최근 진행되고 있는 건축 프로젝트는 기존의 정형적인 구조계획에서 벗어나 점차 복합적이고 다양한 형태를 지향하고 있다. 이와 같은 새로운 건축 트렌드 속에서, 비정형 건축물의 구조 시스템을 효율적으로 현실화하여 골조의 직교성을 해체시키는 기술에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 비정형 건축물의 중요한 구조적 특징 중 하나로 경사기둥의 빈번한 적용을 들 수 있다. 경사기둥은 접합된 보에 추가적으로 모멘트와 축력을 전달하므로, 이러한 현상이 골조 및 보-기둥 접합부의 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 실험 혹은 해석을 통해 검증할 필요가 있다. 그러나 수직기둥-보 접합부에 비하면 경사기둥-보 접합부에 대한 연구는 현재까지 충분한 연구가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 비선형해석 및 유한요소해석을 사용하여 경사기둥을 포함한 보-기둥 접합부의 성능을 평가하였다. 경사기둥을 포함한 철골모멘트 골조의 비선형정적해석을 통하여 골조 전체의 거동을 분석하였고, 경사기둥-보 접합부 모델의 유한요소해석을 통해 좌굴거동 및 취성파단 잠재성을 검토하였다.
최근 진행되고 있는 건축 프로젝트는 기존의 정형적인 구조계획에서 벗어나 점차 복합적이고 다양한 형태를 지향하고 있다. 이와 같은 새로운 건축 트렌드 속에서, 비정형 건축물의 구조 시스템을 효율적으로 현실화하여 골조의 직교성을 해체시키는 기술에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 비정형 건축물의 중요한 구조적 특징 중 하나로 경사기둥의 빈번한 적용을 들 수 있다. 경사기둥은 접합된 보에 추가적으로 모멘트와 축력을 전달하므로, 이러한 현상이 골조 및 보-기둥 접합부의 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 실험 혹은 해석을 통해 검증할 필요가 있다. 그러나 수직기둥-보 접합부에 비하면 경사기둥-보 접합부에 대한 연구는 현재까지 충분한 연구가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 비선형해석 및 유한요소해석을 사용하여 경사기둥을 포함한 보-기둥 접합부의 성능을 평가하였다. 경사기둥을 포함한 철골모멘트 골조의 비선형정적해석을 통하여 골조 전체의 거동을 분석하였고, 경사기둥-보 접합부 모델의 유한요소해석을 통해 좌굴거동 및 취성파단 잠재성을 검토하였다.
The building design projects which are being proceeded nowadays pursue a complex and various shape of structures, escaping from the traditional and regular shape of buildings. In this new trend of the architecture, there rises a demand of the research in the structural engineering for the effective ...
The building design projects which are being proceeded nowadays pursue a complex and various shape of structures, escaping from the traditional and regular shape of buildings. In this new trend of the architecture, there rises a demand of the research in the structural engineering for the effective realization of such complex-shaped buildings which disassembles the orthogonality of frames. As a distinguished characteristics of the buildings in a complex-shape, there frequently are inclined columns included in the structural frame. The inclined column causes extra axial force and bending moment at the beam-column connection so it is necessary to assess those effects on the structural behavior of the frame and the connection by experiment or analysis. However, with comparing to the studies on the normal beam-column connections, the inclined column connections have not been studied sufficiently. Therefore, this study evaluated the beam-column connections having an inclined column using nonlinear and finite element analysis method. In this paper, steel moment frames having inclined columns were analyzed by the nonlinear pushover analysis to check the global behavior and beam-column connection models were analyzed by the finite element analysis to check the buckling behavior and the fracture potentials.
