KR101406485B1 - 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법 - Google Patents

기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101406485B1
KR101406485B1 KR1020120104714A KR20120104714A KR101406485B1 KR 101406485 B1 KR101406485 B1 KR 101406485B1 KR 1020120104714 A KR1020120104714 A KR 1020120104714A KR 20120104714 A KR20120104714 A KR 20120104714A KR 101406485 B1 KR101406485 B1 KR 101406485B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plate
column
joining
horizontal
damper
Prior art date
Application number
KR1020120104714A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140039385A (ko
Inventor
오상훈
이동규
박해용
Original Assignee
주식회사 포스코
부산대학교 산학협력단
재단법인 포항산업과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 포스코, 부산대학교 산학협력단, 재단법인 포항산업과학연구원 filed Critical 주식회사 포스코
Priority to KR1020120104714A priority Critical patent/KR101406485B1/ko
Publication of KR20140039385A publication Critical patent/KR20140039385A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101406485B1 publication Critical patent/KR101406485B1/ko

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/24—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts consisting of metal
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/24—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts consisting of metal
    • E04B1/2403—Connection details of the elongated load-supporting parts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/38—Connections for building structures in general
    • E04B1/388—Separate connecting elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/38—Connections for building structures in general
    • E04B1/58—Connections for building structures in general of bar-shaped building elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
    • E04B1/92—Protection against other undesired influences or dangers
    • E04B1/98—Protection against other undesired influences or dangers against vibrations or shocks; against mechanical destruction, e.g. by air-raids
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/024—Structures with steel columns and beams
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/24—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts consisting of metal
    • E04B1/2403—Connection details of the elongated load-supporting parts
    • E04B2001/2415—Brackets, gussets, joining plates

Abstract

본 발명은 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법을 제공한다.
본 발명은 기둥; 상기 기둥의 측면에 수평방향으로 설치되며 웨브와, 상기 웨브의 상단 및 하단에 각각 일체로 결합되는 상부 플랜지 및, 하부 플랜지를 구비한 보; 상기 기둥의 측면에 접합되는 제1수직판과, 상기 제1수직판에 일체로 결합되며 상기 보의 상면에 접합되는 제1수평판을 구비하는 제1접합부재; 및, 상기 기둥의 측면에 접합되는 제2수직판과 상기 제2수직판에 일체로 결합되며 상기 보의 하면에 접합되는 제2수평판을 구비하며, 상기 제2수평판의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부가 형성된 제2접합부재;를 포함하되, 상기 웨브는, 상기 보의 길이방향으로 절곡되는 파형부와, 상기 기둥 측의 상기 파형부의 단부에 평판형상으로 접합되며 상기 파형부의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부를 구비하고,상기 파형부는 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지의 두께에 비해 얇은 두께로 형성되고, 상기 제2수평판은, 상기 제2수직판에 접합되는 근거리부위;와, 상기 제2수평판의 중간영역에 배치되고, 상기 근거리부위에서 연결되는 댐퍼부; 및, 상기 댐퍼부를 중심으로 상기 근거리부위의 반대편에 위치한 원거리부위;를 구비하고, 상기 근거리부위는, 상기 평판부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되고, 상기 원거리부위는, 상기 파형부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물을 제공한다.

