KR19990044323A - 강철 프레임 응력 감소 연결부 - Google Patents

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클레이톤 제이 알렌
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Abstract

본 발명은, 플랜지 용접부 중앙에서 응력 집중 계수를 감소시킬 목적으로 추가적 볼트 열을 갖는 선택적 연장 전단 연결부(48)뿐만 아니라, 컬럼 플랜지들 사이의 컬럼 구역에서 연속판(106)을 갖는 또는 갖지 않는 컬럼(130) 및/또는 빔 웨브(136)에서 슬롯을 사용함으로써, 컬럼/빔 용접부에서 종래 방식 설계로 이루어진 연결부에서 발견되는 높은 불균일한 응력 분포를 현저하게 감소시키기 위하여, 압연된 구조 형강으로 이루어진 구조 강철 건축물에서, 특히 볼트 또는 리벳 용접 웨브 연결부와 용접 플랜지에 의해 이루어진 빔 대 컬럼(306) 연결부에서 연결 강도 성능을 향상시킨다.

Description

강철 프레임 응력 감소 연결부
빌딩 및 교량과 같은 현대 구조물의 구조에서는, 모멘트 프레임 강철 거더(girder)와 컬럼이 공지된 공학 원리 및 경험을 이용하여 함께 배열되고 체결되어 구조의 골격을 이루게 된다. 일반적으로 빔 및/또는 컬럼으로 불리는 거더 설비는 컬럼과 거더의 프레임이 교량, 건축물 또는 다른 구조물의 의도된 사용에서 예상되는 응력, 스트레인 및 하중 지지를 보장할 수 있기에 충분하도록 설계된다. 지진이 발생하는 구역에서는, 지진 발생에 따른 하중을 고려하고 상기 하중에 의해 발생되는 구조체 내의 응력과 스트레인을 결정하는데, 상기 요소의 합성시 복잡하게 주합되는 현재 설계 방법론의 적용은, 하중에 대한 적절한 공학적 판단에서 나타나게 된다. 지진이 발생되어 진행되는 동안에, 건축물이 받게 되는 동적인 수평 및 수직 관성 하중 및 응력은 지진 손상 내성 프레임을 구성하는 빔 대 컬럼의 연결부(the connections of the beams to columns)에서 최대 충격을 받는 것으로 알려져 있다. 대형 지진에서 또는 약 지진을 반복적으로 받는 고 하중 및 응력 상태 하에서는, 빔과 컬럼간의 연결부가 파손되어 구조체의 붕괴 및 파괴가 초래될 수가 있다.
본 발명에서 사용되는 거더 또는 빔, 및 컬럼은 종래의 I-빔, W형 섹션 또는 광폭 플랜지 섹션이다. 이들은 일반적으로 단일편의 균일한 강철 압연 섹션이다. 각각의 거더 및/또는 컬럼에는, 평행하게 배치된 두 개의 신장된 사각 플랜지와 그 단면 길이를 따라 형성된 플랜지의 두 개 대면과의 사이 중앙에 배치된 웨브가 있게 된다. 컬럼은 일반적으로 구조 프레임에 종방향으로 또는 수직적으로 정렬된다. 거더는 일반적으로 구조체의 프레임에 측방향으로 또는 수평적으로 정렬 설치될 때 빔으로 불린다. 거더 및/또는 컬럼은 하중이 플랜지의 외면에 웨브 쪽으로 적용될 때가 최강으로 된다. 거더가 빔으로 사용되면, 웨브는 상부 및 하부 플랜지 사이에서 수직적으로 연장되어 상부 플랜지면과 대면하고 그 위에 플로어(floor) 또는 지붕(roof)을 직접 지지한다. 빔 단부에 플랜지는 컬럼의 외면에 용접 및/또는 볼트로 결합된다. 강철 프레임은 플로어 대 플로어로 직립 설치되어 진다. 각각의 거더와 컬럼을 구비하는 구조 강철의 각각의 조각은 예정된 크기, 형태 및 특정 강도에 맞추어 공장에서 양호하게 예비 제조되는 것이다. 이때, 일반적으로 각각의 강철 거더와 컬럼은 건축물 프레임에 구조물로서 건설되도록 표시되어 진다. 플로어용 강철 거더와 컬럼이 제위치에 놓이면, 배열 설치를 위해 버팀대로 받쳐져 점검을 받고, 다음에 종래 방식의 리벳, 용접 또는 볼트 결합 기술을 사용하여 연결부에 고정된다.
상기 연결은 정상적인 점유 하중과 응력 하에서는 적합하게 사용되지만, 상기 연결부가 지진이 발생되고 있는 동안에 받게 되는 상당히 큰 하중과 응력에는 견딜 수 없는 것이다. 상기 연결이 지진을 견디어 냈다 하더라도, 즉 파괴되지는 않았다 하더라도, 강철 프레임에 물리적 연결성 질의 변화는 상당히 심할 것이므로, 건축물이 지속적 점유에 적합하게 설치되기 전에 구조체를 수리할 필요성이 있게 될 것이다.
본 발명은 넓게는 하중 지지 및 모멘트 프레임 연결부(load bearing and moment frame connection)에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 반드시 배타적으로 사용되는 것은 아니지만 건축물용 강철 프레임에서 특별한 용도를 갖는, 빔(beam) 및/또는 컬럼(column)들 사이에 형성된 연결부에 관한 것이다.
본 발명의 목적 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면을 볼 때 당해 기술 분야의 통상의 숙련자에게는 더욱 명백하게 될 것이다.
도1은 본 발명의 제1 양호한 실시예의 사시도이다.
도2는 도1의 동적 하중을 지지하는 연결부의 분해도이다.
도3은 도1의 동적 하중을 지지하는 연결부의 평면도이다.
도4는 도1의 본 발명의 동적 하중을 지지하는 연결부의 측면도.
도5는 종래 연결부에서 동적 하중에 의해 발생되는 응력 및 스트레인 비율의 그래프이다.
도6은 도1의 연결부에서 동적 하중에 의해 발생되는 응력 및 스트레인 비율의 그래프이다.
도7은 도5에 도시된 그래프를 3차원으로 나타낸 도면이다.
도8은 도6에 도시된 그래프를 3차원으로 나타낸 도면이다.
도9는 컬럼 및 빔 연결부, 종래의 연속판, 그리고 본 발명의 수직 컬럼 슬롯과 상부 및 하부 빔 슬롯을 구비하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도10은 도9의 실시예의 평면도이다.
도11은 도9의 실시예의 상부 수평 빔 슬롯의 상세 사시도이다.
도12는 도9의 실시예의 컬럼 슬롯의 상세도이다.
도13은 단일 컬럼에 대한 두 개 빔의 연결부, 두 개 빔의 각각에 인접한 상부 및 하부 수직 컬럼 슬롯, 그리고 두 개 빔 각각을 위한 상부 및 하부 수평 연장 빔 슬롯을 구비하는 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도14는 상부 및 하부 이중 빔 슬롯과 상부 및 하부 수직 컬럼 슬롯을 갖는 컬럼 대 빔 연결부를 구비하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도15는 확대된 전단판과 컬럼 및 빔 슬롯을 갖는 빔 대 컬럼 연결부를 구비하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도16은 지진 중에 발생되는 일반적인 하중을 받는 상태에서 종래의 빔 대 컬럼 연결부의 컬럼 및 빔 플랜지 모서리의 변위를 유한 요소 해석에 기초하여 그래픽으로 나타낸 도면이다.
도17은 도16의 연결부의 측면 사시도이다.
도18은 지진 중에 발생되는 일반적인 하중을 받는 상태에서 본 발명의 수평 빔 슬롯과 종래의 연속판을 사용하는 연결부에 있어서 빔 대 컬럼 연결부에서의 플랜지 모서리 변위를 그래픽으로 나타낸 도면이다.
도19는 지진 중에 발생되는 일반적인 하중을 받는 상태에서, 본 발명의 빔 및 컬럼 슬롯이 합체되고 종래의 연속판을 가진 컬럼과의 연결부에 대하여, 빔 대 컬럼 연결부에서의 플랜지 모서리 변위를 그래픽으로 나타낸 도면이다.
도20은 지진 중에 발생되는 일반적인 하중을 받는 상태에 빔이 놓였을 때 본 발명의 이중 빔 슬롯을 갖는 빔의 유한 요소 해석을 기초로 한 빔에서의 버클링(buckling)을 나타내는 도면이다.
도21은 지진으로부터 발생되는 것과 유사한 모의 지진 하중을 받는 상태에서 본 발명의 컬럼과 빔 슬롯을 구비하는 빔 대 컬럼 연결부의 히스테리시스(hysteresis) 루프이다.
도22는 종래의 강철 모멘트 내성 프레임의 사시도이다.
도23은 종래의 빔 대 컬럼 연결부의 확대 상세 사시도이다.
도24는 스트레인 측정 장치의 위치를 도시하는 빔 대 컬럼 연결부의 측면도이다.
도25는 상부 및 바닥 빔 플랜지의 연결부에서의 응력을 도시하는 도면이다.
도26은 상부 빔 플랜지 상부면에서의 응력을 도시하는 도면이다.
도27은 컬럼 및 빔 연결부, 수직 핀(fin), 그리고 컬럼 플랜지의 면에 대한 빔 웨브의 용접부를 구비하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도28은 도27의 실시예의 평면도이다.
도29는 컬럼 플랜지와 빔 웨브 및/또는 강화판의 경계부에 배치된 수평 핀을 갖는 컬럼 및 빔 연결부를 구비하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도30은 박스 컬럼 및 빔 연결부를 도시하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 평면도이다.
도31은 테이퍼진 슬롯을 도시하는 본 발명의 다른 양호한 실시예의 측면도이다.
도32는 본 발명의 전단판 두께 설계용 ATC-24 모멘트 선도이다.
도33은 본 발명의 전단판 길이 설계용 ATC-24 모멘트 선도이다.
