최근에는 건축물의 대형화, 고층화라는 시대적인 흐름과 요구로 인해서 철골 구조의 수요가 급증하고 있다. 일반적인 철골 구조의 해석은 접합부를 강접합과 단순접합으로 가정하여 수행되고 있는데, 강접합(Fixed connection)의 경우에는 절점에 연결된 각 부재의 변형 전 상대적인 각도가 변형 후에도 그대로 유지된다고 가정하므로 접합부가 충분한 강성을 발휘하고 안정성을 확보하도록 패널존 부분에 스티프너로 보강을 한다. 하지만 인건비 상승과 함께 강접 접합부의 제작비가 과도해짐으로 경제성 측면에서 스티프너 보강을 생략한 접합부의 필요성이 증가하고 있다. 반면, 단순접합(Pinned connection)의 경우에는 단순보처럼 거동하여 보와 기둥 사이에 휨모멘트가 전달되지 않는다고 가정한다. 이는 공장제작이 간단하고, 시공이 간편한 장점이 있으나 접합부에서 모멘트를 전달할 수 없어서 구조적인 효율이 떨어지는 단점이 있다. 반강접의 도입은 단면치수 결정의 효율성을 증대하고, 현장에서의 부재조립 용이성, 골조 전체의 안전성 확보 등의 이점이 있어서 외국의 경우, 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위해서 계속적인 노력을 해왔고 그 결과를 규준에 적용하고 있다. 본 논문은 미국 AISC의 LRFD 설계규준을 참고하여 국내 강재를 적용한 반강접의 구조해석을 실시해서 각 강재에 대한 자료은행을 만들 것이고 이상화된 접합부의 구조해석 결과와 비교하여 경제성 측면, 단부 고정계수, 회전강성과 함께 반강접을 고려한 구조물의 설계 방안을 제시 하고자 한다.
최근에는 건축물의 대형화, 고층화라는 시대적인 흐름과 요구로 인해서 철골 구조의 수요가 급증하고 있다. 일반적인 철골 구조의 해석은 접합부를 강접합과 단순접합으로 가정하여 수행되고 있는데, 강접합(Fixed connection)의 경우에는 절점에 연결된 각 부재의 변형 전 상대적인 각도가 변형 후에도 그대로 유지된다고 가정하므로 접합부가 충분한 강성을 발휘하고 안정성을 확보하도록 패널존 부분에 스티프너로 보강을 한다. 하지만 인건비 상승과 함께 강접 접합부의 제작비가 과도해짐으로 경제성 측면에서 스티프너 보강을 생략한 접합부의 필요성이 증가하고 있다. 반면, 단순접합(Pinned connection)의 경우에는 단순보처럼 거동하여 보와 기둥 사이에 휨모멘트가 전달되지 않는다고 가정한다. 이는 공장제작이 간단하고, 시공이 간편한 장점이 있으나 접합부에서 모멘트를 전달할 수 없어서 구조적인 효율이 떨어지는 단점이 있다. 반강접의 도입은 단면치수 결정의 효율성을 증대하고, 현장에서의 부재조립 용이성, 골조 전체의 안전성 확보 등의 이점이 있어서 외국의 경우, 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위해서 계속적인 노력을 해왔고 그 결과를 규준에 적용하고 있다. 본 논문은 미국 AISC의 LRFD 설계규준을 참고하여 국내 강재를 적용한 반강접의 구조해석을 실시해서 각 강재에 대한 자료은행을 만들 것이고 이상화된 접합부의 구조해석 결과와 비교하여 경제성 측면, 단부 고정계수, 회전강성과 함께 반강접을 고려한 구조물의 설계 방안을 제시 하고자 한다.
Recently, the demands for steel frame are increasing because of the trend and due to the demand for bigger and higher buildings. In the analysis of typical steel frame, connections are based on the idealized fixed or pinned connection. A fixed connection assumes that the relative angle of each membe...
