KR101431657B1 - 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물 - Google Patents

응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물 Download PDF

Info

Publication number
KR101431657B1
KR101431657B1 KR1020120135874A KR20120135874A KR101431657B1 KR 101431657 B1 KR101431657 B1 KR 101431657B1 KR 1020120135874 A KR1020120135874 A KR 1020120135874A KR 20120135874 A KR20120135874 A KR 20120135874A KR 101431657 B1 KR101431657 B1 KR 101431657B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reinforcing rib
width
column
length
curved
Prior art date
Application number
KR1020120135874A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140068423A (ko
Inventor
오상훈
박해용
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
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 부산대학교 산학협력단 filed Critical 부산대학교 산학협력단
Priority to KR1020120135874A priority Critical patent/KR101431657B1/ko
Publication of KR20140068423A publication Critical patent/KR20140068423A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101431657B1 publication Critical patent/KR101431657B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/19—Three-dimensional framework structures
    • E04B1/1903—Connecting nodes specially adapted therefor
    • 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
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/01—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings
    • 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
    • E04B2001/2445—Load-supporting elements with reinforcement at the connection point other than the connector

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Joining Of Building Structures In Genera (AREA)

Abstract

응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물에 관한 것으로, 지진이 발생되어 회전거동이 수반될 때 취성파단의 우려가 있는 기둥과 보의 접합부에 집중되던 응력을 보 중간의 다른 복수의 지점으로 균형 잡히게 분배함으로써 보의 손상을 줄이고 전체적으로 변형능력이 향상되고 강도확보가 용이해지는 것이다.
이러한 본 발명은, 기둥과, 보와, 상기 기둥의 측면에 접합되는 후단부로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제1직선부와, 상기 제1직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아졌다 넓어지는 잘록한 곡선 형태로 형성되는 곡선절취부와, 상기 곡선절취부의 끝단으로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제2직선부와, 상기 제2직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아지는 직선 형태로 형성되는 경사부로 이루어진 보강리브를 포함하여 구성되고, 상기 곡선절취부의 길이(db), 상기 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭(ba)과, 상기 보강리브의 후단부로부터 상기 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 부분에 이르는 거리(a)는 하기의 식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
db≒(0.5∼0.7)h, ba≒(1∼1.5)tf ,a≒(0.95∼1.15){L/2-(L/2-d)(Map-Mp)}