본 발명의 목적은 신규하고 향상된 빔 대 컬럼 연결부를 제공하는 것이다. 본원의 향상된 연결부는 정적 및 동적 하중 모두에 의해 발생되는 빔 대 컬럼 연결부에 응력(stress) 및/또는 스트레인(strain)을 감소시키는 것이다. 본 발명의 향상된 연결부는 기존 건축물을 수리하는 동안에 이루어지는 개장 변경으로 합체된 때 기존 건축물의 강철 프레임의 유효 수명뿐만 아니라, 신규 건축물의 강철 프레임의 유효 수명을 연장시킨다.
본 발명의 다른 목적은 연결부를 따라 형성되는 고 응력 집중이 최소화되도록 연결부에 걸친 동적 또는 정적 하중 및 응력을 대체로 균등하게 분포시키는 방식으로 향상된 빔 대 컬럼 연결부를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강철 프레임 구조체의 빔과 컬럼 플랜지 연결부 사이에 인가되는 동적 하중 응력을 저감시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 컬럼과 빔 사이의 연결부에 걸친 동적 하중 응력의 변화를 저감시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 컬럼 플랜지에 대한 빔 플랜지의 연결부 근처에 컬럼 웨브 및/또는 빔 웨브에 적어도 한 개, 양호하게는 복수개의 슬롯을 합체하여 빔 대 컬럼 연결부에 걸친 동적 하중 응력의 변화를 저감시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 동적 하중을 받는 동안에 강철 프레임 구조의 빔과 컬럼 플랜지 사이에 인가되는 스트레인 비율을 저감시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 설계자가 그 특징을 필요로 하는 경우, 강철 프레임의 빔의 소성 힌지점이 빔 대 컬럼 연결부로부터 멀리 빔을 따라 변위될 수 있게 하는 수단을 제공하는 것이다.
끝으로, 본 발명의 목적은 정적 및 동적 하중을 받는 동안에 강철 프레임의 컬럼과 빔의 연결부에 걸친 응력 및 스트레인을 감소시키는 것이다.
본 발명은, 강철 플랜지 구조물의 컬럼 플랜지에 대한 상부 및 하부 빔 플랜지의 완전 관통 용접부를 횡단하여 생성되는 정적, 동적 또는 충격 하중으로 인한 비선형 응력 및 스트레인 분포가, 컬럼 플랜지의 수직 중앙선에서의 하중의 응력 및 스트레인 효과를 확대시키는 것을 발견한 사실에 근거하는 것이다. 빔/컬럼 경계부에서의 응력 분포를 결정하기 위한 통상의 광폭 플랜지 빔 대 컬럼 연결부에 대한 상세한 해석 논의는 본 발명과 관련한 연구의 일부분으로서 수행된 논의 이전에는 이루어지지 않았다. 스트레인 비율에 대한 고려, 인가되는 하중의 상승 시간(rise time), 응력 집중 계수, 응력 기울기, 잔류 응력 및 연결부의 기하학적 세부 사항 모두는 상기 연결부의 거동과 강도에 영향을 끼친다. 실척 실험 시험편을 설계하기 위해 충실도가 높은 유한 요소 모델 및 해석을 사용함으로써, 파괴가 발생되는 장소인 빔/컬럼 경계부에서의 측정 응력 및 스트레인 형상의 해석 결과와 시험 결과 사이에서 우수한 상호관계를 확립하였다. 컬럼 면에서 빔 플랜지 상에 스트레인 게이지를 배치하는 것은 적절한 용접면의 준비에 의해 달성된다. 동적 하중 시험은 해석적으로 결정된 높은 스트레인 기울기와 응력 집중 계수를 확인하였다. 상기 응력 집중 계수는 연속판이 없는 일반적인 W27 X 94(68.58cm x 238.6cm) 빔 대 W14 X 176(35.56cm x 447.04cm) 컬럼 연결부에 대한 공칭 설계 가정치보다 4 내지 5배 높다는 것을 알았다. 응력 집중 계수는 종래의 연속판이 부가될 때 3배 내지 4배의 공칭 응력 수준까지 감소되었다. 연결부에 본 발명의 특징을 합체하는 것은 종래 설계 이론에 의해 존재하고 해석 및 시험되어진 높은 불균일 응력을 감소시킨다. 본 발명은 연결부의 강도 및 강성을 변경시키고, 플랜지 용접부의 최극단 강도 중심부에서의 응력 집중 계수를 약 1.2까지 감소시킨다. 다르게 설명하면, 컬럼 플랜지에서의 상부 및 하부 빔 플랜지의 종래의 연결부에서의 응력 조건 하에서, 빔 플랜지는 비선형 응력 및 스트레인 분포를 나타낸다. 본 발명의 일부로서, 이러한 사실은 근본적으로, 컬럼 플랜지의 수직 중앙선을 따라 운영되는 컬럼 웨브가 컬럼 웨브와 직접적으로 대향 위치된 플랜지의 중앙에서 주로 빔 플랜지에 추가적인 강성을 제공한다는 사실로 인한 것임이 발견되었다. 그 결과, 빔 대 컬럼 연결부에서의 플랜지의 중앙 구역 근처의 강성은 컬럼 플랜지의 외부 모서리에서의 빔 플랜지 강성에 비해서 현저하게 크다. 이러한 강성도는 컬럼 웨브로부터의 거리의 함수로서 변화한다. 바꿔 말하면, 컬럼 플랜지는 모서리에서 항복, 절곡 또는 수축되어, 빔 플랜지가 웨브에서 컬럼 플랜지에 연결되는 중앙선에서 상대적인 강성을 유지하여, 상부 및 하부 빔 플랜지 각각의 중앙부가 최대 수준의 응력 및 스트레인을 견디도록 한다. 빔 대 컬럼 연결부를 횡단하는 비선형인 응력 및 스트레인 수준에 의해, 이러한 비선형 특성의 효과는 중앙점에서 개시되는 연결부 파괴를 야기하여 전체적 연결부의 파괴를 일으킬 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 전술된 응력 상태는 빔 컬럼 또는 용접재의 파손을 촉진하는 것으로 여겨진다.
이를 위해, 본 발명의 일 태양은, 상부 및 하부 빔 플랜지가 컬럼 플랜지에 연결되는 구역에서 컬럼 웨브의 대향측에 외부 모서리에 인접한 컬럼 플랜지의 내부면들 사이에 배치된 수직 보강판 또는 패널의 사용을 포함한다. 하중 또는 수직 패널은 연결부에서 빔 플랜지를 따라 추가적인 강성을 발생시킨다. 이러한 추가적인 강성은 하중을 받을 때 컬럼 플랜지에 상부 및 하부 빔 플랜지 연결부에 걸쳐 보다 균일하게 분포되는 응력 및 스트레인을 제공하는 역할을 한다. 수직 패널의 강성은, 컬럼 웨브의 각 측부에 있는 한 쌍의 수평 패널을 추가시켜서 증가시킬 수 있으며, 각각은 컬럼 웨브와 개별적인 수직 패널의 수평 중앙선 사이에서 연결된다. 패널의 추가로, 빔 플랜지에 걸친 응력 및 스트레인이 보다 균일하게 분포되지만, 제위치에 있는 수직 패널에 의해서도 웨브를 따른 컬럼의 강성은 여전히 하중을 받을 시에 빔 플랜지의 외부 모서리에서보다 빔 플랜지의 중앙에서 더 높은 응력과 스트레인을 초래한다.
또한, 본 발명의 다른 태양으로서, 각각의 빔 플랜지가 컬럼 플랜지에 연결되는 인접 구역에서 컬럼 웨브 내로 절결된, 양호하게는 완전히 관통하여 절결된 슬롯, 양호하게는 대체로 수직으로 위치된 슬롯은, 빔 플랜지가 컬럼에 연결되는 인접 구역에서 컬럼 웨브의 강성을 감소시킨다는 것을 알았다. 컬럼 슬롯은 양호하게는 컬럼을 관통한 수직 절결부에 의해 연결된 2개의 단부 또는 말단 구멍을 구비하며, 이때 슬롯은 빔에 연결된 컬럼 플랜지에 가장 근접한 구멍 외주에서 구멍에 접선 방향으로 연결시킨다. 컬럼 웨브를 통한 슬롯은 컬럼 플랜지의 중앙부의 강성을 저하시켜서, 컬럼 플랜지 연결부에서의 빔의 중앙에 인가된 응력의 크기를 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 태양으로서, 2개의 빔 플랜지가 컬럼 플랜지에 연결되는 인접 구역에서 빔 웨브를 통하여 그 안으로 절결된 슬롯은 빔 플랜지가 컬럼에 연결되는 구역에 컬럼 웨브의 강성을 추가로 저하시킨다는 것이 발견되었다. 양호하게는, 빔 슬롯은 연결 지점에서의 빔의 단부로부터 빔 웨브의 단부 또는 말단 구멍까지 연장된다. 빔 슬롯은 일반적으로 수평적으로 변위된다. 양호하게는, 하나의 슬롯은 상부 빔 플랜지 아래에서 인접하여 평행하게 위치되고, 제2 빔 슬롯은 하부 빔 플랜지 위에서 수평적으로 하부 빔 플랜지를 따라 이에 인접하여 평행하게 배치된다. 빔 슬롯은 빔의 웨브에 그리고 플랜지 웨브 필렛(fillet) 구역의 바로 외측에 배치된다.
