[논문]스페이스 프레임 구조물의 부재좌굴성능 평가방안 연구

강종

doi:10.11112/jksmi.2018.22.1.176

초록
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본 연구의 목적은 볼접합부를 갖는 원형강관의 좌굴실험 결과를 토대로 하여 국내외 압축재 설계규준과 비교 평가함으로써 부재의 좌굴내력 및 좌굴길이 계수의 안전성과 합리성을 조사하는 것이다. 좌굴성능 평가를 위해 선정된 원형강관은 Ø$48.6{\times}2.8t$와 Ø$60.5{\times}3.2t$ 및 Ø$76.3{\times}3.2t$이다. 국내외 압축재 설계를 위해 우리나라의 하중저항계수 설계법(LRFD), 일본의 한계상태 설계법(LSD) 및 영국의 BS5950 규준을 적용하였다. 본 연구에서는 선행연구의 실험결과와 국내외 설계규준과의 좌굴성능을 비교 분석하였다. 그 결과를 요약해 보면 다음과 같다. 각국의 압축재 설계규준에서 부재의 전체길이를 좌굴길이로 적용한 결과 실험에 의한 좌굴내력의 64%~89% 정도로 나타났다. 따라서 안전을 위해 현재 설계 규준식에 준하여 부재설계를 수행하는 것이 바람직하다고 판단되었다. 실험결과 측정된 좌굴내력은 우리나라, 일본 및 영국의 압축재 설계규준에서 좌굴길이를 순수 원형강관만으로 고려한 좌굴내력 값에 비해 1.02배~1.43배 높은 것으로 나타났다. 따라서 스페이스 프레임 구조물 설계에 있어 개별부재 좌굴내력은 절점 간 길이가 아닌 순수 원형강관의 길이로 좌굴계수를 고려할 필요가 있을 것으로 보여 진다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to investigate the safety and rationality of buckling strength and length coefficient by comparing with the design standards of domestic and foreign compression materials based on the buckling test results of circular steel pipe with ball joints. The types of round stee...

The purpose of this study was to investigate the safety and rationality of buckling strength and length coefficient by comparing with the design standards of domestic and foreign compression materials based on the buckling test results of circular steel pipe with ball joints. The types of round steel pipes selected for buckling performance evaluation were ø$48.6{\times}2.8t$, ø$60.5{\times}3.2t$ and ø$76.3{\times}3.2t$. For the design of domestic and foreign compression materials, Korea 's Load Resistance and Factor Design, Japan' s Limit State Design, and British Standard BS5950 standard were applied. In this study, we compared and analyzed the buckling performance between the experimental results of the previous research and the domestic and foreign design standards. The results were summarized as follows. As a result of applying the full length of the member to the buckling length in the compression materials design standards of each country, it was 64-89% of the buckling strength by the experiment. Therefore, it is deemed desirable to perform the member design according to the current design standard formula for safety. Experimental results show that the measured buckling strength was 1.02-1.43 times higher than the buckling strength of pure cylindrical steel tubes in the design standards of Korea, Japan and the United Kingdom compression materials. Consequently, it seemed that the buckling strength of individual member in the design of space frame structure should be considered buckling coefficient as the length of pure round steel pipe rather than the length of inter-node.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 볼접합부를 갖는 부재의 좌굴성능의 합리적인 평가 방안을 모색하기 위해 좌굴실험의 결과와 우리나라, 일본 및 영국에서 적용하고 있는 강구조 압축재 설계 규준과 비교하였으며 좌굴내력 및 좌굴길이 계수에 대해 분석하였다.

가설 설정

스페이스 프레임 구조물은 입체적인 부재 배치로 인한 강성 증대 및 경량화에 따른 좌굴 발생이 용이하다. 부재 간 결합 방식으로 국내에서 많이 채택하고 있는 볼, 볼트 및 슬리브를 이용한 볼조인트 접합 방식은 접합부 구성요소가 부재의 좌굴길이 및 좌굴내력에 다소 영향을 미친다. 따라서 볼접합부를 갖는 원형강관의 좌굴실험 결과를 토대로 하여 국내외 압축재 설계규준과 비교한 결과 부재의 좌굴내력 및 좌굴길이 평가에 대해 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.