Description

응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물{Stress balance Coupling structure for beam to column connection}
본 발명은 기둥-보 접합구조물에 관한 것으로, 특히 지진이 발생되어 회전거동이 수반될 때 취성파단의 우려가 있는 기둥과 보의 접합부에 집중되던 응력을 보 중간의 다른 복수의 지점으로 균형 잡히게 분배함으로써 보의 손상을 줄이고 전체적으로 변형능력이 향상되도록 한 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물에 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, 근래에 이르기까지 철골 기둥-보 접합구조물을 변형능력이 우수하여 내진성능이 뛰어난 것으로 알려져 왔다. 그러나 미국의 노스리지 지진과 일본의 고베 지진을 거치면서 철골 기둥-보 접합구조물의 취약한 내진성능이 노출되었다. 당시 사용되었던 기둥-보 접합구조물은 보의 플랜지와 웨브를 기둥의 일측에 전용접한 것으로서 보에 작용하는 하중을 기둥에 효과적으로 전달시킬수 있는 긍정적인 구조로 간주되어 왔으나 위 언급된 양대 지진을 통하여 보 부재와 기둥부재가 접합되는 용접부, 특히 보의 하부플랜지 단부에서 취성적인 파단이 발생하면서 수백동의 건축물에 막대한 피해를 초래하였다. 이후 취성파단에 대한 원인을 규명하기 위하여 국내외에서 수많은 연구가 행해졌으며 취성파단을 예방하기 위한 목적을 가지는 수많은 접합구조물들이 제시되었다.
이들 중 도 1에 도시된 바와 같이 미국에서 제시된 대표적인 접합구조물로 보 절취형 접합구조(Reduced Beam Section : RBS)와 도 2에 도시된 바와 같이 수평리브 보강구조물을 들 수 있다. 상기 언급한 접합구조물들은 지진에 의한 반복하중이 기둥-보 접합부에 작용할 때 최대변형도 지점을 보 단부에서 보 내부로 유도할 수 있어 취성파단에 대한 위험정도를 줄일 수 있다. 그러나 최근의 연구보고에 따르면 보 절취형 접합구조물의 경우 기둥(10)에 접합된 보(20) 플랜지 단면의 절취(21)로 인하여 조기에 횡좌굴이 발생하는 문제점이 있는 것으로 지적되었다. 또한 수평리브 보강구조물의 경우 최대변형도 지점을 기둥(10)에 접합된 지점 인근에 위치한 보(20) 단부에 보강된 수평리브(30)의 끝단(31)으로 유도할 있으나 이 부분 역시 용접부가 존재하는 곳이며 접합부 전체의 내력상승이 동반됨에 따라 보강된 수평리브 끝단(3)이 접한 부위에서 보(20) 플랜지에 상당한 응력이 집중되게 된다. 따라서 보다 효과적으로 응력을 분배하면서 보(20)의 손상을 줄이고 나아가 접합구조물 전체의 변형능력을 향상시킬 수 있는 조치가 절실하였다.
이에 본 발명은 지진이 발생되어 회전거동이 수반될 때 취성파단의 우려가 있는 기둥과 보의 접합부에 집중되던 응력을 보 중간의 다른 복수의 지점으로 균형 잡히게 분배함으로써 보의 손상을 줄이고 전체적으로 변형능력이 향상되도록 한 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물은, 수직하게 세워진 기둥과; 상기 기둥의 측면에 대하여 수평하게 접합되고 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 보와; 상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 각각에 대하여 그 좌편과 우편을 따라 접합된 동시에 후단부는 상기 기둥의 측면에 접합되며, 상기 기둥의 측면에 접합되는 후단부로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제1직선부와, 상기 제1직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아졌다 넓어지는 잘록한 곡선 형태로 형성되는 곡선절취부와, 상기 곡선절취부의 끝단으로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제2직선부와, 상기 제2직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아지는 직선 형태로 형성되는 경사부로 이루어진 보강리브를 포함하여 구성되고, 상기 곡선절취부의 길이(db), 상기 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭(ba)과, 상기 보강리브의 후단부로부터 상기 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 부분에 이르는 거리(a)는 하기의 식,
db≒(0.5∼0.7)h
ba≒(1∼1.5)tf
a≒(0.95∼1.15){L/2-(L/2-d)(Map-Mp)}
으로 산출되는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 보강리브의 폭(bn), 상기 보강리브의 길이(d)는 하기의 식,
bn≒(0.3∼0.5)bf
d≒(0.5∼0.8)(L/2Mnp)(Mnp-Mp)
으로 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보강리브의 제1직선부 길이(da)는 하기의 식,
da≒(0.5∼0.75)bf
으로 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보강리브의 제2직선부 길이는 20 내지 50mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보강리브의 곡면절취부 반경(R1,R2)은 하기의 식,
R1 = {(a - da)2 + (bn - ba)2}/2(bn - ba)
R2 = {(db - a + da)2 + (bn- ba)2}/2(bn - ba)
