KR20090108815A - 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조 - Google Patents

철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초기 강성을 저감시키지 않고 소성변형 후 잔류변형을 없애면서 우수한 에너지 흡수능력을 갖는 철골 보와 기둥의 접합부 구조에 관한 것이다.
본 발명의 적적한 실시 형태에 따르면 철골 기둥과, 단부판이 접합된 철골 보와, 상기 철골 기둥과 상기 철골 보의 단부판을 관통하도록 설치되어 상기 철골 기둥의 양측에 상기 철골 보를 비부착 접합하며 볼트와 너트 그리고 와셔로 구성되는 복수의 볼트체결수단과, 상기 복수의 볼트체결수단에 각각 삽입되어 횡력에 의해 철골 보와 기둥의 접합부에 발생하는 잔류변형을 없애고 에너지를 흡수하는 복수의 코일 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조가 제공된다.
셀프 센터링, SC 시스템, 철골 기둥, 철골 보, 접합부, 모멘트 골조

Description

철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조{Self Centering Connection System of Steel Beam and Column}
본 발명은 철골 보와 기둥의 접합부 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초기 강성을 저감시키지 않고 소성변형 후 잔류변형을 없애면서 우수한 에너지 흡수능력을 갖는 철골 보와 기둥의 접합부 구조에 관한 것이다.
최근 국내에서도 가까운 미래에 발생가능한 대규모 지진에 대한 대책 마련의 중요성이 고조되고 있으며 세계각지에서의 대규모 지진 발생은 국내 건물의 지진에 대한 대책의 중요성을 보다 크게 인식시키는 계기가 되어 종래의 국내 내진설계기준을 전면적으로 재평가 정립한 기준을 발표하여 시행하고 있다. 주요 구조형식 중에서 횡하중에 대해 저항해야 되는 철골 모멘트 골조는 특히 보와 기둥 접합부 강도와 강성의 확보가 무엇보다도 중요하다. 미국에서는 철골 모멘트 골조에 대한 접합부의 강도 및 강성을 증가시키기 위한 연구가 오랫동안 진행되어 왔으며 Northridge 지진 피해 이후 특수 철골 모멘트 구조의 접합부(ANSI/AISC 358-05)에 대한 기본적인 요구조건을 다음과 같이 크게 두 가지 개념으로 구분하여 적용하였다. 도 5와 같이 접합부 일부를 약하게 하여 변형이 집중되도록 하는 방법과 도 6 과 같이 접합부를 강하게 보강하는 방법이 그것이다.
하지만 이러한 철골 모멘트 골조에서 접합부 보강으로 인한 상세가 복잡할 뿐만 아니라 응력 흐름이 명확하지 않아 구조설계에 큰 어려움이 있고 접합부 검사가 요구되어 결국 시공비용을 상승시키는 요인이 된다. 또한 대규모 지진으로 구조물이 큰 횡력을 받아 소성변형을 할 경우 잔류변형으로 인해 구조체에 엄청난 보수 보강 비용이 소요되며 지진 이후의 구조물 거동을 예측하기 어렵다는 단점이 있다. 이러한 점에 착안하여 초기강성을 저감시키지 않고 소성변형 후 잔류변형을 없애면서 우수한 에너지 흡수능력을 갖는 시스템이 제안되기 시작하였으며 그 중의 하나가 바로 셀프센터링 시스템(이하 "SC 시스템'이라 한다)이다.
Northridge 지진 피해 이후 제시된 접합부는 도 7과 같이 소성변형 이후 잔류변형이 남게 되지만 SC 시스템은 동적 운동방정식의 댐핑항을 고려하여 도 8과 같이 강성은 줄이지 않고 잔류변형이 남지 않는 시스템을 구축하고자 하는 것이 기본 개념이다.
종래 SC 시스템은 철골 기둥과 보로 구성된 모멘트 골조, 강선(Tendons), 마찰 완충장치(Friction Damper)로 구성되며 도 9에 개략적으로 나타낸 바와 같이 보가 기둥에 비부착 접합되고 강선이 설치되면 도 10과 같이 SC 시스템 거동을 보이게 되는 것이다. 즉, 강성은 저감시키지 않으면서 잔류변형을 없애고 또한 에너지 흡수능력을 지니는 SC 시스템을 만들 수 있게 된다.
