최근 초고층 건축물은 비정형적 외관을 갖는 랜드 마크적인 역할과 택지의 효율적인 사용을 위한 수직 도시 기능을 수행한다. 건축물의 외관은 비정형적인 요소로서 3T형태(Twisted, Tilted, Tapered)의 설계안들이 대부분 제안되고 있으며, 세장한 형태의 형상비를 만족하기 위한 새로운 구조시스템의 연구 개발이 활발히 진행 중이다. 다이아그리드 시스템의 하중 전달 메커니즘은 대각 가새(Diagrid)의 삼각형 형상에 기인하여 중력하중 뿐만 아니라 횡하중을 전달하기 때문에 대부분의 기둥이 제거되게 된다. 또한 대각 가새의 축방향 거동(인장/압축)에 의해 전단력을 전달하여 전단 변형이 최소화되기 때문에 기둥이 전단력을 전달하던 기존 방식에 비해 비정형적인 외관에 쉽게 대응할 수 있는 구조시스템이다. 본 연구에서는 싸이클론 타워의 건축 계획안을 바탕으로 접합부 디테일 선정 과정과 접합부의 구조안전성을 유한요소해석을 통해 검증하였다. 이를 통해 응력집중 완화 방안을 제시하여 적절한 캡 플레이트 두께와 캡플레이트 확장 길이를 제시하여 응력집중 현상을 완화하였다.
최근 초고층 건축물은 비정형적 외관을 갖는 랜드 마크적인 역할과 택지의 효율적인 사용을 위한 수직 도시 기능을 수행한다. 건축물의 외관은 비정형적인 요소로서 3T형태(Twisted, Tilted, Tapered)의 설계안들이 대부분 제안되고 있으며, 세장한 형태의 형상비를 만족하기 위한 새로운 구조시스템의 연구 개발이 활발히 진행 중이다. 다이아그리드 시스템의 하중 전달 메커니즘은 대각 가새(Diagrid)의 삼각형 형상에 기인하여 중력하중 뿐만 아니라 횡하중을 전달하기 때문에 대부분의 기둥이 제거되게 된다. 또한 대각 가새의 축방향 거동(인장/압축)에 의해 전단력을 전달하여 전단 변형이 최소화되기 때문에 기둥이 전단력을 전달하던 기존 방식에 비해 비정형적인 외관에 쉽게 대응할 수 있는 구조시스템이다. 본 연구에서는 싸이클론 타워의 건축 계획안을 바탕으로 접합부 디테일 선정 과정과 접합부의 구조안전성을 유한요소해석을 통해 검증하였다. 이를 통해 응력집중 완화 방안을 제시하여 적절한 캡 플레이트 두께와 캡플레이트 확장 길이를 제시하여 응력집중 현상을 완화하였다.
Recently, High-rise building are irregular-shaped to be city landmarks and function as vertical cities to enable the efficient use of land. 3T (Twisted, Tilted & Tapered) designs are being suggested for irregular buildings and studies to develop new structural system have been actively made to satis...
Recently, High-rise building are irregular-shaped to be city landmarks and function as vertical cities to enable the efficient use of land. 3T (Twisted, Tilted & Tapered) designs are being suggested for irregular buildings and studies to develop new structural system have been actively made to satisfy slender shape ratio. In diagrid system, not only gravity load but also lateral load is delivered based on the triangular shape of diagrid, so most of columns are eliminated. Because shearing force is delivered by the axial behavior (tensile/compressive) of diagrid to minimize shearing deformation, the system is more applicable to irregular buildings than existing system where shearing force is delivered by the columns. In this study, the process of selecting connection details and the structural safety of the selected details are verified using the finite element analysis with focus given to the construction overview of the Cyclone Tower. However, the relersed methods of stress concentration are suggested and the performance of stress concentration relieves that it's suggested for the appropriate cap plate thickness and extended length.