으로 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보강리브의 선단부 폭은 상기 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭(ba)과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 기둥-보 접합구조물은, 상기 기둥은 웨브를 중심으로 그 전측단과 후측단에 각각 전측부 플랜지와 후측부 플랜지가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 기둥이며, 상기 기둥에는 상기 전측부 플랜지와 후측부 플랜지 사이를 연결하여 접합된 다수의 수평보강판이 더 구비된 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.
여기서, 수직하게 세워진 기둥과; 상기 기둥의 측면에 대하여 수평하게 접합되고 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 보와; 상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 각각에 대하여 그 좌편과 우편을 따라 접합된 동시에 후단부는 상기 기둥의 측면에 접합되며, 상기 기둥의 측면에 접합되는 후단부로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제1직선부와, 상기 제1직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아졌다 넓어지는 잘록한 곡선 형태로 형성되는 곡선절취부와, 상기 곡선절취부의 끝단으로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제2직선부와, 상기 제2직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아지는 직선 형태로 형성되는 경사부로 이루어져 진 보강리브를 포함하여 구성되고, 상기 보강리브는 상기 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 부분에서 절개되어 전후로 이격을 두고 이분할된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보강리브의 곡선절취부가 형성된 구간에 대응하여 상기 보의 상부 플랜지 상면과 하부 플랜지 하면에 각각 덧대어진 상부 보강판 및 하부 보강판을 더 구비하되, 상기 상부 보강판 및 하부 보강판은 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하고, 상기 하부 보강판의 중간에는 다른 부위들에 비해 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 길이방향을 따라 개구부가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상부 보강판 및 하부 보강판은 교체가 용이하도록 상기 보의 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 대하여 볼트 체결된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물은, 지진이 발생되어 회전거동이 수반될 때 취성파단의 우려가 있는 기둥과 보의 접합부에 집중되던 응력을 보 중간의 다른 지점들로 균형 잡히게 분배함으로써 보의 손상을 줄이고 전체적으로 변형능력의 향상 및 강도확보를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 보강리브가 이격된 구성을 통해 그 지점에서 보다 확실하게 소성변형이 발생할 수 있도록 유도하면서, 개구부를 구비한 하부 보강판이 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 한 곳에 집중되도록 하여 보다 효과적인 손상제어가 가능하다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 의한 기둥-보 접합구조물을 설명하기 위한 참조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물을 상면에서 바라본 부분 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보와 보강리브의 제원을 설명하기 위한 참조도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보강리브의 평면도.
도 7은 실험에서 해석모델의 유한요소도와 경계조건을 나타낸 이미지.
도 8은 해석변수를 나타낸 분석도.
도 9는 모델별 기둥과 보의 접합부에서의 상대 인장변형도 집중률을 나타낸 그래프.
도 10은 접합부 회전각 0.04rad시 변형률 분담률 비교도.
도 11은 접합부 회전각 0.04rad시 인장변형도 관계를 나타낸 그래프.
도12는 실험을 실시한 두 실험체를 비교하여 나타낸 비교도.
도 13은 실험결과에 따른 모멘트-회전각 관계를 나타낸 그래프.
도 14는 실험 종료시의 종국상황을 촬영한 사진.
도 15는 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 사시도.
도 16은 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 부분 분해사시도.
도 17은 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 정면도.
도 18은 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 저면도.
이하, 상기와 같은 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물은 지진이 발생되어 회전거동이 수반될 때 기둥과 보의 접합부에 집중되던 응력을 보 중간의 다른 복수의 지점으로 균형 잡히게 분배할 수 있도록 구성된다.