제안 방법

Seo(2000)은 원형강관 부재의 부재좌굴을 대상으로 이론 식을 제안하였고 실험 및 수치해석을 수행하였다. 단일부재에 대한 비탄성좌굴 이론식을 제안하고 단일부재좌굴 실험을 통하여 세장비와 단부 지지조건에 따른 탄성 및 탄소성 영역 에서의 좌굴거동 및 좌굴하중을 파악하였다. 또한 유한 요소 법에 의한 비탄성 좌굴해석 프로그램 수치해석을 수행하여 탄성 및 비탄성영역에서의 좌굴하중을 평가하였다.
단일부재에 대한 비탄성좌굴 이론식을 제안하고 단일부재좌굴 실험을 통하여 세장비와 단부 지지조건에 따른 탄성 및 탄소성 영역 에서의 좌굴거동 및 좌굴하중을 파악하였다. 또한 유한 요소 법에 의한 비탄성 좌굴해석 프로그램 수치해석을 수행하여 탄성 및 비탄성영역에서의 좌굴하중을 평가하였다.
2t 세 종류의 실험체에 대한 좌굴 실험 결과를 정리하면 Table 3과 같다. 상기 실험체의 부재 좌굴내력과 국내외 압축재 설계 규준과 비교·분석을 통하여 적용성을 검토하였다.

데이터처리

각국 규준에 의한 좌굴내력은 좌굴길이의 적용성을 검토하기 위하여 세 가지로 구분하여 실험 결과와 비교・분석하였다. Table 6~Table 8에서 σ_p는 부재의 좌굴길이를 원형강관 (콘 포함, Fig.

이론/모형

볼접합부를 갖는 부재의 좌굴내력 특성을 분석하기위해 선행 연구(kang, 2012)의 실험 결과를 적용하였다. 실험체는 원형강관 ∅48.

성능/효과

1) 실험에 의한 좌굴내력은 각국의 압축재 설계규준에서 부재의 전체 길이를 좌굴 길이로 적용한 결과에 비해 1.12배 ~ 1.56배 높은 것으로 나타났으며, 순수 원형강관의 길이를 좌굴 길이로 적용한 결과에 비해 1.02배∽1.56배 높은 것으로 측정되었다. 원형강관의 규격별 다소 값의 편차가 있는 것은 접합부 구성요소의 결합정밀도 및 구성 요소 간 강성차에 의한 것으로 사료된다.
2) 실험결과 측정된 좌굴 내력은 우리나라, 일본 및 영국의 압축재 설계규준에서 좌굴 길이를 순수 원형강관만으로 고려한 좌굴내력 값에 비해 1.02배∽1.43배 높은 것으로 나타났다. 따라서 스페이스 프레임 구조물 설계에 있어 개별 부재 좌굴내력은 절점간 길이가 아닌 순수 원형강관의 길이로 좌굴계수를 고려할 필요가 있을 것으로 보여진다.
또한 K-LRFD, J-LSD 및 BS는 각각 우리나라의 하중저항계수 설계법, 일본의 한계상태 설계법 및 영국의 구조설계 규준에 의해 산정된 좌굴내력을 나타낸다. 각국 규준식에 의한 좌굴내력의 크기는 우리나라, 일본, 영국의 순으로 나타났으며 그 차이는 4%∽8%로 크지 않았다. 원형강관∅76.
원형강관의 규격별 다소 값의 편차가 있는 것은 접합부 구성요소의 결합정밀도 및 구성 요소 간 강성차에 의한 것으로 사료된다. 또한 실험 결과에 의한 좌굴 내력값이 조굴 내력 규준식에 의한 값보다 큰 것은 현재 설계 규준식에 준하여 부재 설계를 수행하는 것이 안전성 측면에서 바람직한 것으로 판단된다.
35배 큰 것으로 측정되었다. 세 종류의 원형강관 중 ∅60.5×3.2t는 다른 원형강관에 비해 실험에 의한 좌굴 내력 값과 각국의 좌굴 규준식에 의한 값이 다소 큰 것으로 나타났다. 이는 실험 후 변형된 형상으로 보아볼트의 체결이 다른 종류 실험체에 비해 강하게 되어 나타난 현상으로 보여진다.
실험에 의한 좌굴내력 값이 부재 길이를 콘을 포함한 순수 원형강관만을 적용한 각국의 좌굴 규준식에 의한 값보다 원형강관의 크기에 상관없이 큰 것으로 측정되었다. 이는 각국의 좌굴 설계규준식이 안전성을 지닌 것으로 판단되며 접합부를 갖는 스페이스 프레임 구조물의 부재 설계에 있어서 좌굴 길이 적용에 다양성을 부여할 필요가 있을 것으로 보인다.

