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문제 정의
- 본 연구에서는 합성반강접 접합부를 갖는 2차원 철골구조물의 구조해석을 위하여 적합한 접합부와 부재의 비선형 해석모델과 이력거동 해석모델을 선정하고 본 연구를 위하여개발된 동적 비탄성 구조해석 프로그램에서 활용하였다. 비탄성 정적해석인 푸쉬오버 구조해석을 실시하여 골조의 강성및 초과강도계수, 반응수정계수에 대한 특성을 검토하고 동적해석인 시간이력해석을 실시하여 층간변위와 밑면전단력 등의 골조 동적특성을 알아보고자 한다.
- 국내연구(윤성기 등, 2004)에서는 한 격간의 5층 및 8 층 단순구조물에 대하여 기등과 보를 탄성부재로 가정하여반강접 접합부의 영-향을 파악하였다. 이런한 한계를 해결하고합성반강접 접합부의 영향을 파악하기 위하여 본 연구에서는 3격간(Y방향)과 4격간(X방향)의 8층 철골구조물을 한국규준에 맞게 구조설계하고 정적 및 동적 구조해석과정에서 기둥 및 보의 비탄성 거동을 고려하였다, 이러한 구조해석결과를 활용하여 합성반강접 접합부가 철골구조물의 거동에 미치는 영향을 알아보고 실무에서 참고할 수 있는 내진설계의 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 각 요소의 이력거동은 IDARC 프로그램에서 제안된 3-매개변수 모델을 이용하여 나타내었고 실험결과와 비교하여 매개변수를 확인하였다. 2차원 철골구조물에서 접합부를 합성반강접과 완전 강접합으로 이상회시켜 구조해석을 실시하여 합성반강접 접합부가 구조물의 정적 및동적거동에 미치는 영향을 파악하였다.
- 8층 철골구조물에 대하여 접합부를 완전 깅접합부로 이상화하여 탄성으로 기정한 경우와 AISC Steel Design Guide 8에 맞게 설계된 합성반강접 접합부의 모멘트-회전 특성을갖는 해석모델의 경우에 대해 푸쉬오버 구조해석과 본 연구에서 선정한 3개의 지진데이터에 대하여 시간이력해석을 실시한 결과는 다음과 같다.
- MIDAS GEN으로 구한 고유주기와 감쇠비를 5%로 가정하여 그림 10의 1940년 El Centro 지진파, 1995년 Kobe 지진파와 1994년 Nothridge 지진파를 이용하여 최대지반가속도(PGA) 0.08g, 0.2g, 0.3g, 0.4g에 대해서 구조해석을실시하였다.
- T, 1996)과 KBC 2005(대한건축학회, 2005)를 참고하여 8층 사무소건물을 구조설계 하였다. 골조의 질량은 골조의 횡저항 강성에 따라 분배하였고 MIDAS GEN을 이용하여 각 골조의 고유주기를 구하였다. 합성반강접 접합부의 비선형 모멘트-회전관계는 AISC Steel Design Guide 8 (Leon, R.
- 본 연구를 위하여 개발된 동적 비탄성 구조해석프로그램은 이미 개발된 프로그램(김진형, 강석봉, 1999)에서 시간이력해석을 위하여 P-Delta 효과를 고려하는 내용을 제거하였으며 시간이 력해석은 직접적분법인 Newmark P 법을 이용하여 실시하였다. 구조물의 질량은 FEMA 273을 참고하여 고정하중 100%와 적재하중 25%을 고려하여 계산하였으며 구조물의 주기는 MIDAS Gen을 이용하여 2차원 8 층 구조물에서 접합부가 합성반강접, 완전 강접합일 때 각각 주기를 계산하였다. KBC 2005에 따른 구조물의 주기는 1.
- 본 연구에서는 IDARC 프로그램에서 제안한 3-매개변수모델(Y. J. Park 등, 1987)을 이용하여 접합부와 부재의이력거동을 나타내었고 실험결과와 비교하여 매개변수를 확인하였다. 슬래브의 영향으로 각 요소들이 비대칭 이력거동을나타내므로 정, 부모멘트 작용에 따른 각각의 매개변수를 표 7 및 8에 나타내었다,
- 본 연구에서는 합성반강접 접합부를 갖는 경우와 접합부를 완전 강접합으로 이상화한 경우에 대하여 동적 비탄성 구조해석 프로그램을 이용하여 정적 및 동적 비탄성 구조해석을 실시하였다. 본 연구를 위하여 개발된 동적 비탄성 구조해석프로그램은 이미 개발된 프로그램(김진형, 강석봉, 1999)에서 시간이력해석을 위하여 P-Delta 효과를 고려하는 내용을 제거하였으며 시간이 력해석은 직접적분법인 Newmark P 법을 이용하여 실시하였다.
- 비기새 골조의 합성반강접 접합부를 위하여 철골보를 완전합성으로 설계하였다. 합성보의 유효폭은 A.
