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문제 정의
- 또한, 철골 반강접에 비해 합성반강접 접합은 슬래브가 보와 합성거동을 하여 추가적인 강도와 강성을 확보할 수 있으며, 철골 단면이 감소되고 적재하중에 의한 변형을 최소화할 수 있다. 따라서 본 연구는 저층골조와 고층골조를 대상으로 선정하여 밑면전단력, 부재력의 층간변위 및 강성비를 갖고 접합부의 안정성을 평가하며, 부재의 물량저감비로 발생되는 경제성을 고찰하였다.
- 본 연구는 저층골조와 고층골조를 대상으로 선정하여 구조적 안정성 및 경제성을 평가하여 다음 아래의 결론을 도출하였다.
가설 설정
- 00kN/㎡로 적용하였다. 풍하 중은 서울지역을 기준으로 설계 풍속 25m/sec, 노풍도 B, 중요도 계수를 1.0으로 가정하였다. 지진하중은 서울지역을 기준으로 중요도계수는 1.
- 00kN/㎡로 적용하였다. 풍하 중은 서울지역을 기준으로 설계 풍속 25m/sec, 노풍도 B, 중요도 계수를 1.0으로 가정하였다. 지진하중은 서울지역을 기준으로 중요도계수는 1.
제안 방법
- (1) CFT기둥의 합성반강접 골조의 설계 가능성을 마련하고자 적합조건에 따른 안정성 검토와 강성참여율을 분석하였다. 층간변위에 따른 안정성을 만족하는 접합 비율은 약 60%였으며 이와 같이 구조물의 접합비를 조정하여 건물의 안정성, 경제성과 접합부의 시공성 등을 모두 만족시키는 결과를 도출할 수 있다.
- 할인매장은 적재하중이 커서 합성반강접의 경우 시공 중에는 단순보로 적용한 후 콘크리트 타설 후 설계하중은 반강접의 설계를 고려하므로 적재하중이 큰 건물에 적용하는 것이 경제성이 있을 것으로 판단하였다. 건물을 대상으로 그림 3과 같이 강접과 반강접, 합성 강접, 합성반강접의 4가지 경우를 해석을 하여 전체변위, 층간변위를 검토하였다. 합성반강접의 거동특성과 적용방안을 연구하고 각 조건에 맞는 구조 부재를 설계한 후에 물량비교를 통하여 CFT기둥의 합성반강접의 설계의 적용성을 평가해보도록 한다.
- 반강접성능을 확보하려면 규준상 50%이상을 요구하고 있으므로 반강접 성능을 50%를 기본으로 표 8과 같이 7가지 경우의 수를 도출하였다. 구조시스템의 종류를 최소화하기 위하여 경우0은 RC 코어만 적용하는 경우를 기준으로 시작하여 시스템을 붙여나가는 방식으로 검토하였다.
- Eurocode-3의 경우 접합부의 강성, 강도 및 구조물의 안정성을 고려하여 접합부의 성능을 평가하고 있다. 그림 2와 같이 구조물의 횡지지 여부에 따라 접합부에 요구되는 성능을 구분하였으며, 접합부의 회전각을 보의 휨강성에 의한 보 소성회전각에 대해 무차원화 시키고 접합부의 모멘트는 보의 소성 모멘트에 의해 무차원화 함으로서 접합부의 성능을 규정하였다. 또한 사용하중 시와 함께 극한하중 시에서의 접합부 성능도 명시하고 있으며, 보의 소성모멘트와 접합부의 모멘트를 비교하여 전강도(full strength) 접합부와 부분강도(partial strength) 접합부로 구분하고 있다.
- 즉, 일부 골조가 횡력을 분담하여 저항할 수 있도록 설계를 하는 것이 바람직하다. 따라서, 코어와 모멘트골조의 접합비율을 조정하여 안전성 검토를 하였다. 반강접성능을 확보하려면 규준상 50%이상을 요구하고 있으므로 반강접 성능을 50%를 기본으로 표 8과 같이 7가지 경우의 수를 도출하였다.
- 따라서, 코어와 모멘트골조의 접합비율을 조정하여 안전성 검토를 하였다. 반강접성능을 확보하려면 규준상 50%이상을 요구하고 있으므로 반강접 성능을 50%를 기본으로 표 8과 같이 7가지 경우의 수를 도출하였다. 구조시스템의 종류를 최소화하기 위하여 경우0은 RC 코어만 적용하는 경우를 기준으로 시작하여 시스템을 붙여나가는 방식으로 검토하였다.
- 이 해석을 X방향은 60% 반강접에 철골브레이스를 설치하여 X방향의 층간변위를 만족시킨 후에 각 반강접 비율을 50%~100%까지 10%단위로 증대하면서 해석하였다. 본건물의 경우에 Y방향의 경우 브레이스를 설치하지 않을 경우에 층간변위가 허용치내로 가능한 반강접 접합 상태는 표 5와 같이 80%인 것을 해석을 통하여 확인을 하였다.