Description

기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법{COUPLING STRUCTURE AND METHOD FOR BEAM TO COLUMN CONNECTION}
본 발명은 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 지진발생 등에 의해 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되게 하여 효과적인 손상제어가 가능하고, 그 변형 및 손상 부위가 파단되더라도 수직전단력에 적극적으로 저항하며, 경제성 및 구조성능이 향상된 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기둥과 보의 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 기둥과 보의 접합구조물에 대한 관심 및 필요성도 함께 증가하고 있다.
이같은 기둥과 보의 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 기둥과 보의 접합구조물을 제안하기도 하였다.
또한, 도 3은 2004년 한국에서 오상훈 등에 의해 연구되었던 또 다른 형태의 기둥과 보의 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, 상기 종래기술에 의한 기둥과 보의 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 기둥과 보의 접합구조물은 기둥과 보를 연결하는 접합부에서 수평방향으로 가해지는 압축력에 의해 면외좌굴이 일어나면서 쉽게 손상되는 문제점이 있다.
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 있다.
그리고, 강도 높은 지진 등의 발생에 대응하기 위하여 기둥, 보, 접합부 등의 구조물의 강도와 두께를 증가시키면, 구조물 자체의 하중이 증가하고 자재비가 증가하여 비경제적인 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서 그 목적 측면은, 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 구성됨으로써 효과적으로 손상제어가 가능한 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법을 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명은 일 측면으로써, 상기 변형 및 손상 부위인 댐퍼부가 파단되는 극단적인 상황에서도 보다 적극적으로 수직전단력에 저항하는 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 일 측면으로써, 구조물의 전체적인 구조재의 사용량(구조물량)을 감소시켜 경제성과 구조성능이 향상된 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 기둥; 상기 기둥의 측면에 수평방향으로 설치되며 웨브와, 상기 웨브의 상단 및 하단에 각각 일체로 결합되는 상부 플랜지 및, 하부 플랜지를 구비한 보; 상기 기둥의 측면에 접합되는 제1수직판과, 상기 제1수직판에 일체로 결합되며 상기 보의 상면에 접합되는 제1수평판을 구비하는 제1접합부재; 및, 상기 기둥의 측면에 접합되는 제2수직판과 상기 제2수직판에 일체로 결합되며 상기 보의 하면에 접합되는 제2수평판을 구비하며, 상기 제2수평판의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부가 형성된 제2접합부재;를 포함하되, 상기 웨브는, 상기 보의 길이방향으로 절곡되는 파형부와, 상기 기둥 측의 상기 파형부의 단부에 평판형상으로 접합되며 상기 파형부의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부를 구비하고,상기 파형부는 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지의 두께에 비해 얇은 두께로 형성되고, 상기 제2수평판은, 상기 제2수직판에 접합되는 근거리부위;와, 상기 제2수평판의 중간영역에 배치되고, 상기 근거리부위에서 연결되는 댐퍼부; 및, 상기 댐퍼부를 중심으로 상기 근거리부위의 반대편에 위치한 원거리부위;를 구비하고, 상기 근거리부위는, 상기 평판부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되고, 상기 원거리부위는, 상기 파형부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물을 제공한다.
삭제
삭제
바람직하게, 상기 평판부의 길이는, 상기 보의 높이의 1/4 내지 1배로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 보는 상기 웨브의 상단 및 하단에 각각 일체로 결합되는 상부 플랜지와 하부 플랜지를 구비하고, 상기 제1수평판과 상기 제2수평판은, 상기 웨브를 회피하여 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지에 대해서만 볼트 체결됨으로써 상기 보와 접합될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2수평판에 구비된 상기 댐퍼부는 다른 부위에 비해 좁은 폭으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 제2수평판은, 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이의 영역이 상기 보의 하면에 볼트체결되어 상기 댐퍼부가 파단되는 경우에도 수직전단력에 저항하도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2수평판은, 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이에 형성되며, 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿형상으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용하는 슬릿 볼트공;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제2접합부재는, 상기 제2수직판과 제2수평판이 접하는 하부 모서리에 설치되어 상기 제2수직판에 대하여 상기 제2수평판을 지지하는 수직 받침판;을 더 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트;를 더 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 좌굴 방지플레이트는 상기 댐퍼부보다 넓은 폭으로 형성되어 상기 댐퍼부를 덧대고 남은 좌측과 우측의 여유분이 상기 제2수평판에 볼트 체결될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1접합부재 및 상기 제2접합부재는, 상기 기둥 및 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하게 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1접합부재는 상기 제1수평판의 일단에서 상기 제1수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 제공되고, 상기 제2접합부재는 상기 제2수평판의 일단에서 상기 제2수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 제공될 수 있다.