The building design projects which are being proceeded nowadays pursue a complex and various shape of structures, escaping from the traditional and regular shape of buildings. In this new trend of the architecture, there rises a demand of the research in the structural engineering for the effective realization of such complex-shaped buildings which disassembles the orthogonality of frames. As a distinguished characteristics of the buildings in a complex-shape, there frequently are inclined columns included in the structural frame. The inclined column causes extra axial force and bending moment at the beam-column connection so it is necessary to assess those effects on the structural behavior of the frame and the connection by experiment or analysis. However, with comparing to the studies on the normal beam-column connections, the inclined column connections have not been studied sufficiently. Therefore, this study evaluated the beam-column connections having an inclined column using nonlinear and finite element analysis method. In this paper, steel moment frames having inclined columns were analyzed by the nonlinear pushover analysis to check the global behavior and beam-column connection models were analyzed by the finite element analysis to check the buckling behavior and the fracture potentials.
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문제 정의
기둥에 접합된 보의 좌굴 거동을 살펴보기 위해, 본 연구에서는 해석을 통해 얻은 모멘트-층간변위각 관계도를 살펴보았다.
본 건물은 노스리지 지진 이전의 모멘트 골조의 성능을 검증하기 위해 설계된 것으로서, UBC94(ICBO, 1994) 기준에 따라 중력하중, 풍하중, 그리고 지진하중 등이 설계에 반영되었다. 건물의 용도는 사무실이며, 지반조건은 견고한 지반으로 가정하였고, 반응수정계수(R)는 철골모멘트 골조에 해당하는 12를 적용하였다.
본 연구에서 수행한 해석의 목적은 경사기둥 축력의 수평 분력이 보에 작용할 시에 나타나는 접합부 성능변화를 분석하는 것이며, 특히, 보-기둥 접합부에서 나타날 수 있는 파단의 잠재성과 좌굴의 발생 시점에 대하여 살펴보는 것이다.
본 연구에서는 각 모델의 강도저감현상이 발생하는 시점을 파악함으로써 보의 좌굴이 발생하는 시점을 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 경사기둥으로 인해 모멘트 골조에 발생하는 경사기둥을 포함한 철골모멘트 골조 및 접합부의 성능평가 추가적인 모멘트가 소성힌지의 분포에 영향을 미칠 것이라는 점과 기둥이 기울어진 각도 및 방향에 따라 접합부에서 보에 기둥이 받는 축력의 일부가 보의 축 방향 힘(인장 혹은 압축)으로 분배될 것이라는 점에 착안하여 이러한 현상을 반영한 골조의 비선형 해석과 접합부의 유한요소해석을 수행하였다.
때문에, 해석을 통해 얻은 결과를 실험 데이터와 같은 확실한 값에 대하여 보정하는 과정을 통해 신뢰도를 높이는 작업이 필요하다. 본 연구에서는 기존의 철골 보-기둥 접합부 실험(Kim et al., 2008)의 결과와 이를 참고한 유한요소해석 결과와 비교하여 보정하였으며, 이후 진행된 경사기둥-보 접합부 해석 결과에 대한 신뢰도를 확보하였다.
본 연구에서는, 해당 보-기둥 접합부 실험체의 물성치와 상세를 유지하되, 상부 기둥의 각도를 변경하였을 때 접합부의 내진 거동에 미치는 효과를 검증하였다.
본 연구의 목적은 철골모멘트 골조에 경사기둥이 포함될 시 발생할 것으로 예측되는 현상, 즉, 모멘트 골조의 소성힌지 분포도의 변화와 보-기둥 접합부의 파단 잠재성 및 좌굴 거동의 변화 등을 전산구조해석을 통해 검증하는 것이었다.
가설 설정
본 건물은 노스리지 지진 이전의 모멘트 골조의 성능을 검증하기 위해 설계된 것으로서, UBC94(ICBO, 1994) 기준에 따라 중력하중, 풍하중, 그리고 지진하중 등이 설계에 반영되었다. 건물의 용도는 사무실이며, 지반조건은 견고한 지반으로 가정하였고, 반응수정계수(R)는 철골모멘트 골조에 해당하는 12를 적용하였다. 설계하중조합은 허용응력설계법에 따라 적용하였다.
