KR20120118180A - Moment connection structure using superelastic shape memory alloys fasteners - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 보(Beam)와 기둥(Column)을 연결한 반?강접(Semi-rigid) 접합부에 초탄성 형상기억합금 재질의 연결 구속재를 이용해 접합함으로써 외력에 대한 과도한 손상?변형이 생기더라도 이를 충분히 제어하고 또한 별도의 열처리 없이 원상태로 복원가능한 접합 구조에 관한 것이다.
The present invention relates to a moment joint structure using a superelastic shape memory alloy connection restraint, and more particularly, to a semi-rigid joint portion connecting a beam and a column to a super-elastic shape memory. The present invention relates to a joint structure that can be sufficiently controlled even if excessive damages or deformations to external forces are caused by joining using a connection restraint made of an alloy material and can be restored to its original state without additional heat treatment.
초고층 구조물을 포함하여 국내에 건설된 빌딩의 철골뼈대구조 대부분은 극히 일부에서 사용된 면진장치를 제외하고 내진설계가 제대로 반영되지 않았기 때문에 지진에 대한 저항능력이 매우 부족하다. Most of the steel frame structures of domestic buildings, including high-rise structures, are very poor in earthquake resistance because the seismic design is not properly reflected, except for the seismic devices used in some cases.
특히, 90년대 중반 이전에는 대부분의 접합부가 용접방식을 적용하여 H형강 보와 기둥을 서로 연결하였는데, 이러한 용접방식의 접합부는 보와 기둥이 연결되는 패널존(Panel Zone)에서 모멘트에 의한 회전변형을 허용하지 않는 강접(Rigid) 접합부이기 때문에, 변위 초기에 극한강도에 다다를 수 있으나 용접부위에 급격한 취성파괴(Brittle Failure)가 일어나기 쉽고 극한거동의 연성도(Ductility)가 크게 부족했다. In particular, prior to the mid-90s, most joints used welding methods to connect H-beams and columns to each other, and the joints of these welding methods were rotationally deformed by moments in the panel zone where the beams and columns were connected. Due to the rigid connection, which does not allow, it is possible to reach the ultimate strength at the initial stage of displacement, but it is easy to cause sudden brittle failure at the welding site and the lack of ductility of the extreme behavior.
물론, 이런 문제점들을 보완하기 위해 연성도가 우수하고 에너지 소산능력(Dissipation Capability)이 탁월한 반?강접 볼트 접합 방식이 철골뼈대 구조물 설계에 도입되어 사용되고 있으며, 특히 구조물의 일부분인 볼트나 인장 봉과 같은 구속재는 모재 및 접합부재가 탄성변형 상태에서 많은 소성(Plastic) 변형을 허용하여 접합부 전체의 강도 및 변형성능을 향상시켰다.Of course, semi-hard bolted joints with excellent ductility and excellent dissipation capability have been introduced and used in steel frame structure design to compensate for these problems. The ash allows a lot of plastic deformation in the state where the base material and the joining member are elastically deformed, thereby improving the strength and deformation performance of the entire joint.
하지만 이러한 반?강접 볼트 접합 방식은 종래 용접접합부(Welded-connection)와 비교하여 볼트접합부가 구조적 거동 성능이 우수하더라도 강풍이나 지진과 같은 외력으로 인한 볼트 및 부재에 발생하는 영구 변형을 스스로 제어를 하지 못하여 개장(Retrofit) 및 복귀에 들어가는 많은 비용과 심지어 외력에 의한 구조적 손상에 따른 철거에 부담을 가지고 있다. However, this semi-hard bolt connection method does not control the permanent deformation of bolts and members due to external force such as strong wind or earthquake even if the bolt joint has better structural behavior than conventional welded connection. They are burdened with the high costs of retrofit and return and even the removal of structural damage caused by external forces.
또한, 이러한 반?강접 볼트 접합 방식에 사용되는 강재볼트는 부식과 피로로 인한 유지보수의 어려움이 있으며 화재에 대한 내화성 부족의 문제점을 가지고 있다.
