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2차 탄성해석을 이용한 강뼈대구조의 초기결함 좌굴설계
Stability Design of Steel Frames considering Initial Imperfection based on Second-Order Elastic Analysis 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.28 no.4A, 2008년, pp.465 - 474  

경용수 (성균관대학교 건설환경연구소) ,  이창환 ((주)서영엔지니어링) ,  김문영 (성균관대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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일반적으로, 보-기둥 부재로 구성된 강뼈대구조물의 설계는 개별부재의 유효좌굴길이를 고려하여 설계기준에서 제시한 안정성 평가식을 적용하고 있다. 그러나 이 방법은 구조물에서 상대적으로 작은 압축력이 적용되는 부재에서는 유효좌굴길이가 커지는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 극복하고자 본 연구에서는 대상 구조물의 초기결함(initial imperfection)을 고려한 2차 탄성해석법을 제시한다. 이 방법은 탄성좌굴 고유치해석으로 산정된 좌굴모드 및 좌굴고유치, 개별부재의 축력을 이용하여, 가장 작은 무차원 세장비를 가진 부재를 선정하고, 그 부재에 대하여 기하적, 재료적인 효과가 고려된 설계기준의 기준강도곡선으로부터 좌굴모드에 대한 증폭량을 산정한다. 이렇게 결정된 증폭량을 대상 구조물의 좌굴모드에 증폭시켜 2차 탄성해석을 수행하고, 개별부재의 안정성을 평가한다. 본 방법의 타당성을 확인하기 위하여, 8층 및 4층으로 이루어진 평면 강뼈대구조물에 적용시키고, 설계기준에서 제시하는 안정성 평가법과 비교한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Generally design of frame structures composed of beam-column member is accomplished by stability evaluation of each member considering the effective buckling length. This study selects a member of the smallest non-dimension slenderness ratio using the buckling eigenvalue calculated by the elastic bu...

주제어

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문제 정의

  • 그러나 실제적으로 구조물의 작용하중에 의해서, 상부기둥은 하부기둥들에 비해 축압축력이 작아 기둥의 내하력에 미치는 영향이 작으리라 생각할 수 있는데, 좌굴해석을 거치면, 유효좌굴길이가 커지게 되므로 모순이 발생하게 된다. 이러한 문제를 극복하고자 본 연구에서는 유효좌굴길이를 산정하고, 개별부재에 적용하는 현행 설계기준 대신 좌굴모드에 적절한 증폭량을 산정하여 변형된 형상에 재하하중을 작용하여 2차탄성해석을 수행하는 방법을 제시한다. 특히, 좌굴모드와 최소고유치 및 개별부재의 축압축력을 이용하여 대상 구조물에서의 가장 취약한 부재를 기준부재로 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유효좌굴길이의 산정에 있어 alignment chart법은 어떠한 한계가 있는가? 강뼈대구조물을 설계하기 위해서는 개별부재의 안정성 검토를 위한 유효좌굴길이를 정확하게 산정하는 것이 중요한 과제이다. 그러나, 유효좌굴길이의 산정에 있어 alignment chart법은 많은 가정과 적용에 있어 제약이 있고, 탄성좌굴 고유치해석법은 압축력이 작은 부재에서 유효좌굴길이가 상대적으로 크게 산정되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 구조물의 좌굴모드를 이용하고, 좌굴모드의 증폭계수를 고려한 2차 탄성해석법을 적용하여 안정성을 검토하였다.
강뼈대구조물을 설계하기 위해서는 무엇이 중요한가? 강뼈대구조물을 설계하기 위해서는 개별부재의 안정성 검토를 위한 유효좌굴길이를 정확하게 산정하는 것이 중요한 과제이다. 그러나, 유효좌굴길이의 산정에 있어 alignment chart법은 많은 가정과 적용에 있어 제약이 있고, 탄성좌굴 고유치해석법은 압축력이 작은 부재에서 유효좌굴길이가 상대적으로 크게 산정되는 문제점을 가지고 있다.
구조물의 좌굴모드를 이용하여 좌굴모드의 증폭계수를 고려한 2차 탄성해석법을 적용하여 안정성을 검토한 결과는 어떠한가? 1. 압축과 휨모멘트를 동시에 받는 보-기둥부재의 안정성을 평가하는 방법으로, 본 연구에서는 구조물의 탄성시스템 좌굴모드를 이용하여 초기결함의 크기를 산정하여 변형된 구조물에 대해 2차 탄성해석을 수행하였다. 2. 강뼈대구조물의 탄성시스템 좌굴모드를 산정하고, 좌굴모드의 증폭량을 산정하기 위해 AISC(2005) 설계기준의 기준강도곡선을 고려하여 초기결함의 크기를 결정할 수 있는 개선된 안정성 평가식을 제시하였다. 3. 결정된 초기결함은 2차 탄성해석법에 의해 결정되는 단면 상관식에 적용하였으며, 현행 설계기준의 안정성 평가식과 비교하였다. 이때, 현행 설계기준의 유효좌굴길이의 산정에서 탄성좌굴해석법의 경우, 구조물에서 상대적으로 작은 압축력을 얻는 부재에서는 긴 유효좌굴길이가 산정되며, 이는 설계기준의 안정성 평가식에서 축력 부분이 불합리하게 커지는 경향을 보인다. 이러한 문제는 초기결함을 고려한 2차 탄성해석법을 적용하는 경우, 쉽게 해결할 수 있으며, 뼈대구조물의 합리적인 안정성설계가 가능할 것이라 판단된다.
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참고문헌 (8)

  1. 김문영, 송주영, 경용수, 김남일(2005) 탄성좌굴 고유치 및 2차 탄성해석법을 이용한 평면강절프레임의 개선된 좌굴설계법. 한국전산구조공학회논문집, 한국전산구조공학회, 제18권, 제2호, pp. 159-168 

  2. 진만식, 경용수, 김문영(2004) 평면프레임의 좌굴설계를 위한 정확한 유효좌굴계수 산정. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제24권, 제3A호, pp. 509-516 

  3. AISC (2005) Steel Construction Manual, American Institute of Steel Construction Inc., 13th ed 

  4. CEN prEN 1993-1-1 (2003) Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-1: General rules and rules for buildings (stage 34 draft, February 2003) 

  5. Hirotaka Oda, Tsutomu Usami (1997) Stability design of steel plane frames by second-order elastic analysis, Engineering Structures, Vol. 19, No. 8, pp. 617-627 

  6. Roddis, W.M.K., Hamid, H.A., and Guo, C.Q. (1998) Factors for unbraced frames: align-ment chart accuracy for practical frame varia-tions, Engineering Journal, Vol. 35, No. 3, pp. 81-93 

  7. Rodrigo Goncalves, Dinar Camotim (2005) On the incorporati on of equivalent member imperfections in the in-plane design of steel frames, Journal of Const ructional Steel Research 61, pp. 1226-1240 

  8. Kam, T.Y. and Lee F.S. (1986) Nonlinear analysis of steel plane frames with initial imperfections, Computer & Structures, Vol. 23, No. 4, pp. 553-557 

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