KR101344813B1 - 기둥-보 접합구조물 및 접합방법 - Google Patents

기둥-보 접합구조물 및 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기둥-보 접합구조물 및 접합방법에 관한 것으로, 지진 발생시 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하고, 그 변형 및 손상 부위가 파단되는 극단적인 상황에서도 수직전단력을 적극적으로 저항할 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 기둥과; 기둥의 측면에 대하여 수평방향으로 설치되는 보와; 기둥의 측면 및 보의 상면에 각각 덧대어져 접합되는 제1수직판 및 제1수평판을 일체로 구비하고, 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 한 제1접합부재; 기둥의 측면 및 보의 하면에 각각 덧대어져 접합되는 제2수직판 및 제2수평판을 일체로 구비하고, 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 하되, 제2수평판의 중간영역에는 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 한 댐퍼부가 형성된 제2접합부재를 포함하여 구성된다.

Description

기둥-보 접합구조물 및 접합방법{Coupling structure and method for beam to column connection}
본 발명은 기둥-보 접합구조물에 관한 것으로, 특히 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하고, 그 변형 및 손상 부위가 파단되더라도 수직전단력을 적극적으로 저항할 수 있도록 한 기둥-보 접합구조물 및 접합방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기둥-보 접합구조물은 건축물에서 기둥, 보 그리고 기둥과 보를 연결하는 접합부재를 포함하여 구조물을 일컫는다.
최근 초고층 건물에 대한 수요가 증가하고 있으며, 고강도의 지진으로 인한 건물의 붕괴를 막고 피해를 극소화하기 위하여 내진설계에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이에 따라 지진 발생시를 대비할 수 있도록 안정적인 내진성능을 갖는 기둥-보 접합구조물에 대한 관심 및 필요성도 함께 증가하고 있다.
이같은 기둥-보 접합구조물과 관련하여 몇 가지 형태를 살펴보면, 2004년 일본의 S. Kishiki 등은 손상제어가 가능한 기둥과 보의 접합구조물에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 도 1은 당시 제안되었던 접합구조물이 보여준다. 이에 따르면 각형강관 기둥에 대하여 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지만 볼트 체결에 의해 접합된 형태이며, 보의 하부 플랜지에는 손상제어를 목적으로 강재 댐퍼가 부착되어 있었다. 실험결과, 작용하는 하중으로 인한 손상은 보의 하부 플랜지에 부착된 강재 댐퍼에 주로 집중되었으며 안정적인 이력특성을 나타내었다.
한편, 2006년 한국에서 오상훈 등은 도 2에서 볼 수 있는 것처럼, 기둥에 대하여 보의 상부는 기존의 스플릿 티(Split-T)를 고력볼트로 체결하여 회전 중심의 기능을 하도록 하고, 보의 하부는 슬릿 플레이트(Slit type plate)를 고력볼트로 체결함으로써 변형 발생을 주로 보의 하부 플랜지의 접합부에 집중하게 하는 기둥-보 접합구조물을 제안하기도 하였다.
또한, 도 3은 2004년 한국에서 오상훈 등에 의해 연구되었던 또 다른 형태의 기둥-보 접합구조물을 나타낸 것이다. 이같은 구성에 따르면 기둥과 보를 접합하는 접합부가 기존의 리브 보강 형태와 비슷한 형태를 가지지만, 기존의 리브가 상대적으로 강성 및 내력이 크기 때문에 주위의 보에 응력이 집중되면서 손상을 야기할 수 있었다면, 이 접합부는 리브가 변형하면서 지진으로 인한 에너지를 흡수하도록 하여 주위의 기둥이나 보에는 손상이 발생하지 않도록 한 것이 특징이다. 연구결과 기둥이나 보의 소성변형은 극소화 하면서 접합부에서의 내력부담률이 높게 나타나 전반적으로 내진성능 향상에 효과적인 것으로 나타났다.