In addition, the steel bolts used in the semi-hard bolted joining method is difficult to maintain due to corrosion and fatigue, and has a problem of lack of fire resistance to fire.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 보(Beam)와 기둥(Column)을 연결한 반?강접(Semi-rigid) 접합부에 상온에서 상당한 소성 변형이 발생된 상태에서도 하중을 제거하면 변형 발생 이전의 상태로 스스로 복귀하는 초탄성 형상기억합금 재질의 연결 구속재로 접합하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합부 체결구조를 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a semi-rigid joint connecting a beam and a column even in a state where significant plastic deformation occurs at room temperature. The present invention provides a moment joint connection structure using a superelastic shape memory alloy coupling restraint that is bonded by a superelastic shape memory alloy coupling restraint that returns itself to a state before deformation occurs when the load is removed.
또한, 본 발명의 다른 목적은 시공성, 내구성 및 내부식성이 우수하고 상온에서 잔류변형이 생기지 않는 오스테나이트 상태의 형상기억합금 재질의 연결 구속재를 구조적 성능이 우수한 반?강접 접합부에 사용하여 외력에 대한 과도한 손상?변형이 생기더라도 이를 충분히 제어하고 별도의 열처리 없이 원상태로 복원하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합부 체결구조를 제공하는데 있다.
In addition, another object of the present invention is to use the connection restraint material of the austenitic shape memory alloy material having excellent structural performance, durability and corrosion resistance, and do not cause residual deformation at room temperature, to the external force by using a semi-steel joint having excellent structural performance. The present invention provides a moment joint connection structure using a superelastic shape memory alloy connection restraint which fully controls the damage and deformation even if excessive damage and deformation occurs and restores it to its original state without any additional heat treatment.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은; In order to solve such a technical problem,
단부에 엔드플레이트가 일체로 결합되는 H형강 보와, 상기 H형강 보를 기둥에 접합하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조에 있어서, 상기 엔드플레이트와 기둥에는 초탄성 형상기억합금재질로 이루어지는 연결 구속재가 관통 체결되는 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조를 제공한다.In the moment joining structure using an H-beam and a super-elastic shape memory alloy coupling restraint for joining the H-beam to the column, the end plate and the pillar are formed of a superelastic shape memory alloy It provides a moment bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection restraint, characterized in that the connection restraint is made through.
이때, 상기 연결 구속재는 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금인 것을 특징으로 한다.In this case, the connection restraining material is characterized in that the shape memory alloy in the austenite state.
특히, 상기 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금은 니티놀(Nitinol)인 것을 특징으로 한다.In particular, the shape memory alloy of the austenite state is characterized in that the nitinol (Nitinol).
또한, 상기 엔드플레이트에는 상기 연결 구속재가 관통되는 다수의 볼트구멍이 천공되는 것을 특징으로 한다.In addition, the end plate is characterized in that a plurality of bolt holes through which the connection restraint is penetrated.
그리고, 상기 연결 구속재는 원형 단면을 갖는 인장 봉인 것을 특징으로 한다.And, the connection restraint is characterized in that the tension rod having a circular cross section.
아울러, 상기 H형강 보의 상?하부의 플렌지와 상기 엔드플레이트에는 보강판이 일체로 용접되는 것을 특징으로 한다.In addition, the upper and lower flanges of the H-beams and the end plate is characterized in that the reinforcing plate is integrally welded.
또한, 상기 기둥은 강재중공튜브 안쪽에 콘크리트를 충전하여서 이루어지는 콘크리트 충전 강관(CFT)기둥인 것을 특징으로 한다.In addition, the pillar is characterized in that the concrete filled steel pipe (CFT) pillar made by filling concrete inside the hollow steel tube.
그리고, 상기 연결 구속재의 양단에는 너트가 체결되는 것을 특징으로 한다.
And, both ends of the connection restraint is characterized in that the nut is fastened.
본 발명에 따르면, 초탄성 형상기억합금 재질의 연결 구속재를 이용해 보(Beam)와 기둥(Column)의 접합부를 연결하여 상온에서 상당한 소성 변형이 발생된 상태에서도 하중을 제거하면 변형 발생 이전의 원상태로 복원되어 반복되는 외력에 의한 피로파괴를 방지하며, 또한 이와 같은 보와 기둥으로 이루어진 구조물의 피해복구 및 유지보수로 인한 추가의 비용발생을 최소화하는 장점이 있다.According to the present invention, by connecting the connection between the beam (Beam) and the column (Column) using a super-elastic shape memory alloy connection restraint when the load is removed even in the state where significant plastic deformation occurs at room temperature before the deformation occurs To prevent fatigue destruction due to repeated external force, and also has the advantage of minimizing the additional cost caused by the damage recovery and maintenance of the structure consisting of such beams and columns.
