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문제 정의
- 본 연구에서는 전단벽-커플링보 구조시스템 건물의 커플링보의 설계 시 시공성과 소성변형을 고려한 실용적인 커플링보의 설계방법을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 병렬전단벽 시스템에서 커플링보에 대한 최적설계방안을 제안하고, 커플링보가 가진 여러 구조적 영향인자들 중 벽체의 두께변화, 콘크리트의 강도변화, 커플링보의 강성저감 등 각각의 영향요소와 기여정도를 비교 검토하였다.
- CEN EC 3/1에서는 횡변위 제한 범위를 건물높이의 1/500로 제한하고 있고, 캐나다 기준에서도 상세해석을 하지 않는 한 1/500 이하로 할 것을 규정하고 있다. 본 연구에서는 수평변위의 제한 값을 CEN EC 3/1에서 규정하고 있는 H/500 기준으로 검토하였다. 본 논문에 적용되는 최상층 횡변위 허용값은 326.
- 이중골조시스템에서 코어벽체의 콘크리트 강도와 벽체 두께의 변화에 따른 최상층의 횡변위 변동을 분석하고, 각 경우에 대하여 커플링보의 휨모멘트와 전단력의 변화를 분석하였다.
- 해석프로그램으로는 MIDAS GEN[9]을 이용하였고, 이를 통한 해석결과로부터 각각의 해석모델들의 최상층 횡변위를 허용기준과 비교하여 검토하였다. 최상층 횡변위의 허용기준으로는 CEN EC 3/1에서 규정하고 있는 횡변위 허용 범위(H/400 ～H/500)를 기준으로 비교하고 분석하였으며, 이를 통하여 대상 건물의 설계에 적합한 커플링보의 강성감소 및 실용적인 설계법을 연구하였다.
- 해석모델은 벽체와 기둥의 콘크리트 강도와 벽체두께의 영향을 분석하기 위하여 다양화하여 Table 3과 같이 6가지로 분류하였다. 해석프로그램으로는 MIDAS GEN[9]을 이용하였고, 이를 통한 해석결과로부터 각각의 해석모델들의 최상층 횡변위를 허용기준과 비교하여 검토하였다.
대상 데이터
- 건물의 주요 구조체를 이루는 강재는 SM490을 사용하였으며, 슬래브와 보에 사용된 콘크리트 강도는 30MPa이고, 철근은 HD25이상은 500MPa, HD22이하는 400MPa의 항복강도를 가지는 철근을 사용하였다(Table 2 참조).
- 본 연구에서 사용한 해석모델은 철골모멘트골조 와 철근콘크리트 전단벽으로 구성된 이중골조시스템으로서 Fig. 2와 같이 좌측에 계단실과 엘리베이터 코어를 배치한 40층(166m) 규모의 건물이다. 평면의 형태는 X축 방향으로 3개의 베이를 가지고, Y 축방향으로 4개의 베이를 가지며, 철근콘크리트 코어는 편심코어이다[4].
데이터처리
- 해석모델은 벽체와 기둥의 콘크리트 강도와 벽체두께의 영향을 분석하기 위하여 다양화하여 Table 3과 같이 6가지로 분류하였다. 해석프로그램으로는 MIDAS GEN[9]을 이용하였고, 이를 통한 해석결과로부터 각각의 해석모델들의 최상층 횡변위를 허용기준과 비교하여 검토하였다. 최상층 횡변위의 허용기준으로는 CEN EC 3/1에서 규정하고 있는 횡변위 허용 범위(H/400 ～H/500)를 기준으로 비교하고 분석하였으며, 이를 통하여 대상 건물의 설계에 적합한 커플링보의 강성감소 및 실용적인 설계법을 연구하였다.
성능/효과
- 1) 커플링보의 부재력은 LB11, LB14부재에서 다른 LB12, LB13부재보다 2배 이상의 모멘트 및 전단력이 작용하는 것으로 분석되었으며, 커플링보의 부재력은 6개 모델 모두 40층 건물에서 10층~15층을 전후한 구간 즉 건물높이의 25%~40% 구간에서 가장 높게 발생하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- 2) 벽체두께가 증가할수록 코어내부의 커플링보의 부재력은 점차 증가하는 것으로 확인되었다. 벽체두께 100㎜ 변화에 따라 커플링보의 부재력증가는 약 3~4% 정도 인 것으로 분석되었으며, 벽체의 콘크리트 강도가 기존 300MPa에서 400MPa로 변경되었을 경우 커플링보의 부재력은 약 3%정도 저하되는 것으로 나타났다.