- 안정성은 철골부재만으로 강접조건과 슬래브가 같이 역할을 하는 합성강접조건을 검토하고 이 두 가지 조건에 반강접은 50%를 기준으로 검토하였다. 그 결과는 표 3과 같다.
- 좀 더 보수적인 조건을 선호하는 설계를 위해 서 합성작용을 배제할 경우에 X방향은 강접을 적용하여도 층간변위가 허용치를 벗어나므로 가새를 설치하여 허용치 내로 들어가도록 한 후에 Y방향에 반강접을 적용 시 가능한 허용치를 평가하여 보았다. 이 해석을 X방향은 60% 반강접에 철골브레이스를 설치하여 X방향의 층간변위를 만족시킨 후에 각 반강접 비율을 50%~100%까지 10%단위로 증대하면서 해석하였다. 본건물의 경우에 Y방향의 경우 브레이스를 설치하지 않을 경우에 층간변위가 허용치내로 가능한 반강접 접합 상태는 표 5와 같이 80%인 것을 해석을 통하여 확인을 하였다.
- 따라서 모멘트골조의 역할이 수행되어야 허용치 내로 들어갈 수가 있음을 알 수 있다. 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 경우를 경우 2, 3, 5, 6을 외주부 보와 내부보의 합성 조전을 조정하여 검토하였다. 그 결과 경우 2인 외주부보가 100% 강접인 경우가 허용치 내를 만족하고 있다.
- 즉, 철골로만 검토한 경우의 강접골조보다 강한 것을 알 수 있다. 좀 더 보수적인 조건을 선호하는 설계를 위해 서 합성작용을 배제할 경우에 X방향은 강접을 적용하여도 층간변위가 허용치를 벗어나므로 가새를 설치하여 허용치 내로 들어가도록 한 후에 Y방향에 반강접을 적용 시 가능한 허용치를 평가하여 보았다. 이 해석을 X방향은 60% 반강접에 철골브레이스를 설치하여 X방향의 층간변위를 만족시킨 후에 각 반강접 비율을 50%~100%까지 10%단위로 증대하면서 해석하였다.
- 0으로 가정하였다. 지진하중은 서울지역을 기준으로 중요도계수는 1.2지반계수 Sc로 적용하고 지진저항시스템은 건물골조시스템으로 철근콘크리트 코어가 저항하는 경우로 5.0의 반응 수정계수를 적용하였다. 철골보는 SM490으로 CFT기둥의 철골은 SM490으로 콘크리트 강도는 50MPa를 적용하였다.
- 단면가정은 강접으로 수직하중에 저항하는 것을 기준으로 아래 표 7과 같이 설정하였다. 코어 두께는 500㎜, 코어 내 링크보는 500㎜x1,000㎜ 로 50% 강성으로 적용하였다.
- 건물을 대상으로 그림 3과 같이 강접과 반강접, 합성 강접, 합성반강접의 4가지 경우를 해석을 하여 전체변위, 층간변위를 검토하였다. 합성반강접의 거동특성과 적용방안을 연구하고 각 조건에 맞는 구조 부재를 설계한 후에 물량비교를 통하여 CFT기둥의 합성반강접의 설계의 적용성을 평가해보도록 한다.
- 합성반강접의 안정성에 대한 확인을 하였으나 아직 실용적 사용을 위해서는 해석에 대한 검증이 필요할 것으로 판단되어 해석은 보수적으로 접근으로 반강접을 적용하였고 강접과 반강접 부재의 경제성을 분석하였다. X방향의 골조는 그림 6과 같이 등분포하중을 받는 보로서 고정일 경우에 단부모멘트와 중앙부 모멘트의 차이가 최대 2배이다.
- 해석은 Midas-Gen을 이용하여 보 부재 단부의 조건으로 partially released를 적용하였다. KBC-2009에서는 수평 변위 또는 층간수평변위 제한값을 건물높이 또는 층높이의 1/400~1/500범위에서 사용하도록 제시되어있다.
대상 데이터
- 고층구조물의 해석대상은 그림 5와 같이 39층 건물로 용도는 2층까지 판매, 공용시설이며, 3층이상 부터는 사무실용도를 갖는다. 적용하중은 아래 표 6과 같다.
- 그림 4와 같이 5층의 건물로 1~2층은 매장으로 사용되며 3~5층과 지붕 층은 주차장 용도로 사용한다. 모듈은 가로방향은 10m 길이로 7개 경간으로 총길이 70m, 세로방향은 8m 길이로 7개 경간으로 총길이 56m이다. 층고는 할인매장으로 사용하는 곳은 5.
- 0를 적용하였다. 보와 CFT기둥의 철골은 SM490으로 콘크리트 압축강도는 50MPa를 적용하였다. 부재크기는 수직하중에 저항하는 것을 기준으로 아래 표 2와 같이 정하였다.