특히, 본 발명은 시공성이 우수한 니티놀 형상기억합금을 원형의 봉으로 제작하여 접합부에 보와 기둥을 연결하는 구속재로 사용하여 형상기억합금의 초탄성적인 재료적 성질로 인해 상당한 소성변형이 발생하더라도 접합부에서 발생하는 대부분의 변형이 파손되지 않고 원상태로 회복된다.
Particularly, the present invention uses a nitinol shape memory alloy having excellent workability as a circular rod and uses it as a restraint material for connecting beams and columns to a joint, even if a significant plastic deformation occurs due to the superelastic material properties of the shape memory alloy. Most of the deformations occurring at the joints are recovered without any breakage.
도 1a는 형상기억합금의 온도에 의한 상태 변이에 대한 관계 다이아그램이고,
도 1b는 마르텐사이트(Martensite) 상태의 형상기억합금의 거동을 도시한 다이아그램이고,
도 1c는 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금의 거동을 도시한 다이아그램이고,
도 2a는 본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 접합 구조를 설명하기 위한 모멘트 접합부의 측면도이고,
도 2b는 본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 접합 구조를 설명하기 위한 모멘트 접합부의 정면도이고,
도 2c는 본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 접합 구조를 설명하기 위한 모멘트 접합부의 단면도이고,
도 2d는 본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 접합 구조를 설명하기 위한 모멘트 접합부의 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합부의 변형성능시험 예를 설명하기 위해 도시한 도면이며,
도 4는 도 3에 도시한 모멘트 접합부의 보 끝단에서 반복적인 하중을 가했을 때 이에 대한 거동을 도시한 도면이다.Figure 1a is a relationship diagram for the state transition by the temperature of the shape memory alloy,
Figure 1b is a diagram showing the behavior of the shape memory alloy in the martensite state,
Figure 1c is a diagram showing the behavior of the shape memory alloy in the austenite state,
Figure 2a is a side view of the moment joint for explaining the joint structure using the super-elastic shape memory alloy connection constraint according to the present invention,
Figure 2b is a front view of the moment joint for explaining the joint structure using a super-elastic shape memory alloy connection constraint according to the present invention,
Figure 2c is a cross-sectional view of the moment joint for explaining the bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection constraint according to the present invention,
Figure 2d is a perspective view of the moment joint for explaining the bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection constraint according to the present invention,
3 is a view illustrating a deformation performance test example of the moment joint using the super-elastic shape memory alloy connection restraint according to the present invention,
4 is a view showing the behavior when a repetitive load is applied to the beam end of the moment joint shown in FIG.
본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합부 체결구조를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예들에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
With reference to the accompanying drawings, the moment connection portion fastening structure using the super-elastic shape memory alloy connection restraint according to the present invention will be understood by the embodiments described in detail below.
본 발명에 따른 모멘트 접합부의 체결에는 초탄성 형상기억합금으로 이루어지는 연결 구속재를 이용한다.The fastening of the moment joint according to the present invention uses a connection restraint made of a superelastic shape memory alloy.
최근 형상기억합금은 토목?건축 분야의 구조물에 결합하여 외력에 대하여 수동 및 능동제어 역할을 하고 스스로 변형의 복원이 가능한 스마트 시스템 구축에 활용하기 시작했다. Recently, shape memory alloys have been combined with structures in the civil and architectural fields, and have begun to be used in the construction of smart systems capable of passive and active control of external forces and the restoration of deformation by themselves.
일반적으로 종전에는 열처리 후에 내부구조의 상변이가 일어나서 초탄성적인 재료 물성치를 가지게 되는 마르텐사이트(Martensite) 상태의 형상기억합금이 주로 활용되었으나, 본 발명에서는 상온상태에서 별도의 열처리가 없어도 소성변형 후 원형복귀가 가능한 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금을 주로 사용한다. In general, the shape memory alloy of the martensite state, which has a superelastic material property due to the phase change of the internal structure after the heat treatment, was mainly used, but in the present invention, after the plastic deformation without a separate heat treatment at room temperature Austenitic shape memory alloys that can be used for circular return are mainly used.