그러나 슬래브의 구속효과로 인해 축력이 보에 미치는 영향력은 극히 줄어든다. 다만, 본 연구에서는 기둥과 접하는 면의 근처의 일부 구간에서 축 방향 응력의 효과가 나타날 것으로 가정하였고, Fig. 10 및 Fig. 11과 같이 이를 영향 구간 내에서 작용하는 초기 응력으로 적용하여 해석에 반영하였다. 본 연구에서는 영향 구간을 보 춤의 절반으로 가정하였고, 영향구간 외의 범위에 있는 수평분력은 슬래브의 구속으로 인해 상쇄된다고 가정하였다.
11과 같이 이를 영향 구간 내에서 작용하는 초기 응력으로 적용하여 해석에 반영하였다. 본 연구에서는 영향 구간을 보 춤의 절반으로 가정하였고, 영향구간 외의 범위에 있는 수평분력은 슬래브의 구속으로 인해 상쇄된다고 가정하였다.
해석 모델의 접합 부분은 실험체의 접합 방법이었던 WUFW 접합으로 가정하였다. 각 부재들의 용접부는 파단의 발생 지점과 무관하여 별도로 물성치를 정의하지 않았고, 보와 기둥이 일체 거동하도록 모델링하였다.
제안 방법
해석 모델의 접합 부분은 실험체의 접합 방법이었던 WUFW 접합으로 가정하였다. 각 부재들의 용접부는 파단의 발생 지점과 무관하여 별도로 물성치를 정의하지 않았고, 보와 기둥이 일체 거동하도록 모델링하였다. 실험체의 용접접근공은 AISC(2010)로부터 제시된 상세를 참고하였으며, 용접접근공의 상세가 접합부의 성능에 미치는 영향을 검증한 연구사례(Ricles et al.
또한, 각 경사기둥의 형태에 따라 보에 작용하는 추가적인 축 방향 응력의 방향이 변경되는 것을 반영 하여 각각 BC-T, BC-C, 그리고 BC-N으로 명명되었다. 경사기둥에 접합된 보는 기둥의 경사각에 따라 추가적으로 받는 축응력의 크기가 달라지므로, 본 해석에서는 이를 변수로 두고 해석을 수행하였다. 단, 경사기둥에 직접 하중을 재하하는 데에는 경계조건 가정의 어려움이 따른다.
대상이 된 실험체의 유한요소 모델에는 실험 세팅과 유사한 경계조건 및 하중 조건이 적용되었다. 단, 반복가력으로 실험을 했던 것과 달리, 해석에서는 단조재하에 의한 가력방법을 사용하였다. 재료의 물성치는 실험체와 동등한 SHN490을 적용하였으며, 실험에 앞서 수행되었던 소재인장시험의 결과를 통해 얻은 재료의 비선형 특성을 입력하였다.
, 1999) 중 LA 지역을 대상으로 설계된 20층 건물을 해석모델로써 사용하였다. 대상 건물의 모델링은 ETABS(CSI, 2005)를 사용하여 수행되었고, 비선형 해석은 Perform-3D(CSI, 2011)에서 수행되었으며, Pushover해석을 통해 경사기둥을 포함한 모멘트 골조에 발생하는 소성힌지의 분포 및 골조의 성능곡선을 살펴보았다. 보-기둥 접합부의 유한요소해석은 ABAQUS(Simulia, 2010)를 사용하여 수행되었으며, 대상모델은 지난 2008년에 수행되었던 SHN강재를 적용한 특수모멘트 접합부 인증시험(Kim et al.
단, 경사기둥에 직접 하중을 재하하는 데에는 경계조건 가정의 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 보에 작용하는 초기응력의 크기를 변화시키는 것으로 경사기둥의 효과를 반영하였다. Table 2는 각 모델별 변수를 나타낸다.
따라서, 이러한 예측들을 검증하기 위하여, 경사기둥-보경사기둥을 포함한 철골모멘트 골조 및 접합부의 성능평가 접합부의 해석을 통해 소성 변형률의 분포와 모멘트-층간변 위각 관계 곡선을 살펴보았다.
