KR101000024B1 - Method for improving stiffness and ductility of buildings by controlling the flexural strength ratio of beam-to-column nodes - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보-기둥 절점의 휨강도비 조절을 통하여 구조물의 비선형특성을 개선한 것이다.The present invention is to improve the nonlinear characteristics of the structure by adjusting the flexural strength ratio of the beam-column node.
본 발명은 1) 구조해석 프로그램을 이용하여 설계대상구조물의 초기모델을 결정하는 초기모델의 강도설계단계; 2) 구조물 성능기준, 부재별 비선형재료모델, 절점별 초기 및 최대 목표휨강도비, 구조물 전체물량수정계수 등의 변수값을 초기 설정하는 변수초기화단계; 3) 단위하중법과 보-기둥 절점의 휨강도비를 활용한 재분배기법을 이용함으로써 초기모델의 물량을 재분배하여, 구조물의 강성과 연성을 제어하는 물량재분배단계; 4) 상기 물량재분배 단계에 의해서 얻어진 단면을 구조해석프로그램의 단면 DB를 사용하여 수정한 후, 강도조건을 검토하여 강도조건을 만족시키지 않는 단면을 수정하는 강도검토단계; 5) 비선형정적해석을 통하여 강성, 연성 등 구조물의 성능을 검토하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.The present invention 1) strength design step of the initial model for determining the initial model of the structure to be designed using the structural analysis program; 2) a variable initialization step of initially setting variable values such as performance criteria, nonlinear material model for each member, initial and maximum target flexural strength ratios for each node, and overall structure correction factor; 3) a volume redistribution step of controlling the stiffness and ductility of the structure by redistributing the volume of the initial model by using the redistribution method using the unit load method and the flexural strength ratio of the beam-column node; 4) an intensity review step of correcting the cross section obtained by the quantity redistribution step using the cross section DB of the structural analysis program, and then correcting the cross section not satisfying the strength condition by examining the strength condition; 5) examining the performance of the structure such as stiffness and ductility through nonlinear static analysis; It is made, including.
비선형특성, 단위하중법, 물량재분배, 재분배, 절점, 휨강도비, 기둥-보 Nonlinear characteristics, unit load method, quantity redistribution, redistribution, node, flexural strength ratio, column-beam
Description
본 발명은 고층 구조물의 구조설계방법에 관한 것이며, 특히 건물의 강성뿐만 아니라 연성을 함께 개선할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structural design method of a high-rise structure, and more particularly to a method that can improve not only the rigidity of the building but also the ductility.
고층건물의 구조설계는 크게 강도설계와 강성설계로 이루어진다. 강도설계는 부재가 강도기준(strength criteria)을 만족하도록 하기 위해 부재에 작용되는 힘보다 더 큰 내력을 가지도록 부재 단위로 부재단면을 설계하는 것으로서, 통상의 상용 소프트웨어를 이용하면 쉽고 간편하게 이루어질 수 있다. 반면, 강성설계는 부재가 강성을 확보하여 상용성 기준(serviceability criteria)을 만족하도록 하기 위한 것으로서, 처짐이나 진동 등과 같은 거동이 중요한 구조적 변수로서 관련되어 있고, 구조물을 구성하고 있는 거의 모든 부재와 관련되어 있으므로, 강도설계에 비하여 더 복잡하고 특별한 기술을 요한다.Structural design of high-rise buildings consists of strength design and rigid design. The strength design is to design the member section by member so that the member has a higher strength than the force applied to the member to satisfy the strength criteria, and can be easily and conveniently made using conventional commercial software. . On the other hand, rigid design is to ensure the rigidity of the member to meet the serviceability criteria, and the behavior such as deflection and vibration is related as an important structural variable and related to almost all members constituting the structure. As a result, they are more complex and require special skills than strength designs.