하지만, 이같은 종래기술에 의한 기둥-보 접합구조물은 기둥과 보가 아닌 이들의 접합부에서 변형이 일어나도록 함으로써 지진으로 인한 에너지를 흡수하도록 하였다고는 하나, 지진 발생시 야기되는 다양한 상황에서 접합부 중 어느 부위에서 변형 및 손상이 발생할지 정확하게 예측하기 어려운 관계로 손상제어가 효과적으로 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 의한 기둥-보 접합구조물은 기둥과 보를 연결하는 접합부에서 수평방향으로 가해지는 압축력에 의해 면외좌굴이 일어나면서 쉽게 손상되는 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 강도 높은 지진의 발생으로 인해 거대수평력이 가해질 때 기둥과 보를 연결하는 접합부에서 파단이 일어나는 경우 건물에 대한 수직전단력을 전혀 저항할 수 없는 무기력한 상태가 되어 층 붕괴로까지 이어지는 치명적인 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 한 댐퍼부를 구비하여 효과적인 손상제어가 가능하고, 댐퍼부가 파단되더라도 수직전단력을 저항할 수 있도록 한 기둥-보 접합구조물 및 접합방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 기둥-보 접합구조물은, 기둥과; 상기 기둥의 측면에 대하여 수평방향으로 설치되는 보와; 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 상면에 각각 덧대어져 접합되는 제1수직판 및 제1수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 한 제1접합부재; 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 하면에 각각 덧대어져 접합되는 제2수직판 및 제2수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 하되, 상기 제2수평판의 중간영역에는 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 한 댐퍼부가 형성된 제2접합부재를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2수평판의 댐퍼부는 다른 부위에 비해 좁은 폭으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2수평판 중 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이 영역의 부위가 상기 보의 하면에 대하여 볼트 체결되어, 상기 댐퍼부가 파단되더라도 가해지는 수직전단력을 저항할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 볼트 체결을 위해 상기 제2수평판에 구비된 볼트공은 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2접합부재는 상기 제2수직판과 제2수평판이 접하는 하부 모서리에 설치되어 상기 제2수직판에 대하여 상기 제2수평판을 지지해주는 수직 받침판을 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 좌굴 방지플레이트는 상기 댐퍼부보다 넓은 폭으로 형성되어 상기 댐퍼부를 덧대고 남은 좌측과 우측의 여유분이 상기 제2수평판에 볼트 체결된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보는 수직한 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강으로 구비되고, 상기 보에 대한 상기 제1수평판과 제2수평판의 접합은 상기 웨브를 회피하여 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지에 대해서만 볼트 체결로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1접합부재는 상기 제1수평판의 일단에서 상기 제1수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비되고, 상기 제2접합부재는 상기 제2수평판의 일단에서 상기 제2수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 기둥-보 접합방법은, 소성변형이 가능한 연강에 의해 덧대어 접합하는 형태로 상기 기둥의 측면과 상기 보의 상면을 연결하여 지지하는 상부 접합부 형성단계와; 소성변형이 가능한 연강에 의해 덧대어 접합하는 형태로 상기 기둥의 측면과 상기 보의 하면을 연결하여 지지하는 하부 접합부 형성단계로 이루어지고, 상기 하부 접합부 중 상기 보의 하면에 덧대어진 부위에 상대적으로 폭이 좁은 댐퍼부를 두어, 상기 댐퍼부가 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 하부 접합부에서 상기 보의 하면에 덧대어진 부위 중 상기 댐퍼부와 상기 기둥 사이 영역의 부위는 상기 보의 하면에 대하여 볼트 체결하여 상기 댐퍼부가 파단되더라도 수직전단력을 저항할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 볼트 체결을 위해 상기 하부 접합부에 구비된 볼트공은 상기 보의 길이방향으로 길게 형성된 슬릿으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 상기 댐퍼부의 이동이 가능하도록 그 하측을 지지하는 좌굴 방지플레이트를 설치하여 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴을 억제하도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 기둥-보 접합구조물 및 접합방법은, 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상을 하부 접합부에 속한 제2접합부재의 댐퍼부에 의해 한 곳에 집중되도록 함으로써 효과적인 손상제어가 가능하다.
또한, 본 발명은 지진 발생시 거대수평력으로 인해 댐퍼부가 파단되는 극단적인 상황에서도 하부 접합부에 속한 제2접합부재의 일부가 끝까지 잔존하면서 보다 적극적으로 수직전단력을 저항한다.
또한, 본 발명은 보의 소성변형을 극소화하는 것이 가능하며 이를 적극적으로 활용할 경우 보의 탄성거동만으로 손상제어가 가능하다.
또한, 본 발명은 소성힌지의 발생 위치가 보 내부에 존재하게 되어 접합부의 단부 취성파단을 근본적으로 회피하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 보의 웨브를 회피하여 상부 플랜지와 하부 플랜지에만 볼트 체결하기 때문에 웨브의 손상으로 인한 파단 발생의 염려가 없다.