Recently, the demands for steel frame are increasing because of the trend and due to the demand for bigger and higher buildings. In the analysis of typical steel frame, connections are based on the idealized fixed or pinned connection. A fixed connection assumes that the relative angle of each member before deformation is the same after the transformation. Therefore, the stiffener reinforces the connection to sufficient rigidity and stability of the panel zone. In the economical aspect, however, the necessity of connection that the stiffener reinforcement has omitted is increasing due to the excessive production as well as labor costs of connection. In contrast, pinned connection is assumed that bending moments between the beams and columns do not transfer to each member. This is easy to make in the plant and the construction is simple. However, the structural efficiency is reduced in pinned connection because connection cannot transfer moments. The introduction of this semirigid process can decide efficient cross-sectional dimensions that promote ease in the course of structural erection, as performed by members in the field-a call for safety in the entire frame. Therefore, foreign countries exert efforts to study the practical behavior and the results are applied to criterion. This paper analyzes the semirigid connection of domestic steel by design specifications of AISC/LRFD and make data bank that pertain to each steel. After wards, the results are compared to those of idealized connection; at the same time, this paper presents a design method that matches economic efficiency, end-fixity, and rotational stiffness.
Recently, the demands for steel frame are increasing because of the trend and due to the demand for bigger and higher buildings. In the analysis of typical steel frame, connections are based on the idealized fixed or pinned connection. A fixed connection assumes that the relative angle of each member before deformation is the same after the transformation. Therefore, the stiffener reinforces the connection to sufficient rigidity and stability of the panel zone. In the economical aspect, however, the necessity of connection that the stiffener reinforcement has omitted is increasing due to the excessive production as well as labor costs of connection. In contrast, pinned connection is assumed that bending moments between the beams and columns do not transfer to each member. This is easy to make in the plant and the construction is simple. However, the structural efficiency is reduced in pinned connection because connection cannot transfer moments. The introduction of this semirigid process can decide efficient cross-sectional dimensions that promote ease in the course of structural erection, as performed by members in the field-a call for safety in the entire frame. Therefore, foreign countries exert efforts to study the practical behavior and the results are applied to criterion. This paper analyzes the semirigid connection of domestic steel by design specifications of AISC/LRFD and make data bank that pertain to each steel. After wards, the results are compared to those of idealized connection; at the same time, this paper presents a design method that matches economic efficiency, end-fixity, and rotational stiffness.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
미국 AISC의 LRFD 설계 규준을 참고하여 반강접에 대한 TSDW(Top & Seat Anglewith DoubleWebAngle)접합부의 모멘트-회전각 곡선을 구해서 구조해석 모델의 회전강성을 구하고, 이 값을 토대로 강성행렬법을 이용한 해석프로그램상의 수치해석을 실시한다. 그리고 나서 상용 프로그램인 MIDAS를 통한 기존의 이상화된 접합부의 골조해석을 반강접 접합의 수치해석과 비교, 검토하여 접합부의 반강접성이 강골조의 내력에 미치는 영향을 파악하고자 한다.여기서 TSDW접합부를 적용한 이유는 그림 1에서 볼 수 있듯이 T-Stub접합은 단부 고정계수가 70%의 상위에 있어서 강접에 가까운 거동을 하기 때문이고 다른 접합형태들도 단부 고정계수가 너무 낮거나 높다는 이유에서 TSDW접합부가 가장 용이하다고 판단했기 때문이다.
본 연구는 TSDW라는 하나의 접합 형태에 ㄱ형강을 가지 고 반강접 접합을 적용한 구조물의 해석을 수행하였다.접합 형태를 EndPlate형이나,T-Stub형 등으로 다양하게 변화 시키고,건물 용도와 스팬 길이도 다양하게 변화시켜서 국내 강재를 적용한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서의 구조물 해석은 Kishi와 Chen의 Three-Parameter Power Model을 이용한 반강접의 M-θ곡선과 Beam-Line이 교차되는 위치의 Rkb(접합부 스프링 강성)값, 그리고 그 이외의 값들을 그림 8과 같이 미리 자료은행을 만들어서 강접에 의한 해석을 반강접으로 쉽게 바꿀 수 있음을 보이고자 한다.
본 연구에서의 구조물 해석은 Kishi와 Chen의 ThreeParameterPowerModel을 이용한 반강접의 M–θ곡선과 Beam-Line이 교차되는 위치의 Rkb(접합부 스프링 강성)값,그리고 그 이외의 값들을 그림 8과 같이 자료은행으로 만들었고 강재별 단부 고정계수만 요약한 표 5를 통해서 강접에 의한 해석을 반강접으로 쉽게 바꿀 수 있음을 보이고자 한다.
여기서 TSDW접합부를 적용한 이유는 그림 1에서 볼 수 있듯이 T-Stub접합은 단부 고정계수가 70%의 상위에 있어서 강접에 가까운 거동을 하기 때문이고 다른 접합형태들도 단부 고정계수가 너무 낮거나 높다는 이유에서 TSDW접합부가 가장 용이하다고 판단했기 때문이다. 최종적으로는 해석상의 수치를 적용하여 설계할 경우 반강접을 고려한 구조물의 적정 단부 고정계수와 그때의 단부 회전강성, 경제성 측면을 비교 검토하여 반강접을 고려한 구조물의 설계 방안을 제시하고자 한다.
