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가설 설정
- 본 연구에서는 일본의 메가플로트 설계용 자료를 참고하여 파향 0°일 때는 0.3m의 최대 진폭과 파향 90°일 때는 파향 0°일 때 보다 1.27배인 0.381m의 최대 진폭으로 가정하였으며, Fig. 4와 같이 주기와 진폭을 가정한 가상파랑하중(사인함수)을 각각 5개의 CASE로 나누어 Fig. 5 와 같이 적용하였다.
제안 방법
- 강접합과 반강접 접합의 최대 변위를 비교하기 위해 반강접 접합이 적용되어 있는 단변 보에 직접적인 작용을 하게 되는 파향 90°에 대하여 최대 변위를 비교하였다.
- 4Gpa, 밀도 ρ = 2400kg/m3이다. 구조물과 물의 상호 작용 스프링 상수 Ks = 9674.5N/m 이며, 스프링 상수는 모델의 자중에 흘수1.88m를 나누어 전체 스프링 상수를 구하고 전체 스프링 상수가 적용되는 하부 바닥판의 노드의 수로 나누어 단위 스프링 상수를 계산하였다.
- 본 연구에서는 3차원 플로팅 구조물의 전해석과 하부구조물을 제외한 상부구조물에 대한 분리해석을 비교 분석하였으며 전해석을 통한 강접합과 반강접 접합에 대해 탄성 해석을 실시하여 결과를 비교 분석하였다. 탄성해석을 통해 파랑하중의 CASE를 나누어 파랑하중의 변화에 따른 구조물의 모멘트 및 변위를 접합부에 따라 분류한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 3차원 플로팅구조물의 접합부 웨브에 더블 앵글을 가진 상하 앵글 접합(Top-and seat-angle connections with double web-angle connections, TSD)을 사용하여 2차 탄성 해석(Second order elastic analysis)을 실시하였다. 정적 하중과 하부구조물에 파랑하중을 적용한 구조물의 전해석(Integration analysis)과 기존의 방식인 정적하중과 상부구조 물의 주각부에 파랑하중을 적용한 분리해석(Separation analysis)을 비교하였으며 파향 0°와 90°에 대해 정적하중과 하부구조물에 사인함수의 파랑하중을 적용한 구조물 전해석을 통해 강접합과 반강접 접합의 모멘트 및 변위를 비교하였다.
- 하지만 플로팅 구조물은 환경의 여건상 바다위에 위치하게 되며 상부구조물과 함체의 일체식 구조물로 이루어져 있기 때문에 이에 따른 오차가 발생하게 된다. 이에 따라 상부 구조물과 하부구조물의 일체화한 전해석과 분리해석을 실시하여 최대모멘트 값을 중심으로 비교하였다. 해석프로그램으로는 ABAQUS 6.
- 적용된 고정하중은 부재의 자중을 포함하여 구조물에 영구히 설치되는 모든 구성요소들의 무게를 포함한 하중들을 계산하여 4640N/m2로 적용하였으며, 활하중은 일본 건축물하중지침에 제시된 광장, 호텔, 영화관, 집회장 등을 참고하여 골조계산용 하중인 2650N/m2값을 적용하였다. 풍하중은 건축구조설계기준(2009)에 의하여 노풍도 D, 기본풍속 V0=40m/s를 구조물 측면의 절점에 적용하였다.
- 정적 하중과 하부구조물에 파랑하중을 적용한 구조물의 전해석(Integration analysis)과 기존의 방식인 정적하중과 상부구조 물의 주각부에 파랑하중을 적용한 분리해석(Separation analysis)을 비교하였으며 파향 0°와 90°에 대해 정적하중과 하부구조물에 사인함수의 파랑하중을 적용한 구조물 전해석을 통해 강접합과 반강접 접합의 모멘트 및 변위를 비교하였다.
- 진폭 0.2m의 파랑하중을 적용하였을 때와 마찬가지로 정적하중은 파랑하중이 적용 되지 않기 때문에 동일한 결과 값을 갖게 되며 강접합과 반강접 접합의 최대 변위를 비교하기 위해 반강접 접합이 적용되어 있는 단변 보에 직접적으로 작용하는 파향 90°에 대하여 최대 변위를 비교하였다.
- 본 연구에서는 3차원 플로팅 구조물의 전해석과 하부구조물을 제외한 상부구조물에 대한 분리해석을 비교 분석하였으며 전해석을 통한 강접합과 반강접 접합에 대해 탄성 해석을 실시하여 결과를 비교 분석하였다. 탄성해석을 통해 파랑하중의 CASE를 나누어 파랑하중의 변화에 따른 구조물의 모멘트 및 변위를 접합부에 따라 분류한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 파향 90°일 때의 구조물에 작용하는 최대 모멘트가 파향 0°일 때 보다 크게 발생함에 따라 파향 90°에 대한 강접합과 반강접 접합의 최대 모멘트 차이를 비교하였다.
- 플로팅 상부구조물에 적용된 접합부의 반강접과 힌지 조건은 반강접 접합의 경우 1층 보부재의 너비방향(단변)의 기둥 플랜지 쪽에 적용되었으며, 길이방향(장변)의 기둥 웨브 쪽으로 힌지를 구조물에 적용하였다. 식 (1)에 적용된 변수 값으로 Mu는 256150N-m, Rki는 272791518N/m, n 값은 0.
