C형 및 H형 단면의 구조벽체는 고층 건물에서 횡력저항시스템으로 널리 이용된다. 이러한 이형벽체는 축력과 함께 x축 및 y축에 대한 2방향 휨모멘트를 동시에 받으므로, 안전한 벽체설계를 위해서는 휨-압축 상호작용을 정확히 고려해야 한다. 이 연구에서는, 대칭단면을 갖는 기둥을 위하여 개발된 기존 등하중법을 수정하여, 2방향으로 재하된 C형 및 H형 벽체를 위한 근사설계방법을 제안하였다. 다양한 단면형상을 갖는 이형벽체에 대하여 2방향 모멘트강도를 계산할 수 있는 단면해석 프로그램을 개발하고, 실험결과와 비교를 통하여 프로그램의 정확성을 검증하였다. 또한 개발한 프로그램을 사용한 변수연구를 통하여, C형 및 H형 이형벽체 단면에 대한 2축 상호작용 특성을 분석하였다. 분석 결과, C형 및 H형 이형벽체의 2축 상호작용은 모멘트 방향과 압축력 크기에 의하여 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 변수연구를 통하여 일정한 압축력에서 2축 모멘트강도의 상관관계를 나타내는 정규화된 컨투어 설계식을 제안하였다. 또한 실무에서 쉽게 활용할 수 있도록, 제안된 컨투어 설계식을 사용한 이형벽체 설계절차와 설계예제를 제시하였다.
C형 및 H형 단면의 구조벽체는 고층 건물에서 횡력저항시스템으로 널리 이용된다. 이러한 이형벽체는 축력과 함께 x축 및 y축에 대한 2방향 휨모멘트를 동시에 받으므로, 안전한 벽체설계를 위해서는 휨-압축 상호작용을 정확히 고려해야 한다. 이 연구에서는, 대칭단면을 갖는 기둥을 위하여 개발된 기존 등하중법을 수정하여, 2방향으로 재하된 C형 및 H형 벽체를 위한 근사설계방법을 제안하였다. 다양한 단면형상을 갖는 이형벽체에 대하여 2방향 모멘트강도를 계산할 수 있는 단면해석 프로그램을 개발하고, 실험결과와 비교를 통하여 프로그램의 정확성을 검증하였다. 또한 개발한 프로그램을 사용한 변수연구를 통하여, C형 및 H형 이형벽체 단면에 대한 2축 상호작용 특성을 분석하였다. 분석 결과, C형 및 H형 이형벽체의 2축 상호작용은 모멘트 방향과 압축력 크기에 의하여 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 변수연구를 통하여 일정한 압축력에서 2축 모멘트강도의 상관관계를 나타내는 정규화된 컨투어 설계식을 제안하였다. 또한 실무에서 쉽게 활용할 수 있도록, 제안된 컨투어 설계식을 사용한 이형벽체 설계절차와 설계예제를 제시하였다.
Nonplanar structural walls with C-shaped and H-shaped sections have been used as an efficient lateral force-resisting system for building structures. Since the nonplanar walls are subjected to axial load and bending moments about two orthogonal axes, complicated section analysis is required for flex...
Nonplanar structural walls with C-shaped and H-shaped sections have been used as an efficient lateral force-resisting system for building structures. Since the nonplanar walls are subjected to axial load and bending moments about two orthogonal axes, complicated section analysis is required for flexure-compression design. In the present study, a straightforward design method for biaxially loaded C- and H-shaped walls was proposed by modifying the existing load contour method for columns with symmetric solid sections. For this, a strain compatibility section analysis program that can calculate biaxial moment strengths of arbitrary wall section was developed and its validity was verified by comparing with existing test results. Then, through parametric study, the interaction of biaxial moments at constant axial loads in prototype C- and H-shaped walls was investigated. The results showed that, due to unsymmetrical geometry of the wall sections, the biaxial interaction was significantly affected by the moment directions and axial loads. From those investigations, non-dimensional contour equations of the biaxial moments at constant axial loads for C- and H-shaped walls were suggested. Further, design examples using the proposed contour equations were given for engineering practice.
Nonplanar structural walls with C-shaped and H-shaped sections have been used as an efficient lateral force-resisting system for building structures. Since the nonplanar walls are subjected to axial load and bending moments about two orthogonal axes, complicated section analysis is required for flexure-compression design. In the present study, a straightforward design method for biaxially loaded C- and H-shaped walls was proposed by modifying the existing load contour method for columns with symmetric solid sections. For this, a strain compatibility section analysis program that can calculate biaxial moment strengths of arbitrary wall section was developed and its validity was verified by comparing with existing test results. Then, through parametric study, the interaction of biaxial moments at constant axial loads in prototype C- and H-shaped walls was investigated. The results showed that, due to unsymmetrical geometry of the wall sections, the biaxial interaction was significantly affected by the moment directions and axial loads. From those investigations, non-dimensional contour equations of the biaxial moments at constant axial loads for C- and H-shaped walls were suggested. Further, design examples using the proposed contour equations were given for engineering practice.