한편, 다른 측면으로서 본 발명은, 기둥의 측면에 대하여 보를 접합하는 기둥과 보의 접합방법에 있어서, 상부플랜지와 하부플랜지 사이에 길이방향으로 절곡된 파형부가 형성되는 웨브를 접합하여 보를 제작하는 단계; 상기 기둥의 측면에 제1수직판을 접합하고, 상기 보의 상면에 상기 제1수직판과 일체로 결합되는 제1수평판을 접합하는 제1접합부재 접합단계; 및, 상기 기둥의 측면에 제2수직판을 접합하고, 상기 보의 하면에 상기 제2수직판과 일체로 결합되는 제2수평판을 접합하는 제2접합부재 접합단계;를 포함하되, 상기 제2수평판의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부가 형성되고, 상기 보를 제작하는 단계에서, 상기 파형부는 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지의 두께에 비해 얇은 두께로 형성되고, 상기 웨브는, 상기 기둥 측의 상기 파형부의 단부에 평판형상으로 접합되며 상기 파형부의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부를 구비하고, 상기 제2수평판은, 상기 제2수직판에 접합되는 근거리부위;와, 상기 제2수평판의 중간영역에 배치되고, 상기 근거리부위에서 연결되는 댐퍼부; 및, 상기 댐퍼부를 중심으로 상기 근거리부위의 반대편에 위치한 원거리부위;를 구비하고, 상기 근거리부위는, 상기 평판부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되고, 상기 원거리부위는, 상기 파형부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합방법을 제공한다.
삭제
삭제
바람직하게, 상기 제2수평판은, 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이의 영역이 상기 보의 하면에 볼트체결되어 상기 댐퍼부가 파단되는 경우에도 수직전단력에 저항하도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2수평판은, 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이에 형성되며, 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿형상으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용하는 슬릿 볼트공을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법에 의하면, 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 발명의 실시예에 의하면, 파형웨브가 구비된 보를 이용함으로써 웨브의 두께를 감소함으로써 구조적 성능은 향상시킬 수 있으므로, 전체적인 구조물량을 감소시켜 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 파형웨브의 단부에 평판부를 형성함으로써 전체적인 구조물량과 하중은 감소시키면서, 파형웨브의 선행좌굴을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 지진 발생시 거대수평력으로 인해 댐퍼부가 파단되는 극단적인 상황에서도 하부 접합부에 속한 제2접합부재의 일부가 끝까지 잔존하면서 보다 적극적으로 수직전단력을 저항할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 보의 소성변형을 극소화하는 것이 가능하며 이를 적극적으로 활용할 경우 보의 탄성거동만으로 손상제어가 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 소성힌지의 발생 위치가 보 내부에 존재하게 되어 접합부의 단부 취성파단을 근본적으로 회피할 수 있으며, 보의 웨브를 회피하여 상부 플랜지와 하부 플랜지에만 볼트 체결하기 때문에 웨브의 손상으로 인한 파단 발생을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 강체 캔틸레버 보의 내력을 기준으로 한 보의 설계 내력비를 댐퍼부의 면적 변화만으로 쉽게 설계하는 것이 가능해지며, 기둥과 보를 연결하는 접합부의 예상 최대내력, 항복내력 및 초기강성을 간단한 기본 역학식으로 계산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 초기강성의 경우 강체 캔틸레버 경우의 탄성강성에 비해 동등 혹은 그 이상으로 나타나며 강접합 설계로 보는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 댐퍼부를 구비함으로써 반복이력 거동에 대하여 강성저하가 작으며 강체 접합부에 비해 탁월한 에너지 흡수능력 보유가 가능해지고, 또한 댐퍼부를 활용한 조기항복이 가능하여 내력확보 및 사용성 확보 측면에서 유리하다.
도 1 내지 3은 종래기술에 의한 기둥과 보의 접합구조물에 대해 설명하기 위한 참조도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 구성을 설명하기 위한 분해사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 정면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 저면도.
도 8(a)와 도 8(b)는 본 발명의 실시예에 적용되는 보의 정면도와 저면도.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도.
도 10a는 보가 일반평판웨브를 구비하며 단부가 기둥에 용접접합된 해석모델이며, 도 10b는 보가 파형웨브를 구비하며 단부가 기둥에 용접접합된 해석모델이고, 도 10c는 보가 파형웨브를 구비하며 보의 단부가 본 발명의 접합상세에 의해 기둥에 볼트체결된 해석모델.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 모멘트-회전각 선도.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험체의 주요지점의 변형률 분포도.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법의 기술적인 특징을 이해시키기에 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
