KR20000040240A - 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축구조물에서 각형강관과 같은 폐쇄단면을 갖는 기둥에 H형강보가 접합된 접합부를 댐퍼로 연결하여, 접합부의 구조적 성능을 향상시키고, 지진이 발생한 후에도 보수 및 보강이 용이한 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 철골구조에서 기둥과 보를 서로 연결하는 것으로서, 보를 기둥에 부착시킬 경우에, 보의 웨브만이 기둥에 고정되어 있고, 보에 가해지는 하중을 감쇠시킬 수 있는 댐퍼(10)를 포함한다. 그러한 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 상기 댐퍼(10)의 어댑터판(11)은 보의 축방향과 평행하고 보의 플랜지에 수직하도록 기둥의 양쪽 모서리에 고정되며, 상기 댐퍼(10)의 다수의 스트러트(13)들로 형성된 슬릿 플레이트(12)는 상기 어댑터판(11)과 플랜지의 양쪽 측면에 고정되어서, 상기 보에 하중이 가해지더라도, 상기 스트러트(13)들만이 파손되므로써, 상기 기둥과 보를 구조적으로 안정시킨다.

Description

댐퍼 접합부를 구비한 철골구조

본 발명은 댐퍼(damper) 접합부를 구비한 철골구조에 관한 것이며, 특히, 강관(鋼管) 기둥과 H형강보의 접합시 사용되는 핀접합(pin connection)과, 반강접(semi-rigid connection)접합 및, 강접(rigid connection)으로 구성된 건축구조물에 사용되는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조에 관한 것이다.

일반적으로 철골구조를 갖는 건축물에서는 각형강관과 중공강관을 기둥으로 사용하고 있다. 이런 강관기둥은 폐쇠단면을 갖는 것으로서, H형강보를 용접가공 또는 볼트조립하여 철골구조를 형성하고 있다. 이런 철골구조의 강관기둥과 H형강보는 접합후, 건축 시공방법에 따라 콘크리트로 충전한다.

이런 강관기둥과 H형강보의 접합부에서는 상기 기둥의 단면이 폐쇠단면이기 때문에, H형강보를 기둥에 연결하기 위한 방법이 중요하다.

종래 기술에 따른 철골구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 수직한 방향으로 세워진 강관기둥(1)과 수평한 방향으로 접합된 H형강보(2)로 구성되어 있다. 여기에서, H형강보(2)는 상부와 하부에 형성된 플랜지(4)의 중앙에서 수직하게 고정된 웹브(3)로 형성되어 있다. 그리고, 강관기둥(1)과 H형강보(2)의 접합부에는 다이어프램(5 ; diaphragm)이 설치되어 있다. 다이어프램(5)는 상기 강관기둥(1)과 H형강보(2)를 견고하게 접합시키는 접합부재로서, 다수 각을 갖는 띠형태로서 강관기둥(1)의 원주를 감싸게 형성되거나, 강관기둥(1)을 절단하고, 그 절단된 사이에서 배치될 수 있게 일체형으로 형성된 접합부재이다.

종래의 철골구조는 다이어프램(5)에서 강관기둥(1)과 H형강보(2)를 서로 용접시켜서 강접에 가까운 접합부로 설계하였다.

종래의 철골구조의 접합부는 제작과정이 복잡하고 H형강보(2)가 접합되는 건축물의 각층마다 강관기둥(1)을 절단하여 다이어프램(5)을 설치하고, 그 접합부를 용접해야 하기 때문에, 경제성에 있어 불리한 경우가 많다.

또한, 종래의 철골구조의 접합부에서는 접합부가 강하게 설계되어 있으므로, 지진(地震)하중 및 풍(風)하중과 같은 횡(橫)하중이 작용하였을 때, 기둥 또는 보와 같은 골조를 형성하는 주부재가 항복을 하게되는 단점을 가지고 있다. 그리고 주부재가 소성역에 들어감에 따라 주부재의 좌굴 및 내력열화등에 의해 철골구조의 거동이 불안정해지는 단점도 있다.