이같은 구성에 따르면 기둥과 보의 접합부에 응력이 집중되면서 야기되던 취성파단의 위험을 제거하는 것은 물론, 보의 손상을 줄이고 전체적으로 변형능력을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구성에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물을 상면에서 바라본 부분 단면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보와 보강리브의 제원을 설명하기 위한 참조도이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보강리브의 평면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기둥-보 접합구조물은 기둥(110)과 보(120)와 보강리브(130)를 포함하여 구성되며, 상기 보강리브(130)에 대한 최적의 설계를 통하여 기둥(110)과 보(120)의 접합부에만 집중되던 응력을 소성힌지가 발생 가능한 다른 두 부분으로 균형 잡히게 분배한다. 아래에서는 상기 구성요소와 더불어 상기 소성힌지 발생지점에서의 응력을 균형 잡히게 분배하기 위한 설계방법을 중심으로 더욱 설명하기로 한다.
먼저, 상기 기둥(110)은 웨브(111)를 중심으로 그 전측단과 후측단에 각각 전측부 플랜지(112)와 후측부 플랜지(113)가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 기둥(110)이며, 상기 기둥(110)에는 상기 전측부 플랜지(112)와 후측부 플랜지(113) 사이를 연결하여 접합된 다수의 수평보강판(114)이 더 구비된다.
상기 보(120)는 상기 기둥(110)의 측면에 대하여 수평하게 접합되고 웨브(121)를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지(122)와 하부 플랜지(123)가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골로 이루어진다.
상기 보강리브(130)는 기둥(110)과 보(120)의 접합부에만 집중되던 응력을 소성힌지가 발생 가능한 다른 두 부분으로 균형 잡히게 분배하기 위한 핵심적인 역할을 한다. 이를 위해 상기 보강리브(130)는 상기 보(120)의 상부 플랜지(122)와 하부 플랜지(123) 각각에 대하여 그 좌편과 우편을 따라 접합되며, 후단부(135a)는 상기 기둥(110)의 측면에 접합된다. 상기 보강리브(130)의 형태를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 상기 기둥(110)의 측면에 접합되는 후단부(135a)로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제1직선부(131)와, 상기 제1직선부(131)의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아졌다 넓어지는 잘록한 곡선 형태로 형성되는 곡선절취부(132)와, 상기 곡선절취부(132)의 끝단으로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제2직선부(133)와, 상기 제2직선부(133)의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아지는 직선 형태로 형성되는 경사부(134)로 이루어진다.
여기서, 도 5를 참조하여 상기 보강리브(130)의 전체 폭과 길이에 대한 설계방법을 살펴본다.
먼저, 상기 보강리브(130)의 폭(bn)은 상기 보(120)의 폭과 기둥(110)의 폭에 따라 제한적으로 결정될 수 있으며 보강리브(130)의 폭이 클수록 설계상의 이점이 많다. 일반적으로 기둥-보 접합구조물에 적용되는 단면치수를 고려하였을 때 보강리브(130)의 폭(bn)은 아래의 식으로 산출된다.
bn≒(0.3∼0.5)bf
(단, bf : 보(120)의 플랜지 폭)
다음으로 상기 보강리브(130)의 전체 길이(d)는 각 지점의 전소성 모멘트, 보(120)의 길이(L)에 따라 결정될 수 있다. 여기서 보강리브(130)의 길이(d)가 필요 이상으로 길다면 기둥(110)과 보(120)의 접합부(A)에서의 응력분담율이 커지게 되며 보강리브(130)의 길이가 짧을수록 경제적으로 유리하나 보강리브(130)에 형성된 곡선절취부(132)의 공간을 확보하기 어렵고 보강리브(130)의 선단부(135b) 끝단이 위치함 지점(C)에 응력집중이 발생할 가능성이 크다. 따라서 이론상으로 기둥(110)과 보(120)의 접합부(A)와 보강리브(130)의 선단부(135b) 끝단이 위치한 지점(C)의 동시 소성화가 발생할 수 있는 보강리브(130) 길이의 50~80%만 취하는 것이 설계목적을 달성하기 위해 중요하다. 따라서 보강리브(130)의 길이(d)는 아래의 식으로 산출된다.
d≒(0.5∼0.8)(L/2Mnp)(Mnp-Mp)
(단, L : 보의 길이, bf : 보의 플랜지 폭, Mnp : 보강리브의 후단부와 기둥의 접합부에서의 전소성 모멘트, Mp : 보강리브의 선단부 지점에서의 전소성 모멘트)
여기서, 소성힌지의 발생이 예상되는 각 부에서의 전소성 모멘트는 보강리브(130)의 폭과 보강리브(130)에서 가장 잘록한 부분의 폭이 결정되면 아래와 같이 산출될 수 있다.
기둥(110)과 보(120)의 접합부(A)에서의 전소성 모멘트(Mnp) :
Mnp = Fy{(bnftf)(h-tf) + (tw)(h/2-tf)2}
보강리브(130)의 곡선절취부(132) 중 가장 폭이 가장 좁은 지점(B)에서의 전소성 모멘트(Map) :
Map = Fy{(baftf)(h-tf) + (tw)(h/2-tf)2}
보강리브(130)의 선단부(135b) 끝단이 위치한 지점(C)에서의 전소성 모멘트(Ma) :
Mp = FyZ
(단, Fy : 재료의 항복강도, z : 보의 소성단면계수, 보의 플랜지 두께, bnf : 보와 플랜지의 폭, tf : 보의 플랜지 두께, tw : 보의 웨브 두께, h : 보의 높이)
