본 연구에서는 횡력을 받는 구조물 거동에 대한 보-기둥 접합부의 영향을 확인하기 위하여 5층 철골구조물을 KBC2005 건축구조설계기준에 맞게 구조설계 하였으며 접합부를 완전 강접합부로 이상화한 경우와 반강접 접합부로 설계하였다. 철골 보 및 기둥의 모멘트-곡률관계는 화이버모델을 이용하여 확인하였으며 반강접 접합부의 모멘트-회전각 관계는 3-매개변수 파워모델을 이용하여 나타내었다. 구조물 거동에 대한 고차모드의 영향을 확인하기 위하여 KBC2005 등가정적 횡하중과 고차모드를 고려한 횡하중을 재하하였다. 5층 철골구조물은 개별 골조와 연결골조의 2차원 구조물로 이상화하였다. 횡하중을 받는 2차원 구조물에 대한 푸쉬오버 구조해석을 실시하여 지붕충변위-밑면전단력, 초과강도계수, 연성계수, 반응수정계수와 같은 설계계수, 접합부 요구연성도 그리고 소성힌지 분포 등을 확인하였다. 예제 구조물은 기준의 반응수정계수 보다 큰 값을 보였고 고차모드의 반응수정계수에 대한 영향은 거의 없었고 KBC2005 횡하중은 안전한 편에 속했다. TSD 접합부는 예제 구조물에서 경제성과 안전성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 횡력을 받는 구조물 거동에 대한 보-기둥 접합부의 영향을 확인하기 위하여 5층 철골구조물을 KBC2005 건축구조설계기준에 맞게 구조설계 하였으며 접합부를 완전 강접합부로 이상화한 경우와 반강접 접합부로 설계하였다. 철골 보 및 기둥의 모멘트-곡률관계는 화이버모델을 이용하여 확인하였으며 반강접 접합부의 모멘트-회전각 관계는 3-매개변수 파워모델을 이용하여 나타내었다. 구조물 거동에 대한 고차모드의 영향을 확인하기 위하여 KBC2005 등가정적 횡하중과 고차모드를 고려한 횡하중을 재하하였다. 5층 철골구조물은 개별 골조와 연결골조의 2차원 구조물로 이상화하였다. 횡하중을 받는 2차원 구조물에 대한 푸쉬오버 구조해석을 실시하여 지붕충변위-밑면전단력, 초과강도계수, 연성계수, 반응수정계수와 같은 설계계수, 접합부 요구연성도 그리고 소성힌지 분포 등을 확인하였다. 예제 구조물은 기준의 반응수정계수 보다 큰 값을 보였고 고차모드의 반응수정계수에 대한 영향은 거의 없었고 KBC2005 횡하중은 안전한 편에 속했다. TSD 접합부는 예제 구조물에서 경제성과 안전성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
In this study, a five-story steel frame was designed in accordance with KBC2005 to evaluate the effect of the beam-column connection on the structural behavior. The connections were designed as a fully rigid connection and as a semirigid connection. A fiber model was utilized to describe the moment-...
In this study, a five-story steel frame was designed in accordance with KBC2005 to evaluate the effect of the beam-column connection on the structural behavior. The connections were designed as a fully rigid connection and as a semirigid connection. A fiber model was utilized to describe the moment-curvature relationship of the steel beam and column, and a three-parameter power model was adopted for the moment-rotation angle of the semirigid connection. To evaluate the effects of higher modes on structural behavior, the structure was subjected to a KBC2005-equivalent lateral load and lateral loads considering higher modes. The structure was idealized as a separate 2D frame and as a connected 2D frame. The pushover analysis of 2D frames for the lateral load yielded the top displacement-base shear force, design coefficients such as overstrength factor, ductility ratio, and response modification coefficient, demanded ductility ratio for the semirigid connection,and distribution of plastic hinges. The sample structure showed a greater response modification coefficient than KBC2005, the higher modes were found to have few effects on the coefficient, and the lateral load of KBC2005 was found to be conservative. The TSD connection was estimated to secure economy and safety in the sample structure.
