KR102034116B1 - 손상제어형 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법에 관한 것으로, 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하면서도 압축력 흡수시 면외좌굴 발생 경향이 없고 강재 간의 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하지 않도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 상면에 각각 덧대어져 체결되는 상부 수직판 및 상부 수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 한 상부 접합부재; 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 하면에 각각 덧대어져 체결되는 하부 수직판 및 하부 수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 상기 기둥에 대한 보의 상대 변위에 따라 소성변형이 가능하도록 한 하부 접합부재;를 포함하며, 상기 하부 접합부재의 좌편과 우편에 각각 전후방향을 따라 다수의 슬릿이 열을 지어 배치된 슬릿댐퍼부를 구비하여 일정 이상의 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 하며, 하부 접합부재의 후단부에서는 좌우로 가로지르는 장공의 형태로 형성된 유격홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

손상제어형 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법{DAMAGE CONTROLLED COUPLING STRUCTURE AND REINFORCEMENT METHOD FOR STEEL 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 가능하면서도 압축력 흡수시 면외좌굴 발생 경향이 없고 강재 간의 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하지 않도록 한 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법에 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.

상기 문제들을 해소하기 위하여 본 출원인은 이미 2012년 1월 31일자에 출원한 '기둥-보 접합구조물 및 접합방법'(한국공개특허공보 제2013-0088462호)에 의하여 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 함으로써 학계 및 업계에서 크게 각광받은 바 있다.

하지만 본 출원인이 출원하여 특허등록받은 한국공개특허공보 제2013-0088462호의 경우 접합부의 대부분의 손상이 댐퍼에 집중하도록 하여 주부재의 손상은 최소화하고, 층고에 영향을 주지 않으므로 사용성이 우수하며, 댐퍼 파단 이후 연직하중에 대한 대비가 마련되었다는 다양한 장점에도 불구하고, 축방향 거동 방식의 강재댐퍼를 사용함에 따라 압축력을 흡수할 때 면외좌굴이 발생하려는 경향을 억제하기 위한 추가적인 부재가 필요하였고, 강재 간 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하는 문제점이 있어서 이를 개선해야 하였다.

공개특허공보 제2013-0088462호(2013.08.08)

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 하여 효과적인 손상제어가 가능하면서도 압축력 흡수시 면외좌굴 발생 경향이 없고 강재 간의 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하지 않도록 한 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 기둥-보 접합구조물은, 기둥의 측면에 대하여 보가 수평방향으로 설치된 건축물에 있어서, 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 상면에 각각 덧대어져 체결되는 상부 수직판 및 상부 수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 한 상부 접합부재; 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 하면에 각각 덧대어져 체결되는 하부 수직판 및 하부 수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 상기 기둥에 대한 보의 상대 변위에 따라 소성변형이 가능하도록 한 하부 접합부재;를 포함하며, 상기 하부 접합부재의 상기 하부 수평판은, 상기 하부 수직판에 후단부가 접합된 제1수평부, 상기 제1수평부의 선단부로부터 전방으로 연장된 제2수평부, 상기 제2수평부의 선단부로부터 전방으로 연장되어 상기 보의 하면에 체결되는 제3수평부로 이루어지되, 상기 하부 수평판의 제1수평부는, 중간 영역에 전후방향을 따라 형성된 변위부를 사이에 두고 좌편과 우편에 각각 전후방향을 따라 다수의 슬릿이 열을 지어 배치된 슬릿댐퍼부를 구비하여 상기 보의 하면에 체결된 제3수평부로부터 상기 제2수평부를 통해 수평방향으로 가해지는 일정 이상의 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 하며, 후단부에서는 상기 하부 수직판과 접합되는 좌측 끝단과 우측 끝단을 제외하고 좌우로 가로지르는 장공의 형태로 형성된 유격홀을 구비하여 좌편과 우편에 위치한 슬릿댐퍼부의 변형으로 허용되는 변위부의 전방 및 후방 변위를 수용할 수 있도록 한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2수평부는 상기 제1수평부의 변위부 좌우폭에 대응하도록 상기 제1수평부의 좌우폭보다 좁은 좌우폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1수평부로부터 제2수평부를 거쳐 제3수평부에 이르는 하면 중앙에는 하부 수직리브가 형성되어 축방향 변형을 억제하도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1수평부의 좌측단부와 우측단부를 따라 각각 형성되고 후단부는 상기 하부 수직판에 접합된 측단 수직리브가 더 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1수평부의 좌측단부와 우측단부를 따라 형성된 측단 수직리브의 바깥쪽 외측면을 따라 각각 형성되고 후단부는 상기 하부 수직판에 접합된 측단 수평리브가 더 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 측단 수직리브는 후단부로 갈수록 상하폭이 점진적으로 증가하고, 상기 측단 수평리브는 후단부로 갈수록 좌우폭이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 상부 접합부재에는 상기 상부 수평판의 상면 중앙부와 상기 상부 수직판의 전면 중앙부를 따라 접합된 형태로 수직하게 형성된 상부 수직리브가 더 구비되어 보로부터 작용하는 연직하중을 기둥에 전달할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 상부 접합부재는, 상기 상부 수평판의 후단에서 상기 상부 수직판이 상측과 하측으로 연장된 T 스터브(T-stub)의 형태로 구비되며, 상기 하부 접합부재는, 상기 하부 수평판의 후단에서 상기 하부 수직판이 상측과 하측으로 연장된 T 스터브(T-stub)의 형태로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 기둥-보 접합시스템은, 기둥; 상기 기둥의 측면에 대하여 수평방향으로 설치되는 보;를 포함하며, 상기 기둥과 보의 접합부 보강을 위하여 전술된 기둥-보 접합구조물;을 더 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 기둥-보 보강공법은, 기둥의 측면에 대하여 보가 수평방향으로 설치된 건축물에 있어서, 전술된 기둥-보 접합구조물을 시공하여 상기 기둥과 보의 접합부를 보강할 수 있도록 한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