먼저, 이하에서는 도 4 내지 도 8(b)를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물(100)에 대하여 살펴본다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 구성을 설명하기 위한 분해사시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 정면도이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 저면도이고, 도 8(a)와 도 8(b)는 본 발명의 실시예에 적용되는 보의 정면도와 저면도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물(100)은, 도 4 내지 도 8(b)에 도시된 실시예와 같이, 기둥(110)과, 상기 기둥(110)의 측면에 수평방향으로 설치되며 웨브(121)를 구비한 보(120)와, 상기 기둥의 측면에 접합되는 제1수직판(130a)과, 상기 제1수직판에 일체로 결합되며 상기 보(120)의 상면에 접합되는 제1수평판(130b)을 구비하는 제1접합부재(130)와, 상기 기둥(110)의 측면에 접합되는 제2수직판(140a)과 상기 제2수직판(140a)에 일체로 결합되며 상기 보(120)의 하면에 접합되는 제2수평판(140b)을 구비하며, 상기 제2수평판(140b)의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부(141)가 형성된 제2접합부재(140)를 포함하되, 상기 웨브는, 상기 보(120)의 길이방향으로 절곡되는 파형부(121a)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물(100)은 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.
그리고, 기둥-보 접합부분의 회전거동에 의한 보 부재의 수평력을 하부 접합부에 집중시키는 상기 접합상세를 이용함으로써, 상기 보(120)의 웨브(121)에 얇은 두께의 파형강판을 이용하는 것이 가능해져 접합구조물의 경제성과 구조성능을 동시에 향상시키는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 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(121)를 회피하여 상부 플랜지(123a)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(121)를 회피하여 하부 플랜지(123b)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.
한편, 상기 보(120)에 구비된 웨브(121)는, 상기 보(120)의 길이방향을 따라 형성된 파형부(121a)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 파형부(121a)는, 상기 상부플랜지(123a)와 상기 하부플랜지(123b)의 두께에 비해 얇은 두께로 형성될 수 있다. 즉, 상기 파형부(121a)는 보의 중심을 기준으로 전면과 후면으로 절곡된 주름이 형성되며 얇은 강판으로 형성될 수 있다.
후술하는 실험예와 같이, 파형웨브를 이용한 보는 평판웨브를 이용한 보에 비해, 상대적으로 사용하중과 적재하중 등에 의한 전단력 및 모멘트에 대한 저항성능이 우수하다. 따라서, 파형웨브를 이용한 보는 평판웨브를 이용한 보에 비해 상대적으로 얇은 판두께에서도 수직력에 대한 강성 및 내력확보가 가능한 이점이 있다.
다만, 파형웨브를 이용한 보의 경우 수직력에 대한 저항능력에 비해 수평력에 대한 저항능력이 상대적으로 작으므로, 기둥(110)과 보의 단부가 용접으로 접합된 경우 웨브(121)가 수평력을 받게되면 국부적인 좌굴이 발생하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의한 접합상세인 상기 제1접합부재(130)와 상기 제2접합부재(140) 및 상기 댐퍼부(141)로 이루어진 구성을 이용하면, 기둥-보 접합부분의 회전거동에 의해 야기되는 보부재의 수평력을 하부접합부인 제2접합부재(140) 특히 댐퍼부(141)에 집중시킬 수 있으므로, 상기 파형웨브를 이용한 보를 이용한 효과를 극대화시킬 수 있다. 즉, 상기 파형웨브를 이용한 보는 얇은 두께로 형성된 경우에도 수평력을 적게 받으면서 수직력에 대한 강성 및 내력을 확보할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물(100)은 경제성과 구조적 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 웨브(121)는, 상기 기둥(110) 측의 상기 파형부(121a)의 단부에 평판형상으로 접합되며, 상기 파형부(121a)의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부(121b)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 평판부(121b)는 상기 파형부(121a)에 비해 판두께가 두껍게 형성(예를 들어, 플랜지의 판두께)되며, 소정길이로 상기 파형부(121a)의 단부에 용접 등으로 연장되게 접합될 수 있다.
이에 따라, 상기 파형웨브인 파형부(121a)의 단부에 한계판폭두께비를 만족하는 평판웨브가 보강됨으로써, 구조물에 지진 등의 수평력이 작용하는 경우에도 파형웨브에 국부적인 좌굴이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 파형웨브가 얇은 두께로 형성되므로써 플랜지와의 용접성 저하로 보의 단부의 최대모멘트가 작용하는 지점(응력집중지점)이 수평력을 받으면 국부적인 좌굴이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 평판부(121b)가 상기 파형부(121a)의 단부를 보강하도록 접합됨으로써 파형부(121a)의 수평력에 대한 저항능력을 보강하게 되어, 상기 보(120)의 단부의 선행좌굴을 방지하게 된다.
이때, 상기 평판부(121b)의 길이(d)는, 상기 보의 높이(h)의 1/4 내지 1배로 형성될 수 있다.
이는 상기 평판부(121b)의 길이(d)가 상기 보의 높이(h)의 1/4 이하인 경우에는 상기 파형부(121a)의 수평력에 대한 저항능력이 보강되지 않아 보 단부의 국부적인 좌굴이 발생할 수 있으며, 상기 평판부(121b)의 길이가 상기 보의 높이를 초과하는 경우에는 얇은 파형부(121a)가 구비된 웨브를 이용한 구조물량감소효과를 달성할 수 없기 때문이다.
더욱 바람직하게는 상기 평판부(121b)의 길이는 상기 보의 춤(높이)의 절반으로 형성될수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평력에 대한 상기 파형웨브의 단부의 저항력을 보강할 수 있다면 다양한 길이로 접합될 수 있다.
한편, 상기 제1수평판(130b)과 상기 제2수평판(140b)은, 상기 웨브를 회피하여 상기 상부 플랜지(123a)와 상기 하부 플랜지(123b)에 대해서만 볼트 체결됨으로써 상기 보와 접합될 수 있다.
이에 따라, 건물의 하중을 지탱하는 중심적인 역할을 하는 보(120)의 웨브(121)에 어떠한 손상도 입히지 않게 되어 구조적 안정성을 유지할 수 있다.
한편, 상기 제2수평판(140b)은, 상기 댐퍼부(141)와 상기 제2수직판(140a) 사이의 영역이 상기 보의 하면에 볼트체결되어 상기 댐퍼부(141)가 파단되는 경우에도 수직전단력에 저항하도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2수평판(140b)은, 상기 댐퍼부(141)와 상기 제2수직판(140a) 사이에 형성되며, 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿형상으로 구비되어 상기 기둥(110)에 대한 보의 회전거동을 수용하는 슬릿 볼트공(142a)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 제2접합부재(140)의 제2수평판(140b)이 전체적으로 볼트체결에 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 볼트공(142a)으로 구비될 수 있다.