한편, 상기 보강리브(130)를 4개의 구역으로 구분하고 각 구역에 속한 제1직선부(131), 곡선절취부(132), 제2직선부(133), 경사부(134)의 변수들에 대한 최적치를 설계하는 방법을 살펴보기로 한다.
상기 보강리브(130)에서 제1직선부(131)는, 상기 기둥(110)의 측면에 접합되는 후단부(135a)로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 부분이며, 기둥(110)과 보(120)의 접합부(A) 응력을 줄이기 위하여 일정길이를 확보할 필요성이 있다. 상기 보강리브(130)의 제1직선부(131) 길이(da)와 관련된 식은 FEMA350에 공지되어 있는 RBS(Reduced Beam Section)접합구조의 설계식과 동일하게 아래와 같이 설정하는 것으로 충분하다.
da≒(0.5∼0.75)bf
(단, bf : 보의 플랜지 폭)
상기 보강리브(130)에서 곡선절취부(132)는 본 발명의 실시예에서 가장 핵심적인 사상을 반영하고 있는 부분이다. 상기 곡선절취부(132)에서 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)에서 기둥(110)에 접합된 접합부(A)까지의 길이를 적절히 조절하면 기둥(110)과 보(120)의 접합부(A)와 보강리브(130)의 선단부(135b) 끝단이 위치한 지점(C), 이들 사이에 위치한 곡선절취부(132)에서 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)에서 동시에 소성변형이 발생되도록 유도할 수 있다. 이때 곡선절취부(132)에서 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)에서의 보강리브(130)의 폭(ba)은 용접접합 및 원활한 응력전달을 위하여 아래와 같이 산출될 수 있다. 또한 곡선절취부(132)의 길이(db)는 보강리브(130) 길이의 50%이상으로 설정하되 다른 부분의 공간확보를 위하여 적정수준으로 한정하는 것이 바람직하다.
db≒(0.5∼0.7)h
ba≒(1∼1.5)tf
(단, h : 보의 높이, tf : 보의 플랜지 두께)
또한, 회전거동시 수평력을 받는 보(120)의 모멘트를 고려하였을 경우 상기 곡선절취부(132)에서 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)과 보강리브(130)의 선단부(135b) 끝단이 위치한 지점(C)에서 동시에 소성화가 발생하기 위하여 상기 보강리브(130)의 후단부(135a)로부터 상기 곡선절취부(132) 중 가장 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)에 이르는 거리(a)는 다음과 같이 산정할 수 있다.
a=(L/2)-(L/2-d)(Map/Mp)
(단, L : 보의 길이, d : 보강리브의 길이, Map : 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 지점에서의 전소성 모멘트, Mp : 보강리브의 선단부가 위치한 지점에서의 전소성 모멘트)
하지만 실제 설계시 보강리브(130)의 후단부(135a)로부터 상기 곡선절취부(132) 중 가장 폭이 좁게 형성된 지점(B)에 이르는 거리(a)를 최적으로 정확히 가공하는 것은 어려움이 있으므로 이론적인 최적길이의 가용범위를 확인하기 위하여 비선형유한요소해석을 실시하였다. 그 결과 분석을 통하여 실질적인 최적 길이(a)는 다음의 식으로 산출된다.
a≒(0.95∼1.15){L/2-(L/2-d)(Map-Mp)}
(단, L : 보의 길이, d : 보강리브의 길이, Map : 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 지점에서의 전소성 모멘트, Mp : 보강리브의 선단부 지점에서의 전소성 모멘트)
또한, 곡선절취부(132)의 반경(R1,R2)은 다음의 식으로 산출할 수 있다.
R1 = {(a - da)2 + (bn - ba)2}/2(bn - ba)
R2 = {(db - a + da)2 + (bn- ba)2}/2(bn - ba)
(단, da : 보강리브의 제1직선부 길이, bn : 보강리브의 폭, ba : 보강리브의 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭, db : 보강리브의 곡선절취부 길이)
상기 보강리브(130)에서 제2직선부(133)는 보강리브(130)의 첨점발생을 방지하는 기능을 하는 것으로 여유분에 해당하며 20 내지 50mm로 설정한다.
상기 보강리브(130)에서 경사부(134)의 길이(dd)는 앞서 각 부의 수치들에 따라 결정되며 다음의 식으로 산출할 수 있다.
dd = d - (da + db + dc)
(단, d : 보강리브(130)의 길이, da : 보강리브(130)의 제1직선부(131) 길이, db : 보강리브(130)의 곡선절취부(132) 길이, dc : 보강리브(130)의 제2직선부(133) 길이)
또한, 상기 보강리브(130)에서 선단부(135b) 폭은 상기 곡선절취부(132) 중 가장 좁은 지짐(B)의 폭(ba)과 동일하게 형성된다.
<비선형 해석예>
본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 살펴보기 위하여 범용유한요소프로그램을 사용하여 비선형 해석을 실시하였다. 재료는 실제 재료실험을 통한 강재 물성치를 적용하였으며 T자형으로 이루어진 기둥-보 접합구조물을 모델링하여 기둥의 상하부를 고정하고 보의 자유단에서 상향으로 접합구조물의 총 회전각이 0.06rad에 이를 때까지 단조가력하였다.