이와 같이 모멘트 골조, 강선, 마찰 완충장치로 구성되는 SC 시스템의 경우 동일 레벨의 여러 보-기둥 접합부에 강선을 관통시킨 후 긴장하여 위와 같은 효과 를 얻었다. 그러나 접합부가 동일 레벨에 있지 않는 경우 내부에 정착부를 두어야 하기 때문에 내진 효과가 떨어진다고 볼 수 있다. 또한 현장 시공시 접합부에 강선을 관통시킨 다음 동시 긴장하기 때문에 임시 고정장치가 필요하고 별도의 긴장장치가 필요하다.
본 발명이 해결하고 하는 과제는 보-기둥 접합부가 동일 레벨에 있지 않더라도 충분한 내진 효과가 달성되며 긴장작업이 필요 없어 시공이 간편한 SC 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 적적한 실시 형태에 따르면 철골 기둥과, 단부판이 접합된 철골 보와, 상기 철골 기둥과 상기 철골 보의 단부판을 관통하도록 설치되어 상기 철골 기둥의 양측에 상기 철골 보를 비부착 접합하며 볼트와 너트 그리고 와셔로 구성되는 복수의 볼트체결수단과, 상기 복수의 볼트체결수단에 각각 삽입되어 횡력에 의해 철골 보와 기둥의 접합부에 발생하는 잔류변형을 없애고 에너지를 흡수하는 복수의 코일 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조가 제공된다.
이때, 상기 철골 기둥과 철골 보는 H형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
그리고 상기 볼트체결수단의 볼트는 머리 달린 볼트이고 상기 철골 보의 단부판과 철골 기둥의 일측 플랜지를 관통하도록 각각 결합되며, 상기 와셔는 볼트 머리에 접하는 제 1 와셔와 너트에 접하는 제 2 와셔로 구성되며, 상기 코일 스프링은 철골 보의 단부판과 제 1 와셔 그리고 제 2 와셔 사이에 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 볼트체결수단의 볼트는 양단에 나사가 가공된 양나사 볼트이고 상기 철골 기둥의 양측 플랜지와 철골 보의 단부판을 모두 관통하도록 설치되며, 상기 양나사 볼트에는 각각 너트가 결합되고, 상기 와셔는 너트에 각각 접하는 제 1 와셔와 제 2 와셔로 구성되며, 상기 코일 스프링은 철골 보의 단부판과 제 1 와셔 그리고 제 2 와셔 사이에 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 양나사 볼트는 2개로 분할되고 그 중 어느 하나의 일측에 구형 확대부를 형성하고 다른 하나의 일측에 상기 구형 확대부를 수용하는 홈이 형성된 반구형 확대부를 형성하여 상기 구형 확대부가 반구형 확대부에 끼워맞춤하여 회전 가능하게 접합되며 그 접합부는 상기 철골 기둥의 양측 플랜지 사이에 위치하도록 할 수 있다.
또한, 상기 양나사 볼트는 2개로 분할되고 그 중 어느 하나의 일측에 아이를 형성하고 다른 하나의 일측에 포크를 형성하여 핀으로 서로 연결시키며 그 접합부는 상기 철골 기둥의 양측 플랜지 사이에 위치하도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면 보-기둥 접합부가 동일 레벨에 있지 않더라도 충분한 내진 효과가 달성되며 기존의 볼트를 이용한 접합방법과 동일하기 때문에 긴장작업이 필요 없어 시공이 간편한 새로운 형식의 SC 시스템을 제공한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 결합상태의 정면도이며, 도 1c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
도면을 참조하면, 본 실시 예에 따른 셀프센터링 접합부는 철골 기둥(10)과, 철골 기둥(10)의 양측 플랜지(11)(12)에 접합되는 한 쌍의 철골 보(20a)(20b)와, 철골 기둥(10)에 철골 보(20a)(20b)들을 접합시키는 복수의 볼트접합수단(30)과, 볼트접합수단(30)에 각각 삽입되는 복수의 코일 스프링(40)으로 구성된다.
도면에서는 철골 기둥(10)과 철골 보(20a)(20b)는 H형강으로 도시하였으나 그 이외에 H형 단면을 갖도록 조립된 것이 사용될 수도 있다.
철골 기둥(10)의 양측 플랜지(11)(12)에 접합되는 철골 보(20a)(20b)의 단부에는 단부판(End Plate, 21)이 접합되어 있고 이 단부판(21)에는 볼트가 삽입되도록 복수의 구멍(미도시)이 천공되어 있다.