- 0의 반응 수정계수를 적용하였다. 철골보는 SM490으로 CFT기둥의 철골은 SM490으로 콘크리트 강도는 50MPa를 적용하였다. 단면가정은 강접으로 수직하중에 저항하는 것을 기준으로 아래 표 7과 같이 설정하였다.
- 첫 번째 해석대상은 저층건물로 철골사용이 가장 빈번한 할인매장을 기준으로 선택 하였다. 할인매장은 적재하중이 커서 합성반강접의 경우 시공 중에는 단순보로 적용한 후 콘크리트 타설 후 설계하중은 반강접의 설계를 고려하므로 적재하중이 큰 건물에 적용하는 것이 경제성이 있을 것으로 판단하였다.
성능/효과
- (2) 등분포하중이 작용하는 부재의 경우에는 단부 모멘트를 20~30% 정도 감소하여 반강접의 적용이 구조물의 경제성을 확보하기가 유리함을 알 수 있다. 따라서, 등분포하중이 작용하는 보는 합성반강접 보의 적용이 바람직하다.
- (4) 등분포가 작용하는 보의 합성성능을 고려할 경우에는 강접보보다 26% 물량 감소가 가능하고 반강접보보다 17%감소가 가능함을 알 수 있다. 전체물량은 강접대비 6% 절감이 됨을 알 수 있다.
- 그 결과 등분포 하중만 작용하는 보만 합성반강접을 적용할 경우에 강접에 비하여 6%로 절감이 되었다. 반강접에 비하여는 3.
- 0153으로 약간 상회하고 있으므로 접합비를 다소 조정을 하면 허용치 내로 예측된다. 그 비율을 조정한 것이 경우 6으로 외부보와 내부보 모두를 60%로 조정한 경우에는 허용치 내를 모두 만족할 수 있음을 확인하였다.
- 전체물량은 강접대비 6% 절감이 됨을 알 수 있다. 따라서 등분포 하중을 작용하는 보만 적용하여도 충분한 경제성이 있음을 확인할 수 있다.
- 6%의 절감효과를 보였다. 물량의 절감은 위와 같지만 철골부재를 반강접을 적용하여 모멘트나 하중이 저감되기는 했지만 rolled 부재를 사용하므로 같은 부재를 사용한 경우도 발생하므로 본 건물의 경우에 내력의 여유치의 증감을 표 14에 검토해본 결과 평균 약 3.91%의 여유치가 생긴 것을 알 수 있다. 즉, 건물이나 상황에 따라 3%~7% 정도의 물량 절감이 가능하다는 것을 시사하고 있다.
- 반강접 비율에 의하여 모멘트는 SG1은 27%, SG2는 17%감소를 하였으나 부재는 그것과 일치하게 감소하지는 않았다. 그 이유는 철골 rolled부재를 사용하므로 내력이 여유 있더라도 생산되는 부재가 없기 때문이다.
- (1) CFT기둥의 합성반강접 골조의 설계 가능성을 마련하고자 적합조건에 따른 안정성 검토와 강성참여율을 분석하였다. 층간변위에 따른 안정성을 만족하는 접합 비율은 약 60%였으며 이와 같이 구조물의 접합비를 조정하여 건물의 안정성, 경제성과 접합부의 시공성 등을 모두 만족시키는 결과를 도출할 수 있다.
후속연구
- 반강접 성능을 극대화 하기위해서는 선택적으로 등분포하중이 작용하는 보에만 적용하는 것이 효율적임을 알 수 있다. 또한, 집중하중이 작용하는 부분은 횡하중의 안정성 내에서 변위를 검토하여 합성비율을 조정하면 접합부의 모멘트 값의 차이는 별로 없다하더라도 반강접 접합부를 사용하므로 CFT기둥 내에 내 다이어프램의 적용을 배제할 수 있을 것이다. 저감된 모멘트를 기준으로 하여 강접과 반강접 보의 설계를 재조정한 결과를 표 12와 표 13에 정리를 하였는데 부재는 SG1과 SG2만 줄었음을 알 수 있다.
- 그 예로, 보는 슬래브와 결합되어 있는 형태로 되어 합성으로 적용할 수 있으나 해석의 복잡함 때문에 단순보만 적용하고 일반 보는 일반적으로 슬래브 강성을 무시하고 해석 후 설계를 하고 있다(박영욱, 2010). 하지만, 반강접은 특히, 접합부의 회전강성을 평가하여 실제 거동특성을 반영하여 설계해야하므로 슬래브의 합성을 고려한 합성반강접 거동으로 적용하는 것이 바람직할 것이다. 이와 같은 합성반강접 접합부는 사용하중 하에서 강접합과 유사한 거동을 보이며, 극한상태에서 뛰어난 연성과 에너지 소산능력을 보인다(김요숙 등, 1999).
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