, 2008)에 사용된 실험체를 적용하였다. 또한, 경사기둥을 포함한 접합부의 해석에 앞서, 유한요소해석 결과의 신뢰도를 검증하기 위해 위의 실험결과에 대한 보정작업을 수행하였다. 유한요소해석에 필요한 경계조건과 하중조건, 그리고 재료 비선형 특성 역시 실험 데이터를 바탕으로 입력되었으며, 해석의 결과로는 하중-변형 관계도, 등가소성변형률, 변형률 에너지 등이 산출하여 접합부의 파괴 잠재성 및 좌굴 거동을 살펴보았다.
, 1999)을 참고하여 모두 3차원 요소를 적용하였다. 메쉬 설정시 다소 복잡한 부분인 용접접근공의 전이각이 발생하는 부분을 쐐기(wedge)요소로 설정한 것을 제외하고, 전체 해석모델은 직육면체(brick)요소를 적용하였다. 해석시간의 단축을 위해 직육면체 요소는 3차원 8절점 감차적분 요소(C3D8R)를 사용하였다.
본 연구에서는 Fig. 12와 같이 세 가지 유형의 보-기둥 접합부에 대하여 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 구조해석 소프트웨어 및 3차원 모델링 소프트웨어 간의 연동을 통해 해석 모델의 데이터를 변환시켰으며, 이를 통해 각 프로그램에서 새로이 모델링을 해야 하는 번거로움을 배제시킴으로써 전체 해석시간을 단축하였다.
본 연구에서도 PEEQ 값을 산출하여 실험결과(Kim et al., 2008)로부터 알아낸 보 상부 플랜지의 예상파단 부분에서의 파단 잠재성을 각 모델 별로 비교하였다.
또한, 경사기둥을 포함한 접합부의 해석에 앞서, 유한요소해석 결과의 신뢰도를 검증하기 위해 위의 실험결과에 대한 보정작업을 수행하였다. 유한요소해석에 필요한 경계조건과 하중조건, 그리고 재료 비선형 특성 역시 실험 데이터를 바탕으로 입력되었으며, 해석의 결과로는 하중-변형 관계도, 등가소성변형률, 변형률 에너지 등이 산출하여 접합부의 파괴 잠재성 및 좌굴 거동을 살펴보았다.
이를 위해 ABAQUS(Simulia, 2010)를 사용한 해석을 통해 보의 상부 플랜지에서 파단이 예측되는 부분의 등가소성변형률(PEEQ) 변화 양상과 기둥면 모멘트-층간변위각 관계도 상에서의 강도 저감 양상을 살펴보았다.
05rad에 해당한다. 해석 중 좌굴에 의한 강도의 저감을 고려하기 위해 고유치해석을 통해 얻은 예상좌굴모드를 해석모델에 반영하였다. 해석방법은 정적해석으로 진행되었고, 비선형 알고리즘은 불안정성에 의한 강도 저감 및 손실을 반영하기에 적합한 Riks방법(Simulia, 2010)을 적용하였다.
해석모델은 실험과 유사한 조건으로서 보의 단부에 중력방향으로 변위제어를 이용해 가력하였다. 유한요소해석은 비선형해석 알고리즘인 Riks 방법(Simulia, 2010)을 적용하였고, 보의 횡좌굴 및 플랜지 국부과굴 모드를 반영하기 위해 고유치해석을 선행하였다.
메쉬 설정시 다소 복잡한 부분인 용접접근공의 전이각이 발생하는 부분을 쐐기(wedge)요소로 설정한 것을 제외하고, 전체 해석모델은 직육면체(brick)요소를 적용하였다. 해석시간의 단축을 위해 직육면체 요소는 3차원 8절점 감차적분 요소(C3D8R)를 사용하였다. 각 요소에서의 소성 변형률 및 응력 등의 효율적인 계산을 위해서는 메쉬의 효과적인 분할이 요구되므로(Ricles et al.