본 실험에서 해석모델의 유한요소도와 경계조건을 나타낸 도 7, 해석변수를 나타낸 도 8, 모델별 기둥과 보의 접합부에서의 상대 인장변형도 집중률을 나타낸 도 9에서 확인할 수 있듯이 비보강모델(NSC)을 기준으로 하였을 때 본 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 모델에서 단부변형도 집중률은 10% 내외에 머무르고 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 10은 접합부 회전각 0.04rad시 보강리브의 곡선절취부에서 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)과 보강리브(130)의 선단부(135b) 끝단이 위치한 지점(C)에서의 변형도 분담률을 비교한 것인데, 그래프 상의 수직파선은 이론상으로 설정한 최적길이의 위치를 나타낸 것이며 해석결과와 비교하여 최대변형도의 분포가 예상하는 범위 안에 위치하고 있음을 확인할 수 있었다.
도 11은 모델링된 기둥-보 접합구조물에서 회전각 0.04rad시 보강리브의 곡선절취부에서 폭이 가장 좁게 형성된 지점(B)과 보강리브의 선단부 끝단이 위치한 지점(C)에서 동시에 소성변형이 발생하도록 한 최적화 변수에 따른 인장변형도 관계를 나타낸 것인데, 일반적인 실험적 연구들을 통하여 용접에 의한 일반강재의 열영향부에서의 취성파단 발생시 인장변형도는 0.04 내외로 나타난다는 점을 고려하였을 때 적용할 수 있는 범위는 대략 0.95 ~ 1.15 정도가 적절할 것으로 판단할 수 있는 근거를 얻을 수 있었다.
<실험예>
본 발명의 실시예에서 제시한 기둥-보 접합구조물의 설계방법을 토대로 제작된 보강리브의 구조성능을 검토하기 위하여 종래기술의 전용접 구조물과 함께 모델링도니 T자형 기둥-보 접합구조물에 대하여 반복 가력실험을 실시하였다. 도12는 실험을 실시한 두 실험체를 비교하여 나타낸 것이다. 제작에 사용된 강재는 최근 국내에서 개발된 인장강도 800MPa급 강(HSA800)이었으며, 일반적으로 고강도강은 일반연강에 비하여 높은 항복비와 낮은 연신율을 보유함에 따라 휨재에 적용함에 있어 변형능력을 확보하기가 쉽지 않다. 부재들의 단면은 각각 보의 경우 600×200×15×25, 기둥은 420×420×15×25를 사용하였고 가력패턴은 FEMA에서 제시된 접합부실험 반복재하절차를 사용하였다.
도 13은 실험결과에 따른 모멘트-회전각 관계를 나타낸 것이고, 도 14는 실험 종료시의 종국상황을 나타낸 것인데, 도면에서 살펴볼 수 있는 것처럼 종래기술에 따른 실험체의 경우 항복 이후 소성변형능력이 현저히 떨어지며 보의 단부에서 발생하는 파단에 의해 취성적인 결과를 얻게 되었다. 반면 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물을 모델링한 실험체의 경우 총 접합부 회전각 0.06rad 거동시까지 극심한 강도저하 없이 우수한 소성변형능력을 발휘하였으며 종국에도 취성적 파단이 발생하지 않은 상태로 예상대로 최대 응력지점에서의 국부좌굴이 선행되었다.
이와 같은 실험결과는 본 발명의 실시예에서 제시한 기둥-보 접합구조물을 적용할 경우 필요한 변형능력 및 강도확보가 용이하며 내진을 위한 접합구조물로서 뛰어난 성능을 기대할 수 있다는 점을 확신할 수 있게 해준다.
계속해서 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에 대해 설명한다.
도 15는 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 사시도이고, 도 16은 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 부분 분해사시도이며, 도 17은 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 정면도이며, 도 18은 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 저면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 변형실시예에 의한 기둥-보 접합구조물은, 보강리브(130)가 곡선절취부(132) 중 가장 폭이 좁은 부분에서 절개되어 전후로 이격(136)을 두고 두 개의 개체(130a,130b)로 이분할되며, 보강리브(130)의 곡선절취부(132)가 형성된 구간에 대응하여 보(120)의 상부 플랜지(122) 상면과 하부 플랜지(123) 하면에 각각 덧대어지고 볼트 체결된 상부 보강판(140) 및 하부 보강판(150)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부 보강판(140) 및 하부 보강판(150)은 상기 기둥(110)과 보(120)에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하고, 상기 하부 보강판(150)의 중간에는 다른 부위들에 비해 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 길이방향을 따라 개구부(151)가 형성된다.
이같은 구성에 따르면 기둥(110)과 보(120)의 접합부와, 상기 보강리브(130)의 선단부 끝단이 위치한 지점에 더해 상기 보강리브(130)가 이격된 지점에서도 보다 확실하게 소성변형이 발생할 수 있도록 유도하면서, 연강으로 이루어진 상기 상부 보강판(140) 및 하부 보강판(150)에 의해 이격된 지점에서 야기될 수 있는 구조적 취약점은 보(120)완할 수 있도록 한 것이다.
나아가, 상기 하부 보강판(150)이 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 한 곳에 집중되도록 개구부(151)를 구비하는 구성에 의해 보다 효과적인 손상제어가 가능하다.
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 : 보강리브 131 : 제1직선부
132 : 곡선절취부 133 : 제2직선부
134 : 경사부 140 : 상부 보강판
150 : 하부 보강판 151 : 개구부