가설 설정
단, 본 연구과정에서는 반강접에 따른 접합부의 회전구속능력이 강접합에 비해서 감소되는 것으로 확인되었기에 횡력에 대한 저항은 가새골조 또는 전단벽에 의해 지지된다고 가정했고, 그래서 연직하중만을 고려한 중력저항시스템으로 연구를 수행했다.
접합부는 전단력과 휨모멘트를 한 부재에서 다른 부재로 전달하는 매개체로써, 휨모멘트에 의한 회전변형이 가장 중요한 인자로 고려된다. 접합부의 형태별 회전강성 R값에 의해 보기둥간의 상대적인 각도와 휨모멘트가 발생하는데 반강접 접합의 해석에는 구속력에 따라 발생된 휨모멘트에 의해서 상대적인 각 변화를 방지하기 위한 값으로 20～90% 사이를 갖는다고 가정한다. 일반적인 반강접 접합부의 모멘트-회전 관계를 그림 5와 같이 도식 할 수 있는데 매우 유연한 접합은 단순 접합(ri=0)을 나타내고 반대는 강접합(ri=1)이다.
제안 방법
Kishi와 Chen의 Three-ParameterPowerModel을 통해서 반강접에 대한 해석을 수행하였고,일일이 계산해야 되는 번거로움을 줄이고자 각 강재마다의 자료은행을 만들어서 강접에서 반강접으로의 해석을 보다 용이하게 만들려고 시도했다.
비교를 위해서 기준층(1층)에서도 기둥과 거더가 내부에 존 재하는 대상 1과 기둥과 보의 위치가 모두 외부에 존재하는 대상 2로 분류했다.두 대상에 대한 거더 해석 과정에서,단 부의 휨모멘트는 강재보 설계로,중앙부 휨모멘트에 대해서는 합성보 효과를 고려한 설계를 실시했다.
미국 AISC의 LRFD 설계 규준을 참고하여 반강접에 대한 TSDW(Top & Seat Anglewith DoubleWebAngle)접합부의 모멘트-회전각 곡선을 구해서 구조해석 모델의 회전강성을 구하고, 이 값을 토대로 강성행렬법을 이용한 해석프로그램상의 수치해석을 실시한다.
강접해석의 경우 단부에 발생된 모멘트에 의해서 부재가 결정되는데, 가장 이상적인 경우는 단부와 중앙부(합성효과)의 휨모멘트 모두에 의해서 결정되는 것이다. 반강접을 적용한 구조물은 그 두 가지 경우 사이에 있다고 보고 표 1과 같이 각 강재의 단부 최대 모멘트에 의한 하중값으로 반강접 해석 된 경우와 표 2와 같이 단부와 중앙부의 휨모멘트 모두에 의한 하중값으로 반강접 해석을 할 수 있는 프로그램을 Matlab을 통해서 만들었다. 그 결과를 자료은행으로 만들었고, 자료 은행을 보는 방법은 다음 그림과 같다.
보-기둥의 접합을 위해 사용된 볼트는 F10T(M20, M24)로 상,하부 앵글과 웨브 앵글에 적용했고 특히 웨브 앵글의 경우 볼트 개수는 최소3개에서 보의 웨브에 적용할 수 있는 볼트의 최대 개수에 대해서 실시했다.
보의 소성모멘트에 대해 접합부의 모멘트를 무차원화 시키므로 Eurocode3은 극한강도 한계상태(Ultimate Strength Limit State)와 사용성 한계상태(Serviceability Limit State) 각각에 적합한 기준을 제시하였으며.사용성 한계상태는 변형과 회전강성을 고려했고, 극한강도 한계상태 기준은 부재의 강도 결정과 관련한다.
비교를 위해서 기준층(1층)에서도 기둥과 거더가 내부에 존 재하는 대상 1과 기둥과 보의 위치가 모두 외부에 존재하는 대상 2로 분류했다.두 대상에 대한 거더 해석 과정에서,단 부의 휨모멘트는 강재보 설계로,중앙부 휨모멘트에 대해서는 합성보 효과를 고려한 설계를 실시했다.