따라서 고층건물의 구조설계는 일반적으로 강도설계보다는 강성설계에 의해 지배되는 경향이 있으며, 특히 현대 사회에서 점차 건물이 고층화됨에 따라 건물의 세장비(細長比)가 높아져 강성설계가 전체 구조설계에 미치는 영향이 더욱 커지고 있다. 특히, 고층건물의 변위설계(變位設計)는 구조 시스템과 구조 설계의 효율성 및 경제성을 결정짓는 중요한 요소이므로, 고층건물의 변위를 제어하고자 하는 많은 노력이 이루어지고 있다. Therefore, structural design of high-rise buildings generally tends to be dominated by stiffness design rather than strength design. In particular, as modern buildings become increasingly high-rise, the detailed equipment of buildings increases, and the effect of rigid design on overall structural design This is getting bigger. In particular, since the displacement design of high-rise buildings is an important factor that determines the efficiency and economics of structural systems and structural designs, many efforts have been made to control the displacement of high-rise buildings.
구조물의 내풍설계(耐風設計)는 강도조건을 만족하더라도 최상층의 변위 조건을 만족시키지 못하는 경우가 발생할 수 있기 때문에 변위를 제어하는 강성설계가 이루어지고 있다. 고강도 재료 개발 등 기술의 발달로 인하여 건물의 높이가 고층화되면서 변위를 제어하는 강성설계의 중요성은 점차 증대되고 있다. 또한 구조물의 내진설계는 노스리지지진(1994), 고베지진(1995년) 등의 피해로 인해 본격적으로 연구되어진, 구조물의 변위를 기반으로 한 성능설계가 차세대 내진설계(耐震設計) 개념으로 인정받고 있다. 성능 기반 내진설계는 일반적으로 구조물의 층간변위를 이용하여 구조물의 성능을 평가하기 때문에 구조물의 층간변위를 제어할 필요가 있다. 구조물의 최대 변위는 이에 대한 기준은 없지만 일반적으로 건물 높이의 1/400 내지 1/500의 범위 내로 제한되고 있다.Since the wind resistance design of the structure does not satisfy the displacement condition of the top layer even if the strength condition is satisfied, the rigid design for controlling the displacement is being made. Due to the development of technologies, such as the development of high-strength materials, the importance of rigid design to control displacement is gradually increasing as the height of buildings rises. In addition, the seismic design of the structure was studied in earnest due to the damage of Northridge Earthquake (1994), Kobe Earthquake (1995), and the performance design based on the displacement of the structure was recognized as the next-generation seismic design concept. have. Since performance-based seismic design generally evaluates the performance of a structure using the interlayer displacement of the structure, it is necessary to control the interlayer displacement of the structure. The maximum displacement of the structure is not a criterion, but is generally limited within the range of 1/400 to 1/500 of the building height.
한편, 보통 대부분의 실무설계에서 변위설계는 설계자의 오랜 경험에 의한 경험식과 직관에 의존하여 반복적인 부재 선택과 반복적인 구조해석 과정을 거치고 이를 피드백하는 일종의 trial and error를 통해 이루어지므로, 원하는 결과를 얻기 위해서는 반복적인 많은 노력이 필요한데 이러한 경험과 직관에 의존한 방법으로는 매우 많은 수의 부재로 구성되는 고층건물의 변위설계에서는 효과적일 수가 없다.On the other hand, in most practical designs, the displacement design is based on the empirical formula and intuition from the designer's long experience, and it is made through a kind of trial and error through the repeated member selection and the repeated structural analysis and feedback. This requires a lot of repetitive effort, and this experience and intuition-based method cannot be effective in the displacement design of high-rise buildings consisting of very large numbers of members.
고층건물의 변위설계법의 일 예로, 민감도 해석, 유전자 알고리즘 등의 최적 화기법이 있는데, 이는 어려운 이론적 배경, 알고리즘 자체의 안정성 결여로 인하여 널리 이용되지는 못하고 있다. 특히, 최적화기법은 민감도 해석이나 반복적인 구조해석으로 인하여 과도한 계산량을 요구하기 때문에, 활발하게 실무에 적용되지는 않고 있으며 한정적으로 사용되고 있다.As an example of displacement design of high-rise buildings, there are optimization techniques such as sensitivity analysis and genetic algorithm, which are not widely used due to the difficult theoretical background and lack of stability of the algorithm itself. In particular, because the optimization technique requires excessive calculation amount due to sensitivity analysis or iterative structural analysis, it is not actively applied in practice and is used in a limited manner.