본 발명에 의한 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법은, 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상을 하부 접합부재의 슬릿댐퍼부에 의해 한 곳에 집중되도록 함으로써 효과적인 손상제어가 가능하다.

또한, 본 발명은 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하면서도 압축력 흡수시 면외좌굴 발생 경향이 없어서 면외좌굴을 억제하기 위한 추가적인 시설이 불필요하며, 기둥-보 접합부의 회전방향이 다르더라도 슬릿댐퍼부가 동일한 거동을 하면서 강재 간의 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하지 않는 장점이 있다.

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 측면도
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 상부 접합부재의 사시도
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 상부 접합부재의 측면도
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 하부 접합부재의 사시도
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 하부 접합부재의 측면도
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 하부 접합부재의 정면도
도 12a 및 도 12b는 인장방향 하중 작용시 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도
도 13a 내지 도 13b는 압축방향 하중 작용시 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도
도 14a는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 접합부 회전간 4% rad에서의 von-Mises 응력분포도
도 14b는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 비교모델의 회전거동시 접합부 회전간 4% rad에서의 von-Mises 응력분포도
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 하중-변위 관계 그래프
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 구조성능을 확인하기 위한 실험예에서 해석모델의 회전거동시 보와 슬릿댐퍼부의 변형률 분포 그래프

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 기둥-보 접합구조물 및 기둥-보 접합부 보강공법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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 측면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 상부 접합부재의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 상부 접합부재의 측면도이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 하부 접합부재의 사시도이며, 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 하부 접합부재의 측면도이며, 도 11은 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물에서 하부 접합부재의 정면도이다.

본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물은 지진 발생시 수평방향으로 가해지는 압축력 및 인장력에 의한 변형 및 손상이 한 곳에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하도록 구성된다. 또한, 압축력을 흡수할 때 면외좌굴 발생 경향을 극소화할 수 있으며 강재 간의 접촉에 의한 오버스트렝스의 문제가 발생하지 않도록 구성된다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물은, 고강도 강으로 이루어진 기둥(110), 상기 기둥(110)의 측면에 대하여 보(120)가 수평방향으로 설치된 보-기둥 접합부를 보강하기 위해 상부 접합부재(130)와 하부 접합부재(140)를 주요 구성요소로 포함하여 이루어진다.

상기 상부 접합부재(130)는, 상기 기둥(110)의 측면과 상기 보(120)의 상면을 연결하여 지지하는 상부 접합부를 형성한다. 이를 위해 상기 상부 접합부재(130)는 소성변형이 가능한 연강으로 이루어지며, 상기 기둥(110)의 측면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 상부 수직판(130a)과 상기 보(120)의 상면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 상부 수평판(130b)을 일체로 포함한다. 여기서, 상기 상부 수평판(130b)의 볼트 체결은 상기 보(120)의 웨브를 회피하여 상부 플랜지에만 이루어지도록 주의하며 상부 수평판(130b)의 단면적은 보(120)의 플랜지 단면적 이상으로 확보한다. 상기 상부 수평판(130b)은 접합부의 회전거동시 회전축의 역할을 한다. 상기 상부 접합부재(130)는 상부 수평판(130b)의 일단에서 상부 수직판(130a)이 상측과 하측으로 연장된 T 스터브(T-stub)의 형태로 구비된다.