종래의 실시에 따르면, 빔의 소성 힌지점이 종래의 빔 대 플랜지 연결 구조에서 발생되는 것에 비해서 빔 대 컬럼 연결부로부터 더 멀어질 수 있도록 강철 프레임 구조를 구성하거나 개장하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실시에 따르면, 상부 및 하부 이중 빔 슬롯의 사용이 양호하게 그러한 결과를 달성한다는 것도 발견되었다. 제1 상부 및 하부 빔 슬롯은 전술된 바와 같다. 각각의 제1 빔 슬롯에 대해서, 일반적으로 수평 방향을 향하는 슬롯인 제2 빔 슬롯이 빔의 웨브를 통해서 절결된다. 또한, 각각의 제2 빔 슬롯은 빔 대 컬럼 연결부에서 종료되는 대응 제1 빔 슬롯과 동일한 중앙선을 따라서 배치된다. 각각의 제2 빔 슬롯은 그 인접한 제1 빔 슬롯의 길이에 대략 두 배의 길이를 가지고, 제1 빔 슬롯의 길이와 대략 동일한 거리만큼 인접 제1 빔 슬롯으로부터 분리되는 것이 바람직하다. 슬롯은 특정한 이음 형태에 대한 해석 결과에 따라 형상 및 방향이 변할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양으로서, 본 발명의 컬럼 슬롯 및/또는 빔 슬롯이 전술된 바와 같은 수직 보강판을 구비하는 구조물뿐만 아니라 당해 기술 분야에서 공지된 종래의 연속판 또는 컬럼 웨브 강화재를 구비하는 구조물에도 합체될 수 있음을 알았다. 종래의 연속판 또는 컬럼 웨브 강화재와 관련하여 사용할 때, 일반적으로 수직 방향을 향하는 컬럼 슬롯은 컬럼의 웨브에 배치되어, 제1 슬롯은 상부 빔 플랜지에 인접하고 이와 동일 평면인, 즉 상부 빔 플랜지에 연속성을 제공하는 연속판 위에서 인접 위치된 제1 말단 구멍으로부터 수직으로 연장되며 컬럼 웨브의 제2 말단 구멍에서 종료한다. 제2 컬럼 슬롯은 하부 빔 플랜지에 인접하고 이와 동일 평면인, 즉 하부 빔 플랜지에 연속성을 제공하는 연속판으로부터 수직 하방으로 연장된다. 본 발명의 이러한 태양에서, 본 발명의 단일 빔 슬롯이든 또는 이중 빔 슬롯이든, 수평 연장 빔 슬롯도 종래의 연속판을 이용하는 강철 프레임에 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양으로서, 본 발명의 수평 빔 슬롯과 관련하여, 종래의 전단판(shear plate)은 볼트 사이가 종래대로 분리되는 상태로 세 개의 볼트 컬럼까지 수용하는 길이로 연장될 수 있다는 것을 알았다. 상부 및/또는 하부 수평 빔 슬롯과 종래 길이의 및/또는 신장된 전단판과의 조합은 탑 다운(top down) 용접 기술, 버텀 업(bottom up) 용접 기술, 또는 다운 핸드(down hand) 용접 기술과 관련하여 사용될 수 있다.
본 발명의 슬롯을 갖거나 갖지 않는 본 발명의 수직판, 또는 수직판이 있거나 없는 본 발명의 슬롯은, 종래의 빔 대 컬럼 연결부에서 받는 것에 비하여 강철 프레임의 연결부에 걸친 빔 플랜지에서 받는 응력 및 스트레인을 일반적으로 보다 균일하게 분포시키고 그 응력 및 스트레인의 최대 크기를 감소시키는 빔 대 컬럼 연결부를 제공한다.
도면에서, 특히 도1 내지 도4, 도9 내지 도15, 및 도22 및 도23을 참조하면, 건축물의 건설에 있어서 지진에 견디는 구조 지지체용으로 사용되는 프레임 구조물용 강철 프레임은 연결부에서 연결된 컬럼 및 빔으로 이루어진 강성 또는 모멘트 강철 프레임 구조물로 구성된다. 컬럼에 대한 빔의 연결은 볼트 체결, 전기 아크 용접, 또는 볼트 체결 및 전기 아크 용접 기술의 조합과 같은 임의의 종래 기술로 성취될 수 있다.
도22 및 도23을 참조하면, 종래의 W35.56cm x 447.04cm(14" X 176") 컬럼(282)과 W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 빔(284)은 전단판(286)과 볼트(288)에 의해 종래 방식으로 연결되어 플랜지에서 용접된다. 컬럼(282)은 컬럼 플랜지(290)의 길이방향 면을 따라 길이방향 모서리에서 용접된 볼트 전단판(286)을 포함한다. 전단판(286)은 상부 및 하부 플랜지(296, 298) 사이에서 빔 웨브(292)의 대향면에 대항하여 배치되게 된다. 전단판(286)과 웨브(292)는 복수개의 예비 드릴 구멍을 포함한다. 예비 드릴 구멍에 삽입되는 볼트(288)는 전단판 사이에서 빔 웨브를 고정한다. 일단, 빔 웨브(292)가 볼트로 고정되면, 빔 플랜지(296, 298)의 단부는 컬럼 플랜지(290)의 면에 용접된다. 종종, 수평 강화재 또는 연속판(300, 302)이 요구되며, 컬럼 웨브(304)와 컬럼 플랜지(290, 305)에 용접된다. 지진 충격 하중을 받는 상태에서, 빔 대 컬럼 용접 연결 구역(306)은 4.5 - 5.0배 공칭 응력 정도인 응력 집중 계수를 갖는 것이 발견되었다. 또한, 종래의 연결부의 기하학적 형상과 주로 관련된 지진 또는 충격 하중을 받을 때에 불균일 스트레인과 스트레인 비율이 존재한다는 것이 발견되었다.
(본 발명의 컬럼 하중판, 지지판 및 슬롯 특징부)
지진을 받는 동안과 같은 정적, 충격 또는 동적 하중 상태 하에서 연결 구조의 지지를 유지하는 제1 양호한 실시예에서는, 한 쌍의 하중판(16, 18)이 컬럼 플랜지(26, 28)의 내면(22, 24) 사이에서 컬럼(10)의 컬럼 웨브(20)의 대향측에 길이방향으로 배치하고, 부분 관통 용접으로 빔(12)의 빔 플랜지(29, 30)가 컬럼 플랜지(28)와 접하는 구역 내에 용접된다. 각각의 수평판(32, 34)은 수직판(16, 18)의 길이방향 중앙선을 따라 배치되고, 부가된 구조물 지지를 위해 웨브(20)와 수직판(16, 18)에 연결된다. 지지판 면(36, 38)은 사다리꼴 형상이 양호한 것이다. 지지판(36)에는 웨브(20)를 따라 그곳에 용접된 상당히 협소한 상부와, 하중판(16)의 길이방향 중앙선을 따라 연장되는 기부 모서리(40)가 있다. 수직판(16, 18)은 웨브(20)에 대해 평행한 평면을 따라 그리고 컬럼 플랜지(40, 42)의 각각의 모서리까지의 거리보다 작은 웨브(20)로부터의 소정 거리에서 양호하게 배치된다. 이러한 양호한 거리는 컬럼 플랜지의 강성이 빔 플랜지(29, 30)가 컬럼(10)에 연결되는 구역에서 폭에 걸쳐 분산되도록 하는 거리이다. 양호하게는, 수평 및 수직 지지판은 이들이 연결되는 컬럼과 동일한 재료로 제조된다.
강성 증가에 의해서 하중판(16, 18)은 연결부에서 빔 플랜지(29, 30)에 걸친 평균 응력 및 스트레인 비율을 돕는 역할을 하며, 빔 플랜지(29, 30)에 걸쳐 측정된 응력 크기를 감소시키지만 빔 플랜지의 중앙 영역이 받는 응력 수준의 크기를 현저하게 감소시키지는 않는 역할을 한다. 하중 또는 컬럼 플랜지 강화판(16, 18) 자체는 연결부에서 거의 균일한 응력을 생성함으로써 연결부에서의 파괴를 감소시키는 것을 적절하게 돕는 역할을 하지만, 빔 플랜지(29, 30)의 중앙에서 측정되는 응력 크기를 감소시키는 것이 바람직하며 이는 슬롯(44)에 의해 더욱 감소될 수 있다. 종방향으로 절결된 컬럼 웨브 슬롯(44)은, 빔 플랜지(29, 30)가 연결부에 근접 부착되는 영역 내에 중심이 위치된 컬럼 웨브(20) 내의 컬럼 필렛(47)의 토우(toe, 45)에서 또는 그 근처에서 절결된 빔 깊이의 5% 내지 25% 길이 범위에서 유용하다. 슬롯(44)은 컬럼 웨브(20)의 강성을 감소시키는 역할을 하고 컬럼 플랜지(28) 중앙이 약간 굴곡되게 함으로써, 빔 플랜지의 중앙에서 응력 크기를 감소시킨다. 웨브 슬롯(44)을 갖거나 갖지 않는 수직판(16, 18)은 빔 연결부(14)에 걸쳐 측정된 응력 크기를 평균시키는 역할을 한다. 가능한 한 균등하게 함으로써, 빔 플랜지(29, 30)를 따른 응력 및 스트레인 집중과, 빔 플랜지(29, 30) 내에서의 응력 변화는 연결부에서 최소로 된다. 또한, 이렇게 구성된 연결부(14)는 용접부에 걸친 응력 크기를 균등하게 분포시켜, 연결부(14)가 정적, 충격 또는 동적 하중 상태에 있는 동안에 컬럼 플랜지(28)에 걸쳐서 지지되도록 한다. 도8에 도시된 바와 같이, 하중판(16, 18)과 슬롯(44)이 연결부(14)에 인접한 컬럼(10)에서 구조체에 합체되면, 빔 플랜지(29, 30)를 가로질러 측정되는 스트레인 비율은 보다 더 균등하게 분포되어 나타나며, 빔 플랜지 모서리(46)에 걸친 응력 크기는 도7에 도시된 변화와 비교할 때 빔에 걸쳐 대체로 감소된 변화를 갖는다.