근래에는 고층건물의 변위설계로서의 구조설계기법이 소요 재료물량의 효율적 재분배에 의한 변위제어 알고리즘의 형태로 연구되고 있다. 재분배 기법은 상용 구조해석 프로그램에서 얻어진 구조해석 결과를 이용하여 간단한 계산만으로도 효과적으로 변위를 제어할 수 있는 방법이다. 횡하중에 대한 변위를 제어할 수 있는 알고리즘이 개발됨에 따라, 재분배기법에 의한 강성설계법은 구조해석 수, 알고리즘의 안정성 및 변위제어를 위한 계산량 등의 측면에서 종래의 최적화기법이 갖는 실용성의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대되고 있다.Recently, structural design technique as a displacement design of high-rise buildings has been studied in the form of displacement control algorithms by efficient redistribution of required material quantities. Redistribution technique is a method that can effectively control displacement by simple calculation using structural analysis results obtained from commercial structural analysis program. With the development of algorithms that can control displacement against lateral loads, the stiffness design method using the redistribution method overcomes the practical problems of conventional optimization techniques in terms of the number of structural analysis, the stability of the algorithm, and the amount of computation for displacement control. It is expected to be possible.
한편, 본 발명자는 종래의 재분배법을 이용한 강성설계법이 변위제어를 위한 구조물량의 재분배에 따른 응력 재분배의 영향을 배제(排除)하였기 때문에, 재분배 이후에 응력 초과 현상을 유발할 수 있는 것과 관련하여, 또한 종래의 재분배 알고리즘이 트러스(truss), 강접 골조, 가새 골조 등 구조물의 형상과 무관하게 부재의 단면적이 설계변수로 정형화되어 있던 것과 관련하여, 2005. 6. 14일자 특허출원 제10-2005-0050817호에서는 고층건물의 변위 및 층간 변위를 제어하는 변위설계 자동화 모델, 즉 고층건물 변위 설계를 일괄적으로 처리할 수 있는 재분배기법을 개시한 바 있는데, 구체적으로 단위하중법을 이용하여 각 부재들의 변위기여도를 계산하고, 각 부재의 변형 에너지 밀도가 비슷한 수준이 되도록 간단한 계산만으로 물량을 재분배하여 변위를 제어하는 방법을 제시하였으며, 이 기술은 2006. 12. 5일자로 특허 제653697호로 특허를 취득하였다. On the other hand, the present inventors, because the conventional stiffness design method using the redistribution ruled out the effect of the stress redistribution according to the redistribution of the structure amount for the displacement control, in relation to that can cause an overstress phenomenon after redistribution, In addition, the conventional redistribution algorithm is related to the fact that the cross-sectional area of the member is standardized as a design variable regardless of the shape of the structure such as truss, rigid frame, brace frame, etc. 0050817 discloses a displacement design automation model that controls displacement and inter-floor displacement of high-rise buildings, that is, redistribution method that can collectively handle high-rise building displacement design. Calculate the displacement contribution and redistribute the quantity by simple calculation so that the deformation energy density of each member is similar. A method of control was presented, which was patented on December 5, 2006 as patent 665197.
그런데, 전술한 특허 제653697호는 기둥의 물량이 보(Beam)로 과도하게 분배되면서, 보(Beam)보다 기둥에서 소성힌지가 먼저 발생하거나 혹은 특정 층에서 소성변형이 집중되는 현상이 유도되어, 구조물의 강성은 향상되지만 연성능력은 떨어지는 문제를 가지고 있다.However, in the above-described patent 665197, the quantity of the pillars is excessively distributed to the beams, so that plastic hinges occur in the pillars before the beams or plastic deformation is concentrated in a specific layer. The rigidity of the structure is improved but the ductility is poor.
본 발명은, 구조물의 강성과 연성을 동시에 향상시키고자 하는 것, 즉 본 발명자의 전술한 선특허 제10-0653697호의 장점은 그대로 유지하면서, 동시에 이 선특허 기법에서 구조물의 연성능력이 떨어지는 단점을 보완하는 것을 목적으로 하며, 그 핵심적 기술사상은 보-기둥 절점의 휨강도비를 조절하여 물량을 재분배하는 것이다. The present invention is intended to improve the stiffness and ductility of the structure at the same time, that is, while maintaining the advantages of the above-described prior patent No. 10-0653697 of the present inventors, while at the same time the disadvantage of the ductility of the structure in this prior patent technique is falling The main technical idea is to redistribute the quantity by adjusting the flexural strength ratio of the beam-column node.