또한, 종래의 철골구조의 접합부는 상기와 같은 횡하중이 작용하였을 때, 기둥과 보보다 먼저 변형을 하기 때문에, 건물전체의 횡변위 제어에 불리한 경우가 많다.

또한, 종래의 철골구조의 접합부는 볼트결합을 이용한 경우, 기둥에 볼트결합용 구멍을 형성시키므로써, 복잡한 제작공정을 갖는 단점이 있다. 또한, 이런 볼트결합을 이용한 철골 구조의 접합부는 기둥을 콘크리트로 충전한 경우, 기둥을 관통하고 있는 볼트에 위해 충전성능이 떨어질 수 있고, 또한 볼트가 항복했을 때 기둥내의 콘크리트에 부착되어있는 볼트를 교체하기 힘든 단점이 있다.

또한, 종래의 철골구조의 접합부에서 지진 발생을 고려한 내진설계를 할 경우에는 기둥·보와 같은 주구조 부재가 건물의 중량에 의한 연직하중을 지지하면서 지진이 발생하였을 때, 동시에 횡하중까지 지지하여야만 하기 때문에, 주구조부재를 설계하는 것은 매우 복잡하며, 구조물의 항복메커니즘(mechanism)을 제어하기에는 곤란한 점이 많다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 건축구조물에서 각형강관과 같은 폐쇄단면을 갖는 기둥에 H형강보가 접합된 접합부를 댐퍼로 연결하여, 접합부의 구조적 성능을 향상시키고, 지진이 발생한 후에도 보수 및 보강이 용이한 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 강접합부를 구비한 철골구조의 구성을 설명하기 위한 사시도.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 구성을 설명하기 위한 정면도.

도 3은 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 결합관계를 설명하기 위해 단면도.

도 4는 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 실험결과를 설명하기 위한 그래프.

도 5는 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 실험 종료후의 상황을 설명하기 위한 사시도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 기둥 2 : 보

3 : 웨브 4 : 플랜지

10 : 댐퍼 11 : 어댑터판

12 : 슬릿 플레이트 13 : 스트러트

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 철골구조에서 기둥과 보를 서로 연결하는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 제공한다. 그러한 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 보를 기둥에 부착시킬 경우에, 보의 웨브만이 기둥에 고정되어 있고, 보에 가해지는 하중을 감쇠시킬 수 있는 댐퍼를 포함한다. 또한, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 상기 댐퍼의 어댑터판은 보의 축방향과 평행하고 보의 플랜지에 수직하도록 기둥의 양쪽 모서리에 고정되며, 상기 댐퍼의 다수의 스트러트들로 형성된 슬릿 플레이트는 상기 어댑터판과 플랜지의 양쪽 측면에 고정되어서, 상기 보에 하중이 가해지더라도, 상기 스트러트들만이 파손되므로써, 상기 기둥과 보를 구조적으로 안정시킨다.

아래에서, 본 발명에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 구성을 설명하기 위한 정면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 결합관계를 설명하기 위해 단면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 실험결과를 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 실험 종료후의 상황을 설명하기 위한 사시도이다.

도 2 내지 도 4에 보이듯이, 본 발명의 철골구조는 강관기둥(1)과 H형강보(2)의 접합부에 댐퍼(10)를 부착하여 사용하였다. 여기에서, 사용되는 H형강보(2)는 축방향 단부의 플랜지(4)들을 소정크기로 절단하였다. 따라서, H형강보(2)의 축방향 단부는 웨브(3)의 끝단부만이 강관기둥(1)의 측면 중앙에서 용접 또는 볼트에 의해 체결되어 고정되어 있다. 그러한 강관기둥(1)의 모서리부위에는 H형강보(2)의 축방향으로 댐퍼(10)가 고정되어 있다.

그러한 댐퍼(10)는 플랜지(4)와 직각을 이루게 용접된 어댑터판(11)을 갖는다. 이런 어댑터판(11)의 수직방향의 중심위치와 플랜지(4) 사이에는 실제로 댐핑작용을 슬릿 플레이트(12 ; slit-plate)가 플랜지(4)의 축방향의 끝단에 맞추어 플랜지(4)와 수평방향으로 용접되어 있다.

