[논문]목조 구조물 접합부의 강성에 대한 근사평가를 위한 해석모델

조소훈; 이헌우; 박문재; 김태진; 김종호

doi:10.7734/coseik.2015.28.1.93

초록
AI-Helper

현대 목조 구조물은 일반적으로 접합철물인 연결재를 이용하여 접합된다. 그리고 목조 구조물에서 다수의 연결재를 사용한 접합부는 반강접 접합부를 만든다. 목조 구조물에 접합부가 핀접합으로 설계될 경우에 접합부를 통해 전달되는 하중이 과소 평가되고 이것은 접합부의 저항능력 부족을 초래한다. 목조 구조물의 접합부를 완전 강접합으로 고려할 경우에 접합에 필요한 접합철물의 양이 과도하게 증가 할 수 있다. 이것은 미적인 요소 뿐만 아니라 시공성과 경제성을 저하시킨다. 접합부의 합리적인 강성에 대한 추정은 목조 구조물의 합리적인 접합부의 설계에 필수적인 요소이다. 이 논문은 목조 구조물의 구조설계를 쉽게 수행할 수 있도록 도움을 주기 위하여 2면 전단접합에 대하여 구조설계에서 널리 이용되는 상용 프로그램을 사용하여 접합부의 근사적인 강성을 나타낼 수 있는 해석 모델링 기법을 제안한다. 제안된 근사해석 모델링 기법은 휨 모멘트, 인장에 대한 실험 결과와 해석결과를 비교하여 접합부의 거동을 나타낼 수 있다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Modern wooden structures usually are connected with steel fastener type connectors. And joints using multiple connectors in wooden structures will form semi-rigid connection. If connection in wooden structure would be designed to be pinned joint, the underestimate for loads transmitted through conne...

Modern wooden structures usually are connected with steel fastener type connectors. And joints using multiple connectors in wooden structures will form semi-rigid connection. If connection in wooden structure would be designed to be pinned joint, the underestimate for loads transmitted through connection, would result in the deficient capacity of resistance in connection. And if joints in wooden structures would be assumed to be fully-rigid joint, amount of fasteners needed at the connection could be excessively increased. It will give a bad effect in the view of beauty, constructability and economy. Estimate for the reasonable stiffness of connection might be essential in design of reasonable connection in wooden structure. This paper will suggest analysis modelling technique that can represent approximate stiffness of connections using a common analysis program for double shear connection in order to give help in performing easily the design of wooden structure. It is verified that the suggested approximate analysis modelling technique could represent the behavior in connection by comparing the analysis results with test results for tensile, bending moment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서 반강접 접합부에 대한 해석 모델의 타당성을 검증하기 위하여 인장력을 전달하는 접합부와 휨 모멘트를 전달하는 접합부에 대하여 실험결과가 소개된 접합상세를 대상으로 접합부에서의 강성을 비교하였다.
본 논문에서는 Fig. 4로부터 유추하여 파괴모드에 따른 2면 전단접합인 볼트에 가해지는 하중분포를 Fig. 5와 같이 제시하고 제시된 하중분포에 근거하여 볼트의 변형을 예측하여 접합부의 거동도 근사적으로 재현하고자 한다.
그리고 목조구조물의 설계에서 모든 접합부에 대하여 유한요소해석이 요구된다면 설계비용이 늘어날 뿐만 아니라 요구되는 설계일정도 길어지게 되어 목조 구조물의 활성화에 장애물로 작용할 것이다. 본 논문에서는 목조 구조물의 설계를 보다 쉽게 접근할 수 있고 목조 구조물의 보급에도 도움이 될 수 있도록 2면 전단 접합 이음상세에 대하여 건축 구조물의 설계에 널리 이용되는 상용 해석프로그램을 이용하여 접합부의 강성을 합리적으로 표현할 수 있는 해석모델 및 방법을 제안하고자 한다.
볼트의 변형은 볼트의 지름 및 배치와 밀접한 관계가 있으므로 Smith 등(2006)가 제시한 것과 같이 부재의 중심선을 연결하는 접합부의 모든 볼트를 모델링하고 볼트의 탄성계수를 볼트에 가해지는 하중분포를 합리적으로 적용하면 실험을 통하지 않고서 볼트의 변형을 근사적으로 재현할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 볼트의 탄성계수를 합리적으로 결정하기 위하여 다음과 같은 절차를 제시한다.
목조 구조물에서 접합부에 작용하는 하중은 일반적으로 탄성해석에 근거하여 산정되므로 목조 구조물의 탄성영역에서의 거동을 합리적으로 재현하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 실무에서 널리 사용하는 프로그램을 이용하여 보다 편리하게 목조 구조물의 반강접 접합부의 강성을 근사해석에 의하여 예측할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