이러한 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금은 외부에 노출되지 않는 접합부에 별도의 열처리 없이 원형복원이 가능하다는 점이 큰 장점으로 작용될 분만 아니라, 시공성도 우수하여 많은 변형을 허용하는 일부분에 강재와 용접 접합하여 성질변화 없이 용이하게 사용 가능하다. The shape memory alloy in the austenite state has the advantage of being able to restore the circle without additional heat treatment to the joint that is not exposed to the outside. It can be easily used without changing properties by welding.
특히, 본 발명에서는 60년대 개발되어 흔히 사용되고 있는 니티놀(Nitinol)이라 불리는 니켈(Nikel)과 타이타늄(Titanium)의 형상기억합금을 사용하는데, 이와 같은 형상기억합금인 니티놀(Nitinol)은 소재개발 분야의 발전에 힘입어 현재 일반 강재 가격과의 격차가 상당히 줄어들고 있는 실정이다. In particular, the present invention uses a shape memory alloy of nickel (Nikel) and titanium (Nitinol), which is commonly used and developed in the 1960s, and such a shape memory alloy (Nitinol) is used in the field of material development. Thanks to the development, the gap with general steel prices is narrowing considerably.
이에 따라 본 발명은 형상기억합금 재질로 이루어지며 봉 형상으로 이루어지는 연결 구속재를 이용하여 보(Beam)와 기둥(Column)을 직접 연결하는 반?강접 접합 구조를 제시한다. Accordingly, the present invention proposes a semi-steel joint structure in which a beam and a column are directly connected by using a connection restrainer made of a shape memory alloy material and having a rod shape.
특히, 연결 구속재는 시공성을 고려하여 제조과정에서 오스테나이트 상태로 제작된 형상기억합금을 원기둥 모양의 봉으로 제작하여 H형강으로 이루어지는 보(Beam)에 용접된 엔드플레이트와 기둥을 직접 연결한다. 연결 구속재인 인장 봉은 보와 기둥이 만나는 패널존(Panel Zone)을 관통하여 설치하고 양방향에서 너트로 고정한다. In particular, the connection restraint material directly connects the end plate welded to the beam made of H-beams and the pillar by manufacturing the shape memory alloy manufactured in the austenite state into a cylindrical rod in consideration of the workability. Tension rods, which are connection restraints, are installed through the panel zone where the beam and column meet and are fixed with nuts in both directions.
그리고, 기둥(Column)은 기존에 주로 사용된 H형강 기둥과 비교하여 좌굴에 대한 안정성이 우수하고 강도, 연성적인 측면에서 뛰어난 콘크리트 충전 강관기둥을 사용한다.
In addition, the column (Column) uses a concrete-filled steel pipe column is superior in stability and strength, ductility in terms of buckling compared to the conventional H-beam column mainly used.
이하, 본 발명에 따른 형상기억합금 재질로 제작된 원형 봉 형상의 연결 구속재(150)의 역학적 작용을 설명한다. 먼저, 형상기억합금의 가장 큰 물리적 특성인 형상기억은 상당히 큰 소성 변형 후에도 원상태의 변형으로 회복할 수 있는 초탄성적인 능력이다. Hereinafter, the mechanical action of the
이러한 형상기억의 특징은 온도 또는 응력에 의해서 유발되는 고체의 상태변화에 의존한다. 즉, 형상기억합금에 열을 가하여 온도를 상승시키거나 혹은 응력을 제거하여 원래의 상태로 복원할 수 있다. This shape memory characteristic depends on the change of state of the solid caused by temperature or stress. In other words, the shape memory alloy can be heated to increase the temperature, or the stress can be removed to restore the original state.
이와 같은 형상기억합금은 도 1a에 도시된 바와 같이 마르텐사이트(Martensite)와 오스테나이트(Austenite) 상태가 존재하는데 이들 상호 간에 상태변이와 제작과정은 주로 열처리에 의존한다. As shown in FIG. 1A, the shape memory alloy has martensite and austenite states, and the state variation and fabrication process are mainly dependent on heat treatment.