In this study, a five-story steel frame was designed in accordance with KBC2005 to evaluate the effect of the beam-column connection on the structural behavior. The connections were designed as a fully rigid connection and as a semirigid connection. A fiber model was utilized to describe the moment-curvature relationship of the steel beam and column, and a three-parameter power model was adopted for the moment-rotation angle of the semirigid connection. To evaluate the effects of higher modes on structural behavior, the structure was subjected to a KBC2005-equivalent lateral load and lateral loads considering higher modes. The structure was idealized as a separate 2D frame and as a connected 2D frame. The pushover analysis of 2D frames for the lateral load yielded the top displacement-base shear force, design coefficients such as overstrength factor, ductility ratio, and response modification coefficient, demanded ductility ratio for the semirigid connection,and distribution of plastic hinges. The sample structure showed a greater response modification coefficient than KBC2005, the higher modes were found to have few effects on the coefficient, and the lateral load of KBC2005 was found to be conservative. The TSD connection was estimated to secure economy and safety in the sample structure.
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문제 정의
이러한 한계점을 해결하고 반강접 접합부의 구조물 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 본 연구에서는 KBC2005에 따라 5층 철골구조물을 구조설계하고 비탄성 정적해석과정에서 기둥, 보 및 접합부의 비탄성 거동을 고려하였다. 구조해석결과의 분석을 통해 반강접 접합부가 구조물 거동에 미치는 영향을 파악하고 실무에서 비탄성 정적해석시 참고할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.
푸쉬오버해석에서 적용하는 하중패턴은 일반적으로 1차모드에 근거를 둔 형태이다. 본 연구에서는 고차모드의 영향을 확인하기 위해 KBC2005 등가정적 해석법의 횡하중과 고차모드 영향을 고려한 횡하중에 대한 구조해석 결과를 비교하였다. 3차원 구조물의 효율적인 구조해석을 위하여 2차원 구조물로 대체하는 경우를 대비하여 그림 2-(a)의 개별골조(X1열, X3열)에 대해 각각 구조해석을 수행하고 슬래브 강체 다이어프램 거동을 고려한 그림 2-(b) X방향의 모든 열을 연결한 연결골조에 대하여 구조해석을 수행하여 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 반강접 접합부가 5층 철골구조물의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 그림 3과 같은 예제 구조물을 KBC2005를 참고하여 사무실 용도로 구조설계 하였다. 예제구조물에 대하여 자체개발한 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램(강석봉 등, 2007)을 활용하여 비탄성 정적해석인 푸쉬오버 구조해석을 실시하였다.
가설 설정
매개변수를 이용하여 그림 5와 같이 모멘트-회전각 관계를 나타낸다. 접합부의 소성회전능력은 TSD 접합부 실험결과에 따라 회전각 0.03라디안으로 정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 고차모드의 영향을 확인하기 위해 KBC2005 등가정적 해석법의 횡하중과 고차모드 영향을 고려한 횡하중에 대한 구조해석 결과를 비교하였다. 3차원 구조물의 효율적인 구조해석을 위하여 2차원 구조물로 대체하는 경우를 대비하여 그림 2-(a)의 개별골조(X1열, X3열)에 대해 각각 구조해석을 수행하고 슬래브 강체 다이어프램 거동을 고려한 그림 2-(b) X방향의 모든 열을 연결한 연결골조에 대하여 구조해석을 수행하여 결과를 비교하였다.
5층 철골모멘트골조 구조물에 대하여 접합부를 완전 강접합부로 이상화한 경우와 반강접 접합부로 설계하여 접합부의 모멘트-회전각 특성을 고려한 경우에 대해 KBC2005 등가정적 횡하중과 고차모드 영향을 고려한 횡하중을 개별골조와 연결골조에 재하하는 푸쉬오버 구조해석을 실시한 결과는 다음과 같다.