따라서, 전술한 선특허 제10-0653697호의 기술내용, 특히 단위하중법을 이용하여 각 부재의 변위기여도를 구함으로써 구조물의 변위를 제어하는 기술사상은 그대로 본 인용에 의해 본 발명의 기술사상의 일부를 이루는 것으로 하며, 선특허 제10-0653697호의 전체 내용은, 본 명세서에 그대로 전재(轉載)하지 않더라도, 본 발명에 의해 새롭게 개시되는 기술내용과 모순되지 않은 범위 내에서 그대로 본 명세서의 일부를 구성하는 것으로 한다. Accordingly, the technical idea of controlling the displacement of the structure by obtaining the displacement contribution of each member by using the unit content method, in particular, the above-mentioned Patent Publication No. 10-0653697 is a part of the technical idea of the present invention by this reference. Even if the entire contents of the prior patent No. 10-0653697 are not reproduced in the present specification, a part of the present specification is constituted as it is without contradicting the technical contents newly disclosed by the present invention. I shall do it.
따라서, 본 발명은 선특허 제10-0653697호에 보-기둥 절점의 휨강도비를 조 절하는 제약조건을 더 추가함으로써 구조물의 강성과 연성능력을 동시에 효율적으로 조절할 수 있는 효과를 가진다. Therefore, the present invention has an effect of efficiently controlling the stiffness and ductility of the structure at the same time by further adding a constraint for adjusting the bending strength ratio of the beam-column node to the prior patent No. 10-0653697.
본 발명에서 보-기둥 절점의 휨강도비는 ACI 318-05 등에서 사용되는 강기둥-약보(Strong Column-Weak Beam) 개념을 수정한 것이다. 이 개념은 내진설계시 구조물의 연성능력을 확보하기 위해 사용하는 개념으로서, 기둥의 강도를 증가시켜 기둥의 휨항복을 억제하고, 비탄성 변형을 여러 층의 보(Beam)에 고르게 분포시킴으로써 구조물의 연성능력을 향상시키는 효과를 가진다. 여기서 구조물의 연성능력이란 구조물의 변형 능력을 말한다. 즉 구조물의 연성능력이 뛰어나면 쓰촨성 지진(2008년)과 같이 강한 지진이 발생하여 구조물에 대변형이 발생하더라도 구조물의 안전성을 유지하면서 지진에너지를 소산(消散)시킬 수 있다는 것을 의미한다. 반면, 구조물의 연성능력이 떨어지면 구조물의 갑작스런 파괴 및 붕괴가 발생할 확률이 높아지는 것을 의미하기 때문에 구조물 설계시 구조물의 연성능력 확보는 중요한 요소이다.In the present invention, the bending strength ratio of the beam-column node is a modification of the concept of the strong column-weak beam used in ACI 318-05. This concept is used to secure the ductility of the structure in seismic design. It increases the strength of the column to suppress the bending yield of the column and distributes the inelastic deformation evenly across the beams of several layers. Has the effect of improving ability. Here, the ductility of the structure refers to the deformation capacity of the structure. In other words, if the structure has excellent ductility, strong earthquakes, such as the Sichuan earthquake (2008), will cause the earthquake energy to be dissipated while maintaining the safety of the structure even if a large deformation occurs in the structure. On the other hand, when the ductility of the structure is lowered, it means that the probability of sudden destruction and collapse of the structure increases, so securing the ductility of the structure is an important factor.
본 발명이 채택하고 있는 기술구성은 다음과 같다.The technical configuration adopted by the present invention is as follows.