- 비탄성 정적해석인 푸쉬오버 구조해석을 실시하여 골조의 강성및 초과강도계수, 반응수정계수에 대한 특성을 검토하고 동적해석인 시간이력해석을 실시하여 층간변위와 밑면전단력 등의 골조 동적특성을 알아보고자 한다.
- 이때 축력의 영향은 3개 층씩 분류하여 3개 층 축력의 평균을고려하였다.
- 중력방향 하중이 구조물에 작용된 상태에서 KBC 2005의등가정적해석법에서 제안하는 방법에 따라 수평하중을 높이에 따라서 선형적으로 분포시켜 FEMA 273에서 제안한 극한상태인 층간변위 5%(모멘트 골조)까지 구조해석을 실시하였다. 푸쉬오버해석 결과는 그림 8와 같이 구조물 중량에 대한 밑면전단력 비와 건물높이에 대한 지붕층 변위비로 나타내었다.
- 2배 컸다. 푸쉬오버 구조해석 결과로부터 초과강도계수는 종국 횡력(완전항복강도)을 설계밑면전단력으로 나누어 구하였고 연성계수는 구조물의 항복변위(초기강성의 연장선과 종국 횡력과 만나는 변위)와 한계변위 (FEMA 273에서 제안한 붕괴 수준인 층간변위 5%일 때의 변위)를 이용하여 구하였다. 반응수정계수는 그림 9과 같이 초과강도계수와 연성계수를 곱하여 구하였으며 표 10과 같다.
- 합성반강접 접합부가 철골구조물의 거동에 미치는 영향을알아보기 위하여 표 1 및 2와 같이 국내기준(대한건축학회, 2005)과 AISC 기준을 참고하여 그림 2의 8층 사무소 건물을 설계하였다. 8층 건물은 X, Y방향 모두 지진하중에 의해횡력이 결정되었으며 합성반강접 접합부는 중력방향 하중과횡력에 대하여 AISC Steel Design Guide 8 (Leon, R.
대상 데이터
- AISC Steel Design Guide 8 (Leon, R. T, 1996)과 KBC 2005(대한건축학회, 2005)를 참고하여 8층 사무소건물을 구조설계 하였다. 골조의 질량은 골조의 횡저항 강성에 따라 분배하였고 MIDAS GEN을 이용하여 각 골조의 고유주기를 구하였다.
데이터처리
- T, 1996)에서 제안한 식을 이용하였고 합성보와 철골보의 비선형 모멘트-회전관계는 화이버 모델을 이용하여 나타내었다 (깅석봉 등, 2000). 각 요소의 이력거동은 IDARC 프로그램에서 제안된 3-매개변수 모델을 이용하여 나타내었고 실험결과와 비교하여 매개변수를 확인하였다. 2차원 철골구조물에서 접합부를 합성반강접과 완전 강접합으로 이상회시켜 구조해석을 실시하여 합성반강접 접합부가 구조물의 정적 및동적거동에 미치는 영향을 파악하였다.
- 2배를 유효폭으로 산정하였으며표 6과 같다. 화이버 모델을 이용하여 힙성보의 모민트-곡률관계를 구하였으며 그림 4에는 실험결과와 화이버 모델의 결과를 비교하였다.
이론/모형
- 설계하였다. 8층 건물은 X, Y방향 모두 지진하중에 의해횡력이 결정되었으며 합성반강접 접합부는 중력방향 하중과횡력에 대하여 AISC Steel Design Guide 8 (Leon, R. T, 1996)을 참고하여 설계하였다.
- 구조해석 과정에서 보-기둥 접합부의 비선형 거동을 고려하는 경우 오버슈팅 문제가 발생되고 부재 기하비선형을 고려하기 위해 반복법을 사용해야 하므로 삼선형 해석모델(강석봉 등, 2000)을 이용하여 그림 5과 같이 접합부의 Envelop 곡선을 단순화하였다. 합성보와 철골기둥도 같은 방법으로 단순화 시켰다.
- 본 연구를 위하여 개발된 동적 비탄성 구조해석프로그램은 이미 개발된 프로그램(김진형, 강석봉, 1999)에서 시간이력해석을 위하여 P-Delta 효과를 고려하는 내용을 제거하였으며 시간이 력해석은 직접적분법인 Newmark P 법을 이용하여 실시하였다. 구조물의 질량은 FEMA 273을 참고하여 고정하중 100%와 적재하중 25%을 고려하여 계산하였으며 구조물의 주기는 MIDAS Gen을 이용하여 2차원 8 층 구조물에서 접합부가 합성반강접, 완전 강접합일 때 각각 주기를 계산하였다.
- 합성반강접 접합부의 모멘트-회전 관계는 AISC Design Guide 8 (Leon, R. T, 1996)에서 제안한 식(1), (2)를이용하여 나타내었다. Ci~C4는 접합부에 따라 결정되는 상수들이다.