표 5와 같이 반강접 접합부의 극한강도(Mu)와 초기강성(Rki), 형상매개변수(n)를 가지고 접합부의 모멘트-회전각 관계식을 구할 수 있다. TSD 접합부의 매개변수 값은 실험결과를 이용하여 상, 하 앵글 두께, 웨브 앵글 두께, 볼트 크기와 강도, 볼트 개수, 보 부재 춤의 크기에 따라 값을 정하였다. 매개변수를 이용하여 그림 5와 같이 모멘트-회전각 관계를 나타낸다.
화이버 모델을 이용한 해석시 부재의 변형경화율은 탄성계수의 3%로 고려하였으나 삼선형 모델에서는 고려하지 않았다. 기둥은 콤팩트 단면을 사용하여 국부좌굴을 고려하지 않았으면 기둥의 축력 영향은 3개 층씩 분류하여 평균 값을 고려하였다.
이로 인해 비탄성 정적해석을 통해 고차모드의 효과를 확인할 수 있는 횡하중 분배 제안법에 대한 연구가 활발하다. 본 연구에서는 고차모드 영향을 고려한 반강접 접합부를 갖는 골조의 거동을 확인하기 위해 Kim제안법과 Freeman제안법에 따라 구조해석 후 KBC2005 횡하중에 의한 결과와 비교하였다. 해석결과는 그림 9과 같이 구조물 중량에 대한 밑면전단력 비와 건물 높이에 대한 지붕층 변위로 나타내었다.
본 연구에서는 반강접 접합부를 갖는 골조와 완전 강접합부로 이상화한 골조에 대하여 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램(강석봉 등, 2007)을 이용하여 비탄성 정적 구조해석을 실시하였다. 중력방향 하중은 FEMA 273을 참고하여 고정하중 100%, 적재하중 25%를 고려하였으며 2차원 골조의 주기는 MIDAS Gen을 이용하여 완전 강접합부 골조와 반강접 접합부 골조에 대하여 계산하였다.
하지만 개별골조로 구조해석하는 경우 다른 결과가 나온다. 본 연구에서는 연결골조에 의한 해석결과가 개별골조에 대한 해석결과 보다 더 정확하다고 판단하여 2차원 구조해석시 골조간의 영향 및 슬래브 강체 다이아프램 효과를 고려하기 위해 골조간에 무한대 단면을 가진 트러스 요소로 연결하여 구조해석을 수행하였다. 개별골조와 연결골조 비교시 횡하중 분배를 KBC2005에 의한 역삼각형 형태로 선형적으로 분포시켜 해석한 결과를 이용하였다.
본 연구에서는 반강접 접합부가 5층 철골구조물의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 그림 3과 같은 예제 구조물을 KBC2005를 참고하여 사무실 용도로 구조설계 하였다. 예제구조물에 대하여 자체개발한 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램(강석봉 등, 2007)을 활용하여 비탄성 정적해석인 푸쉬오버 구조해석을 실시하였다. 푸쉬오버 구조해석을 통해 구조물의 강성 및 강도, 초과강도계수, 연성계수, 반응수정계수 등의 설계계수에 대하여 확인하였다.
완전 강접합부 골조와 반강접 접합부 골조의 개별골조와 연결골조에 대해 KBC2005의 등가정적해석법에서 제안한 횡하중 형태와 고차모드 영향을 고려한 횡하중 형태에 대해 푸쉬오버 구조해석을 실시하여 각 골조의 초과강도계수와 연성계수, 반응수정계수 등의 설계계수를 확인하였으며 최대층간변위를 통해 구조물의 거동을 확인하였다. 초과강도계수는 종국횡력(완전항복강도)을 설계밑면전단력으로 나누어 구하였으며 연성계수는 항복변위(ΔY)와 한계변위(ΔMAX:층간변위 5% 일 때)를 이용하여 구하였다.