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문제 정의
하지만, C형 및 H형 벽체의 컨투어 형상이 압축력의 크기(n)와 재하방향(즉, Mny의 부호)에 따라 다르다는 것을 고려할 때 하나의 a값을 사용하는 것은 합리적이지 않다. 따라서 이 연구에서는 C형 및 H형 단면에 적합한 a값을 제안하기 위하여 변수연구를 수행하였다.
컨투어의 형상이 비대칭이다. 이 연구에서는 1축비대칭 벽체단면에 대하여 Mnx-Mny 컨투어를 무차원의 mx - my 컨투어로 정규화하는 방법을 제안하였다. C형 벽체와 같이 1축 대칭 단면의 경우 이러한 정규화를 통하여 mx - my 컨투어에서 비대칭성이 크게 완화되었다.
플랜지단면(flanged section)을 갖는 이형벽체의 2축 상호 작용은 직사각형, 원형 등 대칭단면을 갖는 기둥의 2축 상호 작용과 근본적으로 다르다. 이 연구에서는 단면형상이 상대적으로 단순하면서도 고층건물의 코어벽으로 많이 사용되는 C형 및 H형 이형벽체의 2축 상호작용 특성을 분석하였다.
이 연구에서는 압축력과 함께 2방향 휨모멘트가 재하된 C형 및 H형 벽체의 2축 상호작용과 이를 고려하기 위한 등하중법을 연구하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.
가설 설정
(a)에 나타낸 바와 같이 단면 전체에 균일한 철근비 p = 0.008을 가정하여 검토하였고, 중립축 각도 θ = -90°, 0°, 90°에 대한 단면해석으로 구한 2차원 P-M상관곡선은 Fig. 13(b1)～(b4)에 나타냈다.
또한 Fig. 2(c)에 나타낸 바와 같이 압축을 받는 콘크리트에 대하여 포물선-직선 응력-변형률 관계를 가정하였다. 2-6)
1) 철근비 p를 가정한다.
콘크리트 압축강도와 철근 항복강도는 각각 fck = 30 MPa와 fy = 400 MPa를 가정하였다. 벽체의 휨압축 철근은 p = 0.01의 철근비로 전체 단면에 균등하게 배치된 것으로 가정하였다. 변수연구를 위한 단면해석에서는 콘크리트의 압축변형률 특성값으로 설계에 주로 사용하는 εco = 0.
철근의 응력-변형률 관계는 탄성계수 Es (= 200 GPa)와 항복강도 fy 를 따르는 탄성-완전 소성(elastic-perfectly plastic) 거동을 가정하였다.
0 순으로 증가하도록 조정하였다. 콘크리트 압축강도와 철근 항복강도는 각각 fck = 30 MPa와 fy = 400 MPa를 가정하였다. 벽체의 휨압축 철근은 p = 0.
하지만, 해석에서는 여러 실험결과를 동시에 비교하기 위하여 모든 실험체에 대하여 fck= 24.1 MPa와 ψ= 59° 의 동일한 값을 가정하였다.
제안 방법
(a)에 나타낸 γ = 0.5인 프로토타입 C형 및 H형 벽체단면에 대하여 단면해석을 추가로 수행하였다.
3) 변수연구를 통하여 C형 및 H형 벽체를 위한 mx - my 컨투어 설계식을 제안하였다.
4장에서 제안된 a값을 사용하여, 단면형상계수가 γ = 0.5 인 C형 및 H형 벽체의 2축 휨압축설계를 수행하였다.
5) 제안된 mx - my 컨투어를 바탕으로 C형 및 H형 벽체를 위한 등하중법을 제안하였다. 제안한 방법은 θ = 0°, 90°, -90° 등 주축에 평행한 중립축에 대하여 산정한 2차원 P-M 상호작용 곡선만을 사용하여 이형벽체의 2축 휨압축 설계를 수행할 수 있다.
개발한 프로 그램을 사용한 수치해석 변수연구를 통하여 C형 및 H형 벽체의 2축 상호작용 특성을 분석하였고, 그 결과를 바탕으로 C형 및 H형 벽체를 위한 Mnx-Mny 컨투어 설계식을 제안하였다.
검증을 위하여 다양한 단면형상의 벽체에 대하여 개발한 프로그램으로 구한 이형벽체의 P-M상호작용 곡선(즉, Pn - Mnx 및 Pn - Mny 곡선)과 실험으로 구한 2축 모멘트강도를 비교하였다.