- 골조의 질량은 골조의 횡저항 강성에 따라 분배하였고 MIDAS GEN을 이용하여 각 골조의 고유주기를 구하였다. 합성반강접 접합부의 비선형 모멘트-회전관계는 AISC Steel Design Guide 8 (Leon, R. T, 1996)에서 제안한 식을 이용하였고 합성보와 철골보의 비선형 모멘트-회전관계는 화이버 모델을 이용하여 나타내었다 (깅석봉 등, 2000). 각 요소의 이력거동은 IDARC 프로그램에서 제안된 3-매개변수 모델을 이용하여 나타내었고 실험결과와 비교하여 매개변수를 확인하였다.
- 설계하였다. 합성보의 유효폭은 A. Plumier (2000)가 제안한 대로 정모멘트에 대해서 길이의 0.15배, 부모멘트에 대해서 길이의 0.2배를 유효폭으로 산정하였으며표 6과 같다. 화이버 모델을 이용하여 힙성보의 모민트-곡률관계를 구하였으며 그림 4에는 실험결과와 화이버 모델의 결과를 비교하였다.
성능/효과
- (1) AISC가 제안한 초과강도계수 ‘3’과 반응수정계수 ‘6’은 본 연구의 합성반강접 접합부를 갖는 골조에 대하여 합리적이다.
- (2) 합성반강접 접합부를 갖는 골조의 푸쉬오버 구조해석 결과는 시간이력해석 결과에 비교하여 최상층에서 층간 변위를 과소평가 할 수 있다.
- (3) 구조물에 발생되는 밑면전단력, 접합부에 발생되는 휨모멘트, 기등에 전달되는 휨모멘트는 접합부 회전깅성이 커질수록 늘어나게 된다.
- (4) 주요 구조부재인 보 기등이 탄싱거동을 히는 경우 최대 층간 변위는 합성반강접 좉합부 경우보다 완전 강접합의 경우가 적게 발생하지만 보 기등이 비탄성 거동을 보이는 완전강접합 경우 더 큰 최대 층간변위가 발생 한다.
- 이르렀다. 8층 XI열의 경우는 완전강접 접합부를 갖는 구조물이 합성반강접 접합부를 갖는 구조물에 비교하여 횡력에 대한 초기강성은 약 2.3배, 강도는 약 1.4배 정도 컸으며 8층 X3열의 경우는 초기강성은 약 2.4배, 강도는 약 1.2배 컸다. 푸쉬오버 구조해석 결과로부터 초과강도계수는 종국 횡력(완전항복강도)을 설계밑면전단력으로 나누어 구하였고 연성계수는 구조물의 항복변위(초기강성의 연장선과 종국 횡력과 만나는 변위)와 한계변위 (FEMA 273에서 제안한 붕괴 수준인 층간변위 5%일 때의 변위)를 이용하여 구하였다.
- 접합부를 완전 깅접합으로 이상화하면 F081의 경우는 1층 기등과 1~6층 보의 대부분이비탄성거동을 경험하였고 F083의 경우는 외곽 기등과 상부층 기둥 그리고 지붕층을 제외한 모든 보에서 비탄성 거동을보였다. 또한 최대지반가속도는 같아도 지진파의 특성에 따라서 비탄성 거동을 경험하는 부재의 순서가 다른 것을 확인 할수 있었다.
- 합성반강접을 갖는 골조의 경우는 반강접 접합부의 특성상 일정 이상 모멘트를 전달하지 못하기 때문에 최대지반가속도가 증가하여도 접합부와 기등에 발생하는 모멘트는 일정하게 유지되W 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 본 연구의 구조해석 결과를 활용하여 1994년 Northridge 지진과 1995년 Kobe 지진이 발생하였을 때 많이 관찰된 기둥-보용접접합부와 기등의 취성파괴를 설명할 수 있다.
- 3g의 최대지반가속도에 대한 시간이력 구조해석 결과를 나타내었다. 최대 층간변위는 P081 에서는 1.1%, P083는 1.1%, F081 는 1.3%, F083는 1.8%가 발생하여 FEMA 273에서 제안한인명손상방지 (Life safety) 기준인 층간변위 2.5%를 모두만족하였다.
- T, 1996) 에 제시 되었다. 합성반강접 접합부는 중력하중에 대하여 모멘트접합 보다경제적으로 보 설계를 할 수 있고 적당한 접합부 상세를 가질 때 반복하중에 대하여 높은 에너지 소산능력을 보였다. 이러한 장점을 갖는 합성반강접 접합부를 실무에 활용하기 위해서는 정적하중과 동적하중에 대해 접합부의 모멘트-회전특성을 나타낼 수 있는 해석모델 개발과 접합부의 특성을 고려한 해석방법 및 설계절차가 필요하다(Rovert 등, 1992).
- 합성반강접을 갖는 골조의 경우는 반강접 접합부의 특성상 일정 이상 모멘트를 전달하지 못하기 때문에 최대지반가속도가 증가하여도 접합부와 기등에 발생하는 모멘트는 일정하게 유지되W 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 본 연구의 구조해석 결과를 활용하여 1994년 Northridge 지진과 1995년 Kobe 지진이 발생하였을 때 많이 관찰된 기둥-보용접접합부와 기등의 취성파괴를 설명할 수 있다.
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