국내연구(윤성기 등, 2004)에서는 단순구조물에 대하여 부재는 탄성거동으로 가정하여 반강접 접합부의 영향을 파악하였다. 이러한 한계점을 해결하고 반강접 접합부의 구조물 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 본 연구에서는 KBC2005에 따라 5층 철골구조물을 구조설계하고 비탄성 정적해석과정에서 기둥, 보 및 접합부의 비탄성 거동을 고려하였다. 구조해석결과의 분석을 통해 반강접 접합부가 구조물 거동에 미치는 영향을 파악하고 실무에서 비탄성 정적해석시 참고할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.
반강접 접합부는 미국 강구조 협회에서 반강접 골조의 접합부로 규정하고 있는 그림 4의 양면 웨브 앵글을 가진 상, 하 플랜지 앵글 접합부(이하 TSD)를 선택하였다. 접합부는 참고문헌의 표를 이용하여 상세설계를 한 후 사용성 검토를 통해 설계를 마무리 하였다. 설계결과는 표 4와 같다.
본 연구에서는 반강접 접합부를 갖는 골조와 완전 강접합부로 이상화한 골조에 대하여 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램(강석봉 등, 2007)을 이용하여 비탄성 정적 구조해석을 실시하였다. 중력방향 하중은 FEMA 273을 참고하여 고정하중 100%, 적재하중 25%를 고려하였으며 2차원 골조의 주기는 MIDAS Gen을 이용하여 완전 강접합부 골조와 반강접 접합부 골조에 대하여 계산하였다. 각 골조의 명칭은 다음과 같으며 주기산정 결과는 표 6과 같다.
중력방향 하중이 구조물에 적용된 상태에서 KBC2005 등가 정적해석법에서 제안하는 수평하중을 분포시키는 방법(이후 KBC2005), 고차모드 영향을 고려한 그림 7과 같이 2006년 김건우 등 제안법(이후 Kim)과 Freeman 등 제안법(이후 Freeman)으로 하중을 분포시켜 FEMA 273에서 제안한 붕괴방지 성능수준 층간변위 5%(모멘트골조)까지 개별골조와 연결골조에 대해 푸쉬오버 구조해석을 실시하였다. 고차모드 영향 고려시 질량참여율 95%가 넘는 3차모드까지 고려하였다.
초과강도계수는 종국횡력(완전항복강도)을 설계밑면전단력으로 나누어 구하였으며 연성계수는 항복변위(ΔY)와 한계변위(ΔMAX:층간변위 5% 일 때)를 이용하여 구하였다.
예제구조물에 대하여 자체개발한 비탄성 정적 및 동적 구조해석 프로그램(강석봉 등, 2007)을 활용하여 비탄성 정적해석인 푸쉬오버 구조해석을 실시하였다. 푸쉬오버 구조해석을 통해 구조물의 강성 및 강도, 초과강도계수, 연성계수, 반응수정계수 등의 설계계수에 대하여 확인하였다. 푸쉬오버해석에서 적용하는 하중패턴은 일반적으로 1차모드에 근거를 둔 형태이다.
대상 데이터
의 Practical Analysis for Semi-Rigid Frame Design(2000)을 참고하여 설계하였다. 반강접 접합부는 미국 강구조 협회에서 반강접 골조의 접합부로 규정하고 있는 그림 4의 양면 웨브 앵글을 가진 상, 하 플랜지 앵글 접합부(이하 TSD)를 선택하였다. 접합부는 참고문헌의 표를 이용하여 상세설계를 한 후 사용성 검토를 통해 설계를 마무리 하였다.
예제 구조물은 표 1 및 2와 같이 국내기준(대한건축학회, 2005)을 참고하여 그림 3의 5층 사무소 건물을 설계하였다. X, Y방향 모두 지진하중에 의해 횡력이 결정되었다.