- 3) 커플링보의 초기 부재력은 요구되는 부재력의 2배 이상 초과하는 것으로 검토되어, 강성을 인위적으로 저감시켜 요구되는 설계 값에 도달하도록 해석을 실시한 결과 초기 발생수준의 약 80%정도 저감되었을 때 요구 설계 값에 도달하였다.
- 4) 강성감소에 따른 부재력 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다. 또한 강성감소에 따른 부재력 감소비를 적용한다면 해석 전 요구 설계조건을 반영하여 강성저하 범위를 수치적으로 예측 할 수 있을 것으로 예상된다.
- 5) 해석결과 설계요구 조건에 만족하는 강성 감소비는 80%이며, 모멘트 감소비는 40%~60%로 분석되었다. LB11, LB14부재의 강성 감소분의 흡수로 인해 LB12, LB13 부재는 부재력이 증가하는 것으로 나타났으며, 증가비율은 20%~60% 정도로서 설계가능범위에 포함되는 것으로 분석된다.
- Fig. 4에 나타난 바와 같이 횡변위는 벽체두께가100㎜ 두꺼워질 때 발생변위 대비 약 8%~10%의 변화가 발생하였으며, 횡변위발생량은 허용 횡변위의 68%~87%정도로서 설계기준에 적합함을 확인하였다. 콘크리트 강도 변화에 따른 횡변위는 변화정도는 변위발생 값의 약 4%(12㎜)의 강성감소 효과가 있는 것으로 분석되었다.
- Fig. 6에 나타난 바와 같이 커플링보의 부재력은 LB11, LB14부재에서 다른 LB12, LB13부재보다 2배 이상의 모멘트 및 전단력이 작용하는 것으로 분석되었으며, 커플링보의 부재력(Mu, Vu)은 6개 모델 모두 40층 건물에서 10층~15층을 전후한 구간 즉 높이로는 163m 중 35m~59m 구간에서 가장 높게 발생하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- 5) 해석결과 설계요구 조건에 만족하는 강성 감소비는 80%이며, 모멘트 감소비는 40%~60%로 분석되었다. LB11, LB14부재의 강성 감소분의 흡수로 인해 LB12, LB13 부재는 부재력이 증가하는 것으로 나타났으며, 증가비율은 20%~60% 정도로서 설계가능범위에 포함되는 것으로 분석된다.
- LB12 커플링보는 강성감소없이 MODE 1에서 설계요구조건에 만족하는 것으로 검토되었으나, LB11, LB14부재의 강성 감소분의 흡수로 인해 LB12 부재는 부재력이 증가하는 것으로 분석되었다. 모멘트의 증가비율은 23%~63%로 증가비가 대체로 일치하고 있음이 분석되었다.
- LB13 커플링보는 강성감소없이 설계요구조건에 만족하는 것으로 검토되었으나, LB11, LB14부재의 강성 감소분의 흡수로 인해 LB13 부재는 부재력이 점차 증가하는 것으로 분석되었다. LB14 커플링보의 설계요구조건에 만족하는 강성감소비는 85%이며, 모멘트 감소비는 43%~69%로 나타났으며, 전단력 감소비는 1%~71%로 변동성이 크게 나타났다.
- LB13은 코어의 외측 중앙부에 위치한 보 부재로서 최초 해석시 부재력은 설계요구조건에 만족하는 것으로 검토되어 부재의 강성저하가 필요치 않았으나, LB11, LB14부재의 강성저하 분을 흡수하여 점차 모멘트가 증가하고 있는 것으로 검토되었다.
- LB13 커플링보는 강성감소없이 설계요구조건에 만족하는 것으로 검토되었으나, LB11, LB14부재의 강성 감소분의 흡수로 인해 LB13 부재는 부재력이 점차 증가하는 것으로 분석되었다. LB14 커플링보의 설계요구조건에 만족하는 강성감소비는 85%이며, 모멘트 감소비는 43%~69%로 나타났으며, 전단력 감소비는 1%~71%로 변동성이 크게 나타났다. 따라서 모멘트 감소비는 타 모델링에 적용하여 커플링보의 강성감소에 따른 모멘트 값을 예측할 수 있을 것으로 분석되었다.
- 즉 커플링보의 강성을 80% 줄였을 때 모멘트는 최초모멘트의 41%~60%로 나타났다. 강성감소에 따른 모멘트 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다. 전단력 감소비는 55%~62%로 분석되었으며, 전단력에 대한 감소비 차이는 건물의 장변비와 관련성이 있을 것으로 예측된다.