대상 데이터
골조 비선형 해석의 경우, 미국의 SAC 프로젝트에 사용되었던 벤치마크 모델(Gupta et al., 1999) 중 LA 지역을 대상으로 설계된 20층 건물을 해석모델로써 사용하였다. 대상 건물의 모델링은 ETABS(CSI, 2005)를 사용하여 수행되었고, 비선형 해석은 Perform-3D(CSI, 2011)에서 수행되었으며, Pushover해석을 통해 경사기둥을 포함한 모멘트 골조에 발생하는 소성힌지의 분포 및 골조의 성능곡선을 살펴보았다.
2는 본 대상모델의 평면을 보여주고 있다. 대상건물의 골조는 외주에 위치한 거더와 기둥들만이 모멘트 접합으로 연결되어 있고, 그 외의 부재들은 전단접합으로 연결되어 있다.
또한, 본 대상건물은 여러 보고서를 통해 설계 정보가 공개되어 해석모델로서의 신뢰도가 높고, 모델링이 용이하여 본 연구에서 해석모델로 사용되었다. 대상모델은 ETABS(CSI, 2005)를 사용하여 설계 및 해석하였고, Fig. 2는 본 대상모델의 평면을 보여주고 있다. 대상건물의 골조는 외주에 위치한 거더와 기둥들만이 모멘트 접합으로 연결되어 있고, 그 외의 부재들은 전단접합으로 연결되어 있다.
본 대상건물은 1994년 노스리지(Northridge) 지진이후 미국에서 진행된 SAC 프로젝트 중 철골모멘트 골조의 비선형 해석을 위해 개발되었다. 또한, 본 대상건물은 여러 보고서를 통해 설계 정보가 공개되어 해석모델로서의 신뢰도가 높고, 모델링이 용이하여 본 연구에서 해석모델로 사용되었다. 대상모델은 ETABS(CSI, 2005)를 사용하여 설계 및 해석하였고, Fig.
3과 같이 경사기둥의 형태별로 정의하였다. 모델명의 경우, 정형인 건물을 LA20Normal, 경사기둥이 안쪽으로 들어간 건물을 LA20ICI, 그리고 바깥쪽으로 나온 건물을 LA20ICO로 지칭하였다.
, 1999)에 사용된 LA의 20층 철골모멘트 골조 건물을 사용하였다. 본 대상건물은 1994년 노스리지(Northridge) 지진이후 미국에서 진행된 SAC 프로젝트 중 철골모멘트 골조의 비선형 해석을 위해 개발되었다. 또한, 본 대상건물은 여러 보고서를 통해 설계 정보가 공개되어 해석모델로서의 신뢰도가 높고, 모델링이 용이하여 본 연구에서 해석모델로 사용되었다.
본 연구에서는 미국 SAC Steel Project(Gupta et al., 1999)에 사용된 LA의 20층 철골모멘트 골조 건물을 사용하였다. 본 대상건물은 1994년 노스리지(Northridge) 지진이후 미국에서 진행된 SAC 프로젝트 중 철골모멘트 골조의 비선형 해석을 위해 개발되었다.
본 연구의 대상으로 삼은 모델은 SHN강재를 적용한 WUFW(Welded Unreinforced Flange-Web) 접합부의 성능 인증 시험(Kim et al., 2008)에 사용된 실험체이다. Fig.
실험결과에 따르면, 대상 실험체는 AISC(2010)로부터 제시된 특수모멘트 접합부 성능 기준인 0.04rad 이상의 층간 변위각을 발휘한 뒤 약 0.05rad의 층간변위각에 도달한 후 상부 플랜지에 파단이 발생하였다(Kim et al., 2008). 0.
단, 반복가력으로 실험을 했던 것과 달리, 해석에서는 단조재하에 의한 가력방법을 사용하였다. 재료의 물성치는 실험체와 동등한 SHN490을 적용하였으며, 실험에 앞서 수행되었던 소재인장시험의 결과를 통해 얻은 재료의 비선형 특성을 입력하였다. Fig.