이론/모형
철골 기둥, 보의 단면에 대한 비선형 모멘트-회전각 관계는 화이버 모델을 이용하여 나타내었고 부재강성도는 유연도 선형분포모델을 이용하여 구하였다.(강석봉 등, 2000) 반강접 접합부의 비선형 모멘트-회전각 관계는 3-매개변수 파워모델(Richard, 1961)을 이용하였다.
본 연구에서는 연결골조에 의한 해석결과가 개별골조에 대한 해석결과 보다 더 정확하다고 판단하여 2차원 구조해석시 골조간의 영향 및 슬래브 강체 다이아프램 효과를 고려하기 위해 골조간에 무한대 단면을 가진 트러스 요소로 연결하여 구조해석을 수행하였다. 개별골조와 연결골조 비교시 횡하중 분배를 KBC2005에 의한 역삼각형 형태로 선형적으로 분포시켜 해석한 결과를 이용하였다.
반강접 접합부의 모멘트-회전각 관계는 3-매개변수 파워모델(Richard, 1961)의 식 1을 사용하였다. 반강접 접합부 관계식의 매개변수는 Kim, Y. 등 (1998), Chen, W. F. (2000)을 참고하여 결정하였다. 표 5와 같이 반강접 접합부의 극한강도(Mu)와 초기강성(Rki), 형상매개변수(n)를 가지고 접합부의 모멘트-회전각 관계식을 구할 수 있다.
반강접 접합부의 모멘트-회전각 관계는 3-매개변수 파워모델(Richard, 1961)의 식 1을 사용하였다. 반강접 접합부 관계식의 매개변수는 Kim, Y.
비선형 거동을 비선형으로 고려하는 경우 오버슈팅 문제가 발생하며 기하비선형 고려시 반복법을 사용해야 하므로 그림 6의 삼선형 해석모델(강석봉 등, 2000)을 이용하여 부재 및 접합부의 포락곡선을 단순화 시켰다.
F.의 Practical Analysis for Semi-Rigid Frame Design(2000)을 참고하여 설계하였다. 반강접 접합부는 미국 강구조 협회에서 반강접 골조의 접합부로 규정하고 있는 그림 4의 양면 웨브 앵글을 가진 상, 하 플랜지 앵글 접합부(이하 TSD)를 선택하였다.
철골 기둥, 보의 단면에 대한 비선형 모멘트-회전각 관계는 화이버 모델을 이용하여 나타내었고 부재강성도는 유연도 선형분포모델을 이용하여 구하였다.(강석봉 등, 2000) 반강접 접합부의 비선형 모멘트-회전각 관계는 3-매개변수 파워모델(Richard, 1961)을 이용하였다.
철골보 및 기둥 단면의 모멘트-곡률 관계는 화이버 모델을 이용하여 구하였다. 화이버 모델을 이용한 해석시 부재의 변형경화율은 탄성계수의 3%로 고려하였으나 삼선형 모델에서는 고려하지 않았다.
성능/효과
(2) 고차모드 영향을 고려한 횡하중의 경우 KBC2005 횡하중에 의한 구조물 응답 보다 초과강도계수는 증가하고 연성계수는 감소하여 반응수정계수는 비슷하게 평가된다.
(3) KBC2005 횡하중에 대한 지붕층 변위, 접합부 최대회전각, 소성힌지 분포가 고차모드 영향을 고려한 횡하중에 대한 구조해석 결과 보다 불리하여 KBC2005 횡하중이 안전측에 속한다.
(5) TSD 접합부를 적용한 예제 구조물의 경우 밑면전단력은 감소하고 최대접합부회전각은 회전성능 보다 적어 경제성과 안전성을 확보 할 수 있다.