양호한 실시예에서, 종래의 W35.56cm x 447.04cm(14" X 176") 컬럼(10)과 W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 빔(12)은 장착판(48) 및 볼트(50)에 의해 통상적으로 연결되어 플랜지에서 용접된다. 컬럼(10)은 컬럼 플랜지(28)의 길이방향 면을 따른 길이방향 모서리에서 용접되는 전단 연결판(48)을 포함한다. 장착판(48)은 상부와 하부 플랜지(29, 30)사이에서 빔 웨브(52)의 대향면에 대항하여 배치되도록 된다. 장착판(48)과 웨브(52)에는 복수개의 예비 드릴 구멍이 만들어진다. 예비 드릴 구멍에 삽입되는 볼트(50)는 장착판 사이에서 빔 웨브를 고정시킨다. 빔 웨브(52)가 볼트로 고정되면, 빔 플랜지(29, 30)의 단부는 컬럼 플랜지(28)의 면에 용접된다. 연결부에서의 볼트 및 용접의 조합은 빔(12)과 컬럼(10)을 견고하게 고정시켜, 정상 하중 조건의 응력 및 스트레인 하에서 구조적인 지지를 제공하도록 한다.
연결부(14)가 정적, 충격 또는 동적 하중을 받는 상태에서는, 전술된 구성만으로 이러한 조건 하에서 받게 되는 응력 및 스트레인에 대해 충분한 지지력을 제공하지 못한다. 본 발명을 위해, 응력은 단위 면적당 힘의 세기로서 정의되고, 스트레인은 단위 길이당 신장으로서 정의되며, 도5 및 도6에 나타낸 바와 같이, 지진 중에 빔 플랜지를 가로질러 폭방향으로 7개의 등거리 점(70-78)에서 시간에 따른 psi로 측정된 하중의 지진 시뮬레이션은 빔 플랜지의 중앙(73)에서 상당히 큰 응력 크기가 측정되게 한다. 또한, 그래프에 나타난 응력 수준의 증가 기울기는 빔 플랜지를 따른 다른 점(70-76)에서의 불균일한 스트레인 획득을 나타낸다. 도24는 컬럼의 중앙선에 대한 스트레인 측정 장치의 정확한 위치를 도시한다. 상기 측정값은 컬럼 플랜지의 중앙(73)으로부터 빔 플랜지 모서리를 따라 더욱 멀리서 취해지므로, 응력 수준은 각 쌍의 측정점(72, 74 , 71, 75 , 70, 76)에서, 즉 빔 플랜지 상에서 중앙으로부터 멀리 외측으로 연장됨에 따라 현저하게 감소된다. 이 결과는, 연결부(14)에서의 빔 플랜지(29)가 컬럼 웨브의 중앙선에서의 빔 웨브 대 컬럼 플랜지 연결부의 중앙에서 최대 스트레인 수준과 최대 응력 수준 모두를 받음을 나타낸다. 연결부(14) 구성은 빔 플랜지의 상부(29)와 하부(30) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두의 구역을 대표한다. 하부 빔 플랜지 연결부(30) 구역 내에 중심이 위치되는 컬럼 웨브(20)에 길이방향으로 절결된 컬럼 웨브 슬롯(44)은 빔 플랜지 연결부 부근의 컬럼 플랜지의 내부면으로부터 약 1.905cm(3/4")이다. 양호한 실시예에서, 10.16cm 내지 20.32cm(4"-8") 길이 범위에서의 슬롯 폭은 양호한 것이다. 플랜지로부터 1.905cm(3/4")에서의 최상의 결과는 0.635cm(0.25") 폭을 갖는 11.43cm(4.5")길이의 슬롯을 사용하여 달성되었다. 20.32cm(8")보다 더 긴 슬롯도 유용할 수 있다. 당해 기술 분야의 숙련자는 양호한 실시예의 특정 구성과 치수가 시험 결과에 따라 사용되는 컬럼과 빔 크기에 따라서 특정한 적용에 적합하게 변경될 수 있다는 것을 알 수 있다.
양호하게는, 각각의 지지판(32, 34)과 하중판(16, 18)은 종래의 거더 섹션의 절결부로부터 이루어진다. 하중판은 플랜지 면을 포함하고, 지지판은 절결부의 웨브를 포함한다. 다르게는, 본원에 기술된 기능에 적합한 두께로 부분 관통 용접에 의해 지지판에 용접되는 별도의 하중판은 양호하게 적절한 기능을 할 것이다. 수평판(32, 34)은 컬럼 플랜지(28)와 접촉하지 않는데 그 이유는 상기 접촉이 지진 중에 발생하는 동적 하중을 받는 동안에 컬럼 플랜지 강성 증가를 초래하여 결과적으로 해당 구역에 증가 응력을 초래하기 때문이다. 각각의 지지판 기부(40)는 각각의 하중판(16, 18)의 중앙선을 따라 길이방향으로 연장되어 하중판의 강성을 증가시키며, 컬럼 웨브(20)에 걸쳐 폭방향으로 용접되는 협소한 상부 모서리 쪽으로 테이퍼진 것이다. 양호하게는, 지지판 면의 사다리꼴 형상은 지지판의 모서리와 각각의 컬럼 플랜지와의 사이에 틈을 제공한다. 상기 틈은, 틈 구역 내에서 웨브에 형성된 슬롯(44)의 결과로서, 플랜지가 굴곡되는 적절한 개방 구역을 이룬다.
(본 발명의 종래 컬럼 연속판 특징부를 갖는 컬럼 슬롯)
도9를 참조하면, 전술된 바와 같이 연결부(104)에서 빔(102)에 연결된 컬럼(100)이 도시되어 있다. 통상적으로 강화재(stiffener)라 하는 종래의 상부 연속판 또는 컬럼 강화재(106)는 좌측 컬럼 플랜지(110)로부터 우측 컬럼 플랜지(112)로 컬럼(100)의 웨브(108)를 수평방향으로 횡단 연장된 것이다. 연속판(106)은 상부 빔 플랜지(114)와 동일 평면에 있으며, 컬럼과 동일한 재료로 제조되고, 그리고 빔 플랜지와 거의 동일한 두께를 갖는 것이다. 도10의 평면도는 컬럼(100), 빔(102), 컬럼 웨브(108) 및 상부 빔 플랜지(114)를 나타내고 있다. 또한 도10에는 연속판(106)과, 좌우측 컬럼 플랜지(110, 112)도 나타나 있다.
도9를 다시 참조하면, 하부 연속판(116)이 하부 빔 플랜지(118)와 동일 평면에 있는 것으로 도시되어 있다. 상부 컬럼 슬롯(120)은 컬럼 웨브(108)의 두께방향을 통해 연장되고, 양호하게는 우측 컬럼 플랜지(112)의 내측부를 따라 수직 방향을 향하는 것이다. 하부 단부 또는 슬롯(120)의 말단부(122)와, 상부 말단부(124)는 양호한 드릴 구멍이다. 컬럼이 W35.56cm x 447.04cm(14" X 176") 강철 컬럼인 경우에, 구멍(120, 124)은 양호하게는 1.905cm(3/4") 드릴 구멍이고, 슬롯은 0.635cm(1/4") 높이로 웨브를 완전 통과하는 절결부이다. W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 강철 컬럼에 연결된 때, 슬롯(120)의 양호한 길이는 구멍(122, 124) 중심간에 길이가 15.24cm(6")이고, 플랜지에 최근접된 구멍의 외주에서 구멍(122, 124)에 접해 있다. 또한, 구멍(122, 124)의 중앙은 양호하게는 우측 컬럼 플랜지(122)의 내부면(126)으로부터 1.905cm(3/4")인 지점에 있다. 구멍(122)의 중앙은 양호하게는 상부 연속판(106)으로부터 2.54cm(1")인 지점에 있다. 상부 및 하부 말단부 구멍(132, 134)이 있는 하부 컬럼 슬롯(130)은 하부 연속판(106) 밑에 배치된다. 하부 컬럼 슬롯(130)은 상부 컬럼 슬롯(120)과 동일한 치수의 것이다. 하부 슬롯(130)은 웨브(108)에 배치되고, 상부 슬롯(120)과 동일한 상대 위치에 이는 하부 연속판(116)의 하부면(136), 우측 컬럼 플랜지(112) 및 하부 빔 플랜지(118)는 연속판(106)과 상부 빔 플랜지(114)에 대하여 위치된다. 상기 구멍은 특정한 설계 목적에 따라 치수가 변경될 수 있다.
(본 발명의 빔 슬롯 특징부)
또, 도9를 참조하면, 본 발명이 도시되어 있다. 도11에 보다 상세하게 나타나 있는 상부 빔 슬롯(136)은 상부 빔 플랜지(114)에 대해 평행하고 수평인 방향으로 연장되며 빔 웨브를 통해 절결된 것으로서 도시되어 있다. 좌측 단부로서 도시된 빔 슬롯의 제1 단부(138)는 컬럼 플랜지(112)에서 종료된다. W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 강철 빔용 슬롯은 빔 웨브(103)의 전체 두께를 관통하여 절결되며, 양호한 폭은 0.635cm(1/4")이다. 상부 수평 빔 슬롯의 제2 말단부(140)는 양호한 실시예에서 직경이 2.54cm(1")인 구멍이다. 구멍의 중앙은 도11에서 양호하게 도시된 바와 같이 슬롯(136)의 상부 모서리(142)가 접해지는 위치에 있다. 또한, W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 강철 빔에 대해서, 슬롯(136)의 중앙선(144)은 상부 빔 플랜지(114)의 하부 표면(146)에서 0.9525cm(3/8")이고, 구멍의 중심(148)은 빔 플랜지 표면으로부터 4.7625cm(1 7/8")이다. 상기 실시예에 대한 양호한 슬롯 길이는 15.24cm(6")이다. 도9를 참조하면, 수평으로 연장되는 하부 빔 슬롯(150)이 도시되어 있다. 하부 빔 슬롯(150)은 대응 말단 구멍(152)의 바닥부에 접해 있으며, 슬롯과 구멍의 치수는 상부 빔 슬롯에 대한 것과 동일하다. 하부 빔 슬롯(150)은 상부 빔 플랜지(114)의 하부면(146)에 위치된 상부 빔 슬롯(136)과 동일한 치수로 하부 빔 플랜지(118)의 상부면과 상관된 위치에 있다.