이론/모형
대상 건물의 모델링은 ETABS(CSI, 2005)를 사용하여 수행되었고, 비선형 해석은 Perform-3D(CSI, 2011)에서 수행되었으며, Pushover해석을 통해 경사기둥을 포함한 모멘트 골조에 발생하는 소성힌지의 분포 및 골조의 성능곡선을 살펴보았다. 보-기둥 접합부의 유한요소해석은 ABAQUS(Simulia, 2010)를 사용하여 수행되었으며, 대상모델은 지난 2008년에 수행되었던 SHN강재를 적용한 특수모멘트 접합부 인증시험(Kim et al., 2008)에 사용된 실험체를 적용하였다. 또한, 경사기둥을 포함한 접합부의 해석에 앞서, 유한요소해석 결과의 신뢰도를 검증하기 위해 위의 실험결과에 대한 보정작업을 수행하였다.
보-기둥 접합부의 유한요소해석을 위해서, 본 연구에서는 상용 구조해석 소프트웨어인 ABAQUS(Simulia, 2010)를 사용하였다. 비록 유한요소해석은 구조 엔지니어들과 연구자들이 주로 사용하는 정밀해석 방법이지만, 해석의 성격상 결과에 영향을 주는 다양한 변수가 존재할 수 있다.
본 연구에서는 건물의 성능평가를 위해 비선형 정적해석을수행하였으며 해석 프로그램은 Perform-3D(CSI, 2011)를 이용하였다. Pushover 패턴은 FEMA222A(FEMA, 1995)에 제시된 공식으로 정의하였고, Fig.
건물의 용도는 사무실이며, 지반조건은 견고한 지반으로 가정하였고, 반응수정계수(R)는 철골모멘트 골조에 해당하는 12를 적용하였다. 설계하중조합은 허용응력설계법에 따라 적용하였다.
각 부재들의 용접부는 파단의 발생 지점과 무관하여 별도로 물성치를 정의하지 않았고, 보와 기둥이 일체 거동하도록 모델링하였다. 실험체의 용접접근공은 AISC(2010)로부터 제시된 상세를 참고하였으며, 용접접근공의 상세가 접합부의 성능에 미치는 영향을 검증한 연구사례(Ricles et al., 2000)를 참고하여 모델링에 반영하였다.
해석모델은 실험과 유사한 조건으로서 보의 단부에 중력방향으로 변위제어를 이용해 가력하였다. 유한요소해석은 비선형해석 알고리즘인 Riks 방법(Simulia, 2010)을 적용하였고, 보의 횡좌굴 및 플랜지 국부과굴 모드를 반영하기 위해 고유치해석을 선행하였다.
해석모델의 메쉬(mesh)는 기존 보-기둥 접합부 연구에서 주로 사용되는 유한요소모델(El-Tawil et al., 1999)을 참고하여 모두 3차원 요소를 적용하였다. 메쉬 설정시 다소 복잡한 부분인 용접접근공의 전이각이 발생하는 부분을 쐐기(wedge)요소로 설정한 것을 제외하고, 전체 해석모델은 직육면체(brick)요소를 적용하였다.
해석 중 좌굴에 의한 강도의 저감을 고려하기 위해 고유치해석을 통해 얻은 예상좌굴모드를 해석모델에 반영하였다. 해석방법은 정적해석으로 진행되었고, 비선형 알고리즘은 불안정성에 의한 강도 저감 및 손실을 반영하기에 적합한 Riks방법(Simulia, 2010)을 적용하였다.
성능/효과
, 2008). 0.04rad의 층간변위각까지 보의 모멘트강도는 최대모멘트강도의 85%수준으로 유지하였다. 또한, 플랜지에서 국부 좌굴이 발생한 것이 발견되었다.