상기와 같이 고정된 댐퍼(10)의 슬릿 플레이트(12)에는 벽돌블럭의 구멍들의 형상을 갖도록 스트러트(13 ; strut)들이 형성되어, 그 스트러트(13)들이 외력에 저항하도록 되어있다. 이런 슬릿 플레이트(12)의 규격은 철골구조물의 접합부의 설계하중에 따라 적절히 결정하여야 하나, 플랜지(4)의 두께보다는 두껍지 않도록 하는 것이 좋다.

본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 접합부에 상기와 같은 댐퍼(10)를 사용하기 때문에, 상기 댐퍼부(10)가 상대적으로 큰 횡강성과 충분한 소성변형능력을 가지므로써, 댐퍼(10)의 슬릿 플레이트(12)의 변형에 의해서 지진과 같은 횡력의 작용에 의한 대부분의 입력에너지를 흡수시킬 수 있게 되어 있다.

또한, 댐퍼(10)이 충분한 소성변형을 한 시점에서도 강관기둥(1)과 H형강보(2)와 같은 주요부재는 탄성에 머물고 있다. 따라서, 상기 지진과 같은 횡력의 작용이 종료한 시점에서도 소성역에 들어가 있는 부재는 댐퍼(10)에 국한된다.

따라서, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 상기와 같은 상황에서도, 댐퍼(10)만을 교체하면, 지진발생전의 건전한 철골구조를 갖게 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 실험하여, 그 접합부의 횡하중에 대한 하중-변위 곡선을 나타내고 있다. 도 4에서 알 수 있듯이, 상기 접합부의 이력거동은 매우 안정된 형태를 나타내고 있으며, 충분한 소성변형 능력을 가지고 있음을 알 수 있다.

도 5에서는 상기와 같은 실험 종료후, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 접합부의 종국상황을 나타내었다.

여기에서, 철골구조의 접합부는 횡방향(a)으로 가해진 횡하중에 의해, 댐퍼(10)에서 슬릿 플레이트(12)의 스트러트(13)들이 절단되었지만, 강관기둥(1)과 H형강보(2)를 거의 탄성에 머물러 있게 연결하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 촐골구조의 접합부의 구조성능은 스트러트(13)의 성능에 주로 의존하고 있음을 알 수 있다.

따라서, 철골구조를 사용한 건출물을 설계하는 설계자는 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조에서 스트러트(13) 성능만을 고려하면 되므로써, 강관기둥(1)과 H형강보(2)의 접합부 설계를 매우 간단하게 할 수 있게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조에서는 기둥·보와 같은 주구조 부재로 건물의 중량과 같은 연직하중만을 부담시키고, 접합부의 댐퍼로 바람·지진과 같은 횡하중을 부담시키는 설계가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 주구조 부재는 연직하중만 고려하면 되므로 단면을 줄일 수 있어 경제적인 설계를 할 수 있고, 접합부의 댐퍼의 이력특성이 안정되어 있으므로 구조물 전체의 지진응답 특성이 향상됨과 동시에 안정된 이력거동을 얻을 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (1)

1. 철골구조에서 기둥과 보를 서로 연결함에 있어서,

   보를 기둥에 부착시킬 경우에, 보의 웨브만이 기둥에 고정되어 있고,

   보에 가해지는 하중을 감쇠시킬 수 있는 댐퍼(10)를 포함하며,

   상기 댐퍼(10)의 어댑터판(11)은 보의 축방향과 평행하고 보의 플랜지에 수직하도록 기둥의 양쪽 모서리에 고정되며,

   상기 댐퍼(10)의 다수의 스트러트(13)들로 형성된 슬릿 플레이트(12)는 상기 어댑터판(11)과 플랜지의 양쪽 측면에 고정되어서, 상기 보에 하중이 가해지더라도, 상기 스트러트(13)들만이 파손되므로써, 상기 기둥과 보를 구조적으로 안정시키는 것을 특징으로 하는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조.