이에 따라, 거대수평력으로 인해 상기 댐퍼부(141)가 심하게 변형 또는 손상되면서 파단되더라도 상기 제2접합부재(140)의 근거리부위(142)가 끝까지 제2수직판(140a)에 붙어 있는 상태로 잔존하여 가해지는 수직전단력을 적극적으로 저항하면서 상기 보(120)의 하부를 지지할 수 있다. 이때, 상기 슬릿 볼트공(142a)에 의해, 상기 제2수평판(140b)의 근거리 부위(142)는 보(120)의 하면에 대한 볼트 체결을 유지한 상태로 슬라이딩 이동하게 되므로 변형이나 손상을 최소화되면서, 기둥과 보의 접합구조물(100) 전체의 회전거동을 허용할 수 있다.
즉, 상기 슬릿 볼트공(142a)은, 상기 댐퍼부(141)의 파단시까지 접합부분의 내력에 기여하지 않고 슬라이딩 이동만 하게 되며, 상기 댐퍼부(141)의 파괴가 일어나면 상기 보와 상기 제2접합부재(140)가 완전한 분리가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 댐퍼부(141)가 파괴된 이후에 추가적인 접합부분의 회전 거동시에도, 상기 슬릿 볼트공(142a)은 체결된 볼트들의 전단지압력에 의해 상기 기둥과 보의 접합구조물(100)의 안전장치 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 제2접합부재(140)는 상기 댐퍼부(141)가 파괴된 이후에도 구조물의 고정하중 및 적재하중에 의한 수직전단력에 대한 저항력을 상실하지 않는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 제2수평판(140b)의 근거리 부위(142)는 댐퍼부(141)를 중심으로 그 반대편에 위치한 원거리부위(143) 및 다른 부위들에 비해 가장 넓은 폭으로 형성되는 것이 바람직하며, 이를 통해 구조물에 가해지는 수직전단력에 대하여 안정적인 지지를 기대할 수 있다. 또한, 상기 슬릿 볼트공(142a)의 길이는 충분한 회전거동이 가능한 정도의 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2접합부재(140)는, 상기 제2수직판(140a)과 제2수평판(140b)이 접하는 하부 모서리에 설치되어 상기 제2수직판(140a)에 대하여 상기 제2수평판(140b)을 지지하는 수직 받침판(140c)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 제2접합부재(140)의 제2수직판(140a)과 제2수평판(140b)이 접하는 하부 모서리 중앙 부위에는 양자간을 연결하여 지지해주는 수직받침판(140c)이 설치될 수 있다. 이로써 가해지는 수직전단력에 대하여 보다 안정적인 지지를 기대할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는, 상기 댐퍼부(141)의 하면에 덧대어진 형태로 설치되는 좌굴 방지플레이트(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 좌굴 방지플레이트(150)는 상기 댐퍼부(141)의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부(141)의 면외좌굴은 억제하는 역할을 할 수 있다. 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 체결될 수 있다.
한편, 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, 이하에서는 도 4 내지 도 8(b)를 참조하여, 본 발명의 또 다른 측면에 의한 기둥과 보의 접합방법에 대하여 살펴본다.
이하에서는, 상기 기둥과 보의 접합구조물과 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합방법은, 기둥의 측면에 대하여 보(120)를 접합하는 기둥과 보의 접합방법을 기초로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 기둥과 보의 접합방법은, 상부플랜지(123a)와 하부플랜지(123b) 사이에 길이방향으로 절곡된 파형부(121a)가 형성되는 웨브(121)를 접합하여 보(120)를 제작하는 단계와, 상기 기둥(110)의 측면에 제1수직판(130a)을 접합하고, 상기 보(120)의 상면에 상기 제1수직판(130a)과 일체로 결합되는 제1수평판(130b)을 접합하는 제1접합부재(130) 접합단계와, 상기 기둥(110)의 측면에 제2수직판(140a)을 접합하고, 상기 보(120)의 하면에 상기 제2수직판(140a)과 일체로 결합되는 제2수평판(140b)을 접합하는 제2접합부재(140) 접합단계를 포함하되, 상기 제2수평판(140b)의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부(141)가 형성될 수 있다.
이때, 상기 보(120)를 제작하는 단계에서, 상기 파형부(121a)는 상기 상부 플랜지(123a)와 상기 하부 플랜지(123b)의 두께에 비해 얇은 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 웨브(121)는, 상기 기둥(110) 측의 상기 파형부(121a)의 단부에 평판형상으로 접합되며 상기 파형부(121a)의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부(121b)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 제2수평판(140b)은, 상기 댐퍼부(141)와 상기 제2수직판(140a) 사이의 영역이 상기 보(120)의 하면에 볼트체결되어 상기 댐퍼부(141)가 파단되는 경우에도 수직전단력에 저항하도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2수평판(140b)은, 상기 댐퍼부(141)와 상기 제2수직판(140a) 사이에 형성되며, 상기 보(120)의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿형상으로 구비되어 상기 기둥(110)에 대한 보(120)의 회전거동을 수용하는 슬릿 볼트공(142a)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 댐퍼부(141)의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부(141)의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부(141)의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트(150)를 포함할 수 있다.
한편 이하에서는, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의해 제안된 기둥과 보의 접합구조물(100)의 동작 및 작용을 설명한다. 도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도이다.
먼저, 도 9a에 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 9b에 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 9c에 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.