Claims (11)

  1. 수직하게 세워진 기둥과;
    상기 기둥의 측면에 대하여 수평하게 접합되고 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 보와;
    상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 각각에 대하여 그 좌편과 우편을 따라 접합된 동시에 후단부는 상기 기둥의 측면에 접합되며, 상기 기둥의 측면에 접합되는 후단부로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제1직선부와, 상기 제1직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아졌다 넓어지는 잘록한 곡선 형태로 형성되는 곡선절취부와, 상기 곡선절취부의 끝단으로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제2직선부와, 상기 제2직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아지는 직선 형태로 형성되는 경사부로 이루어진 보강리브를 포함하여 구성되고,
    상기 곡선절취부의 길이(db), 상기 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭(ba)과, 상기 보강리브의 후단부로부터 상기 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 부분에 이르는 거리(a)는 하기의 식,
    db≒(0.5∼0.7)h
    ba≒(1∼1.5)tf
    a≒(0.95∼1.15){L/2-(L/2-d)(Map-Mp)}
    (단, h : 보의 높이, tf : 보의 플랜지 두께, L : 보의 길이, d : 보강리브의 길이, Map : 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 지점에서의 전소성 모멘트, Mp : 보강리브의 선단부 지점에서의 전소성 모멘트)
    으로 산출되는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보강리브의 폭(bn), 상기 보강리브의 길이(d)는 하기의 식,
    bn≒(0.3∼0.5)bf
    d≒(0.5∼0.8)(L/2Mnp)(Mnp-Mp)
    (단, bf : 보의 플랜지 폭, Mnp : 보강리브의 후단부와 기둥의 접합부에서의 전소성 모멘트)
    으로 산출되는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보강리브의 제1직선부 길이(da)는 하기의 식,
    da≒(0.5∼0.75)bf
    으로 산출되는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보강리브의 제2직선부 길이는 20 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보강리브의 곡면절취부 반경(R1,R2)은 하기의 식,
    R1 = {(a - da)2 + (bn - ba)2}/2(bn - ba)
    R2 = {(db - a + da)2 + (bn- ba)2}/2(bn - ba)
    (단, da : 보강리브의 제1직선부 길이, bn : 보강리브의 폭, ba : 보강리브의 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭, db : 보강리브의 곡선절취부 길이)
    으로 산출되는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보강리브의 선단부 폭은 상기 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭(ba)과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기둥은 웨브를 중심으로 그 전측단과 후측단에 각각 전측부 플랜지와 후측부 플랜지가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 기둥이며, 상기 기둥에는 상기 전측부 플랜지와 후측부 플랜지 사이를 연결하여 접합된 다수의 수평보강판이 더 구비된 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  8. 수직하게 세워진 기둥과;
    상기 기둥의 측면에 대하여 수평하게 접합되고 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강 형태의 철골 보와;
    상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 각각에 대하여 그 좌편과 우편을 따라 접합된 동시에 후단부는 상기 기둥의 측면에 접합되며, 상기 기둥의 측면에 접합되는 후단부로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제1직선부와, 상기 제1직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아졌다 넓어지는 잘록한 곡선 형태로 형성되는 곡선절취부와, 상기 곡선절취부의 끝단으로부터 시작되어 일정폭을 유지하는 제2직선부와, 상기 제2직선부의 끝단으로부터 시작되어 폭이 점진적으로 좁아지는 직선 형태로 형성되는 경사부로 이루어진 보강리브를 포함하여 구성되고,
    상기 곡선절취부의 길이(db), 상기 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭(ba)과, 상기 보강리브의 후단부로부터 상기 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 부분에 이르는 거리(a)는 하기의 식으로 산출되고,
    db≒(0.5∼0.7)h
    ba≒(1∼1.5)tf
    a≒(0.95∼1.15){L/2-(L/2-d)(Map-Mp)}
    (단, h : 보의 높이, tf : 보의 플랜지 두께, L : 보의 길이, d : 보강리브의 길이, Map : 곡선절취부 중 가장 폭이 좁은 지점에서의 전소성 모멘트, Mp : 보강리브의 선단부 지점에서의 전소성 모멘트)
    상기 보강리브의 폭(bn), 상기 보강리브의 길이(d)는 하기의 식으로 산출되며,
    bn≒(0.3∼0.5)bf
    d≒(0.5∼0.8)(L/2Mnp)(Mnp-Mp)
    (단, bf : 보의 플랜지 폭, Mnp : 보강리브의 후단부와 기둥의 접합부에서의 전소성 모멘트)
    상기 보강리브의 제1직선부 길이(da)는 하기의 식으로 산출되며,
    da≒(0.5∼0.75)bf
    상기 보강리브의 곡면절취부 반경(R1,R2)은 하기의 식으로 산출되며,
    R1 = {(a - da)2 + (bn - ba)2}/2(bn - ba)
    R2 = {(db - a + da)2 + (bn- ba)2}/2(bn - ba)
    (단, da : 보강리브의 제1직선부 길이, bn : 보강리브의 폭, ba : 보강리브의 곡선절취부 중 가장 좁은 부분의 폭, db : 보강리브의 곡선절취부 길이)
    상기 보강리브의 제2직선부 길이는 20 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
KR1020120135874A 2012-11-28 2012-11-28 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물 KR101431657B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120135874A KR101431657B1 (ko) 2012-11-28 2012-11-28 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120135874A KR101431657B1 (ko) 2012-11-28 2012-11-28 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140068423A KR20140068423A (ko) 2014-06-09
KR101431657B1 true KR101431657B1 (ko) 2014-08-20