본 발명에 따른 보-기둥 절점의 휨강도비 조절을 통한 구조물의 비선형특성을 개선시키는 방법은 1) 구조해석 프로그램을 이용하여 설계대상구조물의 초기모델을 결정하는 초기모델의 강도설계단계; 2) 구조물 성능기준, 부재별 비선형재료모델, 절점별 초기 및 최대 목표휨강도비, 구조물 전체물량수정계수 등의 변수값을 초기 설정하는 변수초기화단계; 3) 단위하중법과 보-기둥 절점의 휨강도비를 활용한 재분배기법을 이용함으로써 초기모델의 물량을 효율적으로 재분배하여, 구조물의 강성과 연성을 함께 제어하는 물량 재분배단계; 4) 상기 물량재분배단계에 의해 얻어진 단면을 구조해석프로그램의 단면 DB를 사용하여 수정한 후, 강도조건을 검토하여 강도조건을 만족시키지 않는 단면에 대해 수정하는 강도검토단계; 5) 비선형정적해석을 통하여 강성, 연성 등 구조물의 성능을 검토하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Method for improving the nonlinear characteristics of the structure by adjusting the flexural strength ratio of the beam-column node according to the present invention includes: 1) the strength design step of the initial model to determine the initial model of the structure to be designed using the structural analysis program; 2) a variable initialization step of initially setting variable values such as performance criteria, nonlinear material model for each member, initial and maximum target flexural strength ratios for each node, and overall structure correction factor; 3) Redistribution step of controlling the stiffness and ductility of the structure by efficiently redistributing the volume of the initial model by using the redistribution method using the unit load method and the flexural strength ratio of the beam-column node; 4) an intensity review step of correcting the cross section obtained by the quantity redistribution step using the cross section DB of the structural analysis program, and then correcting the cross section that does not satisfy the strength condition by examining the strength condition; 5) examining the performance of the structure, such as rigidity and ductility through nonlinear static analysis; characterized in that it comprises a.
본 발명은 보-기둥 절점의 휨강도비의 값을 절점마다 다른 값을 적용할 수 있으며, 휨강도비의 크기를 조절하여 구조물의 원하는 연성성능 수준을 얻는 것을 특징으로 한다.The present invention can be applied to different values of the bending strength ratio of the beam-column node for each node, characterized in that to obtain the desired level of ductility of the structure by adjusting the size of the bending strength ratio.
또한 본 발명은 구조물 전체 물량수정계수를 이용하여 원하는 물량 수준에서 강성 및 연성 등 구조물의 원하는 성능수준 범위 내에서 물량을 재분배하는 것을 특징으로 한다. 원하는 물량 수준에서 강성, 연성 등 구조물의 원하는 성능 수준을 만족하지 못할 경우 절점별 휨강도비와 구조물 전체물량수정계수를 조절하여 상기 3)~5)단계의 과정을 반복하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the redistribution of the quantity within the desired performance level range of the structure, such as stiffness and ductility at the desired quantity level using the overall quantity correction coefficient of the structure. If the desired performance level of the structure does not meet the desired performance level, such as stiffness, ductility, characterized in that by repeating the process of step 3) ~ 5) by adjusting the bending strength ratio for each node and the overall quantity correction coefficient of the structure.
보-기둥의 휨강도비를 조절하여 구조물의 비탄성 특성을 제어하는 구조물의 변위제어방법을 사용하면, 구조물의 강성을 향상시키면서 동시에 연성을 조절할 수 있다. 즉, 구조물의 강성은 향상시키면서, 연성이 떨어지는 기존의 특허 제10-0653697호에 따른 재분배 기법의 단점을 보완할 수 있다.By using the displacement control method of the structure that controls the inelastic characteristics of the structure by adjusting the flexural strength ratio of the beam-column, the stiffness of the structure can be improved and the ductility can be adjusted at the same time. That is, while improving the rigidity of the structure, it can compensate for the disadvantages of the redistribution technique according to the existing patent 10-0653697 inferior ductility.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 보-기둥 절점의 휨강도비 조절을 통한 구조물의 비선형특성을 개선하는 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a method for improving the nonlinear characteristics of the structure by adjusting the bending strength ratio of the beam-column node according to the present invention.