상기 상부 접합부재(130)에는 상부 수평판(130a)의 상면 중앙부와 상부 수직판(130b)의 전면 중앙부를 따라 접합된 형태로 수직하게 형성된 상부 수직리브(130c)가 더 구비된다. 이처럼 상기 상부 접합부재(130)에 상부 수직리브(130c)가 구비되면 보(120)로부터 작용하는 연직하중을 기둥(110)에 전달할 수 있도록 함으로써 하부 접합부재(140)의 슬릿댐퍼부(141a)가 파단되더라도 기둥(110)과 보(120)가 분리되지 않도록 해주는 동시에 보에 작용하는 전단력 및 일부 모멘트에 저항할 수 있도록 해준다.

상기 하부 접합부재(140)는, 상기 기둥(110)의 측면과 상기 보(120)의 하면을 연결하여 지지하는 역할을 수행하면서 지진 발생시 가해지는 압축력 및 인장력을 흡수하고 변형 및 손상을 제한된 곳으로 집중시켜 손상제어가 가능하게 하는 역할을 수행한다. 특히 기둥(110)과 보(120)의 회전거동으로 인한 압축력을 흡수하는 경우, 슬릿댐퍼부(141a)와 유격홀(141b)의 작용에 의해 면외좌굴이 발생하려는 경향이 없으며, 기둥-보 접합부의 회전방향에 관계없이 슬릿댐퍼부(141a)가 동일한 휨, 전단거동을 하기 때문에 강재 간 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하지 않도록 구성된다.

이를 위해 상기 하부 접합부재(140)는 상부 접합부재(130)와 마찬가지로 소성변형이 가능한 연강으로 이루어지며, 상기 기둥(110)의 측면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 하부 수직판(140a)과 상기 보(120)의 하면을 담당하여 덧대어진 형태로 볼트 체결에 의해 접합되는 하부 수평판(140b)을 일체로 포함한다. 상기 하부 수평판(140b)의 볼트 체결은 상기 보(120)의 웨브를 회피하여 하부 플랜지에만 이루어지도록 주의한다. 또한, 상기 하부 접합부재(140)는 하부 수평판(140b)의 일단에서 하부 수직판(140a)이 상측과 하측으로 연장된 형태의 T 스터브(T-stub)로 구비된다.

상기 하부 접합부재(140)의 하부 수평판(140b)은, 상기 하부 수직판(140a)에 후단부가 접합된 제1수평부(141), 상기 제1수평부(141)의 선단부로부터 전방으로 연장된 제2수평부(142), 상기 제2수평부(142)의 선단부로부터 전방으로 연장되어 상기 보(120)의 하면에 체결되는 제3수평부(143)로 이루어진다. 여기서 상기 하부 수평판(140b)의 제1수평부(141)는, 중간 영역에 전후방향을 따라 형성된 변위부(AR)를 사이에 두고 좌편과 우편에 각각 전후방향을 따라 다수의 슬릿이 열을 지어 배치된 슬릿댐퍼부(141a)를 구비한다. 그리고 상기 슬릿댐퍼부(141a)와 함께 제1수평부(141)의 후단부에서는 하부 수직판(140a)과 접합되는 좌측 끝단과 우측 끝단을 제외하고 좌우로 가로지르는 장공의 형태로 형성된 유격홀(141b)을 구비한다.

이처럼 하부 접합부재(140)에 슬릿댐퍼부(141a)와 유격홀(141b)을 구비한 구성에 따르면 보의 하면에 체결된 제3수평부(143)로부터 제2수평부(142)를 통해 수평방향으로 가해지는 일정 이상의 압축력 및 인장력을 상기 제1수평부(141)의 슬릿댐퍼부(141a)가 흡수하면서 변형이 집중되도록 할 수 있다. 이로써 손상제어가 용이해지고, 상부 접합부재(130)와 비교하여 하부 접합부재(140)에 연신율이 증가하면서 지진 발생시 상부 접합부재(130)를 회전축으로 하는 전체 거동도 분명하게 이루어져 지진으로 인한 거동의 예측 및 해석도 용이해진다.