한편 이하에서는, 본 발명의 실시예에서 제안한 기둥과 보의 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험결과를 설명한다.
실험예 : 구조성능 평가를 위한 해석
본 실험에서는 본 발명의 실시예를 통해 제안한 기둥과 보의 접합구조물의 구조성능을 평가 및 입증하기 위하여 비선형유한요소해석을 통하여 주요성능을 확인하였으며, 특히 본 발명의 일실시예와 다른 구성인 파형으로 형성된 웨브 보가 구비된 접합구조물의 구조성능을 확인하였다. 본 실험을 위해 도 10a 내지 도 10c에 도시된 것처럼 전체적으로 T자 형태를 갖는 기둥과 보의 접합구조물을 실물 사이즈로 모델링한 해석모델을 마련하였으며 가력방법은 FEMA에 제시되어 있는 접합부 실험재하 절차를 사용하였다.
이하에서는 상기 일실시예와 동일한 실험조건 및 방법에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 10a는 보가 일반평판웨브를 구비하며 단부가 기둥에 용접접합된 해석모델이며, 도 10b는 보가 파형웨브를 구비하며 단부가 기둥에 용접접합된 해석모델이고, 도 10c는 보가 파형웨브를 구비하며 보의 단부가 본 발명의 접합상세에 의해 기둥에 볼트체결된 해석모델이다. 또한, 도 11a, 도 11b 및 도 11c는 각각 도 10a, 도 10b 및 도 10c 의 해석모델의 회전거동시 모멘트 회전각 선도를 나타낸다.
먼저, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b를 참조하여, 본 발명에 적용되는 파형웨브를 이용한 보의 구조성능을 설명한다.
두 실시예는, 모두 기둥부재는 H-400X400X13X21로 동일하며 강종은 SS400으로 통일하였다. 다만, 웨브두께는 하기의 [표 1]에 기재된 바와 같이 파형웨브의 두께를 일반평판웨브의 두께에 비해 더 얇게 구성하였다.
Figure 112012076513010-pat00001
실험결과, 하기의 [표 2]와 도 11a 및 도 11b에 나타난 바와 같이, 일반평판웨브 실험체의 경우 정방향 최대내력은 89.67ton.m, 부향향 최대내력은 -117.12 ton.m로 나타났으며 정방향 0.013rad에서 상부 플랜지 단부에서 취성파단이 발생하였고, 접합부 성능은 보통모멘트골조에 해당된다. 파형웨브실험체의 경우 정방향 최대내력은 83.81ton.m, 부방향 최대내력은 -101.98ton.m로 나타났으며 8 Step(목표회전각:0.04rad) 첫번째 cycle 가력시 파형웨브의 좌굴에 의해 내력히 급격히 저하되었고, 접합부의 성능은 중간모멘트골조에 해당된다.
Figure 112012076513010-pat00002
전체적인 비교결과에서 파형웨브실험체는 일반실험체에 비해 월등히 얇은 두께를 가지는 웨브로 구성되었음에도 불구하고, 전체적인 내력에서 10%이내의 차이를 보이고 있으며 변형능력 측면에서는 평판웨브실험체에 비하여 우수한 결과가 나타났다. 따라서, 파형웨브를 이용한 보는 전체적인 구조물량을 절감할 수 있으므로 경제성과 구조성능을 동시에 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
다음, 도 11b 및 도 11c와 도 12a 및 도 12b를 참조하여, 본 발명의 실시예인 파형웨브를 이용한 보를 적용한 본 발명의 접합상세의 구조성능을 설명한다. 이때, 도 12a는 단부용접상세 실험체의 주요지점(위에서부터 상부플랜지, 웨브, 하부플랜지)의 변형률 분포도를 나타내며, 도 12b는 본 발명의 접합상세를 이용하여 볼트체결한 실험체의 주요지점(위에서부터 상부플랜지, 웨브, 하부플랜지, 댐퍼부)의 변형률 분포도를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 단부용접상세 실험체의 경우 파형웨브의 단부에서 선행적으로 좌굴이 발생하며 취성적인 파괴양상을 나타낸 반면, 본 발명의 접합상세를 이용하여 볼트체결한 실험체의 경우 댐퍼부에서 선행적으로 항복하며 0.04rad 거동시까지 상기 보(120)의 웨브 좌굴없이 안정적인 이력거동을 발휘하였다.
한편, 도 11b 및 도 11c에서 수직파선은 특수모멘트골조의 요구변형각 0.04rad지점을 나타낸 것이며, 수평파선은 보의 전소성모멘트의 80% 지점을 나타낸 것이다. 도 11b 및 도 11c를 통해 확인할 수 있듯이, 단부의 접합조건이 종래의 전용접접합상세일 경우 전체 접합부의 변형능력은 특수모멘트골조의 요구조건인 0.04rad을 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명의 접합상세를 이용하여 볼트체결한 실험체의 경우 보의 전소성모멘트의 80%을 유지하면서 최대변형각이 0.04rad을 크게 상회함에 따라 특수모멘트골조의 요구조건을 만족함을 확인할 수 있다.
특히, 양 실험체의 웨브에서의 변형률 분포에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 접합상세를 이용하여 볼트체결한 실험체의 경우, 반복하중에 의한 손상을 제2접합부재(140)의 댐퍼부(141)가 대부분 부담하며 기둥과 웨브의 접합이 없기 때문에 보(특히 웨브)에 작용하는 응력을 효과적으로 줄여줄 수 있으므로, 수직력에 대한 저항능력은 우수하나 상대적으로 수평력에 대한 저항능력은 작은 파형웨브를 얇은두께로 사용하여도 충분한 강성 및 내력확보가 가능한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물을 이용하면, 상기 보(120)의 구조물량을 감소시킬 수 있으므로 경제성 및 비탄성영역에서의 구조성능을 동시에 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 기둥과 보의 접합구조물 및 그 접합방법을 이용하면, 본 발명에 의한 기둥과 보의 접합구조물은 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 구성됨으로써 효과적으로 손상제어를 할 수 있다.
또한, 상기 변형 및 손상 부위인 댐퍼부가 파단되는 극단적인 상황에서도 보다 적극적으로 수직전단력에 저항하는 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 파형웨브가 구비된 보를 이용함으로써 웨브의 두께를 감소함으로써 구조적 성능은 향상시킬 수 있으므로, 전체적인 구조물량을 감소시켜 경제적인 효과를 얻을 수 있고, 파형웨브의 단부에 평판부를 형성함으로써 전체적인 구조물량과 하중은 감소시키면서, 파형웨브의 선행좌굴을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한 도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
100 : 기둥과 보의 접합구조물 110 : 기둥
120 : 보 121 : 웨브
121a : 파형부 121b : 평판부
123a : 상부플랜지 123b : 하부플랜지
130 : 제1접합부재 130a : 제1수직판
130b : 제1수평판 140 : 제2접합부재
140a : 제2수직판 140b : 제2수평판
140c : 수직 받침판 141 : 댐퍼부
142 : 근거리 부위 142a : 슬릿 볼트공
143 : 원거리 부위 150 : 좌굴 방지플레이트