또한, 본 발명은 강체 캔틸레버 보의 내력을 기준으로 한 보의 설계내력비를 댐퍼부의 면적 변화만으로 쉽게 설계하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 기둥과 보를 연결하는 접합부의 예상 최대내력, 항복내력 및 초기강성을 간단한 기본 역학식으로 계산하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 초기강성의 경우 강체 캔틸레버 경우의 탄성강성에 비해 동등 혹은 그 이상으로 나타나며 강접합 설계로 보는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 댐퍼부를 구비함으로써 반복이력 거동에 대하여 강성저하가 작으며 강체 접합부에 비해 탁월한 에너지 흡수능력 보유가 가능하다.
또한, 본 발명은 댐퍼부를 활용한 조기항복이 가능하여 내력확보 및 사용성 확보 측면에서 유리하다.
도 1 내지 3은 종래기술에 의한 기둥-보 접합구조물에 대해 설명하기 위한 참조도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구성을 설명하기 위한 분해사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 정면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 저면도.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예를 통해 구현된 해석모델의 정면도.
도 10a는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 전체의 응력분포도.
도 10b는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 제2접합부재의 응력분포도.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 모멘트-회전각 선도.
이하, 상기와 같은 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 기둥-보 접합구조물은 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 구성된다. 이로써 효과적인 손상제어가 가능해진다.
또한, 본 발명에 의한 기둥-보 접합구조물은 상기 변형 및 손상 부위가 파단되는 극단적인 상황에서도 보다 적극적으로 수직전단력을 저항할 수 있도록 구성된다.
이하, 본 발명에 의한 기둥-보 접합구조물의 구성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구성을 설명하기 위한 분해사시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 정면도이다. 그리도 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 저면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물은, 고강도 강으로 이루어진 기둥(110), 상기 기둥(110)의 측면에 대하여 수평방향으로 설치되는 보(120), 상기 기둥(110)과 보(120)를 접합하여 지진동에 대비할 수 있도록 각각 상부와 하부의 접합을 담당하는 제1접합부재(130)와 제2접합부재(140) 그리고 좌굴 방지플레이트(150)를 주요 구성요소들로 포함한다.
이러한 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물은 상기 제1접합부재(130)와 제2접합부재(140)를 소성변형이 가능한 연강으로 구비하는 한편, 상기 제2접합부재(140)에 상대적으로 연신율을 높일 수 있도록 댐퍼부(141)를 마련함으로써, 지진 발생시 수평력(수평방향의 압축력 및 인장력)이 가해질 때 상기 댐퍼부(141)가 에너지를 집중적으로 흡수하여 변형되면서 상기 제1접합부재(130)를 회전축으로 하여 회전하는 전체 거동을 보이게 된다.
또한, 거대수평력으로 인해 상기 댐퍼부(141)가 파단되는 극단적인 상황에서도 상기 제2접합부재(140)의 일부(제2수평판(140b)의 근거리 부위(142))가 끝까지 잔존하여 수직전단력을 저항하면서 상기 보(120)의 하부를 지지하게 된다.
아래에서는 상기 각 구성요소들 중 각각 상부 접합부와 하부 접합부를 이루는 제1접합부재(130)와 제2접합부재(140)를 중심으로 본 발명의 구성에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 제1접합부재(130)는, 상기 기둥(110)의 측면과 상기 보(120)의 상면을 연결하여 지지하는 상부 접합부를 형성한다. 이를 위해 상기 제1접합부재(130)는 소성변형이 가능한 연강으로 이루어지며, 상기 기둥(110)의 측면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 제1수직판(130a)과 상기 보(120)의 상면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 제1수평판(130b)을 일체로 포함한다. 여기서, 상기 제1수평판(130b)의 볼트 체결은 상기 보(120)의 웨브(120a)를 회피하여 상부 플랜지(120b)에만 이루어지도록 주의한다. 또한, 상기 제1접합부재(130)는 제1수평판(130b)의 일단에서 제1수직판(130a)이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비된다.
상기 제2접합부재(140)는, 상기 기둥(110)의 측면과 상기 보(120)의 하면을 연결하여 지지하는 역할을 수행한다. 나아가, 상기 제2접합부재(140)는 지진 발생시 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하고 변형 및 손상을 제한된 곳으로 집중시켜 손상제어가 가능하게 하는 역할도 수행한다.