Recently, High-rise building are irregular-shaped to be city landmarks and function as vertical cities to enable the efficient use of land. 3T (Twisted, Tilted & Tapered) designs are being suggested for irregular buildings and studies to develop new structural system have been actively made to satisfy slender shape ratio. In diagrid system, not only gravity load but also lateral load is delivered based on the triangular shape of diagrid, so most of columns are eliminated. Because shearing force is delivered by the axial behavior (tensile/compressive) of diagrid to minimize shearing deformation, the system is more applicable to irregular buildings than existing system where shearing force is delivered by the columns. In this study, the process of selecting connection details and the structural safety of the selected details are verified using the finite element analysis with focus given to the construction overview of the Cyclone Tower. However, the relersed methods of stress concentration are suggested and the performance of stress concentration relieves that it's suggested for the appropriate cap plate thickness and extended length.
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문제 정의
또한 제안된 접합부의 경우 새롭게 적용되는 다이아그리드 접합부로서 이와 같은 검증 사례가 없기 때문에 이에 대한 해석적 검증이 필요하게 되었다. 따라서 그림 4(a)의 X형 스티프너와 그림 4(b)의 수직 스티프너를 갖는 실험체를 실대형 실험체와 동일한 조건으로 모델링하여, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 스티프너 형상 변화에 따른 구조내력 발휘의 문제점을 규명하고자 하였다.
하지만 표 1에서 보여주는 것과 같이 600雄a급 강종을 적용하여 실험체를 제작할 경우 사용원형 강관(0600x12)의 항복내력이 9, 947kN으로 보유가력 장비(10, 000kN UTM)의 최대하중에 근접하게 되고, 이에 따른 실험체의 파괴 모드를 확인할 수 없게 된다. 따라서 실험체의 제작은 일반구조용 강재(SS400)를 적용하여 실험체를 제작하고 이를 평가하고자 하였다.
이는 강관의 항복하중을 만족하지 못하는 결과를 야기하며, 접합부 신뢰성을 만족하지 못하게 된다(최성모, 2008). 따라서 접합부의 시공 성향 상을 목적으로 내부 스티프너를 수직 스티프너 형태로 결정하고, 응력집중에 관해 다른 해결책을 모색하였다. 접합부 노드의 응력집중 현상을 해결하기 위하여 캡 플레이트와 하부 스티프너 플레이트 사이의 원활한 응력전달■이 이루어져야 한다.
이를 위해 싸이클론 타워의 건축 개요를 바탕으로 접합부 디테일 선정 과정과 시공에 필요한 접합부 문제점 극복을 위한 중점 관리사항을 제시하고, 선정된 접합부의 구조안전성을 유한요소해석을 통해 검증하고자 한다. 또한 계획된 접합부의 검증을 위해 실험적 평가 방법을 제시하여 아산배방 싸이클론 타워 접합부 노드 디테일 계획안의 신뢰성을 확보하고자 한다.
하지만 다이아그리드접합부를 구성하는 X형 스티프너의 용접 시공성은 협소한 작업 공간으로 인하여 다소 어려움이 야기된다. 또한 용접 시공성의 향상은 경제성 창출과 직접적인 상관관계가 있기 때문에 스티프너 형태 변화의 필요성을 제기하게 되었다.
본 연구의 목적은 충청남도 아산시에 위치한 아산배방싸이클론 타워의 다이아그리드시스템 적용을 고려한 접합부 설계안의 진행 과정을 제시하여 많은 연구의 근간으로 삼고자 한다. 이를 위해 싸이클론 타워의 건축 개요를 바탕으로 접합부 디테일 선정 과정과 시공에 필요한 접합부 문제점 극복을 위한 중점 관리사항을 제시하고, 선정된 접합부의 구조안전성을 유한요소해석을 통해 검증하고자 한다.
하지만 가정에서 비롯된 근거이기 때문에 이를 분석하고자 하였다. 이를 위하여 캡 플레이트 익스텐디드 길이를 20mm로 고정하고, 캡 플레이트 두께를 40mm, 50mm, 60mm의 3가지 경우를 통해 비교하였다.
따라서 접합부 노드의 구조 부재들을 600MPa급 강재를 이용하여 재해석한 결과 구조내력은 전 층 모두 접합부 설계내력값을 만족하였다. 하지만 해석적인 결과값만으로 접합부의 신뢰성을 보증하기 어렵기 때문에 실대형 실험체를 제작하여 실험을 통한 접합부의 신뢰성을 검증하고자하였다. 그림 3과같이 제안된 다이아그리드 접합부 노드의 하중전달 메커니즘과 접합부 구조내력을 평가하기 위하여 대각 가 새의 축 방향(Fxl, Fx2 방향)으로 하중 가력을 계획하였다.