9(b2)～(f2) 및 10(b2)～(f2)에 나타낸 무차원mx-my 컨투어로 변환하였다. 구분을 위하여 압축력비가 상대적으로 작은 컨투어(n = 0, 0.1, 0.2)와 큰 컨투어(n= 0.3, 0.4, 0.5)를 각각 실선-검은색 표식(또는 회색 표식) 및 점선-흰색 표식으로 나타냈다.
따라서 다음의 1차 변환을 통하여 -90°≤ θ ≤0° 및 0°≤ θ ≤+90° 구간의 mx - my 컨투어가 각각 1사분면 및 4사분면에 위치하도록 정규화하였다.
개발한 프로 그램을 사용한 수치해석 변수연구를 통하여 C형 및 H형 벽체의 2축 상호작용 특성을 분석하였고, 그 결과를 바탕으로 C형 및 H형 벽체를 위한 Mnx-Mny 컨투어 설계식을 제안하였다. 또한 제안된 컨투어 설계식을 사용하여 2축 방향으로 재하된 C형 및 H형 벽체의 휨-압축 설계 절차를 정립하였고 설계 실무에 활용하기 쉽도록 제안된 절차에 따른 벽체 설계예제를 제시하였다.
이러한 반복 계산을 통하여 철근콘크리트 이형벽체에 대한 완전한 3차원 상호작용 곡면, 즉 Pn-Mnx=Mny관계를 구한다. 또한 후처리 과정(post-processing)을 통하여, 일정한 축압축강도에서 Mnx-Mny 컨투어와 특정 재하방향에 대한 Pn-Mn상호작용 곡선을 구한다.
각 벽체단면의 Mnx-Mny 및 mx-my컨투어는 다음과 같은 방법으로 구하였다. 먼저 2장에서 개발한 프로그램을 사용하여 Fig. 4(a)와 같은 3차원 Pn-Mnx-Mny 상호작용 곡면을 구하였다. 그 다음 압축력비 n = 0.
2(a)는 프로그램 개발을 위한 알고리즘(algorithm)을 보여준다. 먼저 단면형상, 배근상세, 재료강도 등 벽체 단면해석을 위한 기본 정보를 입력한다. 그 다음 중립축 각도(θ, -180°≤θ≤180°)와 깊이(c)를 가정하여 전체 벽체 단면에서 변형률 분포를 결정하고, 이로부터 변형률에 대응하는 콘크리트와 철근의 응력(fc 및 fs)을 구한다.
이 연구에서는 기둥 설계에 사용되는 기존 등하중법을 수정하여 C형 및 H형 벽체를 위한 간편한 2축 휨-압축 대안설계법을 개발하였다. 이를 위하여, 변형률적합방법에 기반한 단면해석프로그램을 개발하고, 기존 실험결과와 비교를 통하여 개발된 프로그램의 정확성을 검증하였다.
이 연구에서는 기둥 설계에 사용되는 기존 등하중법을 수정하여 C형 및 H형 벽체를 위한 간편한 2축 휨-압축 대안설계법을 개발하였다. 이를 위하여, 변형률적합방법에 기반한 단면해석프로그램을 개발하고, 기존 실험결과와 비교를 통하여 개발된 프로그램의 정확성을 검증하였다. 개발한 프로 그램을 사용한 수치해석 변수연구를 통하여 C형 및 H형 벽체의 2축 상호작용 특성을 분석하였고, 그 결과를 바탕으로 C형 및 H형 벽체를 위한 Mnx-Mny 컨투어 설계식을 제안하였다.
임의의 단면형상을 갖는 이형벽체를 위하여 변형률적합 단면해석 프로그램을 개발하였다. Fig.
제안된 mx - my 컨투어는 재하방향(-90°≤θ≤+90°), 압축력(n = 0.0～0.5), 단면 형상(γ = 0.25 ～ 2.0)의 영향을 포함한다.
제안한 방법은 θ = 0°, 90°, -90° 등 주축에 평행한 중립축에 대하여 산정한 2차원 P-M 상호작용 곡선만을 사용하여 이형벽체의 2축 휨압축 설계를 수행할 수 있다.
대상 데이터
곡선)과 실험으로 구한 2축 모멘트강도를 비교하였다. 검증에는 Hsu 11-13) 가 실험한 L형, C형, T형 단면의 이형벽체를 사용하였다. 실험부재의 단면형상, 치수, 배근 상세 등을 Fig.
해석에 사용한 C형 및 H형 벽체단면을 각각 Fig. 9(a)와 10(a)에 나타냈는데, 그림에 사용한 기호 h, b, t(= 200 mm)는 각각 플랜지 길이, 웨브 길이, 벽체 두께이다. h와 b를 500～ 2000 mm 범위에서 변화시켜b/h로 정의되는 단면 형상계수 γ(section shape factor)가 0.
이론/모형
P-M상관곡선에서 강도감소 계수 ∅와 최대 축압축강도 Pn,max 는 KCI 2012 14) 의 규정에 따라 산정하였다.