Claims (19)

  1. 기둥;
    상기 기둥의 측면에 수평방향으로 설치되며 웨브와, 상기 웨브의 상단 및 하단에 각각 일체로 결합되는 상부 플랜지 및, 하부 플랜지를 구비한 보;
    상기 기둥의 측면에 접합되는 제1수직판과, 상기 제1수직판에 일체로 결합되며 상기 보의 상면에 접합되는 제1수평판을 구비하는 제1접합부재; 및,
    상기 기둥의 측면에 접합되는 제2수직판과 상기 제2수직판에 일체로 결합되며 상기 보의 하면에 접합되는 제2수평판을 구비하며, 상기 제2수평판의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부가 형성된 제2접합부재;를 포함하되,
    상기 웨브는,
    상기 보의 길이방향으로 절곡되는 파형부와,
    상기 기둥 측의 상기 파형부의 단부에 평판형상으로 접합되며 상기 파형부의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부를 구비하고,
    상기 파형부는 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지의 두께에 비해 얇은 두께로 형성되고,
    상기 제2수평판은,
    상기 제2수직판에 접합되는 근거리부위;와,
    상기 제2수평판의 중간영역에 배치되고, 상기 근거리부위에서 연결되는 댐퍼부; 및,
    상기 댐퍼부를 중심으로 상기 근거리부위의 반대편에 위치한 원거리부위;를 구비하고,
    상기 근거리부위는, 상기 평판부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되고,
    상기 원거리부위는, 상기 파형부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평판부의 길이는, 상기 보의 높이의 1/4 내지 1배로 형성되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 보는 상기 웨브의 상단 및 하단에 각각 일체로 결합되는 상부 플랜지와 하부 플랜지를 구비하고,
    상기 제1수평판과 상기 제2수평판은, 상기 웨브를 회피하여 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지에 대해서만 볼트 체결됨으로써 상기 보와 접합되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제2수평판에 구비된 상기 댐퍼부는 다른 부위에 비해 좁은 폭으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2수평판은
    상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이의 영역이 상기 보의 하면에 볼트체결되어 상기 댐퍼부가 파단되는 경우에도 수직전단력에 저항하도록 형성된 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2수평판은
    상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이에 형성되며, 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿형상으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용하는 슬릿 볼트공;을 포함하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제2접합부재는
    상기 제2수직판과 제2수평판이 접하는 하부 모서리에 설치되어 상기 제2수직판에 대하여 상기 제2수평판을 지지하는 수직 받침판;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 좌굴 방지플레이트는 상기 댐퍼부보다 넓은 폭으로 형성되어 상기 댐퍼부를 덧대고 남은 좌측과 우측의 여유분이 상기 제2수평판에 볼트 체결된 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  12. 제1항 또는 제4항에 있어서 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1접합부재 및 상기 제2접합부재는, 상기 기둥 및 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  13. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1접합부재는 상기 제1수평판의 일단에서 상기 제1수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 제공되고, 상기 제2접합부재는 상기 제2수평판의 일단에서 상기 제2수직판이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 제공된 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조물.
  14. 기둥의 측면에 대하여 보를 접합하는 기둥과 보의 접합방법에 있어서,
    상부플랜지와 하부플랜지 사이에 길이방향으로 절곡된 파형부가 형성되는 웨브를 접합하여 보를 제작하는 단계;
    상기 기둥의 측면에 제1수직판을 접합하고, 상기 보의 상면에 상기 제1수직판과 일체로 결합되는 제1수평판을 접합하는 제1접합부재 접합단계; 및,
    상기 기둥의 측면에 제2수직판을 접합하고, 상기 보의 하면에 상기 제2수직판과 일체로 결합되는 제2수평판을 접합하는 제2접합부재 접합단계;를 포함하되,
    상기 제2수평판의 중간영역에 다른 부위에 비해 좁은 단면으로 이루어져 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되는 댐퍼부가 형성되고,
    상기 보를 제작하는 단계에서, 상기 파형부는 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지의 두께에 비해 얇은 두께로 형성되고,
    상기 웨브는, 상기 기둥 측의 상기 파형부의 단부에 평판형상으로 접합되며 상기 파형부의 두께에 비해 두껍게 형성되는 평판부를 구비하고,
    상기 제2수평판은,
    상기 제2수직판에 접합되는 근거리부위;와,
    상기 제2수평판의 중간영역에 배치되고, 상기 근거리부위에서 연결되는 댐퍼부; 및,
    상기 댐퍼부를 중심으로 상기 근거리부위의 반대편에 위치한 원거리부위;를 구비하고,
    상기 근거리부위는, 상기 평판부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되고,
    상기 원거리부위는, 상기 파형부가 배치되는 보의 하면에 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2수평판은, 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이의 영역이 상기 보의 하면에 볼트체결되어 상기 댐퍼부가 파단되는 경우에도 수직전단력에 저항하도록 형성된 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2수평판은, 상기 댐퍼부와 상기 제2수직판 사이에 형성되며, 상기 보의 길이방향을 따라 길게 형성된 슬릿형상으로 구비되어 상기 기둥에 대한 보의 회전거동을 수용하는 슬릿 볼트공을 포함하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 댐퍼부의 하면에 덧대어진 형태로 설치되어 상기 댐퍼부의 수평방향 이동은 허용하면서도 수평방향 압축력에 의한 댐퍼부의 면외좌굴은 억제하는 좌굴 방지플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합방법.
KR1020120104714A 2012-09-20 2012-09-20 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법 KR101406485B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120104714A KR101406485B1 (ko) 2012-09-20 2012-09-20 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120104714A KR101406485B1 (ko) 2012-09-20 2012-09-20 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140039385A KR20140039385A (ko) 2014-04-02
KR101406485B1 true KR101406485B1 (ko) 2014-07-01