이 경우 뒤틀리고(Detwinned) 약한 마르텐사이트 상태에서 열처리(Mf ⇒ As ⇒ Af)를 한 후에는 상대적으로 강한 체심입방구조(Body-Centered) 형태인 오스테나이트 상태로 전이된다. In this case, after heat treatment (Mf ⇒ As ⇒ Af) in the detwinned and weak martensite state, it is transferred to a relatively strong body-centered form of austenite state.
오스테나이트 상태에서는 하중에 의한 변형 후에 하중을 제거하면 자동적으로 원래의 상태로 복원된다. In the austenite state, the load is automatically restored to its original state after removing the load after deformation due to the load.
하지만 마르텐사이트 상태에서는 하중을 제거하면 일반 강(Steel)재와 같이 탄성적인 변형만 회복되고 많은 양의 변형은 회복되지 않고 잔류변형으로 남는다. 그러나 열(Heating)을 가하여 온도를 높여주면 오스테나이트로 상변이가 일어나서 도 1b와 같이 원래의 상태로 변형이 회복된다. However, in the martensitic state, when the load is removed, only the elastic deformation is recovered as in the case of ordinary steel, and a large amount of the deformation is not recovered, but remains as residual deformation. However, when the temperature is increased by applying heat (Heating), a phase change occurs in austenite, and the deformation is restored to its original state as shown in FIG. 1B.
그리고, 도 1c는 오스테나이트 상태가 존재하는 일정한 온도(Af)에서 하중의 변화에 따른 니티놀 형상기억합금에 발생하는 응력-변형률을 도식화한 도면이다. 하중을 가하면 일시적으로 뒤틀린 마르텐사이트 상태로 상태 변이가 발생하다가 하중을 제거하면 오스테나이트로 상태변이가 발생하여 잔류변형 없이 원래의 상태로 변형이 회복된다. 이러한 재료의 역학적 거동은 깃발(Flag)모양의 경로를 보인다. FIG. 1C is a diagram showing the stress-strain occurring in the nitinol shape memory alloy according to the load change at a constant temperature Af in which an austenite state exists. When a load is applied, a state transition occurs to a temporarily warped martensite state, and when the load is removed, a state transition occurs to austenite, and the deformation is restored to its original state without residual deformation. The mechanical behavior of these materials shows a flag-like path.
한편, 마르텐사이트 상태의 형상기억합금이 콘크리트에 매입되어 외부에 노출되지 않은 접합부의 구속재로 사용되는 경우 열처리에 의한 원형복원이 사실상 불가능하지만, 소재개발 기술의 발달에 힘입어 현재는 완벽한 오스테나이트 상태로 변환되는 온도(Af)가 상온범위 내에 존재 가능하게 되었다. On the other hand, when the shape memory alloy in the martensitic state is embedded in concrete and used as a restraint of the joint that is not exposed to the outside, circular restoration by heat treatment is virtually impossible, but with the development of material development technology, it is now perfect austenite The temperature Af converted into a state can exist in a normal temperature range.
따라서, 오스테나이트 상태의 형상기억합금을 사용하면 외부에 노출이 되지 않는 접합부에서도 별도의 열처리 과정 없이 하중제거 후 구속재에 잔류변형이 발생하지 않고 원형복원이 가능하고, 열처리에 의한 수리비용 역시 절감할 수 있다.
Therefore, using the shape memory alloy in the austenitic state, it is possible to restore the circular shape without residual strain on the restraint material after removing the load without additional heat treatment process even in the joint that is not exposed to the outside, and also reduces the repair cost by the heat treatment. can do.
이하, 본 발명에 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조의 구체적인 적용 사례를 도면을 참고로 상세히 설명한다. 이때, 도 2a 내지 도 2c는 오스테나이트 상태의 형상기억합금 재질의 인장 봉 형태로 이루어지는 연결 구속재(150)를 이용하여 보(Beam)와 기둥(Column)을 접합한 접합부의 측면도와 정면도 및 단면도를 각각 도시한 도면들이며, 또한 도 2d는 이들 접합부의 입체적인 상세 도면이다. Hereinafter, a concrete application example of the moment bonding structure using the superelastic shape memory alloy connection restraint to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. At this time, Figures 2a to 2c is a side view and a front view of the junction of the beam (Beam) and the column (Column) by using a connection restrainer 150 made of a tensile rod shape of the shape memory alloy material in the austenitic state and Figures are cross-sectional views, respectively, and Fig. 2D is a detailed three-dimensional view of these joints.