MIDAS GEN, SAP 2000 등 구조해석 프로그램을 활용하여 대상 구조물에 대한 정보, 즉 재료 물성치, 단면 사이즈, 높이 등을 입력하여 대상 구조물의 초기 설계안을 작성하고 강도설계 검토를 실시한다. 이 단계의 내용은 실무에서 강도설계시 적용하는 방법과 동일하다.Using structural analysis programs such as MIDAS GEN and SAP 2000, input the information about the target structure, such as material properties, section size, height, etc., to prepare the initial design plan of the target structure and examine the strength design. The content of this step is the same as that applied in strength design in practice.
FEMA 356 혹은 건축주와 엔지니어가 합의에 따라 구조물의 성능수준을 결정한다. 여기서 구조물의 성능수준은 구조물의 강성, 연성 등으로 나누어 설정될 수 있다. 비선형 해석을 위해 부재의 비선형재료모델을 설정하고, 절점별 휨강도비의 초기값 및 상한값을 설정한다. 재분배 후의 구조물 물량이 원하는 수준에서 결정되도록 구조물 전체 물량수정계수 초기값을 설정한다. FEMA 356, or the owner and engineer, agrees to determine the performance level of the structure. Here, the performance level of the structure may be set by dividing the structure into stiffness and ductility. For nonlinear analysis, the nonlinear material model of the member is set, and the initial value and the upper limit of the bending strength ratio for each node are set. The initial value of the overall structure correction factor is set so that the structure quantity after redistribution is determined at a desired level.
이렇게 성능 기준 및 물량 재분배에 필요한 변수값 설정이 완료되면, Sequential Quadratic Programing의 최적화 기법을 활용하여 절점별 휨강도비의 제약조건 등을 만족시키는 단면을 결정한다. When the parameter values necessary for performance criteria and volume redistribution are completed, the sequential quadratic programming optimization method is used to determine the cross section that satisfies the constraints of bending strength ratio for each node.
(식 1)(Equation 1)
여기서,here,
δt: 제어하고자 하는 구조물 최상층 변위기여도δ t : degree of displacement of the uppermost floor of the structure to be controlled
δk: 제어하고자 하는 구조물의 k번째 부재의 최상층 변위에 대한 변위기여도δ k : Displacement contribution to the topmost displacement of the kth member of the structure to be controlled
: 구조물 전체물량조정계수: Overall structure adjustment factor
Wk : 재분배 전(초기모델)의 k번째 부재 물량W k : Volume of kth member before redistribution (initial model)
Wi': 재분배 후의 k번째 부재 물량W i ': kth member quantity after redistribution
∑Mb : i번째 보-기둥의 절점에서 보의 소성 휨강도 합∑M b : Sum of plastic flexural strength of the beam at the nodal point of the i-beam
∑Mc : i번째 보-기둥의 절점에서 기둥의 소성 휨강도 합∑M c : Sum of plastic bending strength of the column at the nodal point of the i-beam
λi: i번째 보-기둥의 절점에서 보-기둥 휨강도비 제한값λ i : Beam-column flexural strength limit value at the node of the i-th beam-column
m : 구조물의 부재 개수m: the number of members in the structure
n : 구조물의 최상층을 제외한 보-기둥의 절점 수n: Node number of beam-column except top layer of structure
식 1)과 같이 구조 최적화문제로 정식화하여 구조물의 강성과 연성을 제어한다. 구조물의 전체물량과 보-기둥의 휨강도비가 각각 일정 수준을 만족하도록 두 개의 제약조건을 설정하였으며, 최상층의 변위가 최소가 되도록 목적함수를 설정하였다. 변위기여도는 단위하중법을 이용하여 계산한다. It is formulated as a structural optimization problem as shown in Equation 1 to control the rigidity and ductility of the structure. Two constraints were set so that the total volume of the structure and the flexural strength ratio of the beam-column met a certain level, respectively, and the objective function was set to minimize the displacement of the top floor. Displacement contribution is calculated using the unit load method.
여기서 전술한 선특허 10-0653697호에 따른 변위제어방법의 정식화와 다른 점은 다음과 같다. Here, the difference from the formulation of the displacement control method according to the above-mentioned Patent No. 10-0653697 is as follows.