도13을 참조하면, 두 개 연결 빔(158, 160)을 가진 단일 컬럼(156)이 도시되어 있다. 컬럼(156)은 두 개 빔(158, 160)의 각각에 연결된 컬럼 플랜지(170, 172)의 각각에 인접된 전술된 상부 컬럼 슬롯(162, 164)과 하부 컬럼 슬롯(166, 168)을 구비한다. 또한, 두 개 빔의 각각에는 전술된 상부 빔 슬롯(174, 176)과 하부 빔 슬롯(178, 180)이 있다. 컬럼(156)에 대한 빔(160)의 연결부와 관련된 컬럼 및 빔 슬롯은 컬럼(156)에 대한 빔(158)의 연결부와 관련된 슬롯의 거울상(mirror images)이고, 도9 내지 도12와 관련하여 설명되는 치수를 갖는다.
슬롯은 수직으로부터 수평으로 그리고 이들 사이의 임의의 각도로 그 방향이 변화할 수 있다. 또한, 주어진 적용에 따라 슬롯마다 그 방향 변경도 가능하다. 또한, 슬롯의 형상 또는 구성도 특정된 적용에 따라서 본원에 기재된 선형 슬롯으로부터 곡선 형상으로 변경 가능하다.
(본 발명의 이중 빔 슬롯 특징부)
종래의 실시에 따르면, 많은 규정 및/또는 설계 허가 관계자가 빔 소성 힌지점이 종래 연결부에 있는 것보다 빔을 따라서 컬럼 대 빔 연결부로부터 더 멀리 이동하도록 종래의 빔 대 컬럼 연결부의 변경을 요구할 수 있었다. 일반적으로, 이러한 분야에서의 많은 최소 거리는 소성 힌지점이 연결부로부터 D/2(여기서, D는 빔의 높이)가 되는 허용 가능한 거리인 것으로 여겨진다. 본 발명에 따라, 그리고 도14에 도시된 바와 같이, 컬럼(182)은 전술된 바와 같이 빔(184)과 연속판(186, 188)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 빔(184)은 상부 빔 슬롯(190, 192)과 하부 빔 슬롯(194, 196)을 갖는다. 컬럼(182)에 바로 인접한 빔 슬롯은 이상에서 매우 상세히 설명되었다. 제2 빔 슬롯(192, 196)의 중앙선은 제1 빔 슬롯(190, 194)의 중앙선과 동일 선 상에 위치한다. 제2 빔 슬롯(192, 196)은 소성 힌지점을 빔 대 컬럼 연결부로부터 더욱 멀리 이동시키는 역할을 한다. 제2 빔 슬롯(192, 196)은 각각 두 개의 말단 구멍을 가지며, 202, 204, 206, 208로 도시된 제1 빔 슬롯과 동일한 방식으로 위치된다. W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 강철 빔에서, 제2 빔 슬롯의 양호한 길이는 말단 구멍(202) 중앙으로부터 구멍(204) 중심까지 30.48cm(12")이며, 도14에 도시된 바와 같은 2.54cm(1") 직경의 말단 구멍을 갖는다. 또한, 양호하게는 제2 상부 빔 슬롯(112)의 제1 말단 구멍(202)의 중앙은, 제1 상부 빔 슬롯(190)의 말단 구멍(210)의 중앙으로부터 15.24cm(6")거리에 있다. 말단 구멍의 중앙선은 필렛 구역 바로 외측에서 상호 동일 선 상에 있다. 제2 빔 슬롯은 플랜지의 필렛 구역 바로 외측 및 웨브에서 절결되고, 말단 구멍은 최근접 빔 플랜지에 근접한 구멍 쪽에서 슬롯에 접한다. 제2 빔 슬롯의 폭은 0.635cm(1/4") 이고, 빔의 전체 두께를 통해 연장되는 것이다. 도14를 다시 참조하면, 제2 하부 빔 슬롯(196)은 제1 하부 빔 슬롯(194)에 대해 동일 선 상에 있도록 절결된다. 양호하게는, 제2 하부 빔 슬롯(196)은 제2 상부 빔 슬롯(192)의 치수와 동일한 치수를 가지고, 하부 빔 플랜지의 상부면(210)에 대한 위치는 상부 빔 플랜지의 하부면(212)에 대한 제2 상부 빔 슬롯(192)의 위치에 대응되는 위치이다.
도14에 도시되지는 않았지만, 전술된 컬럼 슬롯, 하중판, 및/또는 지지판은 이중 빔 슬롯에 사용될 수 있다.
(본 발명의 확장된 전단판 특징부)
도15를 참조하면, 컬럼(214), 빔(216), 연속판(218, 220), 상부 빔 슬롯(222), 하부 빔 슬롯(224), 상부 컬럼 슬롯(226) 및 하부 컬럼 슬롯(228)이 확장된 전단판(230)과 함께 도시되어 있다. 종래의 전단판은 일반적으로 단일 볼트(232) 열을 수용하는 폭을 갖는다. 본 발명에 따르면, 전단판(230)의 폭은 세 개의 볼트(232) 열까지도 수용할 수 있도록 증가될 수 있다. 본 발명의 전단판(230)은 건축물의 초기 설계 및/또는 개장시에 합체될 수 있다. W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 강철 빔을 이용하는 일반적인 강철 프레임 구조에서는, 대략 22.86cm(9") 폭의 전단판이 2열의 볼트를 수용한다. 일반적으로, 볼트 구멍 중앙은 7.62cm(3") 거리로 이격 분리된다. 확장된 전단판은 빔이 버클링 파단 모드(the mode of a buckling failure)의 하중 하에서 파단 개시시에 빔 웨브의 조기 파괴를 방지한다.
본 발명은 기존 구조물의 강철 프레임을 개장 또는 변경할 때뿐만 아니라 신규 구조물용 강철 프레임에도 사용될 수 있다. 컬럼 슬롯 및 빔 슬롯 그리고 그 위치 선정과 같은 본 발명의 특정한 이점은 구조물마다 변경 가능하다. 일반적으로, 본 발명은 지진 등의 고 하중 조건 동안에 응력 집중뿐만 아니라 응력 집중으로 인한 스트레인 비율이 파단에 이르거나 또는 이를 초과할 것이 예측되는 컬럼 웨브 대 빔 플랜지 경계부에서 사용된다. 주어진 구조체에서의 상기 특정한 연결부의 인식은 본 발명의 분야의 숙련자에게는 공지된 종래 해석 기술을 통해 이루어진다. 연결부 설계 기준과 설계 이론은 각각의 용접 강철 모멘트 프레임에서의 일반적인 연결부의 실척 시작품 시험(full scale prototype test)과 고 충실도 유한 요소 모델(high fidelity finite element model)을 사용한 해석에 기초된 것이다. 이들은 양호하게는 전후 처리 프로 엔지니어 프로그램(the pre-and post processing Pro-Engineer program)과 제휴한 버전 5.1 이상의 ANSYS 프로그램을 이용한다. 이들 모델은 일반적으로 4노드 판 절곡 요소 및/또는 10노드 선형 스트레인 4면체 중실 요소(solid element)로 구성된다. 연결부에서의 복합 응력 및 스트레인 분포를 해석하기 위해서 대략 40,000 요소와 40,000 자유도를 갖는 날짜 표시 모델에 대한 실험이 필요하다. 중실 요소가 사용되면, 서브 모델링(즉, 모델 내부의 모델)이 일반적으로 요구된다. 상업적으로 이용 가능한 컴퓨터 하드웨어는 필수적인 해석을 수행할 수 있는 해석 프로그램을 작동시킬 수 있다.
본 발명의 이점은 몇 가지가 있으며, 압연 강철 형상으로부터 제조된 일반적인 강철 구조물의 빔 플랜지/컬럼 플랜지 연결부에 존재하는 것으로 발견되는 불균일 응력 분포에 대응한다. 과거에, 빔 용접 금속/컬럼 경계부에서의 응력이 설계 및 구조 목적을 위해서 이음부의 전체 폭에 대해 공칭 또는 균일 수준에 있는 것으로 여겨졌던 경우에, 본 발명의 이점은 다음과 같은 것을 고려하고 그에 대한 이점을 제공하는 것이다.
1. 용접 연결부의 컬럼 플랜지의 중앙에서 발생하는 응력 집중.
2. 용접 이음부에 걸친 수직 및 수평 방향 모두에서의 스트레인 수준.
3. 이음부 모서리에서의 상당히 낮은 스트레인 비율과 비교할 때, 이음부 중앙에서의 종래의 이음부 상의 상당히 높은 스트레인 비율.
4. 용접부의 수직면에 걸쳐 압축 및 인장을 발생시키는 종래의 이음부에서의 컬럼의 수직 곡률과 그 영향.
5. 용접부의 불균일한 하중에 대한 컬럼 플랜지의 수평 곡률과 그 영향.
6. 본 발명의 이점은 각각의 연결부의 강성을 변경하지 않고 각각의 연결부에 적용될 수 있다.
7. 종래 설계 방법과 비교할 때, 본 발명의 적용은 구조물의 기본 주기를 변경하지 않기 때문에 지진 프레임 해석용의 종래의 해석 프로그램이 본 발명에 적용될 수 있다.
컬럼에 연속판을 설치하지 않는 종래 설계에서의 응력은, 설계에 활용되는 연산된 공칭 응력보다 4 내지 5배 더 큰 것으로 측정되었다. 연결부를 개량하면, 공칭 설계 응력값이 약 1.2 내지 1.5배 수준으로 "절곡시 최대 강도"에서 응력 집중 계수의 감소를 나타내었다. 연결 성능의 부가적인 향상은 인장력이 가해지는 플랜지의 웨브측에 압축력을 제거함으로써 이루어졌다. 용접부의 수직면에 걸친 압축으로부터 인장으로의 이러한 응력 기울기를 제거하는 것은 용접 금속에 대한 프라잉 작용(prying action)을 제거한다.