이에 의하면, 본 발명에 초탄성 형상기억합금 연결 구속재(150)는 보(100)와 기둥(130)을 접합하는데 사용하는 것으로, 상기 보(100)는 H형강으로 이루어지며, 상기 기둥(130)은 콘크리트 충전 강관기둥을 이용한다.According to the present invention, the superelastic shape memory
이하, 각각의 구성을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each structure is demonstrated concretely.
상기 H형강 보(100)의 단부에는 엔드플레이트(110)를 용접방식으로 연결하며, 그 엔드플레이트(110)의 용접부위 보강과 함께 좀더 많은 모멘트를 안정적으로 보(100)에서부터 접합부에 전달하기 위하여 별도의 보강판(120)을 H형강 보(100) 상?하부의 플렌지(102) 및 상기 엔드플레이트(110)에 용접하여 설치한다. An
한편, 상기 기둥(130)은 강재중공튜브(132) 안쪽에 콘크리트(134)를 충전하여 콘크리트 충전 강관(CFT)기둥을 제작하여서 이루어진다.On the other hand, the
그리고, 상기 초탄성 형상기억합금재질로 이루어지는 연결 구속재(150)를 이용하여 보(100)와 기둥(130)을 접합하는데, 상기 연결 구속재(150)는 원형 단면을 갖는 형태로 제작된 인장 봉을 사용한다. 이와 같은 연결 구속재(150)인 인장 봉은 강재중공튜브(132)를 관통하여 H형강 보(100)에 용접된 엔드플레이트(110)와 직접 연결한다. In addition, the
이때, 인장 봉은 강재중공튜브(132)를 관통하므로 외부에 거의 노출되지 않으므로 일반적으로 가장 널리 사용되는 니켈과 타이타늄의 합금의 일종인 니티놀(Nitinol)이라 불리는 형상기억합금을 가지고 초탄성적인 거동을 구현하기 위해서 오스테나이트 상태로 제작한 것을 사용한다. At this time, since the tensile rod passes through the steel
물론, 상기 인장 봉은 필요에 따라 외부에 노출되어 열처리에 의한 변형회복이 가능한 경우 마르텐사이트 상태의 형상기억합금 재질의 인장봉을 사용할 수도 있다. Of course, when the tensile rod is exposed to the outside as necessary, the strain can be recovered by heat treatment may use a tensile rod of the shape memory alloy material of the martensite state.
한편, 상기 연결 구속재(150)를 구속하고 초기의 긴장력을 발생시키기 위해서 상기 연결 구속재(150)의 양단에는 너트(160)를 체결한다. On the other hand, in order to restrain the
특히, 도시된 바와 같이 H형강 보(100)에 용접된 엔드플레이트(110)에는 다수의 볼트구멍(170)을 천공하여 인장 봉을 관통 설치한다. 도시된 바에 의하면 좌측과 우측에 대칭으로 각각 8개씩 총 16개의 볼트구멍(170)이 천공되어 있지만, 비교적 작은 사이즈의 H형강 보(100)를 사용하는 경우 적은 모멘트를 접합부에 전달하므로 사용하는 인장 봉의 개수를 대칭을 고려하여 8개로 줄일 수 있고 경우에 따라서는 보강판(120)을 설치하는 것을 생략할 수 있다. In particular, as shown in the
한편, 도 2a 내지 도 2d에 도시한 접합 구조는 H형강 보(100)를 충전 강관기둥 형태의 기둥(130)에 한 방향으로만 연결하였으나, 접합방식의 특성 때문에 실재로 양방향 또는 4면에 연결이 가능하다. 용접된 엔드플레이트(110)가 충분한 강성을 확보하여 모멘트에 의한 국부적인 휨을 방지하고 연결된 인장 봉의 상당량의 변형을 발생시켜 접합부의 연성을 확보하기 위해서는 엔드플레이트(110)의 두께는 일정두께(예를 들어 2.5cm 또는 1 inch)이상으로 설계함이 바람직하다. On the other hand, the bonding structure shown in Figures 2a to 2d connected the H-
이와 같은 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 접합 구조를 갖는 구조물은 연결 구속재(150)에 상당한 소성변형이 발생하더라도 제하된 하중을 제거 하면 변형이 원상태로 복원되어 잔류변형이 거의 발생하지 않고, 복원을 위한 별도의 열처리가 필요하지 않아서 콘크리트에 매입되어 외부에 노출되지 않은 철골구조물에도 사용가능하며, 피해복구 및 유지관리에 소요되는 비용을 절감하며, 일반 볼트보다도 길이가 긴 인장 봉을 연결 구속재(150)로 사용하는 경우 접합부 거동에 충분한 연성 및 에너지 소산 능력의 확보가 용이하다.Such a structure having a joint structure using the superelastic shape memory alloy connection restraint, even if a significant plastic deformation occurs in the
또한, 콘크리트 충전강관 기둥(130)이 제공하는 우수한 강도 및 국부좌굴(Buckling) 방지효과를 활용할 수 있으며, 보(100)와 기둥(130)의 접합부 안쪽에 채워지는 콘크리트(134)가 너트(160)에 의한 베어링(Bearing) 압축으로 인해 발생하는 볼트구멍(170) 주위로의 움푹 파임(dent)을 방지하여 접합부 거동의 충분한 강성 및 인장 봉의 변형성 확보가 용이하다.In addition, it is possible to take advantage of the excellent strength and local buckling (buckling) prevention effect provided by the concrete filled