이를 위해 상기 제2접합부재(140)는 소성변형이 가능한 연강으로 이루어지며, 상기 기둥(110)의 측면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 제2수직판(140a)과 상기 보(120)의 하면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 제2수평판(140b)을 일체로 포함한다. 여기서, 상기 제2수평판(140b)의 볼트 체결은 상기 보(120)의 웨브(120a)를 회피하여 하부 플랜지(120c)에만 이루어지도록 주의한다. 또한, 상기 제2접합부재(140)는 제2수평판(140b)의 일단에서 제2수직판(140a)이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비된다.
한편, 상기 제2접합부재(140)의 중간영역에는 다른 부위에 비해 좁은 폭으로 이루어진 댐퍼부(141)가 구비된다. 이같이 상기 제2접합부재(140)에서 다른 부위에 비해 좁은 폭으로 이루어진 상기 댐퍼부(141)에는 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 집중된다. 따라서, 손상제어가 용이해지고, 제1접합부재(130)와 비교하여 제2접합부재(140)에 연신율이 증가하면서 지진 발생시 상기 제1접합부재(130)를 회전축으로 하는 전체 거동도 분명하게 이루어져 지진으로 인한 거동의 예측 및 해석도 용이해진다. 여기서, 상기 댐퍼부(141)의 폭은 상기 제2접합부재(140)의 다른 부위들보다 좁아야 하는 것은 물론, 상기 제1접합부재(130)의 부위들보다도 좁아야 한다. 또한, 상기 댐퍼부(141)의 폭이나 면적은 상기 보(120)의 단면에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 제2접합부재(140)의 제2수평판(140b)이 전체적으로 볼트 체결에 의하여 상기 보(120)의 하면에 접합되어 있는데, 특히 상기 제2수평판(140b) 중 댐퍼부(141)와 제2수직판(140a) 사이 영역에 위치하는 근거리 부위(142)가 상기 보(120)의 하면에 대하여 볼트 체결되어 있고, 상기 볼트 체결을 위한 볼트공이 보(120)의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿(142a)으로 구비되었다는 점에 주목할 수 있다. 이같은 구성에 따르면, 거대수평력으로 인해 상기 댐퍼부(141)가 심하게 변형 또는 손상되면서 파단되더라도 상기 제2접합부재(140)의 근거리 부위(142)가 끝까지 제2수직판(140a)에 붙어 있는 상태로 잔존하여 가해지는 수직전단력을 적극적으로 저항하면서 상기 보(120)의 하부를 지지하게 되는 것이다. 이때 상기 슬릿(142a)은 상기 제2수평판(140b)의 근거리 부위(142)가 보(120)의 하면에 대한 볼트 체결을 유지한 상태로 이동하는 것을 허용하여 변형이나 손상을 최소화하고 기둥-보 접합구조물 전체의 회전거동을 허용해준다. 여기서, 상기 제2수평판(140b)의 근거리 부위(142)는 댐퍼부(141)를 중심으로 그 반대편에 위치한 원거리 부위(143) 및 다른 부위들에 비해 가장 넓은 폭으로 형성되는 것이 바람직하며, 이를 통해 가해지는 수직전단력에 대하여 안정적인 지지를 기대할 수 있다. 또한, 상기 슬릿(142a)의 길이는 충분한 회전거동이 가능한 정도로 여유를 두고 형성된다.
나아가, 상기 제2접합부재(140)의 제2수직판(140a)과 제2수평판(140b)이 접하는 하부 모서리 중앙 부위에는 양자간을 연결하여 지지해주는 수직 받침판(140c)이 설치된다. 이로써 가해지는 수직전단력에 대하여 보다 안정적인 지지를 기대할 수 있다.
상기 좌굴 방지플레이트(150)는 상기 댐퍼부(141)의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부(141)의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부(141)의 면외좌굴은 억제하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 좌굴 방지플레이트(150)는 상기 댐퍼부(141)보다 넓은 폭으로 형성되어 상기 댐퍼부(141)를 덧대고 남은 좌측과 우측의 여유분이 상기 제2수평판(140b)에 볼트 체결된다.
상기 기둥(110)은 다양한 형태의 것으로 구비될 수 있으며, 도면에 도시된 것처럼 H형강에 강도를 보강할 수 있도록 다수의 철판을 추가한 형태의 것이 바람직하다.