고차모드 영향을 고려한 횡하중 분배법을 적용하였을 때 KBC2005 횡하중에 대한 결과에 대해 그림 10과 같이 연성계수는 감소하고 초과강도계수는 증가하였다. 고차모드 영향을 고려한 초과강도계수와 연성계수의 차이가 비슷하여 KBC2005에 의한 반응수정계수와 차이는 없었다.
표 7에 초과강도계수와 연성계수, 반응수정계수를 정리하였다. 반강접 접합부 골조에 대해 완전 강접합부 골조의 초과강도계수는 1.12배 컸으며 연성계수는 비슷하지만 반강접 접합부 골조가 조금 더 크게 확인되었다. 그림 9와 같이 초과강도계수와 연성계수의 차이로 반응수정계수는 완전 강접합부 골조가 크게 확인되었다.
하지만 완전 강접합부 골조에서는 외부골조 및 내부골조에서도 상부층 기둥에 발생하는 모멘트가 첫 번째 변환점에 도달하였다. 반강접 접합부는 초기강성이 완전 강접합부보다 적고 충분한 연성도를 가지고 있어 두 번째 변환점을 넘어도 파괴되지 않고 비탄성 거동을 보여 발생하는 밑면전단력이 감소되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내의 보-기둥 접합부는 어떻게 시공되나?
반강접 접합부는 구조물의 연성거동을 유도하고 구조부재의 강도 및 강성을 효율적으로 이용하며 비탄성 거동에 따른 에너지 흡수능력이 뛰어나 구조물의 내진성능을 향상 시킨다. 하지만 국내에서는 보-기둥 접합부는 강절점(Rigid Joint)과 활절점(Hinge Joint)으로 이상화하여 구조물의 구조설계 및 시공이 이루어지고 있다. 이러한 이상화된 접합 방법은 구조해석 및 설계과정을 단순화시키지만 활절점에서 약간의 휨모멘트가 전달되고 강절점에서 어느 정도의 상대적인 변형이 일어나는 것이 사실이다.
기상청에 따르면 한반도 근처에서 규모 3.0이상의 지진이 1년에 몇 회 정도 발생하는가?
기상청 자료에 따르면 한반도 주변 규모 3.0이상의 지진이 연간 40회 정도 발생한다. 우리나라도 더 이상 지진에 대한 안전지대라고 할 수 없으며 이러한 지리적 배경으로 내진설계에 대한 관심과 필요성이 강조되고 있다.
철골구조물 내진설계시 접합부 연성도 확보에 관심이 많아진 계기는 무엇인가?
1994년 Northridge 지진이 발생하였을 때 휨에 저항하는 모멘트접합부를 가진 철골구조물에서 구조설계 과정의 기대와 달리 많은 접합부에서 변형거동의 초기나 소성에 도달하기 전에 취성파괴가 관찰되었다. 이로 인해 철골구조물 내진설계 시 접합부 연성도 확보에 많은 관심을 갖게 되었으며 이에 따라 연성적 거동이 우수한 접합부에 대한 연구가 증가하였다.
참고문헌 (14)
강석봉, 김진형(2000) 단조하중을 받는 철골구조물의 접합부 연성도에 관한 연구. 한국강구조학회 논문집. 제12권. 제4호. pp.375-385.
Freeman, S., Sasaki. K, and Paret. T. (1998) Multi-mode pushover procedure(MVP) a method to identify the effects of higher modes in a pushover analysis. Proc. 6th National Conference on Earthquake Engineering. EERI. Seattle. Washington.
Kim, Y. and Chen,. W.E (1998) Design Tables for Top-and Seat-Angle with Double Web-Angle Connections. Engineering Journal. AISC. Vol. 35. No. 2. 2nd Quarter. pp.50-75.
Richard, R.M. (1961) A study of structural systems having conservative non-linearity. thesis presented to Purdue University at West Lafayette. Ind.. in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy.
Chen, W.F.(2000) Practical analysis for semi-rigid frame design. College of Engineering University of Hawaii.
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