본 연구의 목적은 국내 강구조 성능기반설계를 위한 접합부의 내진성능평가치를 제안하는 것에 있다. 최근 성능설계에 대한 기초연구가 국내, 외에서 증가하고 있으며, 본 연구에서는 외국의 성능설계기법을 조사, 분석하여 강구조 건축물의 성능한계분류를 제안하였다. 제안된 성능한계분류에 따라 강구조에 적합한 공학량으로서 내진성능규정치를 제시할 필요가 있다. 그 첫 번째 단계로 강구조 실대형 실험을 통한 접합부의 실험결과를 중심으로 기초자료를 조사하여 작성하였다. 모멘트 골조 접합부의 실험 데이터에서 얻은 모멘트-회전각 관계를 이용하여 항복하중 이하에 존재할 것으로 판단되는 기능한계와 손상한계는 층간변형각으로 구분하였다. 또한 항복하중과 최대하중 사이에 존재할 것으로 판단되는 복구한계와 안전한계는 소성율과 누적소성변형배율을 조사하여 구분하였다.
본 연구의 목적은 국내 강구조 성능기반설계를 위한 접합부의 내진성능평가치를 제안하는 것에 있다. 최근 성능설계에 대한 기초연구가 국내, 외에서 증가하고 있으며, 본 연구에서는 외국의 성능설계기법을 조사, 분석하여 강구조 건축물의 성능한계분류를 제안하였다. 제안된 성능한계분류에 따라 강구조에 적합한 공학량으로서 내진성능규정치를 제시할 필요가 있다. 그 첫 번째 단계로 강구조 실대형 실험을 통한 접합부의 실험결과를 중심으로 기초자료를 조사하여 작성하였다. 모멘트 골조 접합부의 실험 데이터에서 얻은 모멘트-회전각 관계를 이용하여 항복하중 이하에 존재할 것으로 판단되는 기능한계와 손상한계는 층간변형각으로 구분하였다. 또한 항복하중과 최대하중 사이에 존재할 것으로 판단되는 복구한계와 안전한계는 소성율과 누적소성변형배율을 조사하여 구분하였다.
The purpose of this research was to analyze the connections of the seismic-performance values for domestic-performance-based designs. Basic research on the performance design method has been increasing of late, along with performance-based organization investigations. These investigations concern th...
The purpose of this research was to analyze the connections of the seismic-performance values for domestic-performance-based designs. Basic research on the performance design method has been increasing of late, along with performance-based organization investigations. These investigations concern the performance level state of steel structure buildings. According to the performance limit state, seismic-performance values should be presented as appropriate steel structure engineering amounts. The first step, based on the full-scale steel structure experiments, involves researching on the making of a basic document. The moment-rotation angle relationship results of the experiment on the moment-frame connection were used to assort the functional and undamaged limits, which were assumed to be less than the yield moment. Moreover, the repairable and safety limits, which were assumed to exist between the yield and maximum moments, were assorted by investigating the accumulated plastic deformation ratio.
The purpose of this research was to analyze the connections of the seismic-performance values for domestic-performance-based designs. Basic research on the performance design method has been increasing of late, along with performance-based organization investigations. These investigations concern the performance level state of steel structure buildings. According to the performance limit state, seismic-performance values should be presented as appropriate steel structure engineering amounts. The first step, based on the full-scale steel structure experiments, involves researching on the making of a basic document. The moment-rotation angle relationship results of the experiment on the moment-frame connection were used to assort the functional and undamaged limits, which were assumed to be less than the yield moment. Moreover, the repairable and safety limits, which were assumed to exist between the yield and maximum moments, were assorted by investigating the accumulated plastic deformation ratio.
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문제 정의
그러나 본 연구에서는 강구조 모멘트 골조의 접합부 실험데이터를 기초로 조사하고 있기 때문에, 조사할 수 있는 구조특성치는 층간변위각과 소성율, 누적소성변형배율로 제한되어 있다. 따라서 본 연구에서는 강구조 골조의 접합부에 대한 성능을 명확히 규정하기 위해 성능수준을 판단하는 구조특성치로써 층간변위각, 소성율, 누적소성변형배율을 국내에서 실시한 강구조 접합부 실험결과를 기초로 조사하였다(김영주 등, 2008; 오상훈, 2009).
본 연구에서는 강구조 건축물의 성능을 보다 명확하게 규정하기 위한 첫 번째 단계로서, 강구조 모멘트골조의 접합부에 대한 실대형 실험 데이터를 중심으로 조사, 분석하여, 내진성능설계에 필요한 구조특성치를 정량적으로 제시하며, 또한 국내 강구조 내진성능설계법의 기초자료로서 제공하는 것을 목적으로 한다.
가설 설정
또한, 각 평균값은 중간모멘트골조가 35. 03, 특수모멘트골조가 72. 14로 특수모멘트골조가 약 2배 더 높은 수치를 기록하였다.