20에 나타나 있다. 실험체에 대한 목재 직각방향의 탄성계수에 대한 정보는 없었기 때문에 Table 1에 있는 것과 유사한 비율을 가지도록 섬유길이방향의 탄성계수의 1/45배를 곱하여 섬유직각방향의 탄성계수를 가정하였다.

제안 방법

Table 4에 따르면 실험체에 적용된 접합부는 주부재의 지압강도에 의해 허용내력이 결정되므로 볼트의 치환강성을 추정하기 위하여 Fig. 19와 같은 응력분포를 가진 하중이 볼트에 가해졌을 때 부재 중앙에서의 변형(d_d)을 구하였다.
다음으로 Fig. 7과 같이 중앙 집중하중이 작용할 때의 변형(d_c)을 산정한 후에 변형비(d_c/d_d)를 강재의 탄성계수에 곱하여 볼트의 치환탄성계수를 산정하였다. 이와 같은 방법으로 산정한 볼트의 치환탄성계수를 Fig.
다음으로 중앙 집중하중을 받을 경우의 볼트 변위(d_c)를 구하고 강재의 탄성계수 E_s에 d_c/d_d를 곱하여 볼트의 치환탄성계수를 산정한 후에 Fig. 8에 나타난 것과 같은 방법으로 접합부를 모델링한다. 이와 같은 방법으로 실험체 6H에 대하여 모델링한 것이 Fig.
본 논문에서 제안된 방법으로 접합부를 근사해석 하기 위해서는 먼저 KBC09 기준에 따라 볼트의 접합부의 내력을 산정하여야 하는데 볼트재료에 대한 자료와 목재의 비중에 대한 자료가 없었기 때문에 본 논문에서는 볼트 재료로 SS400을 가정하고 탄성계수가 12.42로 아주 높은 편이기 때문에 KBC-09기준에서 정의한 가장 큰 목재 비중인 0.55를 적용하여 내력을 구하였다. 파괴모드에 따른 볼트의 허용내력은 Table 4에 나타나 있다.
2와 같이 목재가 볼트의 탄성기초로 거동하는 것으로 가정하고 탄성기초를 제외하고는 일반 보와 동일한 유사한 조건이므로 보에서와 같은 방법으로 하중 및 변형에 대한 미분방정식을 도출하고 이에 대한 일반해를 구하여 볼트에 작용하는 하중을 산정하였다. 이 때 볼트의 경계조건에 대해서는 볼트와 와셔로부터 구속력이 고려되는 경우와 볼트와 와셔로부터의 구속력이 없는 경우에 대하여 각각 해를 구하였다.
1과 같은 방법을 이용하여 해석하는 모델을 제안하였다. 이 모델에서는 접합부의 변형을 반영하기 위하여 부재 중심축을 연결하는 접합철물을 모델링하고 접합철물의 탄성계수를 변화시킴으로써 접합부의 강성을 나타낼 수 있도록 모델링하였다.
파괴모드는 측면부재인 목재의 지압파괴인 Mode I_s에 의하여 전단내력이 결정되므로 이 때 대응되는 응력분포는 Fig. 10과 같이 적용하여 부재 중앙에서의 변형(d_d)을 구하였다. 이 때 철판의 경우에는 두께가 얇기 때문에 응력분포의 변화가 볼트 변형에 주는 영향이 미미하므로 균등한 것으로 적용하였다.