대상 데이터
- 3과 같다. Table 1에서와 같이 함체구조물은 항복강도 40MPa의 콘크리트를 사용하여 길이 196m, 너비 112m, 높이 3m의 구조물로 이루어져 있으며 7m 간격의 격벽을 사용하였다. 상부구조물은 SS400의 강재를 사용한 철골구조물로 길이 42m, 너비 28m, 높이 17.
데이터처리
- 이에 따라 상부 구조물과 하부구조물의 일체화한 전해석과 분리해석을 실시하여 최대모멘트 값을 중심으로 비교하였다. 해석프로그램으로는 ABAQUS 6.2를 사용하였다.
이론/모형
- 2006)를 참고하였다. 그러나 풍하중은 제외되어 국내 기준인 건축구조설계기준(2009)을 적용하였다.
- 따라서 접합부의 반강접성(Semi-Rigidity)을 고려하기 위하여 가장 일반적인 방법으로 실험 데이터를 curve fitting하는 방법을 많이 사용하고 있다. 본 연구에서는 Kishi and Chen(1986)이 제안한 Three-Parameter Power Model을 이용하여 웨브에 더블 앵글을 가진 상하 앵글 접합부(Top and seat-angle connections with double web-angle connections)에 적용하였다. 초기 접합부 강성(Rki), 접합부 모멘트 극한 강도 (Mu), 형상계수(n)로 이루어져 있는 Three-Parameter Power Model은 지수함수를 이용하여 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
- 예제 구조물에 적용된 고정하중과 활하중은 기존 연구(Maruyoshi et al.. 2006)를 참고하였다. 그러나 풍하중은 제외되어 국내 기준인 건축구조설계기준(2009)을 적용하였다.
- 값을 적용하였다. 풍하중은 건축구조설계기준(2009)에 의하여 노풍도 D, 기본풍속 V0=40m/s를 구조물 측면의 절점에 적용하였다.
성능/효과
- 1. 구조물의 전해석과 분리해석의 모멘트를 비교한 결과 층이 증가함에 따라 모멘트 값은 비슷하지만 전해석의 경우 분리 해석 보다 하부구조물의 영향으로 저층 보 부재에서 모멘트 값이 대체적으로 작은 것을 알 수 있었다. 따라서 상부구조물과 하부구조물을 일체화한 전해석의 경우 상부구조물만 해석한 기존의 자료에 비해 좀 더 정확한 해석이 가능하다.
- 2. 파향 90°에서 파랑하중을 적용시켰을 때와 조합하중을 적용시켰을 때를 분석한 결과 하부구조물의 휨이 큰 CASE2에서 최대 모멘트가 발생하였으며, 강접과 반강접 접합을 비교한 경우 반강접 접합의 보부재 중앙부 모멘트는 증가하지만 최대 모멘트의 크기가 감소함으로 강접합에 비해 최대 모멘트를 감소할 수 있다.
- 3. 플로팅 구조물의 최대 변위는 정적하중에 비해 파랑하중에 의해 지배적으로 발생한다. 파랑하중에 의한 강접합과 반강접 접합의 변위차이는 거의 발생하지 않으며 파랑하중의 진폭이 커질수록 파랑하중에 의한 거동이 크게 되고 접합부 강성의 차이에 의한 영향을 작게 받아서 반강접 접합의 최대 변위차이는 줄어들게 된다.
- 결과적으로 반강접 접합을 적용하였을 경우 보부재의 중앙부 모멘트는 증가하지만 최대 모멘트의 크기는 감소하는 것을 알 수 있다.
- 파랑하중에 의해 강접합과 반강접 접합 모두 하부구조물의 휨이 큰 CASE2에서 최대 모멘트가 발생하였으며, 반강접 접합을 적용하였을 경우 강접합을 적용하였을 경우보다 모멘트가 감소한 것을 알 수 있다. 또한 모멘트가 최대인 CASE2에서 가장 큰 9.24E+04N-m의 모멘트가 감소하였고 강접합일 때 보다 54%의 모멘트 감소 효과가 발생하였다.
- 조합하중을 적용하였을 경우 -변형은 CASE 1에서, +변형은 CASE3에서 최대 변위가 발생하였고, -변형을 하게 될 경우 반강접 접합의 특성에 의해 최대 변위가 감소하고, +변형을 하게 될 경우 최대 변위가 증가하였다. 진폭 0.
- CASE 1, 4, 5의 경우 파랑하중에 의해 구조물의 변형이 -변형이 일어나게 되며, CASE 2, 3의 경우 구조물의 +변형이 발생한다. 파랑하중(진폭 0.2m)이 작용하였을 경우의 최대변위는 -변형은 CASE1, +변형은 CASE 3에서 가장 크게 나타났으며, 강접합과 반강접 접합 모두 거의 동일한 최대 변위 분포를 보이고 있어 접합부와 상관없이 최대 변위가 발생한다는 것을 알 수 있다.
- 6 및 Table 5에 나타내었다. 파랑하중에 의해 강접합과 반강접 접합 모두 하부구조물의 휨이 큰 CASE2에서 최대 모멘트가 발생하였으며, 반강접 접합을 적용하였을 경우 강접합을 적용하였을 경우보다 모멘트가 감소한 것을 알 수 있다. 또한 모멘트가 최대인 CASE2에서 가장 큰 9.
- 전해석과 분리해석의 모멘트 값 비교를 Table 4에 나타내었다. 표를 통해 1층 보의 경우 최대 모멘트 값은 전해석이 분리 해석에 비해 더 작은 값을 보였으며, 층이 증가함에 따라 전해석과 분리해석의 모멘트 값이 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
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