후속연구

볼접합부를 갖는 스페이스 프레임 구조물의 좌굴내력 및 좌굴길이 계수는 접합부의 구성요소가 다양하고 볼트의 결합 강도에 영향을 받으므로 보다 정확하고 신뢰성 있는 설계지 침마련을 위해 향후 다양한 규격의 원형강관 및 세장비를 적용한 추가적인 실험연구가 필요할 것으로 보여 진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대공간 구조물 구조 시스템은 사용재료의 구조적 특성과 시스템 구성방식에 따른 구분은?	대공간 구조물의 건립은 건축기술의 발전과 더불어 사회적 요구로 인하여 증가하고 있으며 다양한 연구와 실험을 통한 신기술 개발과 새로운 건축 재료의 생산으로 이를 실현시키고 있다. 이러한 대공간 구조물 구조 시스템은 사용재료의 구조적 특성과 시스템 구성방식에 따라 연속체 쉘 구조물(Shell Structures), 스페이스 프레임 구조물(Space Frame Structures), 막 구조물(Membrane Structures), 케이블 구조물(Cable Structures) 및 이들 방식이 병용된 복합 구조물(Hybrid Structures)로 구분한다.
	스페이스 프레임 구조물은 주로 입체적인 부재 배치 형식으로, 구조물의 강성이 증대되고 이는 부재 단면의 최소화와 경량화로 이어지기에 구조물에 미치는 영향은?	이 중 스페이스 프레임 구조물은 일반적으로 입체적인 부재 배치 형식으로 구조물의 강성이 증대되고 이는 부재 단면의 최소화와 경량화로 이어져 구조물에 좌굴(Buckling)이 발생하기 쉽다. 이러한 좌굴성상은 구조물 형상, 단부 경계조건, 하중조건 및 형상 초기 부정 등 여러 가지 요인에 의한 영향을 받다.
	구조물에 좌굴(Buckling)에 영향을 미치는 요소는?	이 중 스페이스 프레임 구조물은 일반적으로 입체적인 부재 배치 형식으로 구조물의 강성이 증대되고 이는 부재 단면의 최소화와 경량화로 이어져 구조물에 좌굴(Buckling)이 발생하기 쉽다. 이러한 좌굴성상은 구조물 형상, 단부 경계조건, 하중조건 및 형상 초기 부정 등 여러 가지 요인에 의한 영향을 받다. 국내 건설현장의 스페이스 프레임 구조물에는 주로 Mero 시스템을 사용하고 있으며 이 구조물의 접합부는 볼과 슬리브 및 볼트로 구성되어 있다.

참고문헌 (9)

Architectural Institute of Japan (2010), Recommendation for Limit State Design of Steel Structures , Architectural Institute of Japan, 20-21.
British Standards Institution (2008), BS5950-1:2000 Structural use of Steelwork in Building Part 1, BSI, 35-173.
Kang, J. (2010), A Study on the Flexural Rigidity and Member Buckling of Space Frame with Ball Joints, D. Eng., Keimyung University, 29-61.
Kang, J. (2012), Evaluation on the Buckling Length of Circular Hollow Steel with Ball Joints, Journal of The Korean Society of Industrial Application, The Korean Society of Industrial Application, 15(1), 5-11.
Kang, J., Kim, S. E., and Choi, H. S. (2009), A Study on the Evaluation of Rigidity of Ball Joint, Journal of Regional Association of Architectural Institute of Korea, The Regional Association of Architectural Institute of Korea, 11(1), 133-142.
Korean Society of Steel Construction (2011), Design of Steel Structures, Goomi Book, Seoul, 128-135.
Park, C. H., and Han, S. E. (2003), An Experimental Study on the Bending Stiffness of the Bolt Inserted Ball Joint, Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, The Architectural Institute of Korea, 19(11), 65-72.
Seo, D. J. (2000), A Study on the Inelastic Member Buckling of Space Frame, M. Eng., Keimyung University, 31-44.
Yang, T. Y. (1986), Finite Element Structural Analysis, 2nd ed., Prentice-Hall, New Jersey, 56-135.

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