대상 데이터

4mm 지름의 볼트가 삽입되었다. 목재의 종류는 Shorea obtusa가 사용되었다. Shorea obtusa 수종에 대한 탄성계수는 Eratodi 등(2006)을 참조하여 12.
먼저 실험체 목재부재의 폭은 150mm이고 두께는 110mm이고, 10mm 두께를 가진 150mm폭의 철판이 연결철물로 삽입된다. 볼트 간격과 끝단의 길이는 모두 112mm이고 목재의 길이방향으로 하중이 작용하였으며, 직경이 16mm인 볼트를 사용하였다. 실험에 사용된 목재의 특성은 Table 1에 나타나 있다.
제안된 방법을 적용하기 위하여 먼저 볼트의 파괴 모드 및 볼트 1개의 허용내력을 KBC-09기준에 따라서 산정한 결과가 Table 2에 나타나 있다. 볼트의 내력을 산정할 때 목재의 비중은 Table 1에 의하면 약간의 편차가 있지만 본 검토에서는 일괄적으로 0.43을 사용하였고 사용된 볼트는 class 8.8(항복강도 f_yb=826MPa)을 사용하였고 연결철판은 Fe 510(항복강도 f_ys=432MPa)을 적용하였다.
실험체의 주구조재는 34mm 두께에 200mm 높이를 가진 목재이고 연결부재도 주구조재와 동일한 34mm 두께의 목재가 사용되었다. 볼트 구멍지름 13mm에 12.

데이터처리

인장력을 전달하는 볼트 접합상세에 대하여 제안된 방법의 유효성을 검증하기 위하여 Gattesco 등(2004)에 의하여 수행된 실험체에 대하여 제안된 방법으로 해석한 결과와 실험 결과값을 비교하였다. 먼저 실험체 목재부재의 폭은 150mm이고 두께는 110mm이고, 10mm 두께를 가진 150mm폭의 철판이 연결철물로 삽입된다.

이론/모형

목재의 종류는 Shorea obtusa가 사용되었다. Shorea obtusa 수종에 대한 탄성계수는 Eratodi 등(2006)을 참조하여 12.42GPa을 사용하여 근사해석모델에 적용하였다.
휨 모멘트를 전달하는 접합상세의 강성을 근사해석모델을 이용하여 평가할 때의 타당성을 검토하기 위하여 Awaludin 등(2007)에 소개된 실험체를 대상으로 근사해석모델을 적용하였다.

성능/효과

(1) 본 논문에서 사용된 예제 구조물에 대하여 제안된 방법으로 목구조물을 해석할 때 예상 오차는 약 40%까지 발생하는 것으로 검토되었다. 이러한 오차는 균질한 공장생산 제품인 강재구조물에 대해서는 상당히 큰 오차이지만 불확실한 요소가 많은 목재의 특성을 감안하면 목조 구조물의 접합부 거동을 근사적으로는 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 목재의 경우 수종 및 환경에 따라서도 특성이 다르고 실험결과에서의 편차도 상당히 크다. 본 논문에서는 해외에서 수행된 제한된 실험결과만을 참조하여 근사해석모델의 타당성을 검토하였는데 근사해석모델을 국내 목조 구조물에 설계에 적용하기 위해서는 국내 목재를 적용한 접합부에 대해서도 근사해석모델의 타당성에 대한 추가적인 검증이 필요해 보인다.
Table 3을 보면 K, L 유형(Type)은 근사해석결과가 실험치에 의한 값보다 강성을 약 10%정도 과소평가하는 것으로 검토되었고 M, N, S 유형은 과대평가하고 오차율도 약 40%까지 증가하는 것으로 나타났다. 그런데 실험값은 각각의 유형에 대하여 5개의 실험결과에 대한 평균값을 나타내는 것인데 Fig.
즉 목재의 경우에는 품질의 편차 및 여러 가지의 불확실성을 고려하여 강재보다 40% 이상의 안전율을 추가로 요구하고 있는 것을 볼 수 있다. 그러므로 본 논문에서 제시한 근사해석모델이 실험 결과와 최대 40%정도의 오차를 보이고 있지만 목재의 편차를 고려하면 목조 구조물의 거동을 근사적으로는 나타내고 있는 것으로 보인다.
근사해석은 목재와 다우얼이 접촉하는 부분에서의 지압강성을 무시하기 때문에 실제보다 강성이 약간 적게 나올 것으로 예상되는데 K, L 유형은 예상과 같은 결과를 보여주지만 M, N, S 유형은 근사해석결과가 강성을 과대평가하면서 오차율이 커지는 것으로 검토되었다. 이것은 M, N, S 유형의 실험체는 실험체의 길이가 길어지면서 목재의 옹이, 갈라짐 등 목재의 균질하지 못한 성질이 강성에 영향을 주면서 실험체간 편차도 커지면서 강성도 줄어드는 것으로 예상된다.
이것은 M, N, S 유형의 실험체는 실험체의 길이가 길어지면서 목재의 옹이, 갈라짐 등 목재의 균질하지 못한 성질이 강성에 영향을 주면서 실험체간 편차도 커지면서 강성도 줄어드는 것으로 예상된다. 즉, K, L 유형의 실험결과와 근사해석결과에 근거하면 본 연구에서 제안한 근사해석방법이 실제 목재의 거동을 근사적으로 나타낼 수 있는 것으로 볼 수 있다. 다만 약간의 강성저하는 목재와 볼트가 접촉하는 부분의 지압강성을 무시함으로써 발생한 것으로 예상된다.