여기서, 주목할 수 있는 점은 2열의 슬릿댐퍼부(141a)와 유격홀(141b)을 구비하는 구성에 의해 하부 접합부재(140)의 하부 수평판(140b) 전체를 전후방향(축방향)으로 관통하는 중간영역에서는 소성변형이 일어나지 않고 변위되도록 하였다는 점이다. 이로써 압축력을 흡수하는 경우에도 변위부(AR)가 변형되는 것이 아니라 기둥 쪽으로 밀리는 형태로 변위되면서 면외좌굴이 발생하려는 경향이 없으며, 기둥-보 접합부의 회전방향에 관계없이 슬릿댐퍼부(141a)에서 동일한 휨, 전단거동을 하므로 강재 간 오버스트렝스가 발생하지 않게 된다.

상기 하부 접합부재(140)에서 상기 제2수평부(142)는 상기 제1수평부(141)의 변위부(AR) 좌우폭에 대응하도록 상기 제1수평부(141)의 좌우폭보다 좁게 형성되며, 상기 제1수평부(141)로부터 제2수평부(142)를 거쳐 제3수평부(143)에 이르는 하면 중앙에는 하부 수직리브(144)가 형성된다. 이로써, 기둥-보 접합부의 회전거동시 제3수평부(143)로부터 제2수평부(142)를 통해 가해지는 압축력 및 인장력이 상기 제1수평부(141)의 변위부(AR)를 통해 슬릿댐퍼부(141a)에 전달되는 과정에서 변형이 슬릿댐퍼부(141a)에 확실하게 집중되도록 할 수 있다.

한편, 상기 하부 접합부재(140)에서 하부 수평판(140b)의 제1수평부(141) 좌측단부와 우측단부를 따라 측단 수직리브(140c)와 측단 수평리브(140d)가 더 구비된다. 상기 측단 수직리브(140c)의 경우 제1수평부(141)의 좌측단부와 우측단부를 따라 각각 형성되고 그 후단부는 하부 수직판(140a)에 접한다. 이같은 좌우 한 쌍의 측단 수직리브(140c)를 구비하는 구성에 의하면 제1수평부(141)에 작용하는 수평반력을 효과적으로 기둥에 전달하고, 과대 변형 발생시 야기될 수 있는 보 하부 측의 횡좌굴을 방지하는데 도움이 된다. 상기 측단 수직리브(140c)는 구조적 안정성을 위해 후단부로 갈수록 상하폭이 점진적으로 증가하는 형상을 갖는다.

상기 측단 수평리브(140d)의 경우 상기 제1수평부(141)의 좌측단부와 우측단부를 따라 형성된 측단 수직리브(140c)의 바깥쪽 외측면을 따라 각각 형성되고 후단부는 하부 수직판(140a)에 접합된다. 이같은 좌우 한 쌍의 측단 수평리브(140d)가 더 구비되면 2열의 슬릿댐퍼부(141a)가 휨, 전단거동을 하는 경우 제1수평부(141)의 너비는 역학적으로 줄어들려는 경향을 갖는데, 이때 제1수평부(141)의 바깥쪽 양편에서 측단 수평리브(140d)가 충분한 내력과 강성을 제공하여 보다 확실하게 슬릿댐퍼부(141a)로의 손상집중을 유도할 수 있는 것이다. 상기 측단 수평리브(140d)는 후단부로 갈수록 좌우폭이 점진적으로 증가하는 형상을 갖는다.

상기 기둥(110)은 다양한 형태의 것으로 구비될 수 있으며, 도면에 도시된 것처럼 H형강에 강도를 보강할 수 있도록 다수의 철판을 추가한 형태의 것이 바람직하다. 상기 보(120) 역시 다양한 형태의 것으로 구비될 수 있으며, 도면에 도시된 것처럼 수직한 웨브를 중심으로 그 상단과 하단에 상부 플랜지와 하부 플랜지가 일체로 형성된 H형강으로 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명의 경우 도면에 도시된 것처럼 보(120)에 대한 상부 수평판(130b)과 하부 수평판(140b)의 볼트 체결이 보(120)의 웨브를 회피하여 상부 플랜지와 하부 플랜지에 대해서만 이루어지도록 하여 건물의 하중을 지탱하는 중심적인 역할을 하는 보(120)의 웨브에 어떠한 손상도 입히지 않게 되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 첨부한 도면에 의거 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 12a 내지 도 13b는 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물의 동작 및 작용을 설명하기 위한 참조도이다.