- 강성감소에 따른 부재력 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다. 또한 강성감소에 따른 부재력 감소비를 적용한다면 해석 전 요구 설계조건을 반영하여 강성저하 범위를 수치적으로 예상 할 수 있을 것으로 추측된다.
- 따라서 건물전체의 안전성이나 사용성 제한 등에 큰 문제가 없다면 커플링 보 부재의 유효강성을 낮추어 커플링보에 작용하는 작용력을 저감시킴으로서 커플링보의 유효강성 저감의 범위 및 부재별 요구 설계조건에 만족할 때까지 Table 5와 같이 반복해석을 실시하였다. 그 결과 MODE5와 같이 LB11과 LB14에서는 강성을 20%, LB12에서는 80%로 감소시켜 설계조건을 만족하였다.
- LB14 커플링보의 설계요구조건에 만족하는 강성감소비는 85%이며, 모멘트 감소비는 43%~69%로 나타났으며, 전단력 감소비는 1%~71%로 변동성이 크게 나타났다. 따라서 모멘트 감소비는 타 모델링에 적용하여 커플링보의 강성감소에 따른 모멘트 값을 예측할 수 있을 것으로 분석되었다.
- 벽체두께가 증가 할수록 코어내부의 커플링보의 부재력은 점차 증가하는 것으로 확인되었다. 벽체두께 100㎜변화에 따라 커플링보의 부재력증가는 약 3~4% 정도 인 것으로 분석되었으며, 벽체의 콘크리트 강도가 기존 300MPa에서 400MPa로 변경되었을 경우 커플링보의 부재력은 약 3%정도 저하되는 것으로 나타났다.
- 벽체두께가 증가 할수록 코어내부의 커플링보의 부재력은 점차 증가하는 것으로 확인되었다. 벽체두께 100㎜변화에 따라 커플링보의 부재력증가는 약 3~4% 정도 인 것으로 분석되었으며, 벽체의 콘크리트 강도가 기존 300MPa에서 400MPa로 변경되었을 경우 커플링보의 부재력은 약 3%정도 저하되는 것으로 나타났다.
- 벽체두께가 증가 할수록 코어내부의 커플링보의 부재력은 점차 증가하는 것으로 확인되었다. 벽체두께 100㎜변화에 따라 커플링보의 부재력증가는 약 3~4% 정도 인 것으로 분석되었으며, 벽체의 콘크리트 강도가 기존 300MPa에서 400MPa로 변경되었을 경우 커플링보의 부재력은 약 3%정도 저하되는 것으로 나타났다.
- 강성감소에 따른 모멘트 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다. 전단력 감소비는 55%~62%로 분석되었으며, 전단력에 대한 감소비 차이는 건물의 장변비와 관련성이 있을 것으로 예측된다.
- 7에 나타난 바와 같이 LB11 커플링보의 설계요구조건에 만족하는 모델은 강성감소비는 80%이며, 모멘트 감소비는 41%~60%로 감소비가 대체로 일치하는 것으로 분석되었다. 즉 커플링보의 강성을 80% 줄였을 때 모멘트는 최초모멘트의 41%~60%로 나타났다. 강성감소에 따른 모멘트 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다.
- 4에 나타난 바와 같이 횡변위는 벽체두께가100㎜ 두꺼워질 때 발생변위 대비 약 8%~10%의 변화가 발생하였으며, 횡변위발생량은 허용 횡변위의 68%~87%정도로서 설계기준에 적합함을 확인하였다. 콘크리트 강도 변화에 따른 횡변위는 변화정도는 변위발생 값의 약 4%(12㎜)의 강성감소 효과가 있는 것으로 분석되었다. Fig.
후속연구
- 강성감소에 따른 부재력 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다. 또한 강성감소에 따른 부재력 감소비를 적용한다면 해석 전 요구 설계조건을 반영하여 강성저하 범위를 수치적으로 예상 할 수 있을 것으로 추측된다.
- 4) 강성감소에 따른 부재력 감소비는 저층에서 더 큰 것으로 나타나 강성 감소를 전층에 일괄 적용할 필요성은 없는 것으로 파악되었다. 또한 강성감소에 따른 부재력 감소비를 적용한다면 해석 전 요구 설계조건을 반영하여 강성저하 범위를 수치적으로 예측 할 수 있을 것으로 예상된다.
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