후속연구

볼트의 재료인 강재에 비하면 목재의 탄성계수는 월등히 작을 뿐만 아니라 목재인 경우에는 볼트를 통해 집중응력을 받을 때 지압부에서의 변형이 목재의 탄성상태에서 보다 훨씬 커지는 특성이 있다. 그러므로 목재의 지압강성을 무시하고 볼트에 작용하는 하중분포 및 경계조건을 합리적으로 추정할 수 있다면 볼트의 변형을 산정할 수 있을 것이다. 1면 전단접합에 대하여 Awaludin(2005)는 파괴 모드에 따라서 볼트에 가해지는 하중의 분포형상을 Fig.
(2) 목재의 경우 수종 및 환경에 따라서도 특성이 다르고 실험결과에서의 편차도 상당히 크다. 본 논문에서는 해외에서 수행된 제한된 실험결과만을 참조하여 근사해석모델의 타당성을 검토하였는데 근사해석모델을 국내 목조 구조물에 설계에 적용하기 위해서는 국내 목재를 적용한 접합부에 대해서도 근사해석모델의 타당성에 대한 추가적인 검증이 필요해 보인다.
목조 구조물의 접합부의 변형은 크게 목재의 변형과 볼트의 변형으로 구분할 수 있다. 볼트의 변형은 볼트의 지름 및 배치와 밀접한 관계가 있으므로 Smith 등(2006)가 제시한 것과 같이 부재의 중심선을 연결하는 접합부의 모든 볼트를 모델링하고 볼트의 탄성계수를 볼트에 가해지는 하중분포를 합리적으로 적용하면 실험을 통하지 않고서 볼트의 변형을 근사적으로 재현할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 볼트의 탄성계수를 합리적으로 결정하기 위하여 다음과 같은 절차를 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목조 구조물에서 접합부를 강접합으로 가정할 경우 발생하는 문제는 무엇인가?	일반적으로 목조 구조물에서 접합부를 강접합으로 가정할 경우에 접합부에 작용하는 하중이 너무 커서 과대 설계가 되기 쉽다. 그리고 접합부를 핀 접합으로 가정할 경우에는 접합부에 실제로 작용하는 하중보다 과소평가함으로써 접합부가 취약해지기도 한다.
	목조 구조물에서 접합부를 핀 접합으로 가정할 경우 어떤 문제가 발생할 수 있는가?	일반적으로 목조 구조물에서 접합부를 강접합으로 가정할 경우에 접합부에 작용하는 하중이 너무 커서 과대 설계가 되기 쉽다. 그리고 접합부를 핀 접합으로 가정할 경우에는 접합부에 실제로 작용하는 하중보다 과소평가함으로써 접합부가 취약해지기도 한다. 접합부의 합리적인 설계를 위해서는 접합부의 강성에 기인한 작용하중을 산정하는 것이 우선되어야 한다.
	접합부의 합리적인 설계를 위해 필요한 것은 무엇인가?	그리고 접합부를 핀 접합으로 가정할 경우에는 접합부에 실제로 작용하는 하중보다 과소평가함으로써 접합부가 취약해지기도 한다. 접합부의 합리적인 설계를 위해서는 접합부의 강성에 기인한 작용하중을 산정하는 것이 우선되어야 한다. 특히 대단면 부재가 적용되는 구조물처럼 접합부에 작용하는 하중이 큰 경우에서는 보다 정밀하고 합리적이고 정밀한 해석 및 설계기법이 요구된다.