(수학적 모델에서의 본 발명의 사용예)
전술된 유한 요소 해석을 사용하여, 종래 연결부뿐만 아니라 본 발명의 다양한 이점을 갖는 빔 대 컬럼 연결부에 대하여 다수의 변위 해석이 수행되었다. 컬럼 플랜지와 빔 플랜지의 모서리의 변위는 ANSYS 5.1 수학적 모델링 기술에 의해 결정되었다.
도16을 참조하면, 빔 대 컬럼 연결부에서의 빔 플랜지 및 컬럼 플랜지의 기준선 변위 상태가, 지진을 받는 동안에 발생되는 조건에 근사하는 소정 하중 조건 하에서 종래의 빔 대 컬럼 연결부에 대하여 도시되었다. 라인(234)은 컬럼 플랜지의 중앙선을 나타내며, 구역(236)은 빔 플랜지에 대한 연결부에 있다. 구역(238)은 컬럼에 대한 빔의 연결점으로부터 멀어지는 소정의 수직 거리에서 컬럼 플랜지 중앙선에 인접한다. 예를 들어, 구역(236)이 상부 빔 플랜지에서의 연결부를 나타내면, 구역(238)은 빔 대 플랜지 연결부 위의 컬럼 플랜지의 수직 중앙선에 인접한 구역이다. 라인(240)은 컬럼 플랜지의 외부 모서리를 나타낸다. 라인(242)은 연결된 빔 플랜지의 중앙선을 나타내고, 라인(244)은 빔 플랜지 외부 모서리를 나타낸다. 종래의 빔(246) 대 컬럼(248) 연결부의 측면 사시도인 도17을 참조하면, 컬럼 중앙선(234)은 236에서의 연결점 중앙의 수직 상부인 구역(238)과 함께 도시되었다. 유사하게, 빔 플랜지 중앙선(242)은 관심의 대상이 되는 연결부에 있는 빔 플랜지를 따라, 이 경우에는 상부 빔 플랜지를 따라 연장되는 것으로 도시되어 있다. 외부 컬럼 플랜지 모서리(248)와 외부 빔 플랜지 모서리(244)도 도시되었다. 좌측 수직선(240)과 우측 수직선(234) 사이의 거리 "a"는 하중을 받는 동안에 플랜지 모서리의 변위를 나타낸다. 따라서, 두 개 선 사이에서의 큰 거리는, 주어진 하중을 받는 동안에 그 수직 중앙선(234)을 따른 컬럼 플랜지와 비교되는 컬럼 플랜지의 모서리(240)의 변위가 현저하다는 것을 나타낸다. 유사하게, 플랜지 모서리(244)와 빔 중앙선(242) 사이의 거리 "b"는 빔 플랜지의 중앙선(242)으로부터 컬럼으로부터의 그 길이를 따른 빔 플랜지의 모서리(244)의 변위의 측정치이다. 도16은 본 발명의 어떠한 이점도 갖지 않은 종래의 컬럼(248) 대 빔(246) 연결부의 변위를 도시한다.
도18을 참조하면, 연속판이 있는 빔 슬롯을 가진 빔 대 컬럼 연결부의 변위가 도시되어 있다. 도18에서, 구역(250)은 빔 슬롯을 나타낸다. 라인(252)은 컬럼 플랜지 모서리를 나타내고, 라인(254)은 컬럼 중앙선을 나타내고, 라인(256)은 빔 플랜지 모서리를 나타내고, 라인(258)은 빔 중앙선을 나타낸다. 거리 "c"는 중앙선으로부터의 컬럼 플랜지 모서리의 변위를 나타내고, 거리 "d"는 하중을 받는 상태 동안에 빔 플랜지 중앙선으로부터의 빔 플랜지 모서리의 변위를 나타낸다. 거리 "c" 와 "d"는 컬럼 및 빔 중앙선의 것과 비교되는 앵글의 컬럼 및 빔 플랜지의 모서리들의 현저한 변위를 개별적으로 나타낸다. 거리 "a"(도16)를 거리 "c"(도18)와 비교하고 거리 "b"를 거리 "d"와 비교할 때 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 변위량은 빔 슬롯이 강철 구조물에 이용되는 경우에 현저하게 적다. 빔 슬롯이 있는 연결부와 종래의 연결부 사이에서의 플랜지 모서리의 변위 감소는, 하중이 발생되는 동안에 받게 되는 힘이 빔 슬롯이 있는 연결부에서 보다 균등하게 흡수된다는 것을 나타낸다.
도19는 W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 빔에 연결되는, W35.56cm x 447.04cm(14" X 176") 컬럼용 연속판과 같은 빔 및 컬럼 슬롯을 구비하는 연결부에 컬럼 및 빔 플랜지 모서리의 변위를 나타낸 도면이다. 구역(260)은 도9, 도10 및 도12를 참고로 전술된 컬럼 슬롯을 나타내고, 구역(262)은 도9 및 도11을 참고로 전술된 빔 슬롯을 나타낸다. 라인(264)은 컬럼 플랜지 모서리를 나타내고, 라인(266)은 컬럼 중앙선을 나타내고, 라인(268)은 빔 플랜지 모서리를 나타내고 그리고 라인(270)은 빔 플랜지 중앙선을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 두 개 수직선(264, 266) 사이의 거리와 두 개의 하방 경사 수평선(268, 270) 사이의 거리는, 종래의 연결부에서의 플랜지 모서리 변위와 비교하여, 컬럼 슬롯, 빔 슬롯 및 연속판을 구비하는 연결부용 플랜지의 중앙선과 플랜지의 모서리와의 사이에서 현저하게 감소된 변위를 나타낸다. 전술된 바와 같은 이러한 변위의 감소는, 연속판을 갖는 빔과 컬럼 슬롯을 구비하는 연결부가 종래의 연결부에 비해서, 하중을 받는 동안에 가해지는 힘을 보다 균일하게 흡수할 수 있음을 나타낸다.
도20은 본 발명의 이중 빔 슬롯을 가지는 빔의 버클링을 설명하는 도면이다. 표준 W68.58cm x 238.76cm(27" X 94") 빔(272)은 하부 제1 빔 슬롯(274)과 제2 또는 이중 빔 슬롯(276)을 구비한다. 대응 상부 제1 및 제2 빔 슬롯이 해석적 검토에 포함되지만, 이들은 상부 빔 플랜지의 중복으로 감춰지기 때문에 도20에는 도시하지 않았다. 상기 이중 빔 슬롯은 도14와 관련하여 전술되었다. 빔의 버클링은 상부 빔 플랜지의 소성 힌지부인 구역(278)에서 도시되어 있으며, 플랜지는 U형상 또는 V형상으로 하방으로 변형되어 있다. 빔의 웨브에서는, 힘을 받는 웨브의 구역(280) 형상이 도20에 나타난 바와 같이 그 원래 평면에서 벗어나고 그리고 지면(page) 밖으로 연장되는 릿지를 취하는 변형이 이루어진다. 도시된 바와 같이, 소성 힌지점은 빔 대 컬럼 연결부 자신에 보다는 제2 상부 및 하부 빔 슬롯 위와 아래의 웨브 구역에 있다.
도21은 본 발명의 상부 및 하부 빔 슬롯과 상부 및 하부 컬럼 슬롯이 결합된 빔 대 컬럼 구조물의 히스테리시스(hysteresis)의 그래프이다. "히스테리시스 루프"는 컬럼에 용접된 외팔보 빔의 인가된 하중 대 변형(deflection)을 작도한 것이다.
도25 및 도26을 참조하면, 컬럼(308)이 모의 지진 하중을 받는 동안에 수평 및 수직방향 곡률을 나타낸다는 것을 알았다. 컬럼 플랜지(316)의 수직방향 곡률로 인하여, 빔(310)은 빔 플랜지(312, 314)에서 높은 제2 응력을 받게 된다. 또한, 컬럼 플랜지(312)의 수평방향 곡률이 빔 플랜지(312, 314)에서의 인장력 및 압축력으로 인하여 발생되어지는 것이 발견되었다. 날카로운 곡률은 빔 플랜지(312, 314)에서 발생되고, 이는 컬럼 플랜지(316)에 대한 빔 플랜지(312, 314)에서의 프라잉 작용을 포함한다. 응력은 컬럼 웨브(318) 쪽으로 수렴되어 구역(320)에서 최고가 된다. 빔 슬롯의 목적은 컬럼 플랜지의 수직방향과 수평방향 곡률의 분포를 최소화시키는 것이다.
(컬럼 플랜지 특징부에 대한 빔 웨브 용접부)
컬럼 플랜지에 대한 빔 웨브 용접은 본 발명의 연결부에 추가적인 강도와 연성을 제공하는 것이 발견되었다. 양호한 실시예는 전체 관통 용접 또는 스퀘어 그루브 용접(square grove weld)을 사용한다. 전단판의 길이부에 걸친 빔 웨브의 강도를 개발시키는 임의의 용접은 이러한 특징에 적합한 동등한 용접이 된다. 도27 및 도28에는 컬럼(404)과 직교하여 연결되는 빔(402)이 있는 연결부(400)를 도시한 도면이다. 빔 웨브는 경계부를 따른 컬럼 플랜지에 도시된 구역(401)에서 용접과 같은 방식으로 전단판(406)에 볼트 및/또는 용접으로 접합된다. 슬롯이 형성된 빔 연결부의 이점은 컬럼 플랜지의 두께에 걸친 파단의 잠재성을 완화 및/또는 회피시키는데 사용될 수 있다는 것이다. 전술된 상부 및 하부 빔 슬롯(410, 412)은 도27에도 도시되었다.