그리고, 사용된 강재와 형상기억합금의 우수한 히스테레틱 댐핑(Hysteretic damping)효과로 인하여 지진발생 시 구조물에 전달되는 진동을 급격히 감소시켜 피해 저감에 기여하고, 인장 봉에 6% 변형률 이후에 강성증가(Strain hardening) 현상을 기대할 수 있으며, 일반 강재봉과 비교하여 피로에 대한 뛰어난 내구성을 확보할 수 있으며, 형상기억합금의 상 변화에 의한 에너지 발산효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라 시공성이 우수하여 일반강재와 용접하여 쉽게 사용할 수 있다. In addition, due to the excellent hysteretic damping effect of the used steels and shape memory alloys, the vibration transmitted to the structure during the earthquake suddenly decreases, thereby contributing to the reduction of damage, and increasing the stiffness after 6% strain in the tensile rod. (Strain hardening) phenomenon can be expected, and excellent durability against fatigue can be secured compared to general steel rods, and energy dissipation effect due to phase change of shape memory alloy can be expected as well as excellent workability. Easy to use by welding.
특히, 본 발명의 연결 구속재(150)는 열처리의 가능 여부에 따라서 형상기억합금의 제작 상태를 조절가능하며, 여러 종류의 반?강접 접합부에서 형상기억합금 재질의 볼트 및 인장봉과 같은 연결 구속재(150)를 다양하고 범용적인 방식으로 개량 및 변경하여 사용함도 가능하다. 이와 같은 연결 구속재(150)의 개량 및 변경 역시 본 발명의 보호범위에 포함된다.
In particular, the
이와 같은 본 발명에 따른 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합부의 변형성능시험 예가 도 3에 도시된다. 이에 의하면 초탄성 형상기억합금 연결 구속재(150)를 이용한 엔드플레이트(110) 접합부의 변형을 2배로 확대하여 도시하였다. 접합부의 변형성능 시험을 위해서는 도시된 바와 같이 H형강 보(100)의 끝단(180)에서 이력(History)을 가진 하중(T)을 가한다. An example of the deformation performance test of the moment joint using the superelastic shape memory alloy connection restraint according to the present invention is shown in FIG. 3. According to this, the deformation of the joint of the
이때, 보 끝단(180)에서 제하된 하중은 보(100)를 통하여 접합부에 모멘트로 전달되어 휨에 의한 회전변형을 일으킨다. 이러한 역학적 거동으로 인해 H형강 보(100)에서 한쪽 플랜지는 베어링 압축을 받으며 이를 주축(Pivot)으로 가장 바깥쪽 인장 봉이 가장 많은 변형을 일으킨다. 상대적으로 안쪽 인장 봉은 바깥쪽과 비교하여 적은 변형이 발생한다. H형강 보(100)의 중심축에서 가장 가까이 위치한 인장 봉이 탄성 범위 내에서 변형이 발생하는 경우 일반 강재(Steel)로 인장 봉을 제작하여 설치함도 가능하다. 이 경우 엔드플레이트(110)의 두께를 크게 형성하여 충분한 강성을 확보한 경우 시소(Seesaw) 역할을 하며 강체운동을 한다.At this time, the load removed from the
이와 같은 모멘트 접합부의 보 끝단에서 반복적인 하중을 가했을 때 이에 대한 거동은 도 4에 도시된 바와 같다. 이때, H형강 보(100)는 길이가 4.5m인 것을 사용하였다. 이 경우 정밀한 유한요소해석(Finite Element Analyses) 모델을 사용하여 거동을 재현한 바, 도시된 바와 같이 하중제하 초기에는 소성변형이 발생하더라도 원형으로 복원되어 잔류변형이 발생하지 않는다. 인장 봉에서 대략 6%의 변형률이 발생할(190) 때 강성증가(Strain hardening)로 인하여 기울기(Slope)가 다시 증가한다. 약 400kN의 하중을 가할 때 H형강 보에 소성힌지(Plastic Hinge)가 발생하는 시점(200)이 되며 이로 인하여 H형강 보에 소성변형이 발생하여 전체적인 접합부 거동에 약간의 잔류변형이 발생한다. 하지만 극한하중을 재하 하더라도 대부분의 변형이 원상태로 복원되었다. H형강 보(100)의 소성힌지 및 엔드플레이트에 휨에 의한 변형이 발생하지 않는 경우 대부분의 에너지는 연결 구속재(150)로부터 발생함을 알 수 있다.
When the repetitive load is applied at the beam end of such a moment joint, the behavior thereof is as shown in FIG. 4. At this time, the H-
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
100: H형강 보 110: 연결플레이트
