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경사기둥을 포함한 철골모멘트 골조 및 접합부의 성능평가
Performance Evaluation of Steel Moment Frame and Connection including Inclined Column 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.26 no.3, 2013년, pp.173 - 182  

김용완 ((주)창민우구조컨설탄트) ,  김태진 ((주)창민우구조컨설탄트) ,  김종호 ((주)창민우구조컨설탄트)

초록
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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 비선형해석유한요소해석을 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (15)

  1. American Institute of Steel Construction (AISC) (2010) Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, AISC, Chicago, IL, p.158. 

  2. American Society of Civil Engineers (ASCE) (2010) ASCE/SEI 7-10 Minimum Design Loads for Building and Other Structures, ASCE, Reston, VA, p.608. 

  3. Architectural Institute of Korea (AIK) (2010) Korean Building Code 2009 (KBC 2009), AIK, Seoul, p.772. 

  4. Computers and Structures, Inc. (CSI) (2005) ETABS Integrated Building Design Software User's Guide, CSI, Berkeley, CA, p.78. 

  5. Computers and Structures, Inc. (CSI) (2011) Perform 3D Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structures User Guide Version 5, CSI, Berkeley, CA, p.333. 

  6. El-Tawil, S., Mikesell, T., Vidarsson, E. and Kunnath, S. K. (1998) Strength and Ductility of FR Welded-Bolted Connections, SAC Joint Venture, Report No. SAC/BD-98/01, Sacramento, CA, p.135. 

  7. Federal Emergency Management Agency (FEMA) (1995) NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings, Part 1, Provisions, FEMA-222A, FEMA, Washington, DC, p.290. 

  8. Gupta, A., Krawinkler, H. (1999) Seismic Demands for Performance Evaluation of Steel Moment Resisting Frame Structures, The John A. Blume Earthquake Engineering Center, Report No.132, p.368. 

  9. Hancock, J.W., Mackenzie, A.C. (1976) On the Mechanism of Ductile Failure in High-Strength Steels Subjected to Multi-Axial Stress States, Journal of Mech, Phys. Solids, 24, pp.147-169. 

  10. International Conference of Building Official (ICBO) (1994) Uniform Building Code 1994, 2, ICBO, Whittier, CA, p.1339. 

  11. Kim, Y., Kim, S., Kim, T. (2011) Analytical Study on Structural Behavior of Beam-column Connections with Inclined Columns, Proceeding of the 22nd Annual Conference, Korean Society of Steel Construction, pp.141-142. 

  12. Kim, T., Park, J.W., Cho, J. H., Kim, H.D. (2008) Seismic Performance Evaluation of Welded Beam- Column Connections Fabricated with SHN Steel Sections, Journal of Korean Society of Steel Construction, 20(6), pp.829-838. 

  13. Kwon, G., Park, J., Yoon, S., Kim, T., Lee, J. (2012) Behavior of Reinforced Concrete Inclined Column-Beam Joints, Journal of the Korea Concrete Institute, 24(2), pp.147-156. 

  14. Ricles, J.M., Mao, C. Lu, L.-W., Fisher, J.W. (2000) Development and Evaluation of Improved Details for Ductile Welded Unreinforced Flnage Connections, Report No.SAC/BD-00/24, SAC Joint Venture, Sacramento, CA, p.430. 

  15. Simulia (2010) ABAQUS 6.11 Analysis Manual, 2, Dassault Systemes, Simulia Corp., Providence, RI, p.1349. 

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