성능/효과
1) y축 비대칭인 C형 벽체는 Mny의 부호에 따라 형상이 바뀌는 비대칭의 Mnx-Mny 컨투어 형상을 보인다.
1) 비대칭 단면을 갖는 이형벽체는 등압축력에 대한 Mnx-Mny 컨투어의 형상이 비대칭이다. 이 연구에서는 1축비대칭 벽체단면에 대하여 Mnx-Mny 컨투어를 무차원의 mx - my 컨투어로 정규화하는 방법을 제안하였다.
2) C형 및 H형 단면 모두 Mnx-Mny 컨투어 형상이 압축력의 크기에 따라 달라진다. Fig.
2) C형 및 H형 벽체는 mx - my 컨투어 형상이 재하방향(또는 중립축 각도θ)과 축압축하중(또는 축압축력비n)에 의하여 크게 영향을 받았다.
3) 1축 대칭 C형 벽체의 경우 단면의 도심(center of geometry)과 전단중심(shear center)이 일치하지 않으므로 중립축 각도θ와 재하방향 ψ(= tan -1 [Mnx/Mny ])가 다르다.
4) 철근비(p = 0.005～0.02), 배근상세(균등배근 및 플랜지 단부집중배근), 콘크리트 압축강도(fck = 30 및 40 MPa), 철근 항복강도(fy = 400 및 600 MPa)에 대한 변수 분석 결과, 이들 설계변수가 무차원 mx - my 컨투어에 미치는 영향은 대체로 제한적이었다.
그림에 나타낸 바와 같이, 제안된 a값은 단면해석으로 구한 C형 및 H형단면의 mx-my 컨투어와 비교적 잘 들어맞았다.
그의 연구에서는 압축력 크기, 강축 모멘트 대비 약축 모멘트의 비율 등이 설계변수로 고려되었다. 연구결과를 바탕으로 Hsu는 직사각형, 원형 등 대칭 단면을 갖는 기둥에 대하여 개발된 기존 등하중법을 L형, T 형, C형 이형벽체 설계에도 동일하게 사용할 수 있다고 주장하였다. 하지만, 최근 연구는 비대칭 단면형상을 갖는 이형 벽체의 2축 상호작용이 직사각형 또는 원형 기둥과는 근본적으로 다를 수 있음을 보여주었다.
또한 단면형상과 압축력의 크기에 관계없이, 대부분의 실험부재에서 실험결과(원형 및 삼각형 표식)는 단면해석에 의한 P-M 곡선의 바깥쪽에 위치하였다. 이는 제안된 단면해석 프로그램이 2축으로 재하된 철근콘크리트 이형벽체의 휨-압축 강도를 합리적이면서도 안전측으로 예측하고 있음을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지진, 바람 등 횡하중에 저항하기 위하여 고층건물에 사용되는 건축자재는 무엇인가?
고층건물에서는 지진, 바람 등 횡하중에 저항하기 위하여 복잡한 단면형상을 갖는 이형벽체(nonplanar walls)가 전단벽과 코어벽으로 많이 이용된다. 직사각형 또는 일자형의 벽체와 달리, 이형벽체는 두 방향의 횡하중을 동시에 저항 한다.
본 논문에서 개발한 단면해석 프로그램으로 알아낸 C형 및 H형 이형벽체 단면에 대한 2축 상호작용 특성은 무엇인가?
또한 개발한 프로그램을 사용한 변수연구를 통하여, C형 및 H형 이형벽체 단면에 대한 2축 상호작용 특성을 분석하였다. 분석 결과, C형 및 H형 이형벽체의 2축 상호작용은 모멘트 방향과 압축력 크기에 의하여 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 변수연구를 통하여 일정한 압축력에서 2축 모멘트강도의 상관관계를 나타내는 정규화된 컨투어 설계식을 제안하였다.
압축력과 2축 모멘트의 상호작용을 직접적으로 고려하는 이형벽체를 위한 설계방법으로 무엇이 있는가?
8배를 강축모멘트에 더한 다음, 벽체의 2축 설계는 축하중과 증가된 강축모멘트에 관한 1축 휨-압축 설계로 대신한다. 압축력과 2축 모멘트의 상호작용을 직접적으로 고려하는 대안 설계방법으로는 등하중법(load contour method 또는 하중컨 투어법)과 역하중법(reciprocal load method) 등이 있다. 8-10) 특히 등하중법에서는 3차원의 휨-압축 상호작용 곡면(Pn-Mnx-Mny관계)을 동일한 압축력에서 2축 모멘트강도의 상관관계를 나타내는 2차원 컨투어(Mnx-Mny contour)로 변환하므로, 2축 모멘트의 상호작용을 보다 직접적으로 고려한다.
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