Family

ID=50650009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120104714A KR101406485B1 (ko) 2012-09-20 2012-09-20 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101406485B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101697234B1 (ko) 2016-02-23 2017-01-17 (주)해성기공 기둥과 보의 강접합 구조물

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110230354A (zh) * 2019-07-08 2019-09-13 西安建筑科技大学 一种工字板连接梁柱节点结构及连接方法
CN111502034B (zh) * 2020-04-27 2021-02-19 江南大学 一种钢-混凝土组合柱与梁的节点连接装置及其应用
KR102407718B1 (ko) * 2020-10-05 2022-06-10 주식회사 포스코 댐퍼구조물 및 기둥부재 및 보부재의 접합구조
CN117286943A (zh) * 2023-11-27 2023-12-26 北京市建筑设计研究院有限公司 一种串联式双屈服点屈曲约束支撑

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002364081A (ja) * 2001-06-06 2002-12-18 Nippon Steel Corp 柱・梁接合構造及びそれに用いられる鉄骨柱
JP2005042375A (ja) * 2003-07-28 2005-02-17 Nippon Steel Corp 柱と梁の接合構造
KR200397805Y1 (ko) * 2005-07-18 2005-10-10 주식회사 동양피에스씨 철제 아이-빔

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002364081A (ja) * 2001-06-06 2002-12-18 Nippon Steel Corp 柱・梁接合構造及びそれに用いられる鉄骨柱
JP2005042375A (ja) * 2003-07-28 2005-02-17 Nippon Steel Corp 柱と梁の接合構造
KR200397805Y1 (ko) * 2005-07-18 2005-10-10 주식회사 동양피에스씨 철제 아이-빔

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101697234B1 (ko) 2016-02-23 2017-01-17 (주)해성기공 기둥과 보의 강접합 구조물

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140039385A (ko) 2014-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4861067B2 (ja) 鉄骨架構
KR101403230B1 (ko) 오메가 형상 강재 댐퍼를 갖는 철골 접합부 구조
CN103328736B (zh) 用于阻尼建筑结构中的振动的联接构件
KR101263078B1 (ko) 접합 철물 및 이것을 구비한 건축물
JP6001755B2 (ja) 弾塑性履歴型ダンパ
KR101406485B1 (ko) 기둥과 보의 접합구조물 및 접합방법
KR102034116B1 (ko) 손상제어형 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법
KR101344813B1 (ko) 기둥-보 접합구조물 및 접합방법
KR101226766B1 (ko) 기둥-보 접합 장치
JP2010216611A (ja) 制震用金属板
JP6680005B2 (ja) 鉄骨梁および柱梁接合構造
KR101259247B1 (ko) 댐핑형 구조물
JP4829714B2 (ja) スチールハウスの制震壁構造
JP6833292B2 (ja) 屋根耐震構造
JP3493495B2 (ja) エネルギ吸収機構を備えた柱梁接合部
JP4411444B2 (ja) 構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造
JP5433324B2 (ja) 制振構造及び制振パネル
JP2011149153A (ja) 制振構造物
JP4878338B2 (ja) 建築物及び建造物の補強構造
KR101353801B1 (ko) 구조부재 완충장치 및 이를 이용하는 구조물
JP7262518B2 (ja) 間柱型鋼材ダンパー
JP2009035949A5 (ko)
JP2008196163A (ja) 制震間柱
JP4911715B2 (ja) 建築物及び建造物の補強構造
JP6208623B2 (ja) 既存構造部材への弾塑性ダンパーの取付構造

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170605

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180605

Year of fee payment: 5