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다이아그리드 구조시스템의 접합부개발과 성능평가
An Structural Design for Cyclone Tower's Connections Using Diagrid System 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.10 no.2, 2010년, pp.105 - 115  

이세정 (서울시립대학교 건축공학과) ,  이성희 ,  김진호 (포항산업과학) ,  최성모 (서울시립대학교 건축학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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