KR102045790B1 - 합성보의 구조 설계 수행 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합성보의 구조 설계 수행 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 컴퓨터를 이용하여, 강재보와 슬래브가 일체화되게 전단연결재로 연결되는 노출형 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법에 있어서, 합성보의 전 길이(L) 구간을 분할요소 개수(N)로 나누어 길이요소(L/N)로 분할하고 분할절점을 생성하는 길이분할 단계; 입력된 하중 조건을 이용하여 합성보의 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하여 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출하는 소요 성능 및 강도 산출단계; 및 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하고, 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출하는 설계성능 산출단계;를 포함하는 합성보의 구조 설계 수행 방법이 제안된다. 또한, 그 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램 코드가 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체가 제안된다.

Description

합성보의 구조 설계 수행 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체{METHOD FOR PERFORMING STRUCTURAL DESIGN OF COMPOSITE BEAMS, AND COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUM}

본 발명은 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체에 관한 것이다.

합성보는 강재보와 콘크리트 슬래브(또는 합성데크슬래브)가 일체화되도록 전단연결재로 결합한 부재로서 합성작용에 의해 휨강도와 휨강성이 현저히 증가되기 때문에 특히 노출형 합성보는 건축 및 토목 구조물에 일반적으로 많이 사용되고 있다. 다만, 강재보는 단면의 크기에 따라 휨강도와 휨강성이 일정하지만 이 강재보와 슬래브가 전단연결재에 의해 결합된 합성보의 휨강도와 휨강성은 전단연결부의 구조거동특성 때문에 전 길이구간에 걸쳐 각 위치에 따라 다르다. 따라서 합성보 구조에 대한 설계나 검토는 전단연결부의 구조거동특성을 충분히 이해하고 수행할 필요가 있다.

기존의 합성보에 대한 휨강도의 설계방법은 구조기준에 있는 다음과 같은 방법에 의해 최대휨모멘트가 발생되는 위치의 단면에 대한 휨강도를 만족시키는 것이다.

(1) 정모멘트가 최대가 되는 위치와 모멘트가 0이 되는 위치 사이에 배열되는 강재앵커의 소요개수는 소요수평전단력을 강재앵커의 공칭강도로 나눈 값으로 한다.

(2) 집중하중이 작용하는 위치와 이와 가장 가까운 모멘트가 0이 되는 위치 사이에 강재앵커의 소요개수는 집중하중이 작용하는 위치의 최대휨모멘트를 받을 수 있도록 충분한 수를 사용한다.

(3) 별도의 시방이 없는 한, 휨모멘트가 최대가 되는 위치에서 양측에 소요되는 강재앵커는 최대휨모멘트 위치점과 모멘트가 0이 되는 위치사이에 일정한 간격으로 배치한다.

그러나 상기와 같은 설계방법은 도 14의 (c), 도 19의 (c), 도 20의 (b)에 나타낸 예처럼 최대휨모멘트 발생 위치 이외 부분의 안전을 확인할 수 없는 방법이므로 새로운 방법이 필요하다.

또한, 합성보의 설계나 검토는 비교적 복잡하고 많은 과정에 의해 수행된다. 이에 따라, 수작업 계산에 의한 수행은 많은 시간과 노력이 소요되고 오류가 있을 수 있으므로, 실무에서는 일반적으로 컴퓨터프로그램을 이용하여 수행한다. 하지만, 기존 컴퓨터 프로그램들은 다음과 같은 사항들이 보완되어야 한다.

(1) 최대휨모멘트가 발생되는 위치의 단면에 대한 설계휨강도만 고려하여 설계하거나 검토하기 때문에 최대 모멘트 위치 이외 구간에 실제로 존재할 수 있는 위험 가능 단면들에 대한 안전성을 확인할 수 없다.

(2) 전단연결부의 연결정도에 따른 설계휨강도가 설계기본원리에 맞지 않게 부정확하게 산정된다. 구체적으로는 전단연결부의 연결정도(합성정도)가 낮은 합성보는 설계휨강도가 지나치게 크게 산정되어 안전하지 않게 설계되고, 전단연결부의 연결정도(합성정도)가 높은 합성보는 설계휨강도가 지나치게 낮게 산정되어 비경제적으로 설계될 수 있다.

(3) 실제로 존재할 수 있는 다양한 하중분포에 대한 구조해석, 설계 및 검토하는 기능이 없다.

(4) 바닥슬래브 개구부를 고려한 구조해석, 설계 및 검토하는 기능이 없다.

(5) 강재보 단부의 노치를 고려한 구조해석, 설계 및 검토하는 기능이 없다.

(6) 프로그램사용자(설계자)가 원하는 전단연결부의 연결정도(합성정도)에 따라 구조해석, 설계 및 검토하는 기능이 없다.

(7) 전단연결재의 배치를 자동으로 최적화하여 구조해석, 설계 및 검토하는 기능이 없다.

(8) 바닥의 평탄성을 유지하기 위한 치올림에 대한 설계 및 검토하는 기능이 없다.

(9) 최적 강재단면규격을 자동으로 선택하여 설계하는 기능이 없다.

(10) 여러 개의 합성보를 동시에 구조해석, 설계 및 검토하는 기능이 없다.

대한민국 등록특허공보 제10-1518617호 (2015년 5월 13일 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-0872789호 (2008년 12월 9일 공고)

본 발명의 목적은 합성보의 설계와 검토에 있어서 최대 모멘트 위치 이외 구간에 실제로 존재할 수 있는 위험 가능 단면들에 대한 안전성을 확인할 수 있도록 하기 위해 합성보의 전 길이구간을 짧은 길이로 분할하여 각 분할 절점 위치에 있는 단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 계산할 수 있게 하고자 한다.

전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 컴퓨터를 이용하여, 강재보와 슬래브가 일체화되게 전단연결재로 연결되는 노출형 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법에 있어서, 입력된 조건에 따라, 합성보의 전 길이(L) 구간을 분할요소 개수(N)로 나누어 길이요소(L/N)로 분할하고 분할절점을 생성하는 길이분할 단계; 입력된 하중 조건을 이용하여 합성보의 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하여 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출하는 소요 성능 및 강도 산출단계; 및 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하고, 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출하는 설계성능 산출단계;를 포함하는 합성보의 구조 설계 수행 방법이 제안된다.

이때, 하나의 예에서, 합성보의 구조 설계 수행 방법은 보의 분할요소 개수(N) 및 하중계수를 포함하는 공통 설계 또는 검토 조건과, 합성보 각 부재에 대한 설계조건 또는 구조조건을 입력받는 조건입력 단계를 더 포함하고, 소요 성능 및 강도 산출단계는, 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하는 절점위치 소요성능계산 단계 및 강재보의 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출하는 소요수평전단강도 산출단계를 포함하고, 설계성능 산출단계는, 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하는 수평전단강도 산출단계 및 각 분할절점 위치의 단면규격 및 전단연결부에 대한 수평전단강도를 이용하여 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출하는 분할절점 설계성능 산출단계를 포함할 수 있다.

이때, 또 하나의 예에서, 조건입력 단계에서 입력받는 각 부재에 대한 설계조건에는 강재보에 대한 자동선택여부 및 전단연결부에 대한 자동설계여부가 포함되고, 소요수평전단강도 산출단계에서는 조건입력 단계에서 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우 계산된 소요성능으로부터 강재보의 단면규격을 자동선택하여 소요수평전단강도를 산출하거나 비자동선택 하에서 입력받은 단면규격 및 계산된 소요성능에 따라 소요수평전단강도를 산출하고, 수평전단강도 산출단계에서는 조건입력 단계에서 전단연결부에 대한 자동설계가 선택된 경우 입력된 설계조건으로부터 전단연결부 구간의 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하여 수평전단강도를 산출하거나 비자동설계 하에서 입력받은 조건으로부터 수평전단강도를 산출할 수 있다.

또한, 이때, 하나의 예에서, 수평전단강도 산출단계에서 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우, 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 분할절점 위치 단면에서의 수직전단력을 이용한 각 전단연결부 구간의 분담비율을 이용하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하고 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출하고 합성보의 전 구간의 분할절점 위치의 단면에 대한 수평전단강도를 산출할 수 있다.

또한, 하나의 예에서, 수평전단강도 산출단계에서 전단연결재의 소요개수를 산출하는 과정은, 하기의 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]을 이용하여 각 전단연결부 구간의 수직전단력 면적, 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽 각각의 전체 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력 면적 및 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 분포비율을 산출하고, 하기의 [수학식 4]를 이용하여 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치할 수 있다.

또한, 이때, 수평전단강도 산출단계에서 수평전단강도를 산출하는 과정은, 하기의 [수학식 5]를 이용하여 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출하고, 하기의 [수학식 8]을 이용하여 합성보의 전 길이 구간의 분할절점 위치(i)의 단면에 대한 수평전단강도를 산출할 수 있다.

또한, 하나의 예에서, 수평전단강도를 산출하는 과정에서, 하기의 [수학식 6a] 및 [수학식 6b]를 이용하여 최대휨모멘트 위치의 단면에 대한 왼쪽 및 오른쪽 전단연결부의 수평저항전단강도를 산출하고, 하기의 [수학식 7]을 이용하여 보 길이 전체에 속한 전단연결재에 대한 총 수평전단강도를 산출하고, 수학식 8에서 조정계수 η는 하기의 수학식 9a 내지 9d를 이용하여 산출할 수 있다.

하나의 예에서, 조건입력 단계에서 입력되는 조건에 보의 단부근처에 슬래브 개구부가 형성된 조건, 강재보의 단부에 노치가 형성된 조건 또는 양자 모두의 조건을 포함할 수 있다.

또 하나의 예에서, 합성보의 구조 설계 수행 방법은 강재보와 합성보에서 각 분할절점 위치의 각 하중에 대한 처짐값을 산출하고 합성전 고정하중에 의한 최대처짐량과 그 위치를 검출하는 처짐계산 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 하나의 예에서, 처짐계산 단계에서, 입력된 조건과 상기 최대처짐량을 이용하여 치올림 적용여부를 판단하고 치올림 적용조건에 따라 치올림값을 산출할 수 있다.

또한, 하나의 예에서, 합성보의 구조 설계 수행 방법은: 각 분할절점 위치의 각종 소요성능과 설계성능을 비교하고 가장 불리한 성능비교값과 그 위치를 검출하는 성능비교단계; 및 성능비교단계에서 비교되고 검출된 결과를 출력하는 출력단계;를 더 포함하고, 성능비교단계에서의 비교는 처짐과 허용처짐을 비교하는 과정을 포함할 수 있다.

다음으로, 전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따라, 전술한 합성보의 구조 설계 수행 방법의 어느 하나에 따른 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램 코드가 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체가 제안된다.

본 발명의 하나의 실시예에 따라, 최대 모멘트 위치 이외 구간에 실제로 존재할 수 있는 위험 가능 단면들에 대한 안전성을 확인할 수 있다. 이때, 합성보의 전 길이구간을 짧은 길이로 분할하여 각 분할 절점 위치에 있는 단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 비교하여 계산할 수 있다.

또한, 본 발명의 하나의 예에 따라, 비교 결과를 그래프, 표, 숫자 및 문자로 나타내어 전 길이구간에 있는 모든 단면이 설계요구사항을 어느 정도 만족시키는 지 쉽게 판단할 수 있다.

또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 합성보 구조의 설계 또는 검토에 있어서 다양한 종류의 하중분포를 적용할 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따라, 최적 강재단면을 자동으로 선정할 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따라, 보의 단부근처 슬래브 개구부를 적용할 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따라, 보의 단부에 노치가 있는 강재보를 적용할 수 있다. 본 발명의 하나의 예에 따라, 설계원리와 일치하는 정확한 결과를 제공하고, 보의 전 길이구간에 속한 모든 단면이 설계기본요구사항들(즉 안전성과 사용성)을 만족시키는 지를 사용자가 쉽게 판단할 수 있는 결과들을 제공할 수 있게 되어 합성보 구조를 안전하고 경제적으로 설계할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 내지 2c 각각은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 다양한 종류의 하중에 대한 각 분할 절점에서의 소요성능을 계산하는 단계의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 최적 강재단면 규격을 자동으로 찾는 단계의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 전단연결부를 자동으로 설계하는 단계의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할절점위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 생성하는 단계의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할절점위치 단면에 대한 설계성능을 계산하는 단계의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할 절점 위치에 대한 처짐과 치올림을 자동으로 생성하는 단계의 부분 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할 절점 위치에 대한 소요성능과 설계성능에 대한 그래픽을 생성하는 단계의 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 휨강도를 산정하는 원리를 나타내기 위한 예시도이다.
도 12는 도 11의 (a)에 도시된 3위치의 단면에 대한 소성응력분포와 각 요소의 합력을 나타내는 예시도이다.
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 구현하고자 하는 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 일반 조건의 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 나타내는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 15는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 적용할 수 있는 불규칙한 다양한 하중분포 종류와 이들을 적용하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 16은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 전단연결부를 자동으로 설계하기 위해 일련의 수학식 1 내지 4를 포함한 알고리즘을 도식적으로 설명하기 위한 예시도이다.
도 17은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 휨강도와 단면2차모멘트를 연속적으로 해석하기 위해 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 수평힘의 평형을 고려한 전단연결부의 수평전단강도를 연속적으로 생성하기 위해 일련의 수학식 5 내지 9d를 포함한 알고리즘을 설명하기 위한 예시도이다.
도 18은 도 17의 알고리즘에 의해 서로 다른 몇 가지 조건에 대해 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 수평힘의 평형을 고려한 전단연결부의 수평전단강도를 연속적으로 생성한 것을 나타낸 예시도이다.
도 19는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 보의 단부에 슬래브 개구부가 있는 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 확인할 수 있다는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 20은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 강재보의 단부에 노치가 있는 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 확인할 수 있다는 것을 설명하기 위한 예시도이다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 설명에서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 이해를 도모하기 위하여 부차적인 설명은 생략될 수도 있다.

본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 연결, 결합 또는 배치 관계에서 '직접'이라는 한정이 없는 이상, '직접 연결, 결합 또는 배치'되는 형태뿐만 아니라 그들 사이에 또 다른 구성요소가 개재됨으로써 연결, 결합 또는 배치되는 형태로도 존재할 수 있다.

본 명세서에 비록 단수적 표현이 기재되어 있을지라도, 발명의 개념에 반하거나 명백히 다르거나 모순되게 해석되지 않는 이상 복수의 구성 전체를 대표하는 개념으로 사용될 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에서 '포함하는', '갖는', '구비하는', '포함하여 이루어지는' 등의 기재는 하나 또는 그 이상의 다른 구성요소 또는 그들의 조합의 존재 또는 부가 가능성이 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 합성보의 구조 설계 수행 방법은 컴퓨터를 이용한 합성보의 구조 설계를 직접 수행하거나 기작성된 구조 설계에 대한 검토를 수행하여 설계 적합성을 판단하는데 이용될 수 있다. 이에 따라, 이하에서 본 발명의 합성보의 구조 설계 수행 방법을 설명함에 있어서 합성보의 설계 또는 검토 방법 내지 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법으로 표현되어 설명될 수 있음에 유의한다.

본 발명은 연직하중을 받는 합성보의 설계 또는 검토하는 방법에 관한 것으로, 예컨대 하나의 예에서, 설계 또는 검토하고자 하는 조건을 입력데이터파일에서 읽어서 도 12와 같이 합성보의 전 길이구간을 짧은 길이요소로 분할하여 각 분할 절점 위치에 있는 단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 계산할 수 있다. 이에 따라, 하나의 예에서, 결과 값들을 그래프, 표, 숫자 및 문자로 나타내어 합성보의 전 길이구간에 속한 모든 단면이 구조설계 기본요구사항들(즉 안전성과 사용성)을 만족시키는 지를 사용자가 쉽게 판단할 수 있다.

본 발명의 하나의 예에서, 합성보의 전 길이구간을 예컨대 1200개 이상의 짧은 길이요소로 분할하여 각 분할 절점 위치에 있는 강재 및 합성 단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 해석하고, 각 절점 위치마다 소요성능과 설계성능을 비교한다. 이러한 방법은 다양한 실시예에 따라 다양한 하중분포 조건, 보의 단부 슬래브개구부 조건, 강재보의 단부 노치 조건 등의 다양한 설계조건들을 갖는 합성보에 대한 해석, 설계 및 검토가 가능해진다. 또한 이러한 방법은 다양한 실시예에 따라 최대소요휨강도 위치는 물론 이외 구간에 대한 휨모멘트, 전단력 및 처짐에 대한 해석, 설계 및 검토가 가능해진다.

본 발명의 예에서, 합성보는 전단연결재에 의해 강재보와 슬래브콘크리트가 결합된 부재이므로 합성보의 휨강도와 단면2차모멘트는 전단연결부의 거동을 함께 고려하여 산정해야 한다. 또한, 전단연결부의 거동은 최대휨모멘트 위치 및 하중분포에 따라 달라지며, 합성보의 전 길이 구간에서 일정하지 않다. 또한, 전 길이구간의 각 분할 절점 위치 단면에 대한 전단연결부의 수평전단강도는 수평힘의 평형을 만족하도록 산정해야 한다.

먼저, 본 발명의 하나의 모습에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 도면을 참조하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2a 내지 2c 각각은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 나타낸 전체 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 다양한 종류의 하중에 대한 각 분할 절점에서의 소요성능을 계산하는 단계의 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 최적 강재단면 규격을 자동으로 찾는 단계의 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 전단연결부를 자동으로 설계하는 단계의 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할절점위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 생성하는 단계의 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 강재보 및 합성보의 구조해석, 설계 및 검토를 위한 방법에서 각 분할절점위치 단면에 대한 설계성능을 계산하는 단계의 흐름도이고, 도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할 절점 위치에 대한 처짐과 치올림을 자동으로 생성하는 단계의 부분 흐름도이고, 도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할 절점 위치에 대한 소요성능과 설계성능에 대한 그래픽을 생성하는 단계의 흐름도이다.

도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 살펴본다. 하나의 실시예에 따라, 컴퓨터를 이용하여, 강재보와 슬래브가 일체화되게 전단연결재로 연결되는 노출형 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법은 길이분할 단계(S2, S20), 소요 성능 및 강도 산출단계(S3, S3a, S3b, S25, S35), 및 설계성능 산출단계(S4, S4a, S4b, S50, S55)를 포함한다. 또한, 도 2a, 2b, 2c 또는 3을 참조하면 하나의 예에 따라, 노출형 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법은 조건입력 단계(S1, S10, S15)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 2b, 2c 또는 3을 참조하면 하나의 예에 따른 노출형 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법은 처짐 계산 단계(S5, S60)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 2c 내지 3을 참조하면 하나의 예에 따른 노출형 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법은 성능비교단계(S6, S65, S85) 및 출력단계(S7, S70, S75, S95)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 도 3에서 S10과 S15는 설계조건을 입력하는 단계, S20에서 S65까지는 설계조건에 따라 처리하는 단계이고, S80은 여러 부재를 반복하여 처리하는 과정을 나타낸다. 도 3에서 S70, S75와 S95는 출력단계로 S90은 S70과 S75의 출력정보를 통하여 수정 또는 최적화를 위해 입력데이터를 수정할 필요가 있는 경우에 반복하는 과정을 나타내며, S95는 S90의 반복과정을 통해 모든 부재가 최적화된 최종데이터를 출력하는 단계이다.

이때, 길이분할 단계(S2, S20)에서는, 입력된 조건에 따라, 합성보의 전 길이(L) 구간을 분할요소 개수(N)로 나누어 길이요소(L/N)로 분할하고 분할절점을 생성한다. 소요 성능 및 강도 산출단계(S3, S3a, S3b, S25, S35)에서는 입력된 하중 조건을 이용하여 합성보의 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하여 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출한다. 설계성능 산출단계(S4, S4a, S4b, S50, S55)에서는, 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하고, 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출한다.

이하에서, 각 단계들을 구체적으로 살펴본다. 이때, 발명의 이해를 돕기 위해, 조건입력 단계(S1, S10, S15)를 먼저 살펴보고, 길이분할 단계(S2, S20), 소요 성능 및 강도 산출단계(S3, S3a, S3b, S25, S35), 및 설계성능 산출단계(S4, S4a, S4b, S50, S55)를 살펴본 후 처짐 계산 단계(S5, S60), 성능비교단계(S6, S65, S85) 및 출력단계(S7, S70, S75, S95)를 살펴볼 것이다.

<조건입력 단계>

도 2a, 2b 또는/및 3을 참조하면, 조건입력 단계(S1, S10, S15)에서는, 합성보의 분할요소 개수(N) 및 하중계수를 포함하는 공통 설계 또는 검토 조건과, 합성보 각 부재에 대한 설계조건 또는 구조조건을 입력받는다. 도 3에서, 조건입력단계(S10, S15)는 공통조건을 입력받는 단계(S10)와 각 부재의 설계조건 내지 구조조건을 입력받는 단계(S15)를 포함한다.

도 3의 S10은 전체 합성부재에 대한 공통 설계 및 검토 조건을 입력데이터파일로부터 가져오는 단계로 입력데이터파일에는 보의 길이 분할요소 개수(자동설정 또는 사용자가 설정), 하중계수(고정하중, 추가고정하중, 활하중)에 대한 정보들을 포함할 수 있다.

도 3에서 S15는 각 부재에 대한 구조조건 및 설계조건을 입력데이터파일로부터 가져오는 단계로 입력데이터파일에는 부재이름, 부재길이, 강재보 설계조건, 슬래브 설계조건, 슬래브개구부 조건, 강재보 단부 노치 설계조건, 전단연결부 설계조건, 처짐 설계조건, 각 종류의 하중 조건에 대한 정보를 일부 또는 전부 포함할 수 있다.

하나의 예에서, 조건입력 단계(S15)에서 입력받는 각 부재에 대한 설계조건에는 강재보에 대한 자동선택여부 및 전단연결부에 대한 자동설계여부가 포함될 수 있다. 본 발명에서 전단연결부는 합성보 전체 구간 중 전단연결재로 강재보와 예컨대 슬래브가 결합되는 구간을 의미한다. 예컨대, 도 14 (b)의 경우에는 슬래브와 강재보가 합성보 전 구간에 걸쳐 결합되어 있으므로 전단연결재에 의해 결합된 부분의 길이(L)이 전단연결부에 해당되고, 도 19 (b)의 경우에는 슬래브와 강재보 사이에 전단연결재에 의해 결합된 부분의 길이(L₂)가 전단연결부에 해당되고, 도 20 (a)의 경우 단부 노치 구간을 포함하는 길이 Lb가 전단연결부에 해당된다.

각 부재에 대한 구조조건 및 설계조건을 살펴본다. 예컨대, 입력데이터파일에 포함되는 강재보 설계조건은 부재이름, 스팬, 비횡지지길이, 강재 항복강도, H형강종류(압연, 용접), H형강단면 자동선택여부, 강재단면치수(춤, 플랜지폭, 웨브두께, 플랜지두께, 필릿반경), 공사시 횡좌굴모멘트수정계수 등을 포함할 수 있다. 슬래브 설계조건은 콘크리트 압축강도, 유효폭, 슬래브 총두께, 골높이, 골평균폭, 골간격, 골방향(직각, 평행), 슬래브개구부 조건(없음, 왼쪽 끝, 오른쪽 끝, 양쪽 끝, 개구부 길이) 등을 포함할 수 있다. 강재보 단부 노치 설계조건은 노치 위치(없음, 왼쪽, 오른쪽, 양쪽), 노치 크기(길이, 높이)를 포함할 수 있다. 전단연결재 설계조건은 스터드열 수, 스터드직경, 스터드간격 결정여부(결정된 경우, 자동결정), 스터드 간격, 스터드 배치방법(등간격, 2점 집중하중, 4점 집중하중 등), 전단연결부의 구획 수 및 위치 등을 포함할 수 있다. 처짐 설계조건은 합성전 처짐제한, 합성후 처짐제한(활하중 처짐값, 활하중 스팬/처짐비, 총하중 스팬/처짐비), 합성전 고정하중처짐값에 대한 치올림(상향캠버)비를 포함할 수 있다. 하중 조건에는 각 하중에 대한 하중분포타입, 하중크기, 하중시작위치, 하중분포길이, 하중타입을 포함할 수 있다. 하중분포타입은 도 15에 있는 하중분포종류로 구분하며, 하중타입은 합성전의 고정하중, 합성전의 활하중, 합성후의 추가고정하중, 합성후의 활하중으로 구분한다.

도 15는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토를 수행하는 방법에서 적용할 수 있는 불규칙한 다양한 하중분포 종류와 이들을 적용하는 방법을 나타내는 예시도이다. 도 15에서 (a)는 점집중하중을, (b)는 등분포하중을, (c)와 (d)는 삼각분포하중을, (e)는 다양한 종류의 하중분포 입력 예를 나타내고 있다.

예컨대, 합성보에서 다양한 불규칙한 하중분포도 적용할 수 있다. 이에 따라 다양한 불규칙한 하중분포를 갖는 합성보에 대해서도 구조 설계 또는 검토를 수행할 수 있다.

하나의 예에서, 조건입력 단계(S15)에서 입력되는 조건에 보의 단부근처에 슬래브 개구부가 형성된 조건, 강재보의 단부에 노치가 형성된 조건 또는 양자 모두의 조건을 포함할 수 있다. 이에 따라 보의 단부근처에 슬래브 개구부가 형성되거나 강재보의 단부에 노치가 형성되거나 양자 모두 형성된 합성보에 대해서도 구조 설계 또는 검토를 수행할 수 있다.

도 19는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 보의 단부에 슬래브 개구부가 있는 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 확인할 수 있다는 것을 설명하기 위한 예시도이고, 도 20은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 강재보의 단부에 노치가 있는 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 확인할 수 있다는 것을 설명하기 위한 예시도이다.

각각의 실시예에 따라, 합성보의 설계 내지 검토에 다양한 하중분포 조건을 적용할 수 있고, 보의 단부 주변의 슬래브에 개구부가 있는 조건도 적용할 수 있고, 강재보의 단부노치가 있는 조건도 적용할 수 있다.

<길이분할 단계>

다음으로, 도 1 내지 3을 참조하여 길이분할 단계(S1, S20)를 살펴본다. 길이분할 단계(S1, S20)에서는 입력된 조건에 따라, 보의 전 길이(L) 구간을 분할요소 개수(N)로 나누어 길이요소(L/N)로 분할하고 분할절점을 생성한다. 예컨대, 길이분할 단계(S20)에서는 조건입력 단계(S10, S15)에서 입력된 조건에 따라 보의 전 길이(L) 구간을 길이요소(L/N)로 분할하고 분할절점을 생성한다.

도 3에서 S20은 본 발명에 따른 강재보 및 합성보의 전 길이(L) 구간에 대해 연속적으로 소요성능과 설계성능을 계산하기 위해 요소를 분할하고 분할 절점을 생성하는 단계로 설정된 분할개수(N)에 따라서 도 13의 (a)와 같이 보의 전 길이구간을 짧은 길이요소 (L/N)로 자동으로 분할하여 절점 위치 번호 (i)를 (1)부터 (N+1)까지 부여하고 왼쪽지점 위치를 기준한 각 절점 위치에 대한 거리 L_x(i)를 생성한다. 분할 개수 N는 항상 짝수를 사용한다.

<소요 성능 및 강도 산출단계>

다음으로, 도 1 내지 3을 참조하여 소요 성능 및 강도 산출단계(S3, S3a, S3b, S25, S35)를 살펴본다. 소요 성능 및 강도 산출단계(S3, S3a, S3b, S25, S35)에서는 입력된 하중 조건을 이용하여 합성보의 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하여 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출한다. 예컨대, 입력된 하중 조건은 조건입력단계(S1, S15)에서 입력된 것일 수 있다.

도 2a 내지 2c, 도 3을 참조하면, 소요 성능 및 강도 산출단계(S3)는 절점위치 소요성능계산 단계(S3a, S25) 및 소요수평전단강도 산출단계(S3b, S35)를 포함한다.

절점위치 소요성능계산 단계(S3a, S25)

도 2a 내지 2c, 도 3, 도 4를 참조하여 절점위치 소요성능계산 단계(S3a, S25)를 살펴본다. 절점위치 소요성능계산 단계(S3a, S25)에서는 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출한다.

예컨대, 도 3에서 S25는 M개의 각 부재, 예컨대 합성전(공사단계) 및 합성후(사용단계)의 각 부재에 작용하는 Q개의 하중에 대한 각 분할 절점 위치의 소요성능을 생성하는 단계로 도 4의 흐름도에 방법과 과정이 포함되어 있다. M개의 부재는 단일 또는 여러 개의 보로 이루어진 구조에서 각각의 보를 의미하고, Q개의 하중은 각각의 보에 작용하는 것으로 각각의 보에 따라 달라질 수 있다. 도 4의 S101에서 LDT$는 하중분포타입(예컨대, 도 15의 (a), (b), (c), (d)), w는 단위길이당 등분포하중의 크기, P는 점집중하중의 크기, L_x는 하중 시작위치의 거리(왼쪽지지점으로 부터의 거리), L_c는 하중분포의 길이, LT$는 하중타입(예컨대, 공사시 고정하중, 공사시 활하중, 합성 후 추가고정하중, 합성후 활하중 등)를 의미하는 변수들이며, 도 15에 하중변수(P, w, L_x, L_c)에 대해 그림으로 표현되어 있다. 도 4의 흐름도에 나타낸 바와 같이 S101단계에서 하중입력데이터를 가져와 S103 및 S107에서 양쪽 지지부의 반력(R_A, R_B)을 계산하고 S104 및 S108에서 각 분할 절점 위치 (i)에 대한 전단력 V_s(i)와 휨모멘트 M_s(i)를 계산하여 구한다. 이 전단력과 휨모멘트는 S105 및 S109의 반복과정에서 각 하중분포별(도 15참조)로 각 절점의 전단력과 휨모멘트를 계산하고 이들을 누적시켜 구한다. 이 과정에서 비계수하중조합에 대한 값(S106참조)은 모든 하중종류에 대하여 하중계수를 1.0을 곱하여 계산하고, 계수하중조합에 대한 값(S110참조)은 S102에서 해당 하중종류에 대한 하중계수를 곱하여 산출한다. 도 13의 (b)와 (c)는 이와 같은 방법에 의해 구한 전단력도와 휨모멘트도를 예시한 것이다. 도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 구현하고자 하는 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 나타내는 그래프이다.

도 4의 S111단계서 각 분할 절점 위치의 휨모멘트값들로부터 최대휨모멘트의 값과 그 위치 L_x(m)를 찾아낸다. S25의 단계에서 생성되는 각종 데이터 값을 기록매체에 저장한다.

소요수평전단강도 산출단계(S3b, S35)

계속하여 도 2a 내지 2c, 도 3, 도 5를 참조하여 전단연결부의 소요수평전단강도 산출단계(S3b, S35)를 살펴본다. 소요수평전단강도 산출단계(S3b, S35)에서는 강재보의 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출한다. 산출된 소요수평전단강도는 강재보와 슬래브의 합성작용에 필요한 전단연결재의 소요개수 산정과 배치에 이용되며, 최종적으로는 합성보의 휨강도와 단면 2차모멘트를 결정하는데 사용한다.

예컨대, 도 3 및 5를 참조하면, 전단연결부의 소요수평전단강도 산출단계(S35)에서는, 조건입력 단계(S15)에서 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우 계산된 소요성능으로부터 강재보의 단면규격을 자동선택하여 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출하거나 비자동선택 하에서 입력받은 단면규격 및 계산된 소요성능에 따라 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출한다.

하나의 예에서, 합성보의 최적 강재단면 규격을 자동을 선택할 수 있게 한다.

도 3에서 S30은 합성보에 사용할 강재보의 단면규격을 자동으로 선택하거나 주어진 강재단면규격으로 검토할 것인가를 결정한다. 입력데이터에서 자동선택으로 설정한 경우에는 S35에서 최적의 강재단면규격을 선택한다. S35단계는 도 5의 흐름도에 나타낸바와 같이 S201와 S202단계에서 S25단계에서 생성한 공사단계(즉, 합성전)와 사용단계(즉, 합성후)에서 각각 요구되는 강재보와 합성보의 소요성능 데이터를 가져오고, S203의 표준산업규격 H형강 데이터베이스에서 H형강단면규격과 단면특성값을 순차적으로 읽어 이 단면을 이용한 강재보 단면과 합성보 단면의 각 설계성능을 산정하고 S207의 조건을 만족하면서 n번째로 작은 단면적을 찾을 때가지 S208의 반복과정을 통해 최적의 H형강단면규격(S209)을 선택한다. 이 데이터베이스에는 각 규격별로 단면특성값들을 포함하고 있고 단면적이 작은 규격부터 순차적으로 정리되어 있다. 자동으로 선택된 H형강단면규격의 강재보가 슬래브와 결합되었을 때, 즉 합성후 사용단계에서 요구되는 최대소요휨강도 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산정한다. 강재보 단면규격을 직접 입력하는 경우에도 전단연결부의 자동설계를 선택하면 마찬가지로 합성후 사용단계에서 요구되는 최대소요휨강도 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산정한다.

<설계성능 산출단계>

도 1 내지 3을 참조하여 설계성능 산출단계(S4, S4a, S4b, S50, S55)를 살펴본다. 설계성능 산출단계(S4, S4a, S4b, S50, S55)에서는, 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하고, 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출한다.

예컨대, 도 2a, 2b, 2c 또는 3을 참조하면 설계성능 산출단계(S4)는 수평전단강도 산출단계(S4a, S50) 및 분할절점 설계성능 산출단계(S4b, S55)를 포함할 수 있다.

수평전단강도 산출단계(S4a, S50)

도 2a, 2b, 2c 또는 3을 참조하면, 전단연결부의 수평전단강도 산출단계(S4a, S50)에서는 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출한다.

예컨대, 도 3을 참조하면 수평전단강도 산출단계(S45, S50)에서는, 조건입력 단계(S15)에서 전단연결부에 대한 자동설계가 선택된 경우 입력된 설계조건으로부터 전단연결부 구간의 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하여 수평전단강도를 산출하거나 비자동설계 하에서 입력받은 조건으로부터 각 분할절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출한다. 전단연결부 구간은 전단연결부에 작용하는 하중분포에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 예컨대, 전단연결부 구간은 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 하중분포를 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 예컨대, 전단연결부 구간은 점집중하중 분포를 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 도 16은 4개의 점집중하중을 받는 합성보에서 전단연결부를 5개 구역으로 구분하고, 최대 휨모멘트 발생위치를 포함하는 구역을 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽과 오른쪽 구간으로 나누어 총 6개 전단연결부 구간이 설정된 것을 나타내고 있다.

하나의 예에서, 도 3을 참조하면 수평전단강도 산출단계(S45, S50)에서는, 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우, 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 분할절점 위치 단면에서의 수직전단력을 이용한 각 전단연결부 구간의 분담비율을 이용하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하고(S45), 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출하고 합성보의 전 구간의 분할절점 위치의 단면에 대한 수평전단강도를 산출할 수 있다(S50). 이때, 전단연결재의 소요개수를 산출하는 과정은 하기의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]와 같은 식을 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 도 6에 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우 전단연결재의 소요개수를 산출하는 예가 도시되고, 도 7에 합성보의 전 구간의 분할절점 위치의 단면에 대한 수평전단강도를 산출하는 예가 도시되고 있다.

도 3에서 S40은 합성보에서 전단연결부를 자동으로 설계하거나 주어진 전단연결부 조건으로 검토할 것인가를 결정한다. 입력데이터에서 자동설계로 설정한 경우에는 S45에서 전단연결부를 자동으로 설계하고, 검토로 설정한 경우에는 입력된 전단연결부 조건으로 검토한다. 전단연결부를 자동으로 설계하는 S45단계는 도 6의 흐름도에 방법과 과정이 포함되어 있다.

도 6를 참조하면 하나의 예에서, 수평전단강도 산출단계에서 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우, 전단연결재의 소요개수를 산출하는 과정(S45)은, 예컨대 하기의 [수학식 1], [수학식 2], [수학식 3] 및 [수학식 4]를 이용할 수 있다. [수학식 1]을 이용하여 각 전단연결부 구간의 수직전단력 면적을 산출하고, [수학식 2]를 이용하여 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽 각각의 전체 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력 면적을 산출한다. 각 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력 면적은 도 16의 (b)에 표시한 각 음영부분의 면적이다. 계속하여, 하기의 [수학식 3]을 이용하여 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 분포비율을 산출하고, 하기의 [수학식 4]를 이용하여 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치할 수 있다.

도 6에서 S301은 입력데이터 및 자동으로 생성된 데이터로부터 전단연결재의 배치 및 제한 조건을 가져오는 단계이고, S302는 해당 전단연결부 구간의 수직전단력면적을 계산하는 단계이고, S303은 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽의 각 전체 전단연결부에서 분담하기 위한 수직전단력면적을 계산하는 단계이고, S404는 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 분포비율을 계산하는 단계이고, S305는 각 전단연결부 구간에 배치할 전단연결재의 소요개수를 산정하는 단계이다. 도 6에서 S302 내지 S304 단계를 통해 각 전단연결부 구간에서 분담해야할 분포비율을 산출하고 다음 S305 단계에서 각 전단연결부 구간에 배치될 전단연결재의 소요개수를 산출할 수 있다. S306은 S305에서 산정한 각 전단연결부 구간의 전단연결재의 소요개수를 구조기준에 적합한 간격과 열수로 배치하는 단계이다. 전단연결재의 간격은 각 나라의 기준에 따라 다소 다르지만, 예를 들어 한국과 미국의 강구조기준에서는 스터드 앵커를 사용할 경우, 부재의 길이방향 최소간격은 스터드직경의 6배 이상, 최대간격은 슬래브 두께의 8배 또는 900mm를 초과하지 않아야 하며, 직각 방향의 최소간격은 스터드 직경의 4배 이상으로 제한하고 있다.

본 발명의 하나의 예에 따르면, 도 3의 S45단계에서 합성보에서 전단연결부의 전단연결재를 자동으로 배치하기 위해 하기 일련의 수학식 1 내지 4를 사용하는 것을 특징으로 한다. 이 수식적 알고리즘은 이해하기 쉽도록 도 16에 도식적으로 나타내었다. 도 16은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 전단연결부를 자동으로 설계하기 위해 본 발명에서 개발한 일련의 수학식 1 내지 4를 포함한 알고리즘을 도식적으로 설명하기 위한 예시도이다. 이 예시도는 4개의 점 집중하중과 등분포하중을 받는 합성보에서 전단연결부의 구역을 5개로 구분했을 경우에 대한 예로 도 16의 (a)는 최대휨모멘트 발생 위치, 도 16의 (b)는 전단연결부의 각 구간, 보의 전 길이에 대한 분할 절점, 각 구간의 수직전단력분포, 각 구간에서 분담하기 위한 수직전단력 면적 및 전단연결재의 구간별 소요개수의 관계를 나타낸 것이다.

도 6의 S302 단계에서는 다음 [수학식 1]에 의해 각 전단연결부 구간의 수직전단력면적을 산출한다.

[수학식 1]

이때, k는 각 전단연결부 구간의 순차적 번호이고, V_(k)는 각 전단연결부 구간의 수직전단력면적이고, V_u(i)는 각 분할요소 절점 위치에 있는 단면에 대한 수직전단력이고, dl는 보의 길이방향 분할 요소의 길이 dl=L/N이고, L_x(i)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 구간의 시작 위치까지의 거리이고, L_x(j)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 구간의 끝 위치까지의 거리이다. 예컨대 V_(k)는 도 16의 (b)에 표시한 각 음영부분의 면적이다.

다음으로 도 6의 S303 단계를 살펴본다. 이때, 다음 [수학식 2]에 의해 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽의 각 전체 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력면적을 산출한다. [수학식 1]로부터 얻어진 각 전단연결부 구간들의 수직전단력 면적을 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽 전체 구간에서 합하여 산출될 수도 있다.

[수학식 2]

왼쪽구간 :

오른쪽구간 :

이때, ΣV_L과 ΣV_R은 각각 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽의 각 전체 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력면적이다.

다음으로, 도 6의 S304 단계에서 다음 수학식3에 의해 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 분포비율을 산출한다. 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 수직전단력 면적은 최대휨모멘트 발생위치에서 양측방향에 필요한 총 전단연결재의 개수를 각 전단연결부 구간에 적합하게 분배하기 위한 비율을 산정할 때 사용한다. 구조역학적으로 설명하면, 합성보의 길이방향 임의 위치 단면에서 휨모멘트를 1차 미분하면 전단력이 되고, 전단력을 다시 미분하면 그 단면에 작용하는 하중이 되는 원리를 이용하여 전단연결재를 하중분포의 영향에 적합하게 대응하도록 배치할 수 있다. 본 발명의 예들에서 이러한 목적을 구현할 수 있다.

[수학식 3]

왼쪽구간 :

, 1≤k≤m

오른쪽구간 :

, m+1≤k≤n

이때, DV_(k,L)과 DV_(k,R)은 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 분포비율이다. n는 전체 전단연결부 구간의 수이고, m은 최대휨모멘트 발생위치를 기준으로 왼쪽 영역에서의 전단연결부 구간의 수이다.

다음으로, 도 6의 S305 단계에서 다음 수학식 4에 의해 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 개수를 산출한다.

[수학식 4]

왼쪽구간 :

오른쪽구간 :

이때, N_s(k)는 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 개수이고, N_s(total)은 최대휨모멘트 위치 단면에서 모멘트가 0인 위치까지 요구되는 전단연결재의 개수이다. N_s(total)은 소요수평전단력을 강재앵커의 공칭강도로 나눈 값으로 얻을 수 있다.

다음으로 도 6의 S306 단계에서 앞에서 산출한 각 전단연결부 구간의 전단연결재의 소요개수 N_s(k)를 구조기준요구조건에 맞춰 배열한다.

도 3에서 S50은 합성보에서 각 분할요소 절점 위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 생성하는 단계로 도 7의 흐름도에 방법과 과정이 포함되어 있다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할절점위치 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 생성하는 단계의 흐름도이다. 이 알고리즘에 의해 최대휨모멘트 발생 위치 단면에서의 수평힘의 평형을 고려한 각 분할절점위치 단면의 전단연결부에 대한 유효 수평전단강도를 구한다.

본 발명의 하나의 예에서, 전 길이구간의 각 분할 절점 위치 단면에 대한 전단연결부의 수평힘의 평형을 만족하는 수평전단강도를 산정하기 위해 수식적 알고리즘(수학식 5 내지 9d)을 사용하여 각 분할 절점 위치 단면에 대한 설계성능을 연속적으로 산정할 수 있다. 또한, 본 발명의 하나의 예에 따른 도 3의 S50단계에서 각 분할 절점 위치의 합성단면에 대한 설계성능을 연속적으로 얻기 위해서 최대휨모멘트 발생위치 단면을 기준한 전체합성보에서 수평힘의 평형을 갖는 전단연결부의 수평전단강도를 산출할 수 있도록 도 7과 같이 하기 일련의 수학식 5 내지 9d를 사용한다. 이 수식적 알고리즘은 이해하기 쉽도록 도 17, 도 18에 도식적으로 나타내었다.

도 17은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 휨강도와 단면2차모멘트를 연속적으로 해석하기 위해 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 수평힘의 평형을 고려한 전단연결부의 수평전단강도를 연속적으로 생성하기 위해 일련의 수학식 5 내지 9d를 포함한 알고리즘을 설명하기 위한 예시도이다. 이 예시도는 2개의 점 집중하중과 등분포하중을 받는 합성보에 대한 것으로 도 17의 (a)는 적용하중분포, 도 17의 (b)는 각 전단연결부 구간의 전단연결재 배치, 도 17의 (c)는 수평힘의 평형조건을 고려하지 않은 각 분할 절점 위치 단면에 대한 전단연결부의 수평전단강도, 도 17의 (d)는 수평힘의 평형조건을 고려한 전단연결부의 수평전단강도를 나타낸 예시도이다. 도 17의 (d)에서 v_h1, v_h2, v_h3의 수평 실선들은 각 전단연결부 구간의 단위길이당 평균전단강도이고, 0으로부터 시작한 점선 경사선은 힘의 방향성을 고려하지 않고 왼쪽지지점으로부터 오른쪽지지점까지의 점차적으로 누적시킨 수평전단강도이고, 굵은 실선은 최대휨모멘트 발생위치 단면에서 양측 방향 전단연결부에 대한 수평힘의 평형을 고려하기 위해 본 발명에서 개발한 조정계수 η에 의해 조정된 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 수평전단강도이다. 휨강도는 굽힘에 대한 강도저항 능력이다.

도 18은 도 17의 알고리즘에 의해 서로 다른 몇 가지 조건에 대해 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 수평힘의 평형을 고려한 전단연결부의 수평전단강도를 연속적으로 생성한 것을 나타낸 예시도이다.

예컨대, 도 7을 참조하면 하나의 예에서, 수평전단강도 산출단계에서 합성보의 전 구간의 분할절점 위치의 단면에 대한 수평전단강도를 산출하는 과정은, 하기의 [수학식 5]를 이용하여 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출하고, 하기의 [수학식 8]을 이용하여 합성보의 전 길이 구간의 분할절점 위치(i)의 단면에 대한 수평전단강도를 산출할 수 있다.

또한, 하나의 예에서, 수평전단강도를 산출하는 과정에서, 하기의 [수학식 6a] 및 [수학식 6b]를 이용하여 최대휨모멘트 위치의 단면에 대한 왼쪽 및 오른쪽 전단연결부의 수평저항전단강도를 산출하고, 하기의 [수학식 7]을 이용하여 보 길이 전체에 속한 전단연결재에 대한 총 수평전단강도를 산출하고, 수학식 8에서 조정계수 η는 하기의 수학식 9a 내지 9d를 이용하여 산출할 수 있다.

도 7에서 S401은 각 전단연결부 구간의 전단연결부에 대한 단위길이당 수평전단강도를 계산하는 단계이고, S402는 보 길이 전체에 대한 총수평전단강도를 계산하는 단계이고, S403은 최대휨모멘트 위치단면의 왼쪽 전단연결부에 대한 수평전단강도를 계산하는 단계이고, S404은 최대휨모멘트 위치단면의 오른쪽 전단연결부에 대한 수평전단강도를 계산하는 단계이고, S405는 S406의 조건에 따라서 S407 또는 S408에 의해 최대휨모멘트 위치 단면에서 양쪽구간의 수평힘의 평형조건을 고려하기 위한 조정계수를 산정하는 단계이고, S409는 조정계수와 S401에서 구한 단위길이당 수평전단강도에 의해 각 분할 절점 위치(i) 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산정하는 단계이다.

도 7을 참조하면, S401 단계에서는 다음 수학식5에 의해 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출한다.

[수학식 5]

이때, v_h(i)는 임의 위치 L_x(i)에 해당하는 전단연결부의 구간별 단위길이당 수평전단강도이고, k는 전단연결부의 구획 구간번호이고, N_s(k)는 각 전단연결부 k구간에 속한 전단연결재의 개수이고, Q_n(k)는 각 전단연결부 k구간에 속한 각 전단연결재 1개의 공칭수평전단강도이고, L_(k)는 각 전단연결부 k구간의 길이로 L_(k)=L_(k,j)-L_(k,i)에 의해 산출한다. L_(k,i)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 k구간의 시작점 위치까지 길이이고, L_(k,j)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 k구간의 끝점 위치까지 길이이다.

다음으로 도 7의 S409 단계에서는 다음 수학식 8에 의해 수평힘의 평형을 고려한 합성보의 전길이 구간의 각 분할절점위치(i) 단면의 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출한다.

[수학식 8]

이때, V_h(i)는 수평힘의 평형을 고려한 합성보의 분할 절점 위치 (i)의 단면에 대한 수평전단강도이고, L_x(i)는 왼쪽 지지점으로부터 해당 분할 절점위치까지의 거리이고, η는 최대휨모멘트 발생위치 단면에서 양측 방향 전단연결부에 대한 수평힘의 평형을 고려하기 위한 조정계수이다.

하나의 예에서, 도 7의 S405 내지 S408 단계를 참조하면, 수학식 8에서의 조정계수 η는 하기의 수학식 9a 내지 9d를 이용하여 산출할 수 있다. 수학식 9a 내지 9d를 산출하기 위해 S402 내지 S404 단계에서 수학식 6a, 6b 및 7이 산출되어야 한다.

도 7의 S402 단계에서는 다음 수학식7에 의해 보 길이에 전체에 속한 전단연결재에 대한 총 수평전단강도를 산출한다.

[수학식 7]

이때, V_h(total)은 보의 전 길이에 속한 전단연결재에 대한 총 수평전단강도이고, L는 보의 총 길이이고, dl은 합성보의 전 길이 L를 N개의 짧은 길이로 분할한 요소길이 dl=L/N이다.

도 7의 S403 단계에서는 다음 수학식6a에 의해 최대 휨모멘트 위치의 단면에 대한 왼쪽 전단연결부의 수평저항전단강도를 산출하고, 도 7의 S404 단계에서는 다음 수학식6b에 의해 최대 휨모멘트 위치의 단면에 대한 오른쪽 전단연결부의 수평저항전단강도를 산출한다.

[수학식 6a]

[수학식 6b]

이때, V_h(m)L은 최대 휨모멘트 위치의 단면에 대한 왼쪽 전체 전단연결부의 수평저항전단강도이고, V_h(m)R은 최대 휨모멘트 위치의 단면에 대한 오른쪽 전체 전단연결부의 수평저항전단강도이다. L_x(m)은 왼쪽 지지점으로부터 최대휨모멘트 발생위치까지의 거리이다.

[수학식 9a]

V_h(m)L≤V_h(m)R이고 L_x(i)≤L_x(m)인 경우, η=1.0

[수학식 9b]

V_h(m)L≤V_h(m)R이고 L_x(m)<L_x(i)<L인 경우,

[수학식 9c]

V_h(m)L>V_h(m)R이고 L_x(i)≤L_x(m)인 경우,

[수학식 9d]

V_h(m)L>V_h(m)R이고 L_x(m)<L_x(i)<L인 경우, η=-1.0

일련의 수학식으로 구한 전단연결부의 수평전단력 V_h(i)는 해당 분할 절점위치의 단면에 대한 전단연결부의 수평전단저항력 ΣQ_n(i) 또는 슬래브 압축저항력 C_c(i)와 동일하므로 이 수평전단력 V_h(i)를 이용하여 다음 단계에서 각 분할 절점 위치의 합성단면에 대한 소성중립축, 탄성중립축을 구할 수 있어 휨강도, 단면2차모멘트 및 처짐을 연속적으로 구할 수 있게 된다.

분할절점 설계성능 산출단계(S4b, S55)

계속하여 도 2a 내지 2c, 도 3, 도 8을 참조하여 분할절점 설계성능 산출단계(S4b, S55)를 살펴본다. 분할절점 설계성능 산출단계(S4b, S55, 도 8)에서는 각 분할절점 위치의 단면규격과, 각 분할절점 위치의 전단연결부에 대한 수평전단강도로부터 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출한다. 예컨대, S55에서 생성된 각종 데이터 값을 기록매체에 저장한다.

도 3에서 S55는 강재보와 합성보에서 각 분할요소 절점 위치 단면의 설계성능(전단강도, 휨강도, 단면2차모멘트)들을 생성하는 단계로 도 8의 흐름도에 방법과 과정이 포함되어 있다.

도 8의 S501 단계에서는 각 분할절점 위치의 강재단면규격과 전단연결부에 대한 수평전단강도를 가져온다.

각 분할 절점위치(i)에 있는 단면에 대한 설계전단강도는 S10에서부터 S50까지의 과정에서 생성된 데이터를 이용하여 도6의 S502단계에서 강재단면 웨브의 한계상태로부터 산출한다. 각 분할 절점위치의 H형강단면 강축에 대한 웨브의 설계전단강도는 웨브의 판폭두께비 h/t_w(h는 웨브의 폭, t_w는 웨브의 두께)에 따른 전단좌굴의 한계상태에 따라 공칭전단강도와 저항계수가 다르다. 예를 들어 한국이나 미국 강구조기준의 경우, 설계전단강도는 φVn=φ(0.6F_yA_wC_v)로 나타내며, 여기서 φ는 웨브판 폭두께비에 따른 저항계수(1.0 또는 0.9), V_n은 공칭전단강도, Aw는 웨브의 단면적(h×tw)이고, C_v는 전단상수로 강재보의 항복강도(F_y), 탄성계수(E), 웨브판좌굴계수(k_v) 및 웨브의 판폭두께비(h/t_w)에 따라 산정한다.

각 분할 절점위치(i)에 있는 강재보의 단면에 대한 설계휨강도는 S10에서부터 S50까지의 과정에서 생성된 데이터를 이용하여 도 8의 S503단계에서 강재단면의 한계상태로부터 산출한다. 각 분할 절점위치의 H형강단면의 강축에 대한 공칭휨강도는 플랜지의 판폭두께비 0.5b_f/t_f (b_f는 플랜지 폭, t_f는 플랜지 두께) 및 웨브의 판폭두께비 h/t_w, 부재의 비횡지지길이 L_b, 부재의 횡좌굴모멘트수정계수 C_b(휨모멘트의 구배에 따른 보정계수)에 따라 다르다. 예를 들어, 콤팩트단면인 부재의 경우 소성휨모멘트와 횡좌굴강도의 두 한계상태 중에서 최소값을 공칭휨강도로 하고, 콤팩트 웨브와 비콤팩트 플랜지 또는 세장 플랜지를 갖는 단면의 부재는 횡좌굴강도와 압축플랜지의 국부좌굴강도의 두 한계상태 중에서 최소값을 공칭휨강도로 한다. 설계휨강도는 공칭휨강도 M_n에 설계저항계수 φ(예컨대, 0.9)를 곱한 값으로 결정한다.

각 분할 절점 위치(i)에 있는 합성단면에 대한 설계휨강도는 S10에서부터 S50까지의 과정에서 생성된 데이터를 이용하여 도 8에 있는 S55의 S504단계에서 각 분할 절점위치(i)에 있는 합성단면에 대한 소성중립축(도 12의 (a) 또는 (b) 참조)을 계산하고 S505단계에서 소성응력분포(도 12의 (a) 또는 (b) 참조)로부터 산출한다. 소성응력분포법에 대한 이론은 구조공학에서 일반적으로 사용되는 기본원리이므로 구체적인 설명은 생략하였다.

도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 휨강도를 산정하는 원리를 나타내기 위한 예시도이다. 도 11의 (a)는 등분포하중을 받는 합성보에 대한 각 전단연결재의 수평전단력 방향 및 횡단면 3위치를 나타내고, 도 11의 (b)는 (a)의 각 단면 위치에서의 전단연결부의 공칭 수평전단강도 분포를 예시적으로 나타내고, 도 11의 (c)는 (a)의 각 단면 위치에서의 설계휨강도를 예시적으로 나타낸다.

도 12는 도 11의 (a)에 도시된 3위치의 단면에 대한 소성응력분포와 각 요소의 합력을 나타내는 예시도이고, 도 12의 (a)는 완전 합성보에서 도 11의 (a)에 도시된 3위치의 단면에 대한 소성응력분포와 각 요소의 합력을 나타내는 예시도이고, 도 12의 (b)는 불완전 합성보에서 도 11의 (a)에 도시된 3위치의 단면에 대한 소성응력분포와 각 요소의 합력을 나타내는 예시도이다.

도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법에서 구현하고자 하는 각 분할 절점 위치에 있는 횡단면에 대한 소요성능과 설계성능을 연속적으로 나타내는 그래프이다.

각 분할 절점 위치(i)에 있는 단면에 대한 단면2차모멘트는 S10에서부터 S50까지의 과정에서 생성된 데이터를 이용하여 도 8의 S506단계에서 각 분할 절점위치(i)에 있는 단면에 대한 탄성중립축을 계산하고 S507단계에서 탄성응력분포로부터 산출한다. 탄성응력분포법에 대한 이론은 구조공학에서 일반적으로 사용되는 기본원리이므로 구체적인 설명은 생략하였다.

<처짐계산 단계>

다음으로, 하나의 예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법은 처짐계산 단계(S5, S60)를 더 포함할 수 있다.

도 2b, 2c, 3, 9를 참조하면 처짐계산 단계(S5, S60)에서는, 강재보와 합성보에서 각 분할절점 위치의 각 하중에 대한 처짐값을 산출하고 합성전 고정하중에 의한 최대처짐량과 그 위치를 검출할 수 있다. 도 3에서 S60 단계에서는 강재보와 합성보에서 각 분할요소 절점 위치의 각종 하중종류에 대한 처짐값을 산출한다. 예컨대, 도 3의 S60 단계는 도 9와 같이 구현될 수 있다.

하나의 예에서, 도 9를 참조하면 처짐계산 단계(60)에서, 입력된 조건과 상기 최대처짐량을 이용하여 치올림 적용여부를 판단하고 치올림 적용조건에 따라 치올림값을 산출할 수 있다. 이에 따라, 합성보의 설계에서 치올림을 설계할 수 있다.

도 9의 흐름도에 나타낸 바와 같이 S601은 각 분할 절점위치에 대한 가상단위하중에 의한 휨모멘트를 생성하고, S104에서 생성한 비계수하중(합성전 고정하중 또는 합성후 추가고정하중 또는 합성후 활하중)에 의한 각 분할 절점 위치(i)의 휨모멘트 데이터를 가져오는 단계, S602는 각 공사단계별(합성전 및 합성후) 강재보와 합성보의 단면2차모멘트 및 탄성계수를 가져와 공사단계별(합성전 및 합성후) 휨강성(굽힘에 대한 변형저항능력)을 생성하는 단계, S605는 각 분할 절점 위치의 처짐을 생성하는 단계로 S604의 반복에 의해 3가지 비계수하중(합성전 고정하중 또는 합성후 추가고정하중 또는 합성후 활하중)에 대한 각 분할 절점 위치(i)의 처짐을 산정한다. S606은 치올림 설계를 위해 합성전 고정하중에 의한 최대처짐량과 그 위치를 찾는 단계이고, S607은 설계조건 입력데이터로부터 처짐설계조건을 가져오는 단계이고, S608은 최대처짐량을 처짐설계조건에 따라 치올림의 적용 여부를 판단하는 단계이고, S610은 치올림을 산정하는 단계이다. S611은 앞에서 생성한 각 하중종류별 각 분할절점 위치의 처짐과 치올림 값들을 기록매체에 저장한 단계이다. 휨강성은 굽힘에 대한 변형저항능력으로, 보의 처짐량은 휨강성의 크기에 따라 다르다. 도 13의 (d)는 이와 같은 방법에 의해 생성한 처짐 및 치올림에 대한 그래프를 예시한 것이다.

<성능비교단계>

다음으로 하나의 예에서, 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법은 성능비교단계(S6, S65, S85)를 더 포함할 수 있다. 도 2c, 도 3을 참조하면, 성능비교단계(S6, S65, S85)에서는 각 분할절점 위치의 각종 소요성능과 설계성능을 비교하고 가장 불리한 성능비교값과 그 위치를 검출한다. 예컨대, 성능비교단계(S6, S65)에서의 비교는 처짐과 허용처짐을 비교하는 과정을 포함할 수 있다.

도 2c 및 3에서 성능비교단계(S6, S65)는 각각 S5 및 S60 단계 이후에 수행되는 것으로 도시되고 있으나 실시예에 따라 처짐 계산이 필요없는 경우에는 S5, S60 단계를 건너 성능비교단계(S65)가 수행될 수도 있다.

도 3에서 S65는 강재보와 합성보에서 각 분할요소 절점 위치의 각종 소요성능과 설계성능을 비교하는 단계로 프로그램이 S20부터 S60까지의 과정에서 생성된 각 분할 절점 (i) 위치의 각종 소요성능값과 설계성능값을 읽어서 소요휨강도:설계휨강도, 소요전단강도:설계전단강도 및 처짐:허용처짐을 각각 비교 검토하여 안전하지 않거나 만족하지 않는 구간(또는 위치)과 비교값들을 찾아낸다. 예컨대, 이때, S60을 거치는 경우 S60 단계에 대한 설명은 후술된다. 이 위치와 비교값은 숫자 데이터(x, y)형식으로도 기록매체에 저장한다. 또한, 프로그램이 생성한 데이터로부터 최대소요휨강도 위치와 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 찾아내고 이 위치와 비교값들을 기록매체에 저장한다.

예컨대, 성능비교단계에서 소요성능과 설계성능을 비교하여 가장 불리한 성능비교값과 그 위치를 검출할 수 있다.

도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 일반 조건의 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 나타내는 것을 설명하기 위한 예시도이다. 여기서, 실선 곡선은 소요휨강도, 점선 곡선은 설계휨강도를 나타내며 실선 곡선이 점선 곡선을 초과한 부분은 안전하지 않은 구간을 나타낸다. 또한 수직 실선은 최대소요휨강도 위치, 수직 점선은 최대소요휨강도 위치 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 나타낸다.

도 19는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 보의 단부에 슬래브 개구부가 있는 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 확인할 수 있다는 것을 설명하기 위한 예시도이다.

도 20은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법이 강재보의 단부에 노치가 있는 합성보에 대한 그래프 중에서 안전하지 않은 구간, 최대휨모멘트가 발생되는 위치 및 이외 구간에서 가장 불리한 위치를 확인할 수 있다는 것을 설명하기 위한 예시도이다.

출력단계

다음으로 출력단계(S7, S70, S75, S95)를 살펴본다. 도 2c, 도 3, 도 10을 참조하면, 출력단계(S70)에서는 성능비교단계(S65)에서 비교되고 검출된 결과를 출력한다. 예컨대, 합성보의 전 길이구간의 각 분할 절점 위치에 대한 소요성능과 설계성능을 시각적으로 비교할 수 있는 그래픽으로 제공될 수 있다. 합성보의 전 길이구간을 짧은 길이로 분할한 각 분할 점 위치에 있는 모든 단면에 대한 소요휨모멘트, 소요전단력, 설계휨강도, 설계전단강도, 처짐에 대한 그래프, 설계 및 결과에 대한 보고서들이 출력으로 제공할 수 있다.

도 3에서 S70은 해석, 설계 또는/및 검토 결과에 대한 그래픽을 생성하고 출력하는 단계로 도 10의 흐름도에 나타낸 바와 같이 다음과 내용을 포함한 그래픽을 화면에 출력할 수 있다. 이 그래픽화면에는 유용비(요구성능/설계성능)와 검토결과를 알리는 O.K 또는 N.G!라는 메시지를 포함한다.

예컨대, 각 분할 절점 위치마다 연속적으로 소요휨강도와 설계휨강도에 대한 두 비교 곡선을 그래프로 나타내고, 최대 휨모멘트 위치와 이외구간에서 가장 불리한 위치를 추가로 나타낼 수 있다. 또한, 각 분할 절점 위치마다 연속적으로 소요전단강도와 설계전단강도에 대한 몇 가지 비교 곡선을 그래프로 나타낼 수 있다. 게다가, 각 공사 단계별 하중종류별로 각 분할 절점 위치마다 연속적으로 처짐곡선들을 그래프로 나타내고, 최대 처짐 위치와 처짐 허용 한계선을 추가로 나타낼 수 있다.

도 3에서 S75 단계에서는 해석, 설계 또는/및 검토 결과에 대한 각종 보고서를 생성하고 출력한다. 이때, 입력단계와 처리단계에서 생성된 각종 입력 및 출력 데이터 값을 각종 보고서의 형태로 독립된 파일을 생성할 수 있다. 예컨대, 각종 보고서 형태의 독립된 파일의 예로, 입력 데이터, 합성보 설계 일람표, 공사단계에서 강재보의 강도검토 일람표, 사용단계에서 합성보의 강도검토 일람표, 공사단계 및 사용단계에서 보의 처짐검토 일람표, 공사단계 및 사용단계에서 보의 양지지부 반력 일람표, 각 부재에 대한 요약 구조계산서와 설계결과, 각 부재의 전 길이구간의 분할 절점 위치에 대한 각종 해석결과 값 데이터 등이다.

하나의 실시예에 따라, 여러 부재의 합성보를 동시에 해석, 설계 및 검토할 수 있다.

다음으로, 전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따라, 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체를 살펴본다.

전술한 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법의 어느 하나의 실시예에 따른 방법은 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체에 프로그램 코드로 기록될 수 있고, 이때, 저장매체를 컴퓨터 상에서 읽어들임으로써 합성보의 구조 설계 또는 검토 수행 방법을 수행할 수 있다.

이상에서, 전술한 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니라 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 또한, 전술한 구성들의 다양한 조합에 따른 실시예들이 앞선 구체적인 설명들로부터 당업자에게 자명하게 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들을 포함하고 있다.

Claims (13)

1. 컴퓨터를 이용하여, 강재보와 슬래브가 일체화되게 전단연결재로 연결되는 노출형 합성보의 구조 설계를 수행하는 방법에 있어서,
   입력된 조건에 따라, 상기 합성보의 전 길이(L) 구간을 분할요소 개수(N)로 나누어 길이요소(L/N)로 분할하고 분할절점을 생성하는 길이분할 단계;
   입력된 하중 조건을 이용하여 상기 합성보의 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하여 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출하는 소요 성능 및 강도 산출단계; 및
   상기 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 상기 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하고, 상기 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출하는 설계성능 산출단계;를 포함하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   
2. 청구항 1에서,
   상기 합성보의 구조 설계 수행 방법은, 상기 길이분할 단계 이전에, 보의 분할요소 개수(N) 및 하중계수를 포함하는 공통 설계 또는 검토 조건과, 합성보 각 부재에 대한 설계조건 또는 구조조건을 입력받는 조건입력 단계를 더 포함하고,
   상기 소요 성능 및 강도 산출단계는, 각 부재의 각 분할절점 위치에 대한 전단력 및 휨모멘트를 포함하는 소요성능을 계산하고 최대휨모멘트 값과 그 위치를 검출하는 절점위치 소요성능계산 단계 및 상기 강재보의 합성 후 요구되는 최대휨모멘트의 위치단면에 대한 상기 전단연결부의 소요수평전단강도를 산출하는 소요수평전단강도 산출단계를 포함하고,
   상기 설계성능 산출단계는, 상기 합성보에서 각 분할절점 위치 단면의 상기 전단연결부에 대한 수평전단강도를 산출하는 수평전단강도 산출단계 및 상기 각 분할절점 위치의 단면규격 및 상기 전단연결부에 대한 수평전단강도를 이용하여 상기 각 분할절점 위치 단면의 전단강도, 휨강도 및 단면2차모멘트를 포함하는 설계성능을 산출하는 분할절점 설계성능 산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   
3. 청구항 2에서,
   상기 조건입력 단계에서 입력받는 각 부재에 대한 상기 설계조건에는 상기 강재보에 대한 자동선택여부 및 전단연결부에 대한 자동설계여부가 포함되고,
   상기 소요수평전단강도 산출단계에서, 상기 조건입력 단계에서 상기 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우 계산된 상기 소요성능으로부터 상기 강재보의 단면규격을 자동선택하여 상기 소요수평전단강도를 산출하거나 비자동선택 하에서 입력받은 상기 단면규격 및 계산된 상기 소요성능에 따라 상기 소요수평전단강도를 산출하고,
   상기 수평전단강도 산출단계에서, 상기 조건입력 단계에서 상기 전단연결부에 대한 자동설계가 선택된 경우 입력된 설계조건으로부터 전단연결부 구간의 상기 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하여 상기 수평전단강도를 산출하거나 비자동설계 하에서 입력받은 조건으로부터 상기 수평전단강도를 산출하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   
4. 청구항 3에서,
   상기 수평전단강도 산출단계에서 상기 강재보에 대한 자동선택이 선택된 경우, 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 분할절점 위치 단면에서의 수직전단력을 이용한 각 전단연결부 구간의 분담비율을 이용하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 상기 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하고 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출하고 상기 합성보의 전 구간의 분할절점 위치의 단면에 대한 수평전단강도를 산출하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   
5. 청구항 4에서,
   상기 수평전단강도 산출단계에서 상기 전단연결재의 소요개수를 산출하는 과정은,
   하기의 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]을 이용하여, 각 전단연결부 구간의 수직전단력 면적, 상기 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽 각각의 전체 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력 면적 및 상기 각 전단연결부 구간에서 상기 전단연결재를 분담해야 할 분포비율을 산출하고,
   하기의 [수학식 4]를 이용하여 상기 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 각 전단연결부 구간에서 요구되는 상기 전단연결재의 소요개수를 산출하여 배치하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   [수학식 2]
   왼쪽구간 :

   

   
   오른쪽구간 :

   

   
   [수학식 3]
   왼쪽구간 :

   

   , 1≤k≤m
   오른쪽구간 :

   

   , m+1≤k≤n
   [수학식 4]
   왼쪽구간 :

   

   
   오른쪽구간 :

   

   
   상기 수학식 1 내지 4에서,
   n는 전단연결부 구간의 수,
   k는 각 전단연결부 구간의 순차적 번호,
   V_(k)는 각 전단연결부 구간의 수직전단력면적,
   V_u(i)는 각 분할요소 절점 위치에 있는 단면에 대한 수직전단력,
   dl는 보의 길이방향 분할 요소의 길이 dl=L/N,
   L_x(i)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 구간의 시작 위치까지의 거리,
   L_x(j)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 구간의 끝 위치까지의 거리,
   DV_(k,L)과 DV_(k,R)은 각 전단연결부 구간에서 분담해야 할 분포비율,
   ΣV_L과 ΣV_R은 최대휨모멘트 발생위치를 기준하여 왼쪽 및 오른쪽의 각 전체 전단연결부 구간에서 분담하기 위한 수직전단력면적,
   N_s(k)는 각 전단연결부 구간에서 요구되는 전단연결재의 개수,
   N_s(total)은 최대휨모멘트 위치 단면에서 모멘트가 0인 위치까지 요구되는 전단연결재의 개수이다.
   
6. 청구항 4에서,
   상기 수평전단강도 산출단계에서 상기 수평전단강도를 산출하는 과정은,
   하기의 [수학식 5]를 이용하여 각 전단연결부 구간의 단위길이당 수평전단강도를 산출하고,
   하기의 [수학식 8]을 이용하여 상기 합성보의 전 길이 구간의 분할절점 위치(i)의 단면에 대한 수평전단강도를 산출하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   [수학식 5]
   

   

   
   [수학식 8]
   

   

   
   상기 수학식 5 및 8에서,
   N_s(k)는 각 전단연결부 k구간에 속한 전단연결재의 개수,
   Q_n(k)는 각 전단연결부 k구간에 속한 각 전단연결재 1개의 공칭수평전단강도,
   L_(k)는 각 전단연결부 k구간의 길이로 L_(k)=L_(k,j)-L_(k,i)에 의해 산출한다,
   v_h(i)는 임의 위치 L_x(i)에 해당하는 전단연결부의 구간별 단위길이당 수평전단강도,
   V_h(i)는 수평힘의 평형을 고려한 합성보의 분할 절점 위치 (i)의 단면에 대한 수평전단강도,
   L_x(i)는 왼쪽 지지점으로부터 해당 분할 절점위치까지의 거리,
   η는 최대휨모멘트 발생위치 단면에서 양측 방향 전단연결부에 대한 수평힘의 평형을 고려하기 위한 조정계수이다.
   
7. 청구항 6에서,
   상기 수평전단강도를 산출하는 과정에서,
   하기의 [수학식 6a] 및 [수학식 6b]를 이용하여 최대휨모멘트 위치의 단면에 대한 왼쪽 및 오른쪽 전단연결부의 수평저항전단강도를 산출하고,
   하기의 [수학식 7]을 이용하여 보 길이 전체에 속한 전단연결재에 대한 총 수평전단강도를 산출하고,
   상기 η는 하기의 수학식 9a 내지 9d를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   [수학식 6a]
   

   

   
   [수학식 6b]
   

   

   
   [수학식 7]
   

   

   
   [수학식 9a]
   V_h(m)L≤V_h(m)R이고 L_x(i)≤L_x(m)인 경우, η=1.0
   [수학식 9b]
   V_h(m)L≤V_h(m)R이고 L_x(m)<L_x(i)<L인 경우,

   

   
   [수학식 9c]
   V_h(m)L>V_h(m)R이고 L_x(i)≤L_x(m)인 경우,

   

   
   [수학식 9d]
   V_h(m)L>V_h(m)R이고 L_x(m)<L_x(i)<L인 경우, η=-1.0
   이때, L_(k,i)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 k구간의 시작점 위치까지 길이,
   L_(k,j)는 왼쪽지지점으로부터 각 전단연결부 k구간의 끝점 위치까지 길이,
   V_h(m)L은 최대 휨모멘트 위치의 단면에 대한 왼쪽 전체 전단연결부의 수평저항전단강도,
   V_h(m)R은 최대 휨모멘트 위치의 단면에 대한 오른쪽 전체 전단연결부의 수평저항전단강도,
   V_h(total)은 보의 전 길이에 속한 전단연결재에 대한 총 수평전단강도,
   L_x(m)은 왼쪽 지지점으로부터 최대휨모멘트 발생위치까지의 거리이다.
   
8. 청구항 2에서,
   상기 조건입력 단계에서 입력되는 조건에 상기 보의 단부근처에 슬래브 개구부가 있는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   
9. 청구항 2에서,
   상기 조건입력 단계에서 입력되는 조건에 상기 강재보의 단부에 노치가 있는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
   
10. 청구항 1 내지 9 중 어느 하나에서,
    상기 강재보와 상기 합성보에서 각 분할절점 위치의 각 하중에 대한 처짐값을 산출하고 합성전 고정하중에 의한 최대처짐량과 그 위치를 검출하는 처짐 계산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
    
11. 청구항 10에서,
    상기 처짐 계산 단계에서, 입력된 조건과 상기 최대처짐량을 이용하여 치올림 적용여부를 판단하고 치올림 적용조건에 따라 치올림값을 산출하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
    
12. 청구항 10에서,
    상기 합성보의 구조 설계 수행 방법은:
    상기 각 분할절점 위치의 각종 상기 소요성능과 상기 설계성능을 비교하고 가장 불리한 성능비교값과 그 위치를 검출하는 성능비교단계; 및
    상기 성능비교단계에서 비교되고 검출된 결과를 출력하는 출력단계;를 더 포함하고,
    상기 성능비교단계에서의 비교는 처짐과 허용처짐을 비교하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성보의 구조 설계 수행 방법.
    
13. 청구항 1 내지 9 중 어느 하나에 따른 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램 코드가 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체.

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