UBC94(ICBO, 1994) 기준에 의한 탄성 해석결과, 최대 층간변위비는 H/400(0.0097)를 만족하는 0.0027로 나타났으며, 보-기둥 접합부에서의 모멘트 비를 검토한 결과, 강 기둥-약보 개념을 만족하는 것을 알 수 있었다. 끝으로, 본건물에 대해 현재에 널리 쓰이고 있는 ASCE7-10(ASCE, 2010)기준의 지진하중을 적용하여, 각 설계 단면이 현 기준에도 적합함을 확인하였다.
0027로 나타났으며, 보-기둥 접합부에서의 모멘트 비를 검토한 결과, 강 기둥-약보 개념을 만족하는 것을 알 수 있었다. 끝으로, 본건물에 대해 현재에 널리 쓰이고 있는 ASCE7-10(ASCE, 2010)기준의 지진하중을 적용하여, 각 설계 단면이 현 기준에도 적합함을 확인하였다.
이에 따라, 동일한 층간 변위각이 발생할 시, 보 부재는 기둥이 수직일 때보다 큰 소성 변형률을 갖게 되기 때문에 보다 일찍 항복이 발생하거나 파단에 대한 잠재성이 커지게 된다. 둘째, 보에 추가된 축력에 의해 발생한 응력은 보의 휨에 의해 발생하는 압축응력과 인장응력을 증폭시키거나 감쇄시킬 수 있으며, 이는 좌굴의 발생 시점을 앞당기거나 늦출 수 있다.
14와 같이 경사기둥에 의해 보에 축 인장응력이 추가적으로 작용한 경우에는 수직기둥-보 접합부보다 더 큰 소성 변형률이 발생하였고, 압축응력이 작용한 경우에는 더 작은 크기의 소성 변형률이 발생하였다. 따라서 경사기둥에 의한 축력의 방향에 따라 보의 단면에 작용하는 휨 인장응력의 크기가 상쇄되거나 증폭됨을 알 수 있다. 또한, 경사기둥의 경사각이 커짐에 따라 이러한 경향이 커짐을 알수 있다.
앞에서 기술한 바와 같이, 경사기둥으로부터 보에 전달된 축력은 보의 웨브와 플랜지에 추가적인 변형률을 발생시키므로, 그에 따라 변형률이 집중되는 부분에서의 소성 변형률 역시 증폭되어 파단의 발생 가능성이 높아진다. 따라서 보-기둥 접합부가 동일한 층각변위각을 발현했을 경우 기둥의 경사각이 클수록 응력집중부에서의 PEEQ 값이 증가할 것으로 예상되었다.
9에 나타난 모멘트-층간변위각 관계도와 같이, 유한 요소해석 결과는 실제 실험의 결과와 유사하였다. 따라서 본 연구에 사용된 유한요소해석은 신뢰도 높은 결과를 제공하는 것으로 판단하였다.
12에서 볼 수 있듯이, 각 모델은 기둥이 경사진 방향 혹은 경사각의 유무에 따라 구분되었다. 또한, 각 경사기둥의 형태에 따라 보에 작용하는 추가적인 축 방향 응력의 방향이 변경되는 것을 반영 하여 각각 BC-T, BC-C, 그리고 BC-N으로 명명되었다. 경사기둥에 접합된 보는 기둥의 경사각에 따라 추가적으로 받는 축응력의 크기가 달라지므로, 본 해석에서는 이를 변수로 두고 해석을 수행하였다.
보-기둥 접합부의 유한요소해석을 수행한 결과, 경사기둥으로부터 전달된 보의 축력으로 인해 보의 좌굴 발생 시점이 영향을 받으며, 보의 인장 변형률이 집중되는 지점의 파단 잠재성이 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 또한, 경사기둥이 각각의 현상에 미치는 영향력은 경사각의 크기에 따라 증가할 수도 있고, 감소할 수도 있음을 보였다.