① 목적함수 : 선특허 10-0653697호의 방법에선 부재별 변위기여도 δi에 단면물량수정계수βi를 나누도록 하였다. 그런데 이렇게 할 경우 부재 단면의 크기와 부재 길이의 영향이 무시된다. 따라서 본 발명에서는 단면물량수정계수 βi 대신에 재분배 후의 부재물량Wi'을 사용하였다. (Wi'=ρβiAili : ρ는 부재 재료밀도)① Objective function: In the method of JP 10-0653697, the section quantity correction coefficient β i is divided by the displacement contribution degree δ i for each member. In this case, however, the influence of the size of the member cross-section and the length of the member is ignored. Therefore, in the present invention, the component quantity W i ′ after redistribution is used instead of the cross-sectional quantity correction coefficient β i . (W i '= ρβ i A i l i : ρ is the material density of the member)
② 제약조건 : 구조물의 비선형특성을 개선시키기 위해 선특허 방법에선 없었던 보-기둥의 휨강도비 제약조건을 더 추가하였다. ② Constraints: In order to improve the nonlinear characteristics of the structure, the flexural strength ratio constraint of beam-column was added.
두 번째 제약조건으로 사용된 보-기둥 휨강도비 제약조건은 미국 AISC의 ‘Seismic Provisions for Structural Steel Buildings'이나 ACI 318-05 등 여러 기준에서 내진설계시 사용하고 있는 강기둥-약보(Strong Column-Weak Beam) 개념을 활용한 것이다.The second constraint, the beam-column flexural strength ratio constraint, is the strong column-weak used in seismic design under various standards such as Seismic Provisions for Structural Steel Buildings of AISC or ACI 318-05. Beam).
선특허 기준에서는 단순히 보-기둥 휨강도비가 일정 크기 이상이 되도록 하는 조건만 제시되어 있다. 하지만 본 발명은 최소의 물량만을 사용하여 구조물의 강성뿐 아니라 연성을 동시에 제어하고자 하기 때문에 보-기둥 절점의 휨강도비 조건을 수정 적용한다. The preliminary patent standard simply presents the conditions for the beam-column flexural strength ratio to be above a certain size. However, the present invention modifies and applies the flexural strength ratio condition of the beam-column node because it wants to control not only the rigidity of the structure but also the ductility at the same time by using only the minimum amount.
본 발명에서는 보-기둥 휨강도비 제한값 λi이라는 변수를 설정하여 좀 더 폭 넓게 활용할 수 있도록 수정하였다. λi값을 모든 절점에 대하여 일률적으로 적용하기보다는 보-기둥 절점에 따라 다른 값을 각각 적용할 수 있도록 하였다. 또한 선특허 기준에서 제시하고 있는 값보다 작은 값도 적용할 수 있도록 하여 보다 자유롭고 효율적으로 부재 단면이 결정되도록 하였다.In the present invention, a variable called the beam-column flexural strength ratio limit value λ i was modified to be used more widely. Rather than applying λ i to all nodes uniformly, different values can be applied to different beam-column nodes. In addition, it is possible to apply a value smaller than the value suggested in the previous patent standards to determine the member cross section more freely and efficiently.
또한 구조물 전체물량조정계수 r를 이용해서 재분배될 구조물의 물량 수준을 설정할 수 있도록 하였다. 예를 들어, r=1.0을 사용하면 재분배 전후의 물량을 동일하도록 설정하는 것이며, r=0.95를 사용하면 구조물 전체 물량을 5% 감소시켜 재분배하도록 설정할 수 있다.In addition, it is possible to set the volume level of the structure to be redistributed using the overall structure adjustment coefficient r. For example, if r = 1.0, the volume before and after redistribution is set to be the same. If r = 0.95, the total volume of the structure can be reduced by 5% and redistributed.
다음 식 2)와 같이 부재물량조정계수를 통해 재분배 전후 부재 단면이 변하면서 부재간의 물량이 효율적으로 이동하게 된다.As shown in Equation 2), as the cross-section of the member before and after redistribution is changed through the component quantity adjustment coefficient, the quantity between the members is efficiently moved.