먼저, 도 12a에 도시된 것처럼 지진동과 같은 반복하중 발생으로 인해 수평방향으로 인장력(F1)이 가해지는 경우, 도 12b에 도시된 것처럼 하부 접합부재(140)의 슬릿댐퍼부(141a)가 집중적으로 에너지를 흡수하여 휨, 전단거동하면서 인장력(F1)에 대응하게 된다.

또한, 도 13a에 도시된 것처럼 압축력(F2)이 가해지는 경우, 도 13b에 도시된 것처럼 하부 접합부재(140)의 슬릿댐퍼부(141a)가 집중적으로 에너지를 흡수하여 휨, 전단거동하면서 상기 압축력(F2)에 대응하게 된다. 이때 하부 접합부재(140)의 제1수평부(141)의 변위부(AR)와 상대적으로 폭이 좁게 형성된 제2수평부(142)가 기둥쪽으로 밀려서 변위되지만 이러한 후방 변위를 유격홀(141b)이 수용하면서 면외좌굴이 발생하려는 경향 자체가 없거나 미미하여 면외좌굴을 억제하기 위한 추가적인 시설이 전혀 필요치 않음을 알 수 있다. 또한, 기둥-보 접합부의 회전방향이 달라 인장력과 압축력이 작용하더라도 도 12b와 도 13b에 도시된 것처럼 2열로 형성된 슬릿댐퍼부(141a)가 동일한 휨, 전단거동을 하기 때문에 강재 간 접촉에 의한 오버스트렝스가 발생하지 않는다.

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 비선형유한요소해석 프로그램을 통하여 주요성능을 확인하였다. 본 실험을 위해 도 14a에 도시된 것처럼 기둥-보 접합구조물을 실물 사이즈로 모델링한 해석모델을 마련하였으며 접합부를 구성하는 보의 단면은 600ㅧ200ㅧ11ㅧ17이고 기둥의 단면은 400ㅧ400ㅧ15ㅧ25로 설정하였다. 해석모델에서 슬릿댐퍼부의 항복내력은 보의 항복내력의 60%로 설계하였고 보와 기둥, 해석모델의 물성치는 모두 SS400강재 물성치를 적용하였다. 또한 해석결과 비교를 위하여 도 14b에 도시된 종래의 1/4원형 용접접근공을 가지는 전용접 접합부 모델을 추가적으로 모델링하였다. 경계조건은 기둥 부재의 양 단부를 x, y, z방향에 대하여 변위를 구속하였고, 보 부재의 자유단에서 상향으로 200mm(=5%rad)만큼 강제변위를 적용하였다.

먼저, 본 실험을 통한 해석결과에 따른 하중-변위 관계는 도 15와 같다. 본 발명에 따른 해석모델이 적용된 기둥-보 접합부의 항복내력은 보의 항복내력의 60% 정도로 나타났으며, 설계상의 목표내력이 실제 해석결과치와 유사한 대응을 이루었다. 도 14b에 나타난 종래기술에 의한 전용접 접합부의 경우 최대응력발생지점이 보의 단부 플랜지 및 용접접근공 근처이며 보에 작용하는 응력이 전체적으로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있는 반면, 금번 개발된 해석모델이 적용된 접합부의 경우 도 14a에서 볼 수 있듯이 최대응력발생지점이 슬릿댐퍼부에서 발현된 것을 확인할 수 있었고 기둥 및 보의 경우 탄성거동의 머무름에 따라 접합부에 발생하는 손상이 슬릿댐퍼부에 집중되는 현상을 관찰할 수 있었다.