또한, 골조의 비선형 해석결과, 기존의 정형 골조에 대한 내진설계를 수행할 때보다 보수적인 강 기둥-약 보 개념을 적용해서 설계를 해야 함을 알 수 있다. 또한, 이를 통해 경사기둥의 기울기에 따른 기둥 모멘트 증폭계수를 산정해야 할 필요가 있음을 알 수 있었다.
보-기둥 접합부의 유한요소해석을 수행한 결과, 경사기둥으로부터 전달된 보의 축력으로 인해 보의 좌굴 발생 시점이 영향을 받으며, 보의 인장 변형률이 집중되는 지점의 파단 잠재성이 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 또한, 경사기둥이 각각의 현상에 미치는 영향력은 경사각의 크기에 따라 증가할 수도 있고, 감소할 수도 있음을 보였다.
본 실험체는 AISC(2010)에서 제시하고 있는 특수모멘트 접합부의 상세 및 성능 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 실험 데이터의 확보가 가능하였기에 해석모델로 적합하였다.
비선형 정적해석을 통해 경사기둥을 포함한 철골모멘트 골 조의 소성힌지 분포를 살펴본 결과, 경사기둥으로 인해 접합부에서 기둥에 추가적인 모멘트가 발생하기 때문에 보부재보다 기둥부재에 소성힌지가 먼저 생성되는 층이 발생하는 것을 볼 수 있었고, 이로 인해 모멘트 골조가 soft story의 발생 위험에 노출되는 것을 확인하였다.
8 미만의 RI 값을 나타냈다. 즉, 각 모델들이 동일한 층간변위각을 나타낼 시에 BC-T-20의 예상파단시점이 가장 이른 것으로 나타났으며, BC-C 모델들은 강도 저감이 이르게 나타나는 대신 파단의 위험성은 낮아질 것으로 판단되었다.
15와 같이 경사기둥으로부터 전달된 축력이 보에 작용함에 따라 RI 값이 변경되었다. 특히, BCT-20 모델은 BC-N 모델보다 0.015rad 만큼 앞당겨진 0.035rad에서 RI 값이 1에 도달하였고, BC-C-20 모델은 0.05rad에서도 0.8 미만의 RI 값을 나타냈다. 즉, 각 모델들이 동일한 층간변위각을 나타낼 시에 BC-T-20의 예상파단시점이 가장 이른 것으로 나타났으며, BC-C 모델들은 강도 저감이 이르게 나타나는 대신 파단의 위험성은 낮아질 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비정형 골조들이 경사기둥을 포함하는 이유는 무엇인가?
비정형 건축물들은 국가와 지역의 상징적인 건물로서 자리하고 있다. 대부분의 비정형 골조들은 보와 기둥의 직교성을 해체시키기 위한 목적으로 인해 경사기둥을 포함한다. 또한, 경사기둥의 경사각에 따라 건축물의 비틀림이나 꺾임이 발생하며, 건물 형상의 비정형성 및 건축적 심미성을 부각시킬 수 있다.
최근 진행되고 있는 건축 프로젝트는 무엇을 지향하고 있는가?
최근 진행되고 있는 건축 프로젝트는 기존의 정형적인 구조계획에서 벗어나 점차 복합적이고 다양한 형태를 지향하고 있다. 이와 같은 새로운 건축 트렌드 속에서, 비정형 건축물의 구조 시스템을 효율적으로 현실화하여 골조의 직교성을 해체시키는 기술에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다.
비정형 건축물에서 경사기둥은 접합된 보에 무엇을 전달하는가?
비정형 건축물의 중요한 구조적 특징 중 하나로 경사기둥의 빈번한 적용을 들 수 있다. 경사기둥은 접합된 보에 추가적으로 모멘트와 축력을 전달하므로, 이러한 현상이 골조 및 보-기둥 접합부의 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 실험 혹은 해석을 통해 검증할 필요가 있다. 그러나 수직기둥-보 접합부에 비하면 경사기둥-보 접합부에 대한 연구는 현재까지 충분한 연구가 이루어지지 않고 있는 실정이다.
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