120: 보강판 130: 기둥
132: 강재 중공 튜브 140: 충전 콘크리트
150: 연결 구속재 160: 연결 너트100: H beam 110: connecting plate
120: reinforcement plate 130: pillar
132: steel hollow tube 140: filled concrete
150: connection restraint 160: connection nut
Claims (8)
상기 엔드플레이트와 기둥에는 초탄성 형상기억합금재질로 이루어지는 연결 구속재가 관통 체결되는 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
In the moment joining structure using the H-beams and the super-elastic shape memory alloy connection restraint for joining the H-beams to the column,
The moment joining structure using the superelastic shape memory alloy connection restraint, characterized in that the connection plate made of a superelastic shape memory alloy material is penetrated through the end plate and the pillar.
상기 연결 구속재는 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금인 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
The connection restraining material is a moment bonding structure using a superelastic shape memory alloy connection restraint, characterized in that the shape memory alloy in the austenite state.
상기 오스테나이트(Austenite) 상태의 형상기억합금은 니티놀(Nitinol)인 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
The shape-memory alloy of the austenite state is a nitinol (Motin) moment bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection restraint.
상기 엔드플레이트에는 상기 연결 구속재가 관통되는 다수의 볼트구멍이 천공되는 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
And a plurality of bolt holes through which the connection restraint penetrates the end plate, and a moment bonding structure using the superelastic shape memory alloy connection restraint member.
상기 연결 구속재는 원형 단면을 갖는 인장 봉인 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
The connection restraint member is a moment bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection restrainer, characterized in that the tension rod having a circular cross section.
상기 H형강 보의 상?하부의 플렌지와 상기 엔드플레이트에는 보강판이 일체로 용접되는 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
The moment bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection restraint, characterized in that the reinforcing plate is integrally welded to the flange and the end plate of the upper and lower portions of the H-beams.
상기 기둥은 강재중공튜브 안쪽에 콘크리트를 충전하여서 이루어지는 콘크리트 충전 강관(CFT)기둥인 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
The pillar is a moment-bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection restraint, characterized in that the concrete filled steel pipe (CFT) pillar made by filling the concrete inside the steel hollow tube.
상기 연결 구속재의 양단에는 너트가 체결되는 것을 특징으로 하는 초탄성 형상기억합금 연결 구속재를 이용한 모멘트 접합 구조.
The method of claim 1,
Moment bonding structure using a super-elastic shape memory alloy connection restraint, characterized in that the nut is fastened to both ends of the connection restraint.
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