위 언급된 본 실험결과를 통해 본 발명의 실시예에 의한 기둥-보 접합구조물이 지진 발생시 야기되는 변형 및 손상을 2열로 좌편과 우편에 구비된 슬릿댐퍼부(141a)에 집중되도록 하여 효과적인 손상제어가 가능하다는 점과 매우 안정적인 이력특성을 갖는다는 점을 충분히 확인할 수 있었다. 또한, 하부 접합부재(140)의 하부 수평판(140b) 전체를 전후방향(축방향)으로 관통하는 중간영역에서는 응력 발생 정도가 상대적으로 미미하여 면외좌굴의 경향이 없다는 점도 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 : 상부 접합부재 130a : 상부 수직판
130b : 상부 수평판 130c : 상부 수직리브
140 : 하부 접합부재 140a : 하부 수직판
140b : 하부 수평판 141a : 슬릿댐퍼부

Claims (10)

1. 기둥의 측면에 대하여 보가 수평방향으로 설치된 건축물에 있어서,
   상기 기둥의 측면 및 상기 보의 상면에 각각 덧대어져 체결되는 상부 수직판 및 상부 수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 소성변형이 가능하도록 한 상부 접합부재; 및 상기 기둥의 측면 및 상기 보의 하면에 각각 덧대어져 체결되는 하부 수직판 및 하부 수평판을 일체로 구비하고, 상기 기둥과 보에 비해 연강으로 이루어져 상기 기둥에 대한 보의 상대 변위에 따라 소성변형이 가능하도록 한 하부 접합부재;를 포함하며,
   상기 하부 접합부재의 상기 하부 수평판은, 상기 하부 수직판에 후단부가 접합된 제1수평부, 상기 제1수평부의 선단부로부터 전방으로 연장된 제2수평부, 상기 제2수평부의 선단부로부터 전방으로 연장되어 상기 보의 하면에 체결되는 제3수평부로 이루어지되, 상기 하부 수평판의 제1수평부는, 중간 영역에 전후방향을 따라 형성된 변위부를 사이에 두고 좌편과 우편에 각각 전후방향을 따라 다수의 슬릿이 열을 지어 배치된 슬릿댐퍼부를 구비하여 상기 보의 하면에 체결된 제3수평부로부터 상기 제2수평부를 통해 수평방향으로 가해지는 일정 이상의 압축력 및 인장력을 흡수하면서 변형이 집중되도록 하며, 후단부에서는 상기 하부 수직판과 접합되는 좌측 끝단과 우측 끝단을 제외하고 좌우로 가로지르는 장공의 형태로 형성된 유격홀을 구비하여 좌편과 우편에 위치한 슬릿댐퍼부의 변형으로 허용되는 변위부의 전방 및 후방 변위를 수용할 수 있도록 하며,
   상기 제2수평부는 상기 제1수평부의 변위부 좌우폭에 대응하도록 상기 제1수평부의 좌우폭보다 좁은 좌우폭을 갖도록 형성되며,
   상기 제1수평부로부터 제2수평부를 거쳐 제3수평부에 이르는 하면 중앙에는 하부 수직리브가 형성되어 축방향 변형을 억제하도록 하며,
   상기 제1수평부의 좌측단부와 우측단부를 따라 각각 형성되고 후단부는 상기 하부 수직판에 접합된 측단 수직리브와, 상기 제1수평부의 좌측단부와 우측단부를 따라 형성된 측단 수직리브의 바깥쪽 외측면을 따라 각각 형성되고 후단부는 상기 하부 수직판에 접합된 측단 수평리브가 더 구비되고, 상기 측단 수직리브는 후단부로 갈수록 상하폭이 점진적으로 증가하고, 상기 측단 수평리브는 후단부로 갈수록 좌우폭이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 상부 접합부재에는 상기 상부 수평판의 상면 중앙부와 상기 상부 수직판의 전면 중앙부를 따라 접합된 형태로 수직하게 형성된 상부 수직리브가 더 구비되어 보로부터 작용하는 연직하중을 기둥에 전달할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
8. 제1항에 있어서,
   상기 상부 접합부재는, 상기 상부 수평판의 후단에서 상기 상부 수직판이 상측과 하측으로 연장된 T 스터브(T-stub)의 형태로 구비되며,
   상기 하부 접합부재는, 상기 하부 수평판의 후단에서 상기 하부 수직판이 상측과 하측으로 연장된 T 스터브(T-stub)의 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합구조물.
9. 기둥;
   상기 기둥의 측면에 대하여 수평방향으로 설치되는 보;를 포함하며,
   상기 기둥과 보의 접합부 보강을 위하여 제1항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항의 기둥-보 접합구조물;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합시스템.
10. 기둥의 측면에 대하여 보가 수평방향으로 설치된 건축물에 있어서,
    제1항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항의 기둥-보 접합구조물을 시공하여 상기 기둥과 보의 접합부를 보강하는 것을 특징으로 하는 기둥-보 접합부 보강공법.

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