
1.3 논문의 구성 12
제2장 AISI 기준에 따른 일체형 강판전단벽의 예측전단강도 및 예측휨강도 13
2.1 횡하중에 대한 일체형 강판전단벽의 거동 13
2.2 일체형 강판전단벽의 예측전단강도 15
2.2.1 전단좌굴 지배 15
2.2.2 인장영역장 지배 18
2.3 일체형 강판전단벽의 예측휨강도 21
2.3.1 국부좌굴 지배 21
2.3.1.1 유효폭법 23
2.3.1.2 직접강도법 34
2.3.2 항복 또는 횡좌굴 지배 36
2.3.3 뒤틀림좌굴 지배 38
2.4 휨과 전단에 의한 조합력이 작용할 때의 제한사항 39
2.5 소결 40
제3장 경량철골구조에서 전단벽의 요구 내진 성능 43
3.1 반응수정계수 43
3.2 허용층간변위비 47
3.3 소결 49
제4장 반복하중에 대한 일체형 강판전단벽의 거동 50
4.1 개요 50
4.2 실험 프로그램 50
4.2.1 실험체 50
4.2.2 실험 세팅 53
4.2.3 인장시편 실험결과 57
4.2.4 스크류 접합강도 실험 60
4.2.4.1 스크류 접합강도 기준 60
4.2.4.2 스크류 접합강도 실험 결과 61
4.2.5 실험체의 예측전단강도 63
4.3 실험결과 65
4.3.1 하중변위관계 및 파괴양상 66
4.3.1.1 ISW-320-1.6 실험체 66
4.3.1.2 ISW-480-1.6 실험체 72
4.3.1.3 ISW-640-1.6 실험체 78
4.3.1.4 SSW-640-1.6 실험체 84
4.3.2 하중재하능력 88
4.3.3 탄성강성 및 변형능력 91
4.3.4 스트레인 게이지 분석 92
4.3.5 반응수정계수 94
4.4 소결 96
제5장 일체형 강판전단벽에 대한 유한요소해석 98
5.1 개요 98
5.2 물성치 98
5.3 해석모델 101
5.4 유한요소해석모델 검증 104
5.4.1 ISW-320-1.6 실험체 104
5.4.2 ISW-480-1.6 실험체 112
5.4.3 ISW-640-1.6 실험체 120
5.5 해석모델 설정 128
5.6 해석결과 130
5.6.1 해석모델의 매개변수와 국부좌굴 발생 시 강도의 관계 132
5.6.2 일체형 강판전단벽의 전단응력 136
5.7 소결 139
제6장 일체형 강판전단벽의 설계식 제안 141
6.1 일체형 강판전단벽의 공칭전단강도 141
6.1.1 국부좌굴응력에 따른 일체형 강판전단벽의 설계식 141
6.1.2 유효스트립법에 따른 일체형 강판전단벽의 설계식 147
6.2 설계 시 검토사항 152
6.2.1 홀다운의 앵커볼트 접합부 153
6.2.2 일체형부재와 홀다운 간 스크류 접합부 155
6.2.3 일체형부재와 트랙 간 스크류 접합부 156
제7장 요약 및 결론 158
참고문헌 161