식 2)Equation 2)
최적화기법을 통해 얻은 단면은 시공성이 떨어지거나 상용 DB에서 구할 수 없는 단면이 될 수 있기 때문에 단면 수정이 불가피하다. 따라서 상기 단계에서 얻어진 단면과 가장 유사한 단면을 상용 구조해석프로그램의 단면 DB 등을 통해 수정한다. The section obtained through the optimization technique is inevitable because it is inferior in constructability or may not be available in commercial DB. Therefore, the cross section most similar to the cross section obtained in the above step is modified through a cross section DB of a commercial structural analysis program.
단면이 바뀌었기 때문에 단면이 작아진 부재에선 응력비가 초과되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 응력비가 초과되는 경우에는 강도조건을 만족시키는 적절한 단면을 추가 변경하여 강도검증을 완료한다.Since the cross section is changed, a stress ratio may be exceeded in a member having a small cross section. Therefore, if the stress ratio is exceeded, the strength verification is completed by further modifying the appropriate cross section to satisfy the strength condition.
강도검증이 완료되면 구조물의 성능을 평가하기 위해 ATC 40, FEMA 356 등에서 제시하고 있는 비선형 정적해석을 수행하여, 초기에 설정한 구조물의 성능 기준과 비교 검토한다. When the strength verification is completed, the nonlinear static analysis presented by ATC 40, FEMA 356, etc. is performed to evaluate the performance of the structure, and compared with the performance criteria of the initially established structure.
구조물의 강성과 연성을 검토하여, 만약 원하는 수준의 결과가 나오지 않는다면, 보-기둥 절점의 휨강도비 제한값 λi이나, 전체물량조정계수 r를 수정하여 3)~5)단계를 반복 수행한다.Examine the stiffness and ductility of the structure, and if the desired level is not achieved, repeat steps 3) to 5) by modifying the flexural strength ratio limit λ i of the beam-column node or the overall mass adjustment coefficient r.
구조물의 성능 기준을 만족시킬 때까지 보-기둥 절점의 휨강도비 λi를 증가시키면서 3)~5)단계를 반복 수행한다. 하지만 보-기둥 절점의 휨강도비 λi값이 어느 정도 이상이 되면 현실성이 떨어지는 부재 단면이 나오거나 최적해(最適解)를 찾을 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 이런 경우 전체물량조정계수 r값에 의해 결정된 현재의 물량수준에서는 원하는 구조물의 성능 수준을 얻을 수 없는 것으로 판단하였다. 따라서 보-기둥 절점의 휨강도비 λi값이 초기에 설정한 보-기둥 절점의 휨강도비 상한값 λimax보다 크게 되면 보-기둥 절점의 휨강도비 λi값을 초기화하고 구조물 전체 물량수정계수 r값을 증가시켜서 최적 단면을 찾도록 한다.Repeat steps 3) to 5) while increasing the flexural strength ratio λ i of the beam-column node until the structural performance criteria are met. However, if the flexural strength ratio λ i of the beam-column node is more than a certain degree, a problem of incomplete member cross-section or an optimal solution may not be found. In this case, it was judged that the performance level of the desired structure could not be obtained at the current quantity level determined by the r value of the total mass adjustment coefficient. Therefore, when the flexural strength ratio λ i of the beam-column node is higher than the initial upper limit of the flexural strength ratio λ imax , the flexural strength ratio λ i of the beam-column node is initialized and the value of the overall quantity modulus r of the structure is initialized. Increase to find the optimal cross section.
이상으로 본 발명에 설명하였으나, 본 발명은 아래의 특허청구범위에서 기술된 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것으로, 본 발명에서 제시된 기술사상이 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정되거나 설계하기 위한 기초로써 사용되어질 수 있을 것인데, 이는 본 발명이 제시하는 기술사상 및 기술구성에 귀속된다 할 것이다.Although the present invention has been described above, the present invention is capable of various changes, substitutions, and alterations without departing from the scope of the appended claims, and the technical spirit presented in the present invention performs the same object of the present invention. It may be used as a basis for modifying or designing other structures in order to, which will belong to the technical spirit and technical configuration proposed by the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 보-기둥 절점의 휨강도비 조절을 통한 구조물의 비선형특성을 개선시키는 방법의 전체 프로세스를 나타내는 순서도.1 is a flow chart showing the overall process of the method for improving the nonlinear characteristics of the structure by adjusting the bending strength ratio of the beam-column node according to the present invention.
Claims (2)
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