(수직 핀 특징부)
슬롯이 형성된 빔 연결부는 빔과 컬럼 플랜지 경계부에 부착된 수직 강철핀(fin)을 양호하게 사용할 수 있음이 발견되었다. 도27은 하부 빔과 컬럼 플랜지 경계부(418) 밑에 배치된 수직 핀(414)을 도시한 도면이다. 수직 핀은 양호하게는 삼각 구조의 강철판인 것이고, 일반적으로 1.905cm(3/4") 두께를 갖는다.
(수평 핀 특징부)
양호하게는 삼각형인 수평 강철핀은 본 발명의 슬롯이 형성된 빔 연결부에 양호하게 사용될 수 있음도 발견되었다. 도29는 컬럼(424)에 연결된 빔(422)을 가진 연결부(420)를 도시한 도면이다. 상부 수평 삼각형 핀(426)과 하부 수평 핀(428)은 차례로 빔(422)에 용접 및/또는 볼트 결합되는 컬럼(424)의 플랜지와 전단판(430)에 용접 결합되어 진다. 수평 핀은 일반적으로 2.54cm(1") 두께 강철판이다. 전단판과 수평 핀은 빔 웨브의 전방측 및/또는 후방측에 사용될 수 있는 것이다.
(박스 컬럼에 대한 본 발명의 적용성)
본 발명의 슬롯이 형성된 연결부는 I형 빔 또는 W형 컬럼에 사용되도록 설명되고 기술되었다. 본 발명은 그러나 박스 컬럼에 사용할 때에도 양호하게 일부 적용물에서 유용한 것이다. 도30은 박스 컬럼(440)에 연결된 빔(436, 438)이 있는 연결부(432)를 도시한 도면이다. 양호하게는, 본 발명의 슬롯 형성 빔 특징부는 빔(436)과 같은 빔에 합체되고, 박스 컬럼(440)의 대면 플랜지(442)에 대해 연결이 이루어진다. 마찬가지로, 대향측에서, 본 발명의 슬롯 특징부를 합체한 빔(438)은 박스 컬럼(440)의 플랜지(434)에 연결된다.
(테이퍼진 슬롯 특징부)
테이퍼진 또는 이중 폭 빔 슬롯이 본 발명의 연결부에 사용될 수 있음도 발견되었다. 예를 들어, 도31은 빔 플랜지(442)에 인접된 빔 슬롯(440)을 도시한 도면이다. 양호하게, 슬롯은 컬럼 플랜지에 인접한 구역(444)에서 상대적으로 협소하고, 말단부를 향하고 인접 컬럼 플랜지로부터 멀어지는 방향으로의 길이부를 따라서는 넓어지는 형상의 것이다. 이러한 테이퍼진 슬롯 특징부는, 평면 이탈 빔 플랜지 버클링이 전단판 위의 빔 플랜지의 길이를 따르는 것에 비해 컬럼 대 빔 플랜지 경계부에서 덜 나타나도록, 컬럼 플랜지 부근에서의 버클링 크기를 제어하는 것을 돕는다. 통상의 양호한 테이퍼진 슬롯은 컬럼 플랜지에서 폭이 대략 0.3175cm(1/8")로부터 0.635cm(1/4")까지 변할 수 있고, 전단판의 폭과 동일한 길이까지, 예컨대 17.78cm(7")로 연장되며, 그리고 나서 슬롯 말단부까지 0.9525cm(3/8")로 넓어진다. 일반적으로, 슬롯 말단부는 빔 플랜지 폭의 약 1.5배 인 것이다.
(본 발명의 강철 모멘트 프레임에서의 빔 대 컬럼 연결부의 설계 방법)
본 발명의 일 부분으로서, 강철 모멘트 프레임에 슬롯 빔 대 컬럼 연결부 설계 방법이 개발되었다. 이러한 설계 방법은 전단판 설계 방법 및 빔 슬롯 설계 방법을 포함한다.
(전단판 설계)
전단판 설계에는 디자인 또는 전단판 높이, 전단판 두께 및 길이가 포함된다. 다음의 설정값은 설계 요건이다.
먼저, 전단판 높이 설계에 대해서는, 판 용접부와 빔 웨브 슬롯을 허용하는 최대 높이를 사용한다. 일반적으로 높이 hp= T - 7.62cm(3")이고, 여기서 T는 AISC 설계 편람에서 취해진 것이다. 예를 들면, W91.44cm x 711.2cm(36" X 280") 빔에 대해, T = 79.0575cm(31 1/8")이다. 따라서, hp= 79.0575cm - 7.62cm(31 1/8" - 3") = 71.12cm(28")이다.
전단판 두께의 설계에서, 판 탄성 단면 계수는 전단판 두께 설계를 위한 주석을 갖는 도32에 도시된 바와 같은 ATC-24 모멘트 선도를 사용하여, 컬럼면에서의 요구되는 필요한 빔/판 탄성 강도를 개발하는 데 사용된다. 이러한 연산에서,
My(빔) = Sbσy
Mpl= My(ls/(lb-ls) = Sbσy(ls/(lb-ls))
Mpl= Splσy여기서, Spl=tph2 p/6
tp를 풀면,
tp= (6Sbls)/(h2 p(lb- ls))
또는 tp min= 1.25 x (빔 웨브 두께)
예를 들면,
Ib=426.72cm(168"), Is=60.96cm(24")를 갖는 W91.44cmx711.2cm(36"x280") 빔에 대하여,
Sb= 16,878.61cm3(1030"), hp= 71.12cm(28"), tp= 3.3274cm(1.31").
따라서, 전단판 두께 3.81cm(1.50")이 사용되어야 한다.
또한, 전단판 길이의 결정은 도33에 도시된 바와 같이 판/빔 강도 요건을 개발시키기 위해 ATC-24 모멘트 선도를 사용하는 것을 포함한다.
도33을 참조하면, Mmax= (Sb+ Spl)σy, S.F. = Zb/Sb= (lb-lp)/(lb-ls) 또는 lp= lb- S.F. x (lb- ls).
lb= 426.72cm(168"), ls= 60.96cm(24"), S.F. = 1.13, lp= 13.4112cm(5.28")에 대하여,
20.32cm(8")를 사용 - lp min= ls/3 또는 lp min= 10.16cm(4")이, 권장됨.
요약하면, 전단판 치수를 설계하는 방법은 다음과 같다:
판 높이: hp= T-7.62cm(3")
판 두께: tp= (6Sbls)/(h2p(lb-ls))
또는 tp min= 1.25 x (빔 웨브)
판 길이: lp= lb- S.F. x (lb- ls)
lp min= ls/3 또는 lp min= 10.16cm(4")이 권장됨.
주석: AISC 강철 설계 편람으로부터의 T
Sb= 빔 단면 계수, S.F. = 빔 형상 계수
lb= (빔 클리어 스팬)/2
(빔 슬롯 치수를 결정하는 방법)
본 발명의 원리에 따른 가장 양호한 빔 슬롯 길이는 1.5 x (공칭 빔 플랜지 폭)이다. 상기 요건은 다음에 근거한다.
(1) 25.4cm(10") 내지 40.64cm(16")의 빔 플랜지 폭이 포함되는 실척 ATC-24 시험.
(2) 소성 빔 웨브와 소성 빔 플랜지 버클링이 포함된 유한 요소 해석.
빔 슬롯 길이는 다양한 목적 및/또는 기능을 성취하도록 설계된다. 먼저, 소성 빔 플랜지와 빔 웨브 버클링이 슬롯 구역에서 독립적으로 발생하도록 설계한다. 둘째, 슬롯 길이는 소성 힌지부의 중앙이 컬럼면으로부터 멀리 이동하도록, 예를 들면 빔 단부를 지나는 빔 깊이의 대략 1/2로 설계한다. 셋째, 슬롯 길이는 컬럼면 근처로부터 빔 슬롯의 단부까지 빔 플랜지에 균일한 응력 및 스트레인 분포를 제공하도록 설계한다. 넷째, 슬롯 길이는 빔의 전체 소성 모멘트 용량이 나타나도록 소성 빔 플랜지 버클링이 보장되게 설계한다. 이러한 사실은 다음으로 나타낼 수 있다:
ls/(3 x tf) = bf/(2 x tf≤ 65/(Fy)1/2
발견되어진 빔 슬롯 폭은 가장 양호한 것이 컬럼의 면으로부터 전단판의 단부까지의 폭이 0.3175cm(1/8") 내지 0.635cm(1/4")인 것이다. 전단판의 단부로부터 슬롯의 단부까지는 가장 양호한 슬롯폭이 0.9525cm(3/8") 내지 1.27cm(1/2")이다. 상당히 얇은 컬럼면에 슬롯은 (a) 5 내지 8 사이의 계수만큼 연성 요구를 감소시키고, (b) 컬럼 면 부근에서 큰 빔 플랜지 곡률을 감소시킨다는 것이 발견되었다. 컬럼으로부터 먼 보다 깊은 슬롯 외측은 빔 플랜지 버클링이 발생하게 하지만, 플랜지의 중앙 영역에서 버클링 크기를 제한한다.
(연결 강도에 대한 빔 슬롯의 효과)
본 발명에 따라서, ATC-24 시험 조립체의 고 충실도 모델을 사용하는 유한 요소 해석은 본 발명의 빔 슬롯이 조립체의 탄성력 변형 거동을 변경시키지 않음을 나타내었다. 따라서, 표준 유한 요소 프로그램은 슬롯 형성 빔이 사용될 때 정적 지진 하중을 받게 되는 강철 프레임을 설계하는데 사용될 수가 있다.