접합부의 모델링은 Kishi와 Chen의 Three-Parameter PowerModel을 적용하는데 초기 접합부 강성(Rki), 접합부 모멘트 극한 강도(Mu), 형상계수(n)로 이루어져 있으며 지수 함수를 이용하여 모멘트-회전각 거동을 모델링하였다.이러한 Power Model은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
대상 데이터
그 결과를 자료은행으로 만들었고, 자료 은행을 보는 방법은 다음 그림과 같다. 단, 합성보의 경우 슬래브 두께 150mm, 데크는 골 없는 데크를 사용했고 해석은 상용프로그램인 MIDAS사의 set을 사용했다.
비교 대상 구조물의 용도는 중량품 저장창고이며 하중조합은 허용 응력법으로 적용했다. 기준층 해석을 위해 적용된 설계하중은 다음 표와 같다.
이때 선택한 접합 조건은 F10T(M24),상·하부 앵글의 두께 15mm,웨브의 볼트 개수는 6개이다.
성능/효과
(1) 강접을 이용한 구조물의 경우는 거더의 중앙부 보다 단부에서 더 큰 휨모멘트가 발생해서 기둥에 큰 휨모멘트를 발생시키지만, 반강접 접합을 고려하여 설계한 구조물의 경우는 단부의 모멘트가 줄어들어 기둥의 휨모멘트도 따라서 줄어들게 되었다.
(2) 강접합 구조물의 경우 합성보 효과를 적용한 부재 중앙 부의 모멘트보다도 단부 모멘트에 의한 강재보 해석에 의해 단면 크기가 정해지는 반면에 반강접을 적용한 구조물은 부재 단부 모멘트가 줄어들고 합성보 효과를 적용한 부재 중앙부의 모멘트가 증가해서 비록 모멘트는 증가 했지만 합성보 효과로 인해 단면 크기는 강접일때의 구조물보다 줄어들었다.
(3) 반강접 접합을 고려한 3개층 철골 구조물의 경우,기준 층에서 기둥은 강축과 약축 모두를 고려해야 되기 때문에 중량 감소 효과가 없었고 보는 단면 크기가 줄었기 때문에 중량 감소 효과가 있었다.해석 대상이 된 구조물의 기준층(1층)은 전체적으로 약 6%정도의 중량 감소 효과가 있는 것으로 나타났고 이는 기준층(1층)만의 감소 효과이므로 구조물의 전 층과 고층의 철골 구조물에 적용 할 경우 중량 감소 효과는 더 클 것으로 기대된다.
(4) 강접 해석시의 w를 반강접 구조물에 적용했을 경우 Beam Line은 변하게 되고 Rkb ,r값에도 영향이 있기 때문에 적정 하중과 단부 고정계수 결정이 쉽지 않았다.
기준층의 대상 2의 경우도 기둥의 경우 C3과 C4모두 강축과 약축에 대한 휨모멘트의 영향 때문에 중량감소 효과가 없 는 것으로 나타났다.
다른 방법으로써 본 논문과 같이 강접에서 반강접으로 해석할 때 반강접으로 해석되는 강재에서 Rkb 값을 결정하기 위해 작용하는 하중에 따라 변하는 Beam Line의 범위를 산정하게 되었고, 반강접으로 해석되는 강재의 Beam Line 범위를 각 강재별 자료은행으로 만들었기 때문에 일일이 계산해야 하는 수고로움을 덜 것으로 판단된다.
보의 경우는 단부의 모멘트 일부분이 중앙부로 분배되어 합 성보 효과에 의한 단면 감소 효과를 볼 수 있고,기둥의 경우 C1은 휨모멘트의 영향을 거의 받지 않기 때문에 변화가 없고, C2는 약축에 의한 모멘트 영향 때문에 중량감소의 효과가 없는 것으로 나타났다.
(3) 반강접 접합을 고려한 3개층 철골 구조물의 경우,기준 층에서 기둥은 강축과 약축 모두를 고려해야 되기 때문에 중량 감소 효과가 없었고 보는 단면 크기가 줄었기 때문에 중량 감소 효과가 있었다.해석 대상이 된 구조물의 기준층(1층)은 전체적으로 약 6%정도의 중량 감소 효과가 있는 것으로 나타났고 이는 기준층(1층)만의 감소 효과이므로 구조물의 전 층과 고층의 철골 구조물에 적용 할 경우 중량 감소 효과는 더 클 것으로 기대된다.