참고문헌 (11)

Awaludin, A. (2005) Moment Resistance Analysis on Various Configuration of Multiple-Bolt Timber Connection using Beam on Elastic Foundation Theory and Rigid Plate Assumption, 13, Media Komunikasi Teknik Sipil, pp.57-62.
Awaludin, A. (2005) Safety Factor of Timber Bolted-Connection Designed with SNI-5(2002), J. Teknik Sipil, 12, pp.87-92.
Awaludin, A., Smittakorn, W., Hayashikawa. T., Hirai, T. (2007) M- ${\theta}$ Curve of Timber Connection with Various Bolt Arrangements Under Monotonic Loading, J. Struct. Eng., 53A, pp.853-862.
Eratodi, I.B., Triwiyono, A., Awaludin, A., Prayitno, D.T. (2013) Perilaku Kekanik Sambungan Struktur Bambu Laminasi Menggunakan Pelat dan Paut, Konferensi Nasional Teknik Sipil, 7, pp.91-98.
Gattesco, N., Toffolo, I. (2004) Experimental Study on Multiple-Bolt Steel-to-Timber Tension Joints, Mater. & Struct., 37, pp.129-138.

상세보기
Hwang, K., Homatsu, K. (2002) Bearing Properties of Engineered Wood Products I: Effects of Dowel Diameter and Loading Direction, J. Wood Sci., 48, pp.295-301.

상세보기
Lee, D.G. Cho, S.H. Park, C.H. (2004) The Analytical Model Considering the Deformation of Panel Zone with Linear Element, Conf. Proc. Korea Comput. Struct. Eng., 17, pp.293-300.
Schneider, S.P., Amidi, A. (1998) Seismic Behavior of Steel Frames with Deformable Panel Zones, J. Struct. Eng., 124, pp.35-42.

상세보기
Shim, N.H., Kim, D.K., Park, Y.S. (2012) An Experimental Study for Structural Performance Evaluation of Timber Truss Bridge, Journal of Korean Society of Civil Engineers, 60, pp.56-66.
Smith, I., Asiz, A., Snow, M. (2006) Design Method for Connections in Engineered Wood Structures, Faculty of Forestry and Environmental Management University of New Brunswick, Fredericton, pp.58-66.
Tsai, K.C., Popov, E.P. (1990) Seismic Panel Zone Design Effect on Elastic Story Drift in Steel Frames, J. Struct. Eng., 116, pp.3285-3301.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

목조 구조물 접합부의 강성에 대한 근사평가를 위한 해석모델
Analysis Model for Approximate Evaluation of Stiffness for Semi-Rigid Connection of Wooden Structures 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

목조 구조물 접합부의 강성에 대한 근사평가를 위한 해석모델 Analysis Model for Approximate Evaluation of Stiffness for Semi-Rigid Connection of Wooden Structures 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

조소훈 (3) 이헌우 (1) 박문재 (16) 김태진 (14) 김종호 (18)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

목조 구조물 접합부의 강성에 대한 근사평가를 위한 해석모델
Analysis Model for Approximate Evaluation of Stiffness for Semi-Rigid Connection of Wooden Structures 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper