KR102169828B1 - 변위관리형 기둥 접합부 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상하로 이웃하는 상하부철골기둥의 단부에 각각 결합되는 상하부접합플레이트를 상호 볼트에 의하여 맞닿도록 접합함으로써, 수평 방향 오차 흡수가 가능하고 단순한 결합 상세로 시공이 용이한 변위관리형 기둥 접합부에 대한 것이다.
본 발명 변위관리형 기둥 접합부는 하부에 위치하는 개단면인 하부철골기둥, 상기 하부철골기둥의 상부에 결합되는 것으로 하부철골기둥 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 하부접합플레이트, 상부에 위치하는 개단면인 상부철골기둥 및 상기 상부철골기둥의 하부에 결합되는 것으로 상부철골기둥 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 상부접합플레이트로 구성되어, 상기 상부접합플레이트와 하부접합플레이트가 직접 맞닿아 하부철골기둥과 상부철골기둥 내외부에서 복수의 볼트에 의해 접합되되, 상기 하부접합플레이트에는 상기 볼트가 관통 체결되는 복수의 체결홀이 형성되고, 상기 상부접합플레이트에는 상기 체결홀과 대응되는 위치에 체결홀보다 지름이 큰 확대홀이 형성되며, 상기 확대홀의 상부에는 상하부접합플레이트의 형상과 대응되는 형상으로 형성되어 볼트가 관통되어 지지되는 것으로 확대홀의 지름보다 폭이 큰 확대보강판이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

변위관리형 기둥 접합부{Joint of columns}

본 발명은 상하로 이웃하는 상하부철골기둥의 단부에 각각 결합되는 상하부접합플레이트를 상호 볼트에 의하여 맞닿도록 접합함으로써, 수평 방향 오차 흡수가 가능하고 단순한 결합 상세로 시공이 용이한 변위관리형 기둥 접합부에 대한 것이다.

종래 이웃하는 철골기둥(1, 2)은 플랜지와 웨브에 각각 스플라이스 플레이트(splice plate, SP)를 대고 고장력볼트로 체결하여 마찰 접합 방식으로 이음 함이 일반적이다(도 1).

그러나 이렇게 마찰 접합되는 기둥은 우수한 접합부 성능을 확보할 수 있음에도 불구하고 수평 방향의 시공오차 흡수가 어렵다는 문제가 있다.

특히, 이미 시공 완료된 하부 건물을 수직 증축하는 경우, 또는 하부 구조물은 SRC 기둥이고 상부 구조물은 철골기둥인 경우 등과 같이 상하부 기둥의 구조 양식이 상이한 경우에는 상하부 기둥의 이음부에서 수평 방향으로 오차가 발생할 수 있다.

그런데 이러한 수평 방향 오차가 발생하면, 스플라이스 플레이트에 의한 상하부 기둥의 마찰 접합이 어려워 접합부 상세가 복잡해지고, 접합부의 구조 성능 확보가 곤란한 단점이 있다.

KR 10-2004-0096829 A

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 이웃하는 철골기둥 이음시 기둥 단부에 결합되는 접합플레이트가 상호 접합되도록 함으로써 수평 방향 오차 흡수가 가능한 변위관리형 기둥 접합부를 제공하고자 한다.

본 발명은 이웃하는 철골기둥의 접합부 상세가 간단하고, 접합부의 구조적 성능을 충분히 확보할 수 있는 변위관리형 기둥 접합부를 제공하고자 한다.

바람직한 실시예에 따른 본 발명은 하부에 위치하는 개단면인 하부철골기둥, 상기 하부철골기둥의 상부에 결합되는 것으로 하부철골기둥 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 하부접합플레이트, 상부에 위치하는 개단면인 상부철골기둥 및 상기 상부철골기둥의 하부에 결합되는 것으로 상부철골기둥 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 상부접합플레이트로 구성되어, 상기 상부접합플레이트와 하부접합플레이트가 직접 맞닿아 하부철골기둥과 상부철골기둥 내외부에서 복수의 볼트에 의해 접합되되, 상기 하부접합플레이트에는 상기 볼트가 관통 체결되는 복수의 체결홀이 형성되고, 상기 상부접합플레이트에는 상기 체결홀과 대응되는 위치에 체결홀보다 지름이 큰 확대홀이 형성되며, 상기 확대홀의 상부에는 상하부접합플레이트의 형상과 대응되는 형상으로 형성되어 볼트가 관통되어 지지되는 것으로 확대홀의 지름보다 폭이 큰 확대보강판이 구비되는 것을 특징으로 하는 변위관리형 기둥 접합부를 제공한다.

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상기와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 상하로 이웃하는 상하부철골기둥의 단부에 각각 결합되는 상하부접합플레이트를 상호 접합함으로써, 기둥 접합부의 구성이 간단하고 시공이 용이하며 수평 방향 오차 흡수가 가능한 변위관리형 기둥 접합부를 제공할 수 있다.

둘째, 하부접합플레이트에 볼트 체결을 위하여 형성된 체결홀보다 지름이 큰 확대홀을 상부접합플레이트에 형성하는 경우, 상하부철골기둥 간의 중심이 일치하지 않아 수평 방향으로 발생하는 오차를 확대홀과 볼트의 지름 차이만큼 흡수할 수 있다.

셋째, 본 발명이 적용된 변위관리형 기둥 접합부에 유한요소해석을 실시한 결과, 접합부가 우수한 구조적 성능을 확보하고 있음을 알 수 있다.

도 1은 종래 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 측면도.
도 2는 본 발명 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 사시도.
도 3은 상하부철골기둥의 접합부에서 수평 방향 오차가 흡수되는 모습을 도시하는 측단면도.
도 4는 확대보강판이 구비된 본 발명 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 평면도.
도 5는 확대보강판이 구비된 본 발명 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명 변위관리형 기둥 접합부의 결합 관계를 도시하는 도면.
도 7은 FE 해석을 위한 기둥 모델을 도시하는 도면.
도 8은 FE 해석을 위한 구성 요소들의 메쉬 분할 상태를 도시하는 도면.
도 9는 FE 해석에 의한 기둥의 하중-변위비 관계를 보여주는 그래프.
도 10은 접합플레이트의 변형을 나타내는 그래프.
도 11은 접합플레이트의 Von Mises 응력 분포를 나타내는 도면.
도 12는 기둥의 응력 및 변형 분포를 나타내는 도면.
도 13은 확대보강판의 Von Mises 응력 분포를 나타내는 도면.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 사시도이다.

도 2 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 변위관리형 기둥 접합부는 하부에 위치하는 개단면인 하부철골기둥(1), 상기 하부철골기둥(1)의 상부에 결합되는 것으로 하부철골기둥(1) 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 하부접합플레이트(2), 상부에 위치하는 개단면인 상부철골기둥(3) 및 상기 상부철골기둥(3)의 하부에 결합되는 것으로 상부철골기둥(3) 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 상부접합플레이트(4)로 구성되어, 상기 상부접합플레이트(4)와 하부접합플레이트(2)가 직접 맞닿아 하부철골기둥(1)과 상부철골기둥(3) 내외부에서 복수의 볼트(5)에 의해 접합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상하로 이웃하는 상하부철골기둥(1, 3)의 단부에 각각 결합되는 상하부접합플레이트(2, 4)를 상호 볼트(5)에 의하여 맞닿도록 접합함으로써, 수평 방향 오차 흡수가 가능한 변위관리형 기둥 접합부를 제공하기 위한 것이다.

이를 위하여 상기 하부철골기둥(1)의 상단과 상부철골기둥(3)의 하단에는 각각 하부접합플레이트(2)와 상부접합플레이트(4)가 용접으로 결합된다.

상기 상하부접합플레이트(2, 4)를 서로 맞댄 상태에서 복수의 볼트(5)를 체결하여 접합함으로써, 상하부철골기둥(1, 3)을 이음한다.

상기 볼트(5)는 고장력강을 이용해 큰 인장력에 저항할 수 있는 고장력볼트를 사용하는 것이 바람직하다.

이에 따라 기둥에 압축력이 작용할 경우, 상하부접합플레이트(2, 4) 사이의 지압(bearing force)에 의해 기둥 압축력을 전달한다.

그리고 모멘트에 의해 접합 면 일부에 인장력이 작용하는 경우, 철골기둥 플랜지의 인장력은 상하부접합플레이트(2, 4)를 통해 볼트(5)의 인장으로 전달된다.

그리고 전단력에 대해서는 볼트(5)의 조임력에 의한 상하부접합플레이트(2, 4) 지압면의 마찰 저항에 의해 저항 성능을 확보한다.

상기 상하부접합플레이트(2, 4)는 항복선 이론에 의한 접합플레이트(2, 4)의 소성모멘트 저항이 기둥 단면의 소성모멘트 강도보다 크도록 두께를 설정할 수 있다.

그리고 상기 볼트(5)의 인장력과 접합플레이트(2, 4)의 지압에 의한 모멘트 저항이 기둥 단면의 소성모멘트 강도보다 크게 설계하도록 한다.

도 3은 상하부철골기둥의 접합부에서 수평 방향 오차가 흡수되는 모습을 도시하는 측단면도이다.

도 3의 (a) 내지 (b) 등에 도시된 바와 같이, 상기 하부접합플레이트(2)에는 상기 볼트(5)가 관통 체결되는 복수의 체결홀(21)이 형성되고, 상기 상부접합플레이트(4)에는 상기 체결홀(21)과 대응되는 위치에 체결홀(21)보다 지름이 큰 확대홀(41)이 형성되도록 구성할 수 있다.

상기 하부철골기둥(1)과 상부철골기둥(3)의 중심이 일치하지 않아 수평 방향으로 오차가 발생하는 경우, 수평 방향 시공 오차를 흡수하기 위해 상부접합플레이트(4)에는 체결홀(21)보다 지름이 큰 확대홀(41)을 형성할 수 있다.

이에 따라 도 3의 (a) 내지 (b)와 같이, 상기 확대홀(41)과 볼트(5)의 지름 차이만큼 수평 방향 오차를 흡수할 수 있다.

상기 하부접합플레이트(2)에 형성되는 체결홀(21)은 볼트(5) 체결을 위한 표준 구멍을 사용하여 전단에 의한 슬립(slip) 발생을 방지하도록 구성함이 바람직하다.

즉, 상기 볼트(5)로 고력볼트를 사용하는 경우, 볼트 직경(d)이 27㎜ 미만이면 체결홀(21)의 지름(D)을 d+2.0(㎜)으로 하고, 볼트 직경(d)이 27㎜ 이상이면 체결홀(21)의 지름(D)을 d+3.0(㎜)으로 형성할 수 있다.

상기 확대홀(41)의 상부에는 볼트(5)가 관통되어 지지되는 것으로 확대홀(41)의 지름보다 폭이 큰 확대보강판(6)이 구비될 수 있다.

상기 상부접합플레이트(4)는 체결홀(21)보다 지름이 큰 확대홀(41)이 형성되므로, 전단력 작용시 지압면에서 슬립 변형이 발생할 수 있다.

따라서 확대홀(41)의 상부에 확대보강판(6)을 설치함으로써 지압 면적을 증가시켜 충분한 마찰 저항을 확보하도록 구성하면, 시공 중 또는 완공 이후 전단에 의한 슬립 변형을 방지 가능하다.

아울러 상기 확대보강판(6)의 추가로 인하여 확대홀(41)을 볼트(5)의 헤드나 너트(51)의 직경 이상으로 충분히 크게 형성할 수 있게 된다. 이에 따라 수평 방향의 오차 흡수 폭이 더욱 증가된다.

상기 확대보강판(6)에는 볼트(5)가 관통되는 체결홀(61)이 형성되는데, 상기 체결홀(61) 역시 하부접합플레이트(2)에 형성되는 체결홀(21)과 같이 표준 구멍으로 형성할 수 있다.

상기 확대보강판(6)은 항복선 이론에 의한 확대보강판(6)의 소성모멘트 저항이 기둥 단면의 소성모멘트 강도보다 크도록 두껍게 구성할 수 있다.

이를 위해 상기 확대보강판(6)은 접합플레이트(2, 4)의 두께 이상으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 확대보강판(6)과 볼트(5)의 헤드 또는 너트(51) 사이에는 볼트(5)의 압력을 분산시키고 볼트(5)의 풀림을 방지하기 위해 와셔(52)를 설치할 수 있다.

도 4는 확대보강판이 구비된 본 발명 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 평면도이고, 도 5는 확대보강판이 구비된 본 발명 변위관리형 기둥 접합부를 도시하는 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 본 발명 변위관리형 기둥 접합부의 결합 관계를 도시하는 도면이다.

도 4 내지 도 6 등에 도시된 바와 같이, 상기 확대보강판(6)은 상하부접합플레이트(2, 4)의 형상과 대응되는 형상으로 형성할 수 있다.

상기 확대보강판(6)은 각 볼트(5)마다 분할되도록 개별적으로 설치할 수 있다.

다만, 상기 확대보강판(6)의 지압 면적을 극대화하고, 볼트(5)의 체결 위치를 용이하게 설정할 수 있도록 확대보강판(6)은 가급적 상하부접합플레이트(2, 4)와 대응되는 유사한 형상으로 복수의 볼트(5)가 동시에 체결될 수 있는 하나의 큰 판 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 확대보강판(6)은 접합플레이트(2, 4)의 전면적에 지압력을 가하게 되므로, 전단에 대해 상부접합플레이트(4)의 접합 면에서 슬립 변형이 발생하는 것을 방지한다.

또한, 본 발명은 상하부철골기둥(1, 3)의 접합부 모멘트로 인한 인장력을 볼트 인장에 의해 전달한다. 그러므로 상하부철골기둥(1, 3)의 인장 플랜지와 볼트(5)의 인장력 중심이 일치하지 않아 편심 효과가 발생하게 되고, 이에 따라 접합플레이트(2, 4)에 휨 변형이 발생할 수 있다.

그러나 상기 확대보강판(6)을 접합플레이트(2, 4)와 대응되는 형상으로 넓게 형성하여 접합플레이트(2, 4) 전체를 덮을 수 있도록 구성하면, 접합플레이트(2, 4)의 휨 변형을 방지할 수 있다.

다만, 각 철골기둥(1, 3)의 웨브와 플랜지 간섭 부분에서는 시공 편의상 확대보강판(6)을 적절히 분할되도록 설치함이 바람직하다.

도 7은 FE 해석을 위한 기둥 모델을 도시하는 도면이고, 도 8은 FE 해석을 위한 구성 요소들의 메쉬 분할 상태를 도시하는 도면이다.

본 발명 변위관리형 기둥 접합부 적용에 따른 구조적 안정성을 검증하기 위하여 유한요소해석(Finite Element 해석, 이하 FE 해석)을 실시하였다.

이때, 보수적인 안전성 검토를 위해 탄성-완전 소성(elastic-perfectly plastic) 거동으로 모델링하였으며, 기둥 하부 4.0m 구간에 대해 FE 해석을 실시하였다.

각 강재 및 볼트(5)는 설계기준강도를 적용하였으며, 철골기둥(1, 3) 및 접합플레이트(2, 4)는 SM490 강재를 적용하고, 볼트(5)는 F10T M36 볼트를 적용하였다.

F_u=1000MPa로 가정하고, 공칭인장강도 F_nt는 0.75F_u로 사용하였다.

아울러 도 8에 도시된 바와 같이, 모든 강재 및 볼트 요소는 3차원 응력-변형률 관계를 따르는 입체 요소(solid element)로 모델링하였고, ABAQUS에서 제공하는 것으로 8개 노드별로 3개의 자유도를 갖는 육면체 요소인 C3D8R 요소를 사용하였다.