Family

ID=51124163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120135874A KR101431657B1 (ko) 2012-11-28 2012-11-28 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101431657B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210131678A (ko) * 2020-04-24 2021-11-03 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조
KR20220003284A (ko) * 2020-07-01 2022-01-10 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101642420B1 (ko) * 2016-03-09 2016-07-26 제이비비젼중공업주식회사 단부 보강형 철골구조물
KR102307939B1 (ko) * 2019-07-29 2021-09-30 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조
KR102521720B1 (ko) * 2020-12-15 2023-04-14 주식회사 포스코 내진성능이 우수한 구조물 및 그 제조방법
CN113175078B (zh) * 2021-04-21 2022-11-01 哈尔滨工业大学 新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001207533A (ja) * 2000-01-25 2001-08-03 Maeda Corp 鉄骨構造物の柱・梁接合構造

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001207533A (ja) * 2000-01-25 2001-08-03 Maeda Corp 鉄骨構造物の柱・梁接合構造

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210131678A (ko) * 2020-04-24 2021-11-03 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조
KR102329508B1 (ko) * 2020-04-24 2021-11-19 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조
KR20220003284A (ko) * 2020-07-01 2022-01-10 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조
KR102426247B1 (ko) * 2020-07-01 2022-07-28 주식회사 포스코 기둥과 보의 접합구조

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140068423A (ko) 2014-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101431657B1 (ko) 응력 밸런스 타입 기둥-보 접합구조물
US9514907B2 (en) Member-to-member fuse connection
JP2018172888A (ja) 建築物の架構構造
JP2002070326A (ja) 鉄骨構造材の補強構造
JP6769549B2 (ja) 小梁接合方法、小梁接合構造、及び、支持部材
KR102031223B1 (ko) 부분프리플렉션 거더 및 그 제작방법
KR102034116B1 (ko) 손상제어형 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법
KR101344813B1 (ko) 기둥-보 접합구조물 및 접합방법
JP6956466B2 (ja) 鉄骨梁および柱梁接合構造
JP6680005B2 (ja) 鉄骨梁および柱梁接合構造
KR101579269B1 (ko) 탈부착형 보강부재 및 이를 이용한 보강구조체
JP2017082904A (ja) 棒状制振部材
JP3197734U (ja) 鉄骨架構の補強構造
CN210421449U (zh) 一种箱形柱连接节点结构
KR101259247B1 (ko) 댐핑형 구조물
JP6754552B2 (ja) 柱梁架構
JP7262518B2 (ja) 間柱型鋼材ダンパー
KR102407718B1 (ko) 댐퍼구조물 및 기둥부재 및 보부재의 접합구조
JP4722560B2 (ja) 補強鋼材の耐力を有効利用した建築部材
JP7036368B2 (ja) 梁材及び梁材の支持構造
KR102307939B1 (ko) 기둥과 보의 접합구조
JP2020012329A (ja) 柱梁接合構造
KR20040020443A (ko) 슬릿이 형성된 리브보강 내진 철골 전단벽 구조
KR101816165B1 (ko) 지점부 단면강성이 향상된 거더 어셈블리
JP7351271B2 (ja) 鉄骨梁、柱梁接合構造およびこれを有する構造物

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: 20170804

Year of fee payment: 4