가설 설정
이를 규명하기 위하여 45° 가상 응력 선을 바탕으로 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른스티프너 플레이트의 확장과 더불어 캡 플레이트가 축 방향 압축력에 저항하는 단면적과 밀접한 관련성이 있다고 가정하였다. 따라서 그림 10(b)와 같이 강관의 항복 하중 값을 만족하는 캡 플레이트 단면적(음영처리된 부분)을산정하기 위하여 45° 가상응력선을 근간으로 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른 단면 가정과 그림 10(c) 의 캡 플레이트 두께 증가에 따른 단면을 가정하였다. 가정된 단면을 통하여 표 4에 나타낸 것과 같이 캡 플레이트 두께와 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화의 상관관계를 설정하고, 각 변수별 항복하중을 계산하여 각 조건별 강관의 항복값을 만족하는 값들을 볼드체 (Bold Type) 로 정리하여 표 4에 나타냈었다.
해석조건으로서 원형강관, 스티프너, H 형강 보의 모델링은 6개의 자유도를 가지는 4개의 절점으로 구성된 Shell 43요소를 사용하고, 강재의 응력-변형 특성은 Bi-linear Kinematic 변형경화 모델을 사용하였다. 강재의 항복강도는 600MPa급 강재의 항복강도인 440MPa를 적용하였으며, 탄성계수는 210GPa, 항복 이후의 탄성계수는 초기 탄성계수의 1/100로 가정하였다. 해석방법으로 그림 4(b)에 나타낸 것과 같이 A면의 3방향(X, Y, Z) 자유도를 구속하고 B방향 강관에 0.
응력집중 현상의 완화 방안은 45°가상응력선의 가정에서 비롯되었으며, 접합부 하중전달 메커니즘의 중요한 요소로서 캡 플레이트 두께 증가에 따른 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화의 상관관계를 갖게 된다. 이를 규명하기 위하여 45° 가상 응력 선을 바탕으로 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른스티프너 플레이트의 확장과 더불어 캡 플레이트가 축 방향 압축력에 저항하는 단면적과 밀접한 관련성이 있다고 가정하였다. 따라서 그림 10(b)와 같이 강관의 항복 하중 값을 만족하는 캡 플레이트 단면적(음영처리된 부분)을산정하기 위하여 45° 가상응력선을 근간으로 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른 단면 가정과 그림 10(c) 의 캡 플레이트 두께 증가에 따른 단면을 가정하였다.
된다. 접합부 노드의 응력집중 현상 완화 방안으로써 강관과 캡 플레이트 접합면의 응력흐름을 45°가상응력선을 이용하여 가정하였다. 이는 접합부 노드를 구성하는 각 요소별 상관관계를 살펴볼 때, 4장에서 논의된 것처럼 캡 플레이트 단면적의 증감이 큰 영향을 미칠 젓으로 판단된다.
제안 방법
접합형식은 다이아그리드 부재의 삼각형 형상에 기인하여 강접합만을 고려하는 것은 필수적이지 않으며, 볼트접합과 같은 핀접합으로 적절히 처리할 수 있다.(K young-Sun, Moon., et al, 2007°) 따라서 초기접합부 계획시 볼트접합과 용접접합 또는 두 가지를 병행하는 과정들을 통해 그림 1과 같이 여러가지 디테일을 제시하여, 시공성 및 접합부 경제성을 충분히 고려한 설계를 실시하였다.
접합부 노드의 응력집중 현상을 해결하기 위하여 캡 플레이트와 하부 스티프너 플레이트 사이의 원활한 응력전달■이 이루어져야 한다. 그림 7(a)와 같이 원형강관과 캡 플레이트(Cap Plate) 사이의 응력전달은 45° 분포에 이르는 가상응력선을 제안하였고, 그림 7(b)와 같이 캡 플레이트(Cap Plate)의 익스텐디드(Expended) 길이를 스티프너와 플레이트(Stiffener Plate)까지 확장하는 방식의 접합부 형상을 제안하였다.