(지진 응력 집중 및 연성 요구 계수)
본 발명의 강철 모멘트 프레임용 슬롯 빔 대 컬럼 연결부 설계에서의 연성 및 강도 특성은 당해 기술의 현상태에 있어서 중요한 발전을 나타낸다. 슬롯 빔 웨브 설계는, 거의 균일한 플랜지/용접 응력 및 스트레인 분포를 제공하여 일반적인 값 4.6으로부터 아래로 일반적인 값 1.4까지로 빔 대 컬럼 플랜지 연결부에서의 응력 집중 계수(SCF)를 저하시킨다. 이러한 유한 요소 해석에 계산되고 실험적으로 관측되는 4.6 SCF는 프리-노스리지 감소 빔단면(pre-Northridge, reduced beam section)(dogbone)에 존재하며, 판 연결부 설계를 커버한다. 일반적인 4.6 SCF는 컬럼의 면에 있는 빔 플랜지/용접부를횡단 통과하는큰 응력 및 스트레인 기울기에 기인한다. 연성 재료에 대하여, 슬롯 형성 빔 SCF 감소는 컬럼 플랜지/빔 플랜지/용접부에서 재료에 대한 연성 요구를 어느 정도의 크기만큼 감소시킨다. SCF와 연성 요구 계수(DDF) 사이의 상관 관계는 다음으로 나타낼 수 있다. SCF = 산정된 탄성 응력/항복 응력. DDF는 다음과 같이 나타낼 수 있다. DDF = 스트레인/항복 스트레인 - 1 = SCF - 1.
종래의 연결부에 대한 SCF 및 DDF를 본 발명의 연결부와 비교할 때, 기준선 또는 종래 연결부는 CJP 빔 대 컬럼 용접부를 포함하고 그리고 연속판은 포함하지 않는다. 본 발명의 연결부는 전술된 해석 및 방법으로 정해지는 CJP빔 대 컬럼 용접 및 빔 슬롯 그리고 연속판을 구비하는 것이다.
본원의 슬롯 빔은 (1) 빔의 전체 소성 모멘트 용량을 개발시키고, (2) 컬럼의 면으로부터 멀리 빔의 소성 힌지부를 이동시키며, (3) 컬럼의 면으로부터 슬롯의 단부로 빔 플랜지에 거의 균일한 인장과 압축 응력을 발생시키는 것으로 여겨진다. 또한, 본 발명의 슬롯 빔 설계는 빔 플랜지가, 비슬롯 연결부에 발생하는 측면 비틀림 소성 버클링 모드의 크기가 현저하게 감소하도록, 빔과는 무관하게 버클링되게 한 것이다. 이러한 특성은 컬럼 플랜지에 빔 플랜지와 용접부에 비틀림 모멘트와 비틀림 응력을 감소시키는 것이다.
본 발명을 양호한 실시예에서 수행되는 연결부로서 기술하였지만, 본 발명은 전술된 실시예로서 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서, 강철 프레임에 적용되는 측면 하중으로부터 발생되는 불균일한 스트레인 비율과 불균일한 응력 및 스트레인을 보정하는 방식을 적용 또는 활용하는 변경 및 등가 구조물 모두를 포함하는 개념에 따라 다양하게 그 구조를 변경 가능한 것을 포함하는 것이다.

Claims (25)

  1. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    하부 플랜지, 상부 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    컬럼의 제1 플랜지에 인접하고 빔의 하부 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  2. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    컬럼의 제1 플랜지에 인접하고 빔의 제1 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 슬롯과,
    빔 슬롯에 최근접된 빔 플랜지에 그리고 컬럼 플랜지에 인접 위치된 컬럼 내의 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  3. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    제1 컬럼 플랜지에 그리고 제1 빔 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 제1 슬롯과,
    제1 컬럼 플랜지에 그리고 제2 빔 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 제2 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  4. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    제1 컬럼 플랜지에 그리고 제1 빔 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 제1 슬롯과,
    제1 컬럼 플랜지에 그리고 제2 빔 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 제2 슬롯과,
    제1 빔 슬롯에 최근접된 빔 플랜지에 그리고 컬럼 플랜지에 인접 위치된 컬럼 내의 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  5. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    하부 플랜지, 상부 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    컬럼의 제1 플랜지에 인접하고 그리고 상기 빔의 하부 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 슬롯과,
    제1 및 제2 컬럼 플랜지 사이에서 연장되고, 제1 빔 플랜지와 동일 평면에 있는 연속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  6. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    컬럼의 제1 플랜지에 인접하고 그리고 빔의 제1 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 슬롯과,
    빔 슬롯에 최근접된 빔 플랜지에 그리고 컬럼 플랜지에 인접 위치된 컬럼 내의 슬롯과,
    제1 및 제2 컬럼 플랜지 사이에서 연장되고, 제1 빔 플랜지와 동일 평면에 있는 연속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  7. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    제1 컬럼 플랜지와 제1 빔 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 제1 슬롯과,
    제1 컬럼 플랜지에 그리고 제2 빔 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 제2 슬롯과,
    제1 및 제2 컬럼 플랜지 사이에서 연장되고 제1 빔 플랜지와 동일 평면에 있는 연속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  8. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하는 강철 컬럼과,
    하부 플랜지, 상부 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    컬럼의 제1 플랜지에 인접하고 그리고 빔의 하부 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 슬롯과,
    상기 제1 및 제2 빔 플랜지 사이에서 연장되는 길이, 높이 및 폭 치수를 가지고 상기 빔의 웨브에 용접되는 전단판을 포함하며,
    상기 폭 치수는 높이 치수에 대해 직각 방향으로 빔의 웨브를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  9. 제1항에 있어서, 상기 슬롯은 높이, 두께, 제1 단부 및 제2 단부를 가지고, 상기 빔은 빔 웨브의 두께를 전체적으로 관통하여 절결되며, 제1 단부는 용접된 연결부 근처의 빔의 모서리에 있고, 제2 단부는 용접된 연결부로부터 설정 거리에 있는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 단부는 슬롯의 높이보다 큰 직경을 가진 원형 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  11. 제2항에 있어서, 빔 내의 슬롯은 폭, 두께, 및 길이 치수를 가지며, 빔 내의 슬롯의 두께는 빔 웨브의 두께와 동일하고, 빔 내의 슬롯은 빔 슬롯의 폭보다 더 큰 직경을 갖는 원형 구멍에 접선 방향으로 일단부에서 종료하며, 컬럼 내의 슬롯은 폭, 두께, 길이 치수와 두 개 단부를 가지고, 컬럼 내의 슬롯은 두 개 단부에서 접선 방향으로 종료되며, 각각의 단부는 폭 치수보다 큰 직경을 가지는 원형 구멍인 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 컬럼의 제1 플랜지에 대한 빔 웨브의 용접 연결부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 빔과 컬럼 플랜지 경계부에 부착되는 삼각형 강철핀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 컬럼 플랜지와 빔 웨브 또는 전단판 경계부에 부착되는 삼각형 강철핀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 슬롯은 컬럼과 빔 경계부 근처에서의 상당히 협소한 슬롯 폭으로부터 슬롯의 대향 단부 근처에서의 상당히 넓은 슬롯 폭으로 테이퍼진 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  16. 제1 플랜지, 제2 플랜지, 및 이들 사이의 제1 웨브 및 제2 웨브를 구비하는 강철 박스 컬럼과,
    하부 플랜지, 상부 플랜지, 및 이들 사이의 웨브를 구비하고, 컬럼의 제1 플랜지에 직교 용접되는 강철 빔과,
    컬럼의 제1 플랜지에 인접하고 빔의 하부 플랜지에 인접 위치된 빔 내의 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  17. 한 쌍의 플랜지 및 웨브를 구비하는 컬럼과,
    컬럼 플랜지에 용접되는 강철 빔과,
    빔의 적어도 하나의 플랜지에 인접 위치된 컬럼 내의 수직 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임 구조물.
  18. 한 쌍의 플랜지 및 웨브를 구비하는 컬럼과,
    한 쌍의 플랜지 및 웨브를 구비하고, 연결부를 형성하도록 상기 컬럼의 외측 플랜지면에 연결된 단부를 갖는 빔과,
    상기 연결부 근처에서 빔의 단부에 걸친 응력 및 스트레인 비율의 크기를 균일하게 분포시키는 수단을 포함하며,
    상기 컬럼 플랜지는 컬럼 플랜지의 길이방향 중앙선을 따라 컬럼 플랜지의 내부면에서 컬럼 웨브에 연결되고,
    상기 응력 및 스트레인 분포 수단은 상기 연결부의 파단 사이의 평균 시간을 감소시키는 것을 특징으로 하는 강철 프레임 구조물.
  19. 제17항에 있어서, 적어도 한 개의 빔 플랜지에 인접하게 위치된 컬럼 플랜지들 사이에 연결되는 수직판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임 구조물.
  20. 제19항에 있어서, 적어도 한 개의 빔 플랜지에 인접하게 위치된 웨브와 수직판 사이에 연결되는 수평판을 추가로 포함하며, 상기 수평판은 사다리꼴 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 강철 프레임 구조물.
  21. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 빔의 하부 플랜지의 상기 슬롯에 인접 위치된 빔 내의 제2 슬롯을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  22. 제3항, 제4항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 슬롯에 인접한 빔 내의 제3 슬롯과, 제2 슬롯에 인접한 빔 내의 제4 슬롯을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  23. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 슬롯은 공칭 빔 플랜지 폭의 1.5배인 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  24. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 슬롯은 컬럼 플랜지에서의 약 0.3175cm(1/8")의 폭으로부터 그 대향 단부에서의 약 0.9525cm(3/8") 내지 약 1.27cm(1/2")의 폭으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 강철 프레임.
  25. 용접된 강철 모멘트 프레임 연결부에서 응력 집중 계수를 계량하는 방법에 있어서,
    적어도 40,000 요소와 적어도 40,000 자유도를 갖는 고 충실도 유한 요소 모델을 선택하는 단계와,
    연결부 설계 요건이 용접되는 강철 모멘트 프레임에 대해 생성되도록, 전후 처리 프로-엔지니어 프로그램과 제휴하는 ANSYS 버전 5.1 이상의 유한 요소 해석 프로그램을 실행시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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