제안 방법
(2)강구조 건축물이 보유하고 있는 소성변형능력을 보다 명확히 판단하기 위한 구조특성치로 소성율과 누적소성변형배율을 조사하여 복구한계와 안전한계의 소성이력을 파악하였다.
안전한계의 소성율로 판단한 값으로 구한 안전한계의 층간변형각은 그림 14와 같이 1/35~1/22의 범위에 분포하고 있다. 그 중에서 최소 층간변형각인 1/35에 안전율을 고려하여 1/50을 안전한계의 층간변형각으로 판단하였다.
그러나, 복구한계를 층간변위각만으로는 강구조의 소성변형능력에 따른 성능수준을 명확히 판단할 수 없기 때문에, 복구한계의 층간변위각에 대응하는 하중과 항복하중과의 관계를 알아보기 위하여 내력상승률을 아래와 같이 검토하였다.
기능한계를 구분하는 구조특성치로 층간변형각을 조사한다. 층간변형각은 성능에 기초한 내진성능설계에서 구조물의 내진성능을 판단할 때 가장 중요하게 생각하는 구조특성치이고, 골조의 변형정도 및 파괴메카니즘과 직접적으로 연관되는 변수이다.
복구한계를 구분하는 구조특성치로 층간변형각(R), 소성율(μ), 누적소성변형배율(η)을 조사한다.
본 연구에서 제안한 성능수준분류에 따라서 국내 모멘트골조의 실대형 실험결과를 중심으로 강구조 성능기반설계의 기초자료로써 각 성능한계에 대한 내진성능평가치를 조사하여 그 결과를 나타내었고, 다음의 결론을 얻었다.
손상한계를 구분하는 구조특성치로는 층간변형각을 조사하였다. 손상한계는 그림 1에 나타낸 것과 같이 탄성범위내에서 항복모멘트(My) 이하의 값으로 나타낸다.
이 보고서에서는 강구조 프레임구조의 내진성능에 중점을 두고 성능설계의 기본 틀을 제안하였고, 붕괴직전까지의 성능수준을 “즉시 사용가능(Immediate Occupancy)”, “붕괴방지(Collapse Prevention)”의 2단계로 구분하고 있다.
그러나 지진하중은 발생시기를 예측하기 어렵고, 발생규모 또한 불규칙적이기 때문에, 강구조 건축물의 피해 역시 다양할 것으로 사료된다. 이러한 이유로 본 연구에서는 지진력에 대해서 다음 표 3과 같이 강구조 골조의 하중효과(Q)와 저항능력(R)을 정의하였다.
이와 같은 배경에서 본 연구에서는 외국의 성능설계기법을 조사, 분석하여, 강구조 건축물만이 가지는 특성을 고려하여 성능수준을 분류한다. 이 성능수준 분류체계에 따라서 손상상태를 나타낸 것이 표 2(한국건설기술평가원, 2009)이다.
대상 데이터
또, Northridge지진을 계기로 강구조 프레임 구조의 취성 파괴 대책을 세우기 위해서, FEMA의 지원으로 1994년에 SAC-FEMA Joint Venture가 결성되어 2000년에 최종보고서를 제출하였다. 이 보고서에서는 강구조 프레임구조의 내진성능에 중점을 두고 성능설계의 기본 틀을 제안하였고, 붕괴직전까지의 성능수준을 “즉시 사용가능(Immediate Occupancy)”, “붕괴방지(Collapse Prevention)”의 2단계로 구분하고 있다.
본 연구에서는 국내에서 기존에 사용되어 왔던 접합상세를 이용한 실대형 골조 접합부 실험체 3개와 WWWF 상세에서 용접접근공을 제거하고 접합부의 연성능력을 증가시킬 수 있는 접합상세를 적용한 실대형 접합부 실험체 10개의 데이터를 이용하였다(김영주 등, 2008; 오상훈, 2009).
그림 11은 복구한계의 층간변위각에 대한 내력상승률을 그래프로 나타낸 것이다. 중간모멘트골조는 1. 46~1.
성능/효과
(1)국내 연구결과로써 제안된 성능수준의 성능한계에 대해서 모멘트 골조 접합부의 하중-변형관계를 이용하여 조사한 결과, 일본기술사협회에서 제안한 기준치보다 성능 한계의 층간변위각 수치를 완화할 수 있었다.
그 결과, 모든 접합부 실험체는 평균 소성율이 4. 25~14.
누적소성변형배율은 소성변형에 의한 누적된 에너지에 대한 탄성에너지의 비를 나타낸 것으로, 구조물의 소성변형 뿐만 아니라 내력을 함께 고려할 수 있는 장점이 있으며, 구조물의 생애주기 동안 몇차례 조우하게 될 중소규모의 지진에 의해 누적된 에너지 및 잔여 에너지 흡수능력을 파악할 수 있는 장점이 있다. 따라서 소성율 뿐만 아니라 누적소성에너지를 함께 파악함으로써 구조물이 가지고 있는 성능을 보다 객관적이고 명확하게 파악할 수 있다는 장점을 가진다.