한편, 상기 보(120) 역시 다양한 형태의 것으로 구비될 수 있으며, 도면에 도시된 것처럼 수직한 웨브(120a)를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지(120b)와 하부 플랜지(120c)가 일체로 형성된 H형강으로 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명의 경우 도면에 도시된 것처럼 상기 보(120)에 대한 상기 제1수평판(130b)과 제2수평판(140b)의 볼트 체결이 상기 웨브(120a)를 회피하여 상기 상부 플랜지(120b)와 상기 하부 플랜지(120c)에 대해서만 이루어진다. 이로써, 건물의 하중을 지탱하는 중심적인 역할을 하는 보(120)의 웨브(120a)에 어떠한 손상도 입히지 않게 되어 구조적 안정성을 유지할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 첨부한 도면에 의거 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도이다.
먼저, 도 8a에 도시된 것처럼 지진동과 같은 반복하중 발생으로 인해 수평방향으로 인장력(F1)이 가해지는 경우, 하부 접합부에 속한 제2접합부재(140)의 댐퍼부(141)가 집중적으로 에너지를 흡수하여 신장되면서 상기 인장력(F1)에 대응하게 된다. 이로써 전체적으로는 제1접합부재(130)가 속한 상부 접합부를 중심으로 회전거동하는(도면상으로 반시계방향) 형태가 된다.
또한, 도 8b에 도시된 것처럼 압축력(F2)이 가해지는 경우, 하부 접합부에 속한 제2접합부재(140)의 댐퍼부(141)가 집중적으로 에너지를 흡수하여 수축되면서 상기 압축력(F2)에 대응하게 된다. 이 경우에도 전체적으로는 제1접합부재(130)가 속한 상부 접합부를 중심으로 회전거동하는(도면상으로 시계방향) 형태가 된다. 이때 수축되는 상기 댐퍼부(141)에는 면외좌굴이 발생하려는 강한 경향을 갖게 되지만, 그 하면에 덧대어져 설치된 좌굴 방지플레이트(150)에 의하여 면외좌굴이 효과적으로 억제된다.
또한, 강한 지진의 발생으로 인해 거대수평력이 가해지는 경우를 예상할 수 있는데, 이 경우 도 8c에 도시된 것처럼 하부 접합부에 속한 제2접합부재(140)의 댐퍼부(141)가 파단되는 극단적인 상황에 직면하게 된다(도면부호 D는 파단선임). 하지만, 이같은 상황에서도 하부 접합부에 속한 제2접합부재(140)에서 제2수평판(140b)의 근거리 부위(142)는 제2수직판(140a)으로부터 떨어져나가지 않고 끝까지 잔존하여 가해지는 수직전단력(F3)을 적극적으로 저항하면서 상기 보(120)의 하부를 끝까지 지지하게 된다. 이로써 건물의 층붕괴로 이어지는 사태를 막을 수 있는 것이다.
계속해서 아래에서는 본 발명의 실시예를 통해 제안한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험결과를 설명하기로 한다.
실험예: 구조성능 평가를 위한 해석
본 실험에서는 본 발명의 실시예를 통해 제안한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 평가 및 입증하기 위하여 비선형유한요소해석을 통하여 주요성능을 확인하였다. 본 실험을 위해 도 9에 도시된 것처럼 전체적으로 T자 형태를 갖는 기둥-보 접합구조물을 실물 사이즈로 모델링한 해석모델을 마련하였으며 가력방법은 FEMA에 제시되어 있는 접합부 실험재하 절차를 사용하였다. (참고로 도 9에서는 본 발명에 따른 제1접합부재(130)는 T-stub(SS400)로, 제2접합부재(140)는 Damper(SS400)로 표기되었다.)
먼저, 본 실험을 통한 해석결과에 따른 응력분포도를 도 10a 및 도 10b을 통해 도시하였고, 모멘트-회전각 관계를 도 11을 통해 도시하였다.
도 10a 및 도 10b의 응력분포도에서 나타난 바와 같이 본 실험에서 해석모델의 0.04rad 회전거동시 응력은 하부 접합부를 이루는 제2접합부재(140)에 주로 분포하며, 그 중에서도 붉은색으로 강하게 표시된 것처럼 좁은 폭으로 이루어진 댐퍼부(141)에 대부분의 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 기둥(110) 및 보(120)에는 미미한 응력만이 발생하며 전체적으로 탄성거동을 하는 것을 확인할 수 있다. 이같은 결과는 변형 및 손상, 그리고 거대수평력이 가해질 때 야기되는 파단이 상기 제2접합부재(140)의 댐퍼부(141) 한 곳으로 제한된다는 점을 보여준다.