따라서 그림 10(b)와 같이 강관의 항복 하중 값을 만족하는 캡 플레이트 단면적(음영처리된 부분)을산정하기 위하여 45° 가상응력선을 근간으로 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른 단면 가정과 그림 10(c) 의 캡 플레이트 두께 증가에 따른 단면을 가정하였다. 가정된 단면을 통하여 표 4에 나타낸 것과 같이 캡 플레이트 두께와 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화의 상관관계를 설정하고, 각 변수별 항복하중을 계산하여 각 조건별 강관의 항복값을 만족하는 값들을 볼드체 (Bold Type) 로 정리하여 표 4에 나타냈었다. 그 결과 최초 변수로써 캡 플레이트 익스텐디드 길이가 10nm이고, 캡 플레이트 두께가 36mm일 때 강관의 항복 하중값(Py = 9, 754kN)을 만족하였다.
하지만 해석적인 결과값만으로 접합부의 신뢰성을 보증하기 어렵기 때문에 실대형 실험체를 제작하여 실험을 통한 접합부의 신뢰성을 검증하고자하였다. 그림 3과같이 제안된 다이아그리드 접합부 노드의 하중전달 메커니즘과 접합부 구조내력을 평가하기 위하여 대각 가 새의 축 방향(Fxl, Fx2 방향)으로 하중 가력을 계획하였다. 싸이클론 타워의 30F~RF층은 0600 X12T 원형강관을다이아그리드 구조부재로 채택하였다.
하지만 강관의 항복 하중 값과 거의 동일한 수준이며, 강관의 응력집중 현상을 완화하기 위해서 캡 플레이트의 두께는 높게 산정될 필요가 있다. 따라서 초기 설계 단계에서 각 부재별 단면적 계산으로 산정된 캡 플레이트 두께 40mm를 기준으로 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른 거동을 분석하기 위하여 캡 플레이트 두께 대 익스텐디드 길이비를 1: 0.25에서 1:2까지의 5가지 조건을 산정하여 유한요소해석을 수행하였다. 또한 캡 플레이트 익스텐디드 길이를 20mni로 고정하고, 캡 플레이트 두께를 40mm, 50mm, 60mm 조건을 산정하여 유한요소해석을 수행하였다.
25에서 1:2까지의 5가지 조건을 산정하여 유한요소해석을 수행하였다. 또한 캡 플레이트 익스텐디드 길이를 20mni로 고정하고, 캡 플레이트 두께를 40mm, 50mm, 60mm 조건을 산정하여 유한요소해석을 수행하였다.
본 연구는 다이아그리드 시스템을 적용한 접합부 노드의 접합부 디테일 선정 과정과 선정된 접합부의 구조 안전성을 유한요소해석을 통해 검증하고, 현장 시공에 필요한 접합부 문제점 극복을 위한 디테일 계획안의 신뢰성 검증을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
싸이클론 타워 접합부 노드의 응력집중 현상 완화 방안과 접합부 구성요소의 최적의 디테일 조합을 도출하기 위하여 4.2장에서 제안한 방법으로 접합부 노드의 신뢰성을 평가하고자 하였다. 응력집중 현상의 완화 방안은 45°가상응력선의 가정에서 비롯되었으며, 접합부 하중전달 메커니즘의 중요한 요소로서 캡 플레이트 두께 증가에 따른 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화의 상관관계를 갖게 된다.
이는 접합부 노드를 구성하는 각 요소별 상관관계를 살펴볼 때, 4장에서 논의된 것처럼 캡 플레이트 단면적의 증감이 큰 영향을 미칠 젓으로 판단된다. 이를 규명하고자 캡 플레이트 두께를 40mm로 설정하고, 캡 플레이트 익스텐디드 길이를 변수로 캡 플레이트 단면적 증가에 따른 항복하중을 계산하였고, 유한요소해석을 수행하여 얻는 그림 11의 결과 그래프에서 1/3접선법을 이용하여 항복하중을 구하고 이를 표 5에 나타내었디..