후속연구
결과적으로 실험을 통한 검증 과정이 뒷받침되어야 하고 그로 인해 실무에서도 반강접 접합부를 설계할 때 적절한 해석 방법을 선택할 수 있도록 반강접 접합부 실험 자료와 해석 결과의 반복적인 비교 분석 작업이 필요할 것이다. 향후 계속적인 사례적용을 통해 설계자들의 이해를 돕기 위한 매뉴얼이 마련되어야 하고 반강접으로 해석시 국내 강재에 맞는 설계 기준도 제시되어야 할 것이다.
본 연구에서는 구조물에 연직하중 작용 시, 강접과 단순접합의 이원화된 국내 해석과 반강접을 고려한 구조물의 해석을 국내 강재에 적용할 것이다. 미국 AISC의 LRFD 설계 규준을 참고하여 반강접에 대한 TSDW(Top & Seat Anglewith DoubleWebAngle)접합부의 모멘트-회전각 곡선을 구해서 구조해석 모델의 회전강성을 구하고, 이 값을 토대로 강성행렬법을 이용한 해석프로그램상의 수치해석을 실시한다.
본 연구는 TSDW라는 하나의 접합 형태에 ㄱ형강을 가지 고 반강접 접합을 적용한 구조물의 해석을 수행하였다.접합 형태를 EndPlate형이나,T-Stub형 등으로 다양하게 변화 시키고,건물 용도와 스팬 길이도 다양하게 변화시켜서 국내 강재를 적용한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
결과적으로 실험을 통한 검증 과정이 뒷받침되어야 하고 그로 인해 실무에서도 반강접 접합부를 설계할 때 적절한 해석 방법을 선택할 수 있도록 반강접 접합부 실험 자료와 해석 결과의 반복적인 비교 분석 작업이 필요할 것이다. 향후 계속적인 사례적용을 통해 설계자들의 이해를 돕기 위한 매뉴얼이 마련되어야 하고 반강접으로 해석시 국내 강재에 맞는 설계 기준도 제시되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적인 철골 구조의 해석은 어떻게 수행되고 있는가?
최근에는 건축물의 대형화, 고층화라는 시대적인 흐름과 요구로 인해서 철골 구조의 수요가 급증하고 있다. 일반적인 철골 구조의 해석은 접합부를 강접합과 단순접합으로 가정하여 수행되고 있는데, 강접합(Fixed connection)의 경우에는 절점에 연결된 각 부재의 변형 전 상대적인 각도가 변형 후에도 그대로 유지된다고 가정하므로 접합부가 충분한 강성을 발휘하고 안정성을 확보하도록 패널존 부분에 스티프너로 보강을 한다. 하지만 인건비 상승과 함께 강접 접합부의 제작비가 과도해짐으로 경제성 측면에서 스티프너 보강을 생략한 접합부의 필요성이 증가하고 있다.
단순보처럼 거동하여 보와 기둥 사이에 휨모멘트가 전달되지 않는다고 가정한 단순접합의 장단점은 무엇인가?
반면, 단순접합(Pinned connection)의 경우에는 단순보처럼 거동하여 보와 기둥 사이에 휨모멘트가 전달되지 않는다고 가정한다. 이는 공장제작이 간단하고, 시공이 간편한 장점이 있으나 접합부에서 모멘트를 전달할 수 없어서 구조적인 효율이 떨어지는 단점이 있다. 반강접의 도입은 단면치수 결정의 효율성을 증대하고, 현장에서의 부재조립 용이성, 골조 전체의 안전성 확보 등의 이점이 있어서 외국의 경우, 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위해서 계속적인 노력을 해왔고 그 결과를 규준에 적용하고 있다.
철골 구조의 수요가 급증한 이유는 무엇인가?
최근에는 건축물의 대형화, 고층화라는 시대적인 흐름과 요구로 인해서 철골 구조의 수요가 급증하고 있다. 일반적인 철골 구조의 해석은 접합부를 강접합과 단순접합으로 가정하여 수행되고 있는데, 강접합(Fixed connection)의 경우에는 절점에 연결된 각 부재의 변형 전 상대적인 각도가 변형 후에도 그대로 유지된다고 가정하므로 접합부가 충분한 강성을 발휘하고 안정성을 확보하도록 패널존 부분에 스티프너로 보강을 한다.
참고문헌 (29)
강경원, 강석봉(1997) 철골구조물 반강접 보-기둥 접합부 해석모델의 단순화에 관한 연구, 대한건축학회 학술발표대회논문집 (구조계), 대한건축학회, 제17권, 제2호, pp.1155-1161.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.