한편, 도 11에서 수직파선은 특수모멘트골조의 요구변형각 0.04rad 지점을 나타낸 것이며, 수평파선은 보의 전소성모멘트의 80% 지점을 나타낸 것이다. 도 11을 통해 확인할 수 있듯이 해석모델에서 비탄성거동시에도 내력저하가 적으며 안정적인 이력거동을 보였으며, 0.04rad 반복가력시까지 보의 전소성모멘트의 80% 이상의 내력을 만족하였다. 이는 가장 엄격한 성능을 요구하는 특수모멘트골조의 접합부 성능까지도 충분히 만족시킬 수 있음을 확인시켜주는 결과라고 할 수 있다.
위 언급된 본 실험결과를 통해 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물이 지진 발생시 야기되는 변형 및 손상이 댐퍼부(141) 한 곳에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하다는 점과 매우 안정적인 이력특성을 갖는다는 점을 충분히 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 기둥 120 : 보
130 : 제1접합부재 130a : 제1수직판
130b : 제1수평판 140 : 제2접합부재
140a : 제2수직판 140b : 제2수평판
140 c : 수직 받침판 141 : 댐퍼부
142 : 근거리 부위 142a : 슬릿
143 : 원거리 부위 150 : 좌굴 방지플레이트

Claims (13)

  1. 기둥과;
    상기 기둥의 측면에 대하여 수평방향으로 설치되는 보와;
    상기 기둥의 측면 및 상기 보의 상면에 각각 덧대어져 접합되는 제1수직판 및 제1수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 한 제1접합부재;
    상기 기둥의 측면 및 상기 보의 하면에 각각 덧대어져 접합되는 제2수직판 및 제2수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 하되, 상기 제2수평판의 중간영역에는 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 한 댐퍼부가 형성된 제2접합부재를 포함하며,
    상기 제2수평판의 댐퍼부는 다른 부위에 비해 좁은 폭으로 이루어지고,
    상기 제2수평판 중 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이 영역의 부위가 상기 보의 하면에 대하여 볼트 체결되어, 상기 댐퍼부가 파단되더라도 가해지는 수직전단력을 저항할 수 있도록 하되, 상기 볼트 체결을 위해 상기 제2수평판에 구비된 볼트공은 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2접합부재는 상기 제2수직판과 제2수평판이 접하는 하부 모서리에 설치되어 상기 제2수직판에 대하여 상기 제2수평판을 지지해주는 수직 받침판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 좌굴 방지플레이트는 상기 댐퍼부보다 넓은 폭으로 형성되어 상기 댐퍼부를 덧대고 남은 좌측과 우측의 여유분이 상기 제2수평판에 볼트 체결된 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보는 수직한 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강으로 구비되고, 상기 보에 대한 상기 제1수평판과 제2수평판의 접합은 상기 웨브를 회피하여 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지에 대해서만 볼트 체결로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1접합부재는 상기 제1수평판의 일단에서 상기 제1수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비되고, 상기 제2접합부재는 상기 제2수평판의 일단에서 상기 제2수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비된 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  10. 기둥의 측면에 대하여 보를 접합하는 기둥-보 접합방법에 있어서,
    소성변형이 가능한 연강에 의해 덧대어 접합하는 형태로 상기 기둥의 측면과 상기 보의 상면을 연결하여 지지하는 상부 접합부 형성단계와;
    소성변형이 가능한 연강에 의해 덧대어 접합하는 형태로 상기 기둥의 측면과 상기 보의 하면을 연결하여 지지하는 하부 접합부 형성단계로 이루어지고,
    상기 하부 접합부 중 상기 보의 하면에 덧대어진 부위에 상대적으로 폭이 좁은 댐퍼부를 두어, 상기 댐퍼부가 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 하며,
    상기 하부 접합부에서 상기 보의 하면에 덧대어진 부위 중 상기 댐퍼부와 상기 기둥 사이 영역의 부위는 상기 보의 하면에 대하여 볼트 체결하여 상기 댐퍼부가 파단되더라도 수직전단력을 저항할 수 있도록 하되, 상기 볼트 체결을 위해 상기 하부 접합부에 구비된 볼트공은 상기 보의 길이방향으로 길게 형성된 슬릿으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 상기 댐퍼부의 이동이 가능하도록 그 하측을 지지하는 좌굴 방지플레이트를 설치하여 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴을 억제하도록 한 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합방법.
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