하지만 가정에서 비롯된 근거이기 때문에 이를 분석하고자 하였다. 이를 위하여 캡 플레이트 익스텐디드 길이를 20mm로 고정하고, 캡 플레이트 두께를 40mm, 50mm, 60mm의 3가지 경우를 통해 비교하였다. 표 4 의 캡 플레이트 단면적 가정에 따른 계산값을 이용하여 접합부의 항복하중을 산정하였다.
삼고자 한다. 이를 위해 싸이클론 타워의 건축 개요를 바탕으로 접합부 디테일 선정 과정과 시공에 필요한 접합부 문제점 극복을 위한 중점 관리사항을 제시하고, 선정된 접합부의 구조안전성을 유한요소해석을 통해 검증하고자 한다. 또한 계획된 접합부의 검증을 위해 실험적 평가 방법을 제시하여 아산배방 싸이클론 타워 접합부 노드 디테일 계획안의 신뢰성을 확보하고자 한다.
또한 전 층에 반복적으로 존재하는 접합부의 시공 효율성은 건축물의 공기단축에 있어 매우 중요한 역할을 하게 되며, 기존 구조시스템들에 비해 경제성이 저하된다. 이를 해결하기 위하여 접합부 계획 단계에서 노드부의 공장제작을 선행 조건으로 고려하였다. 접합형식은 다이아그리드 부재의 삼각형 형상에 기인하여 강접합만을 고려하는 것은 필수적이지 않으며, 볼트접합과 같은 핀접합으로 적절히 처리할 수 있다.
3의 旦압축력을 도입하였다. 이후 A-B 강관의 압축력을 도입한 상태에서 A면의 3방향 자유도를 풀어준 후 C면의 3방향 자유도를 구속하고 D 면을 반복(인장 및 압축) 가력과 단조(압축)가력 하였다.
2장에서 언급되었던 것과 같이 싸이클론 타워에 작용하는 하중조합은 접합부 노드의 신뢰성 검증에 있어 가장 중요한 평가 요인으로 대두되었다. 접합부 노드 구성요소들의 접합 방법으로써 항복하중까지 충분한 강성을 발휘하기 위해서는 캡 플레이트와 축방향 X형 스티프너의 용접이 우수해야한다는 기술적인 검토를 하였다. 하지만 시공성 문제를 들어 수직 스티프너 형태를 제안하여 유한요소해석을 수행한 결과 X형과 유사 거동을 하였으나, 강관 면과 스티프너 플레이트에서 각각 응력집중 현상이 발생하였다.
접합부 노드의 강관과 캡 플레이트 접합면의 응력집중 현상 완화 방안으로써 가상응력선을 가정하여 캡 플레이트 단면적 증가에 따른 접합부 거동을 분석하였다. 이를 통해 강관의 .
접합부에서 발생하는 응력집중현상을 완화하기 위하여 제시된 가상응력선을 바탕으로 캡 플레이트 두께와 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화에 따른 스티프너와플레이트의 확장을 변수로 총 4개 해석 대상을 표 3과같이 계획하였다. 해석모델은 20개의 노드를 갖는 Solidl86 요소를 이용하였으며, 그림 8(a)와 같이 1/4 대칭 모델로 하였다.
최적의 캡 플레이트 두께를 산정하기 위하여 캡 플레이트 두께 변화를 40mm에서 60mm까지 범위를 변수로 접합부 내력을 평가하여 접합부 노드의 신뢰성을 검증하고자 하였다. 접합부 노드의 캡 플레이트 익스텐디드 길。|(20mm) 증가 없이 캡 플레이트 두께만 증가 (40-60mm)시켜 해석한 하중-변위 결과를 그림 12에 나타내었다.
캡 플레이트 두께와 캡 플레이트 익스텐디드 길이 1:0.25(캡플레이트 두께 40mm일 때 익스텐디드 길이 10mm)에서 1:2(캡플레이트 두께 40mm일 때 익스텐디드 길이 80mm)까지 산정하여 유한요소해석을 수행하였다. 그림11은 0600X12 원형강관과 접합되는 캡 플레이트의 두께 대 익스텐디드 길이비를 변수로 유한요소해석을 수행한 하중-변위 관계를 나타낸다.