또한, 철골기둥(1, 3)과 접합플레이트(2, 4) 및 확대보강판(6)은 메쉬의 크기를 20㎜로 설정하고, 볼트(5)는 메쉬의 크기를 6㎜로 설정하였다.

도 9는 FE 해석에 의한 기둥의 하중-변위비 관계를 보여주는 그래프이다.

도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 소요강도에서는 강성 및 강도 저하가 전혀 없는 완전한 선형탄성거동을 보여주고 있음을 알 수 있다.

이는 기둥 이음부가 극한한계상태의 소요강도에 대하여 매우 안전하게 설계되었음을 의미한다.

아울러 기둥 하부의 위험 단면에서 휨 항복 이후 충분한 소성회전각이 발생하는 경우에도 기둥이음부의 구조적 안전성이 충분히 확보됨을 알 수 있다.

도 10은 접합플레이트의 변형을 나타내는 그래프이고, 도 11은 접합플레이트의 Von Mises 응력 분포를 나타내는 도면이다.

도 10 및 도 11을 통하여 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명 적용시 접합플레이트(2, 4)의 변형이 1㎜ 미만으로 나타나 지레 작용에 의한 접합플레이트의 변형이 매우 미미한 것을 알 수 있다.

이는 접합플레이트(2, 4)가 탄성 응력 상태에 있으며, 휨 항복이 전혀 발생하지 않았음을 의미한다.

도 12는 기둥의 응력 및 변형 분포를 나타내는 도면이다.

도 12를 통하여 접합플레이트(2, 4)의 접합 면에서는 전단에 의한 어떠한 슬립 변형도 발생하지 않았음을 확인할 수 있다.

이에 따라 철골기둥의 압축력만으로도 극한한계상태에서 기둥 이음부의 접합 면에서 발생하는 슬립 변형을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

도 13은 확대보강판의 Von Mises 응력 분포를 나타내는 도면이다.

도 13에 나타난 바와 같이, 지압 작용이 집중된 볼트 머리 주변에 응력이 집중되기는 하였지만 확대보강판은 최대 응력이 200MPa 미만으로 탄성 상태에 머물렀음을 확인할 수 있다.

상기 도 9 내지 도 13에 도시된 도면을 참고하여 설명한 바와 같이, 이웃하는 변위관리형 기둥 접합부에 본 발명 적용시 우수한 구조적 성능을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.

1: 하부철골기둥
2: 하부접합플레이트
21: 체결홀
3: 상부철골기둥
4: 상부접합플레이트
41: 확대홀
5: 볼트
51: 너트
52: 와셔
6: 확대보강판
61: 체결홀

Claims (4)

1. 하부에 위치하는 개단면인 하부철골기둥(1), 상기 하부철골기둥(1)의 상부에 결합되는 것으로 하부철골기둥(1) 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 하부접합플레이트(2), 상부에 위치하는 개단면인 상부철골기둥(3) 및 상기 상부철골기둥(3)의 하부에 결합되는 것으로 상부철골기둥(3) 외곽보다 외부로 돌출되도록 구비되는 상부접합플레이트(4)로 구성되어,
   상기 상부접합플레이트(4)와 하부접합플레이트(2)가 직접 맞닿아 하부철골기둥(1)과 상부철골기둥(3) 내외부에서 복수의 볼트(5)에 의해 접합되되,
   상기 하부접합플레이트(2)에는 상기 볼트(5)가 관통 체결되는 복수의 체결홀(21)이 형성되고, 상기 상부접합플레이트(4)에는 상기 체결홀(21)과 대응되는 위치에 체결홀(21)보다 지름이 큰 확대홀(41)이 형성되며,
   상기 확대홀(41)의 상부에는 상하부접합플레이트(2, 4)의 형상과 대응되는 형상으로 형성되어 볼트(5)가 관통되어 지지되는 것으로 확대홀(41)의 지름보다 폭이 큰 확대보강판(6)이 구비되는 것을 특징으로 하는 변위관리형 기둥 접합부.
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