성능한계에 따라 본 연구에서 층간변위각을 조사한 결과, 표 6과 같이 일본에서 제안한 성능한계에 따른 층간변위각을 기능한계에서 1/150, 손상한계에서 1/120, 복구한계에서 1/75, 안전한계에서 1/50으로 완화되었다.
실험 결과의 이력곡선을 아래에 그림 3과 같이 나타내어 살펴본 결과, 아래의 표 6과 같이 SW, NIB-5 실험체는 KBC2009의 중간모멘트골조에서 요구하는 최소 0.02rad의 층간변형각을 만족하고, 0.02rad의 층간변형각에서 보의 공칭소성모멘트의 80% 이상이며, 보 춤이 750mm를 초과하지 않는 접합부 성능을 나타내었다.
안전한계를 기준으로 하는 누적소성변형배율은 각 골조의 최소값을 고려하여 중간모멘트 골조는 20, 특수모멘트 골조는 60으로 판단하였다.
후속연구
그러나 강구조 건축물의 성능을 보다 명확하게 규정하기 위한 해석, 실험의 기초 연구가 아직 많이 부족한 상태이며, 층간변형각의 한계값 설정을 위해서는 향후 보다 많은 연구에 의해 검증 혹은 다소의 수정이 필요할 것으로 판단된다.
그러나 본 연구에서는 강구조 모멘트 골조의 접합부 실험데이터를 기초로 조사하고 있기 때문에, 조사할 수 있는 구조특성치는 층간변위각과 소성율, 누적소성변형배율로 제한되어 있다. 따라서 본 연구에서는 강구조 골조의 접합부에 대한 성능을 명확히 규정하기 위해 성능수준을 판단하는 구조특성치로써 층간변위각, 소성율, 누적소성변형배율을 국내에서 실시한 강구조 접합부 실험결과를 기초로 조사하였다(김영주 등, 2008; 오상훈, 2009).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강구조 건축물에서 거주성,작업성,쾌적성 등 일상적인 기능의 유지를 별도 성능수준로 다룰 필요가 있는 이유는?
표 1의 미국과 일본의 성능수준 분류체계와 달리 “기능유지”와 “무손상”단계를 분리하고 있는 것은 강구조 건축물의 특징을 반영한 것이다.이것은 강구조물이 강재의 높은 강도를 이용하여 목조보다 대형화되고,RC조 보다 경량화 됨에 따라 강성이 부족하여 변형이 발생하기 쉽고,바닥의 처짐과진동 혹은 바람에 의한 진동문제 등이 발생하기 쉽기 때문이다.이러한 이유로 강구조 건축물에서는 거주성,작업성,쾌적성 등 일상적인 기능의 유지를 별도 성능수준로 다룰 필요가 있기 때문에,성능수준을 세분화하였다.
강구조 모멘트골조는 어떤 시스템인가?
강구조 모멘트골조는 각 부재의 연성거동을 통해서 수평력 에 저항하는 구조시스템으로,골조가 충분한 소성변형능력과 에너지소산능력을 보유할 수 있도록 설계된다. 그러나 Northridge지진과 兵庫県 南部지진에서 강구조 모멘트골조는 예상하지 못한 많은 약점을 노출하였고,막대한 경제적, 인명적 피해가 발생하였다.
미국과 일본에 제안된 내진성능설계법은?
그 결과로 미국에서는 SEAOC Vision2000,SAC-FEM -A,일본에서는 피재도 판정기준,신구조 종합프로젝트 등의 내진성능설계법이 제안되었다.최근에는 미국표준협회(NIST), 유럽표준위원회(CEN)등을 중심으로 성능중심설계의 기준체계(PerformanceBasedCodes)에 대해서 지속적으로 연구(SEAOC Vision2000Committee,1995;SAC Joint Venture,2000;桑村 仁 등,2002;北村 春幸 등,2006)가 진행되고 있다.
참고문헌 (17)
건축강구조표준접합상세(안) (2009) 한국강구조학회,pp.6-13.
김영주,오상훈,유홍식(2008) 철골모멘트접합부의 거동에 미치는 접합상세의 영향, 2008년 한국강구조학회 학술대회 논문집,한국강구조학회, pp.203-206.
Kato, B. and Akiyama, H. (1973) Predictable Properties of Material under Incremental Cyclic Loading, IABS, Preliminary Publication Lisbon, pp.119-124.
Structure Engineers Association of California (SEAOC) Vision 2000 Committee (1995) Vision 2000 - Performance Based Seismic Engineering of Buildings, Sacramento,CA.
SAC Joint Venture (2000) Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings, FEMA-350, Chap. 2, General Requirements, Chap.4, Performance Evaluation.
SAC Joint Venture (2000) Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings, FEMA-351, Chap.3, Performance Evaluation. Chap.4 Loss Estimation.
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