이를 통해 강관의 .항복하중을 만족하는 캡 플레이트 두께 40mm, 내민길이 60mm인 조건과 캡 플레이트 두께 50mm, 캡 플레이트 내민길이 20mm인 조건을 바탕으로 캡 플레이트 단면적 조건에 따른 항복하중과 유한요소 해석에 의한 항복하중의 상관관계를 분석하였다. 캡 플레이트 두께 40mm, 내민길이 60mni인 경우는 캡 플레이트 두께 50mm, 익스텐디드 길이 20mm인 경우에 비해 단면적은 24%가 감소되며, 항복하중 또한 24%로서 동일하게 감소되어 나타난다.
대상 데이터
그림 3과같이 제안된 다이아그리드 접합부 노드의 하중전달 메커니즘과 접합부 구조내력을 평가하기 위하여 대각 가 새의 축 방향(Fxl, Fx2 방향)으로 하중 가력을 계획하였다. 싸이클론 타워의 30F~RF층은 0600 X12T 원형강관을다이아그리드 구조부재로 채택하였다. 이를 대상으로 접합부에 작용하는 하중조합 결과 Fxl 방향에 최대 압축력이 작용하고, 改1 방향 최대 압축력의 30% 하중이 Fx2 방향으로 작용할 경우 접합부 노드가 가장 취약하다는 결론을 도출흐卜였다.
해석대상은 표 2와 같이 패널존의 내부 스티프너 형태를 변수로 2개의 실험체를 대상으로 하였으며, 그림 4와 같이 다이아그리드 접합부를 모델링하였다.
데이터처리
제안된 다이아그리드 접합부 노드의 해석은 범용 해석프로그램인 ANSYS 10.0을 이용하여 실험체와 동일한 조건으로 모델링 하였고, 항복 후 접합부 노드의 거동을 알아보기 위하여 재료비선형을 고려하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석조건으로서 원형강관, 스티프너, H 형강 보의 모델링은 6개의 자유도를 가지는 4개의 절점으로 구성된 Shell 43요소를 사용하고, 강재의 응력-변형 특성은 Bi-linear Kinematic 변형경화 모델을 사용하였다.
이론/모형
0을 이용하여 실험체와 동일한 조건으로 모델링 하였고, 항복 후 접합부 노드의 거동을 알아보기 위하여 재료비선형을 고려하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석조건으로서 원형강관, 스티프너, H 형강 보의 모델링은 6개의 자유도를 가지는 4개의 절점으로 구성된 Shell 43요소를 사용하고, 강재의 응력-변형 특성은 Bi-linear Kinematic 변형경화 모델을 사용하였다. 강재의 항복강도는 600MPa급 강재의 항복강도인 440MPa를 적용하였으며, 탄성계수는 210GPa, 항복 이후의 탄성계수는 초기 탄성계수의 1/100로 가정하였다.
성능/효과
평형 스티프너의 경우 접합부 노드의 패널부와 강관과 캡 플레이트 접합면에서 응력이 집중되어 나타났다. 그림 6(a)에서 접합부의 전체내력은 강관의 항복내력에 도달하지 못했으며, 그림 6(b)의 응력분포에서 강관의 하중이 스티프너로 원활히 전달되지 않고, Cap Plate 하부의스티프너 플레이트에서도 응력집중 현상이 발생하는 것을 확인하였다.
1) 다이아그리드시스템은 접합부 디테일의 복잡함 때문에 용접 접합에 의한 신뢰성 확보는 공장 제작이 필수조건이며, 시공성 향상을 위하여 수직 스티프너의 사용을 고려해도 접합부의 내력이 확보될 것으로 판단된다.
2) 접합부 노드의 응력집중 현상 완화 방안으로 써 45° 가상응력선에 따른 캡 플레이트 내민길이와 스티프너 플레이트의 확장이 동시에 이루어져야응력집중 현상이 완화될 것으로 판단된다.
3) 강관의 항복 하중을 만족하는 최초값은 캡 플레이트 두께 35mm와 캡 플레이트 익스텐디드 길이 10mm 일 경우 만족하는 값을 갖는다. 하지만 접합부 노드의 응력집중 현상을 완화하기 위하여 캡 플레이트 단 면적은 항복 하중 단면적의 30%이상을 확보해야할 것으로 판단된다
4) 캡 플레이트와 스티프너 플레이트 사이의 응력 집중 현상을 해소하기 위해서는 캡 플레이트 두께 40mm 일 경우 캡 플레이트 익스텐디드 길이 60mm 이상을 확보해야 한다.
5) 캡 플레이트 두께 50mm 이상일 경우 강관에서 항복이 먼저 발생하게 되며, 경제적인 접합부 설계를 위해 50mm 두께가 적당하다고 판단된다.
6) 강관의 항복내력을 만족하고, 응력집중 현상을 완화하기 위해서는 캡 플레이트 익스텐디드 길이 60mm를 기준으로 캡 플레이트 두께 40mm~50mm 범위에서 접합부를 계획할 경우 응력집중 현상의 완화와 강관의 항복 하중을 만족할 것이다.
관계로 나타내었다. 그 결과 X형 스티프너는 D면의 반복가력(인장과 압축에서 하중-변위 관계가 거의 동일하게 거동한 것으로 나타났으나, 평형 스티프너는 인장력을 도입한 경우 압축력을 도입했을 때보다 내력이 낮게 나타났다.
가정된 단면을 통하여 표 4에 나타낸 것과 같이 캡 플레이트 두께와 캡 플레이트 익스텐디드 길이 변화의 상관관계를 설정하고, 각 변수별 항복하중을 계산하여 각 조건별 강관의 항복값을 만족하는 값들을 볼드체 (Bold Type) 로 정리하여 표 4에 나타냈었다. 그 결과 최초 변수로써 캡 플레이트 익스텐디드 길이가 10nm이고, 캡 플레이트 두께가 36mm일 때 강관의 항복 하중값(Py = 9, 754kN)을 만족하였다. 하지만 강관의 항복 하중 값과 거의 동일한 수준이며, 강관의 응력집중 현상을 완화하기 위해서 캡 플레이트의 두께는 높게 산정될 필요가 있다.
이는 접합부 노드를 구성하는 구조부재의 구조내력 향상이 필요하게 되며, 높은 재질의 강종 선택이나 접합부 노左 부재의 두께 증가와 같은 대안이 요구된다. 따라서 접합부 노드의 구조 부재들을 600MPa급 강재를 이용하여 재해석한 결과 구조내력은 전 층 모두 접합부 설계내력값을 만족하였다. 하지만 해석적인 결과값만으로 접합부의 신뢰성을 보증하기 어렵기 때문에 실대형 실험체를 제작하여 실험을 통한 접합부의 신뢰성을 검증하고자하였다.
하지만 유한요소해석을 통해 얻은 항복하중의 편차는 1%의 내력차이를 나타내었다. 따라서 캡 플레이트 단면적 가정에 의한 응력집중완화 방안의 최적 조건은 캡 플레이트 두께 40mm를 기준으로 익스텐디드 길이가 60mni일 때 경제성 측면에서 캡 플레이트 두께 증가에 의한 경우보다 효과적이라 판단된다. 또한 강관의 항복내력을 만족하기 위해서는 캡 플레이트 익스텐디드 길이 60mm를 기준으로 캡 플레이트 두께 40mm에서 50mm 사이의 값을 채택할 경우 응력 집중 현상에 따른 강관의 항복하중을 만족하며, 경제적인 접합부 설계가 가능할 것으로 사료된다.
볼트에 대한 렌치시공은 임팩트 유니버셜 조인트로 M24의 경우 100mm까지 시공이 가능하다는 기준이 있지만, 새롭게 개발된 용접성이 우수한 고강도 강(인장강도 600MPa급)을 효율적으로 적용하자는 결론과 더불어 볼트접합 디테일을 용접접합으로 전면 교체하게 되었다.
싸이클론 타워의 30F~RF층은 0600 X12T 원형강관을다이아그리드 구조부재로 채택하였다. 이를 대상으로 접합부에 작용하는 하중조합 결과 Fxl 방향에 최대 압축력이 작용하고, 改1 방향 최대 압축력의 30% 하중이 Fx2 방향으로 작용할 경우 접합부 노드가 가장 취약하다는 결론을 도출흐卜였다.(Kim Jong-Soo, et al.
접합부 노드의 캡 플레이트 익스텐디드 길。|(20mm) 증가 없이 캡 플레이트 두께만 증가 (40-60mm)시켜 해석한 하중-변위 결과를 그림 12에 나타내었다. 제안된 접합부 노드의 응력집중 현상을 방지하고, 원활한 하중전달을 통한 접합부 신뢰성 확보를 위해서는 캡 플레이트 두께 50mm 이상을 확보해야 하며, 50mm이상의 캡 플레이트 두께를 적용할 경우의 하중은 크게 증가되지 않았다.
접합부 노드 구성요소들의 접합 방법으로써 항복하중까지 충분한 강성을 발휘하기 위해서는 캡 플레이트와 축방향 X형 스티프너의 용접이 우수해야한다는 기술적인 검토를 하였다. 하지만 시공성 문제를 들어 수직 스티프너 형태를 제안하여 유한요소해석을 수행한 결과 X형과 유사 거동을 하였으나, 강관 면과 스티프너 플레이트에서 각각 응력집중 현상이 발생하였다. 이는 강관의 항복하중을 만족하지 못하는 결과를 야기하며, 접합부 신뢰성을 만족하지 못하게 된다(최성모, 2008).
그림11은 0600X12 원형강관과 접합되는 캡 플레이트의 두께 대 익스텐디드 길이비를 변수로 유한요소해석을 수행한 하중-변위 관계를 나타낸다. 해석 결과와 같이 캡 플레이트의 두께에 대한 익스텐디드 길이비는 l:L5(60mm)이상을 확보해야 강관의 항복하중을 만족하는 것으로 나타났다.
후속연구
따라서 캡 플레이트 단면적 가정에 의한 응력집중완화 방안의 최적 조건은 캡 플레이트 두께 40mm를 기준으로 익스텐디드 길이가 60mni일 때 경제성 측면에서 캡 플레이트 두께 증가에 의한 경우보다 효과적이라 판단된다. 또한 강관의 항복내력을 만족하기 위해서는 캡 플레이트 익스텐디드 길이 60mm를 기준으로 캡 플레이트 두께 40mm에서 50mm 사이의 값을 채택할 경우 응력 집중 현상에 따른 강관의 항복하중을 만족하며, 경제적인 접합부 설계가 가능할 것으로 사료된다.
수직스티프너의 경우 축하중의 전달을 가장 효율적으로 유도하는 X형 스티프너와 같이 동일한 구조내력의 발휘는 보증하기 어렵게 된다. 또한 제안된 접합부의 경우 새롭게 적용되는 다이아그리드 접합부로서 이와 같은 검증 사례가 없기 때문에 이에 대한 해석적 검증이 필요하게 되었다. 따라서 그림 4(a)의 X형 스티프너와 그림 4(b)의 수직 스티프너를 갖는 실험체를 실대형 실험체와 동일한 조건으로 모델링하여, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 스티프너 형상 변화에 따른 구조내력 발휘의 문제점을 규명하고자 하였다.
, 김종수 외, 2008) 따라서 그림 3과 같이 실험체의 하중가력은 Fx2 방향의 경우 Fxl 방향 강관의 항복내력 5, 320kN을 기준으로 30%에 해당하는 l, 773kN의 축력을 열처리된 강봉 10개를 이용하여 압축력을 도입한 후주가력 방향인 內1 방향으로 10, 000kN UTM을 이용하여 실험체 파괴 모드가 발생할 때까지 축력을 도입하고자 한다. 이를 통해 제안된 접합부 노드의 하중전달 메커니즘 및 구조내력을 평가하여 접합부 노드의 신뢰성을 검증할 계획이다. 하지만 표 1에서 보여주는 것과 같이 600雄a급 강종을 적용하여 실험체를 제작할 경우 사용원형 강관(0600x12)의 항복내력이 9, 947kN으로 보유가력 장비(10, 000kN UTM)의 최대하중에 근접하게 되고, 이에 따른 실험체의 파괴 모드를 확인할 수 없게 된다.
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