철골 보(20a)(20b)는 철골 기둥(10)에 볼트, 너트 및 와셔로 구성되는 볼트접합수단(30)에 의해 접합된다. 본 실시 예에서 볼트는 머리 달린 볼트이다. 이 머리 달린 볼트(311)에 제 1 와셔(312)와 코일 스프링(40)을 끼운 다음 철골 기둥(10)의 일측 플랜지(11)와 그에 접하는 철골 보(20a)의 단부판(21)을 관통시켜 제 2 와셔(313)를 끼우고 너트(314)로 죄며 또한 철골 기둥(10)의 타측 플랜지(12)와 그에 접하는 철골 보(20b)의 단부판(21)을 제 1 와셔(312)와 코일 스프링(40)을 끼운 머리 달린 볼트(311)로 관통시켜 제 2 와셔(313)를 끼우고 너트(314)로 죄어 철골 기둥(10)의 양측 플랜지에 철골 보(20a)(20b)를 접합한다.
이에 따라 평상시 철골 보로부터 전달되는 하중(휨모멘트와 전단력)은 볼트 접합에 의해 철골 기둥으로 전달되고 지진하중 등에 의해 수평력을 받으면 수평력에 따라 볼트에 삽입된 코일 스프링이 작용하여 보-기둥 접합부가 벌어지면서 에너지를 흡수하고 수평력이 제거되면 코일 스프링의 복원력에 의해 접합부가 다시 원위치로 회복된다. 다시 말해서 본 실시 예에 따른 보-기둥 접합부는 초기 강성을 저감시키지 않고 소성변형 후 잔류변형을 없애면서 우수한 에너지 흡수능력을 갖는다.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 분해사시도이고, 도 2b는 결합상태의 정면도이며, 도 2c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
본 실시 예의 경우도 전술한 실시 예와 동일하게 평상시 철골 보로부터 전달되는 하중은 볼트 접합에 의해 철골 기둥으로 전달되고 수평력을 받으면 수평력에 따라 볼트에 삽입된 코일 스프링이 작용하여 접합부가 벌어지면서 에너지를 흡수한다.
그러나 본 실시 예에서 볼트는 양단에 나사가 가공된 양나사 볼트(321)이고 철골 기둥(10)의 양측 플랜지(11)(12)와 철골 보(20a)(20b)의 단부판(21)을 모두 관통하도록 설치된다. 그리고 양나사 볼트(321)에는 각각 너트(324)가 결합되고, 와셔는 너트(324)에 각각 접하는 제 1 와셔(322)와 제 2 와셔(323)로 구성되며, 코일 스프링(40)은 철골 보(20a)(20b)의 단부판(21)과 제 1 와셔(322) 그리고 제 2 와셔(323) 사이에 각각 설치된다.
한편, 아래의 실시 예들은 전술한 실시 예들과 동일하게 평상시 철골 보로부 터 전달되는 하중은 볼트 접합에 의해 철골 기둥으로 전달되고 수평력을 받으면 수평력에 따라 볼트에 삽입된 코일 스프링이 작용하여 접합부가 벌어지면서 에너지를 흡수한다. 더불어 상하부 진동에 대해서도 접합부가 변형을 흡수하도록 한다.
제3a는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 3b는 결합상태의 정면도이며, 도 3c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
본 실시 예에서는 보-기둥 접합부에 가해지는 상하부 진동에 대해 접합부가 변형하도록 볼트를 2개로 분할하고 자유롭게 회전 가능하도록 접합하였다.
즉, 철골 기둥(10)에 철골 보(20a)(20b)를 접합시키는 볼트는 2개로 분할되고 회전 가능하게 접합된 양나사 볼트(331)로 구성된다. 즉, 2개로 분할된 볼트 중 어느 하나(331a)의 일측에 구형 확대부(331b)를 형성하고 다른 하나(331c)의 일측에 상기 구형 확대부(331b)를 수용하는 홈(331d)이 형성된 반구형 확대부(331e)를 형성하여 상기 구형 확대부(331b)가 반구형 확대부(331e)에 끼워맞춤하여 회전 가능하게 접합된다. 이때, 구형 확대부(331b)와 반구형 확대부(331e)의 접합은 철골 기둥(10)의 양측 플랜지(11)(12) 사이에 위치하도록 한다.
접합방법은 본 실시 예에 따른 2개로 분할되어 회전 가능하게 접합된 양나사 볼트(331)를 철골 기둥(10)의 양측 플랜지(11)(12)와 철골 보(20a)(20b)의 단부판(21)을 모두 관통하도록 설치된다. 그리고 양나사 볼트(331)에는 각각 너트(334)가 결합되고, 와셔는 너트(334)에 각각 접하는 제 1 와셔(332)와 제 2 와셔(333)로 구성되며, 코일 스프링(40)은 철골 보(20a)(20b)의 단부판(21)과 제 1 와셔(322) 그리고 제 2 와셔(323) 사이에 각각 설치된다.
제4a는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 4b는 결합상태의 정면도이며, 도 4c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
본 실시 예는 전술한 제 3 실시 예와 동일하게 기둥-보 접합부에 가해지는 상하부 진동에 대해 접합부가 변형하며 볼트를 2개로 분할하고 서로 힌지 접합하였다.
그러나 그 접합구조가 서로 다른데, 2개로 분할된 양나사볼트 중 어느 하나(341a)의 일측에 아이(341c)를 형성하고 다른 하나(341b)의 일측에 포크(341d)를 형성하여 핀(341e)으로 서로 연결시킨다.
접합방법은 본 실시 예에 따른 2개로 분할되어 힌지 접합된 양나사 볼트(341)를 철골 기둥(10)의 양측 플랜지(11)(12)와 철골 보(20a)(20b)의 단부판(21)을 모두 관통하도록 설치된다. 그리고 양나사 볼트(341)에는 각각 너트(344)가 결합되고, 와셔는 너트(344)에 각각 접하는 제 1 와셔(342)와 제 2 와셔(343)로 구성되며, 코일 스프링(40)은 철골 보(20a)(20b)의 단부판(21)과 제 1 와셔(342) 그리고 제 2 와셔(343) 사이에 각각 설치된다.
상술한 제 3, 4 실시 예들의 경우 기둥-보 접합부에 가해지는 상하부 진동에 대해 접합부가 변형한 후 스프링 작용에 의해 진동이 멈춘 후 철골 보가 제자리도 돌아오게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 철골 기둥-보 접합부의 경우 보- 기둥 접합부가 동일 레벨에 있지 않더라도 충분한 내진 효과가 달성되며 기존의 볼트를 이용한 접합방법과 동일하기 때문에 긴장작업이 필요 없어 시공이 간편하다.
위에서 본 발명은 실시 예를 이용하여 상세하게 설명이 되었다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 제시된 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않고 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 결합상태의 정면도이며, 도 1c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 2b는 결합상태의 정면도이며, 도 2c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
도 3a는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 3b는 결합상태의 정면도이며, 도 3c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
도 4a는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 철골 보-기둥 셀프센터링 접합부를 나타낸 사시도이고, 도 4b는 결합상태의 정면도이며, 도 4c는 볼트접합수단에 코일 스프링이 삽입되는 상태를 나타낸 분해사시도이다.
도 5는 접합부의 일부를 약하게 하여 변형이 집중되도록 하는 철골 모멘트 구조의 접합부(ANSI/AISC 358-05)를 나타낸 사시도이다.
도 6은 접합부를 강하게 보강하는 철골 모멘트 구조의 접합부(ANSI/AISC 358-05)를 나타낸 사시도이다.
도 7은 철골 모멘트 구조(ANSI/AISC 358-05)의 접합부의 이력거동을 나타낸 그래프이다.
도 8은 SC 시스템의 이력거동을 나타낸 그래프이다.
도 9는 종래 SC 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 10은 종래 SC 시스템의 거동 특성을 설명하는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 철골 기둥과,
    단부판이 접합된 철골 보와,
    상기 철골 기둥과 상기 철골 보의 단부판을 관통하도록 설치되어 상기 철골 기둥의 양측에 상기 철골 보를 비부착 접합하며 볼트와 너트 그리고 와셔로 구성되는 복수의 볼트체결수단과,
    상기 복수의 볼트체결수단에 각각 삽입되어 횡력에 의해 철골 보와 기둥의 접합부에 발생하는 잔류변형을 없애고 에너지를 흡수하는 복수의 코일 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 철골 기둥과 철골 보는 H형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 볼트체결수단의 볼트는 머리 달린 볼트이고 상기 철골 보의 단부판과 철골 기둥의 일측 플랜지를 관통하도록 각각 결합되며,
    상기 와셔는 볼트 머리에 접하는 제 1 와셔와 너트에 접하는 제 2 와셔로 구성되며,
    상기 코일 스프링은 철골 보의 단부판과 제 1 와셔 그리고 제 2 와셔 사이에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 볼트체결수단의 볼트는 양단에 나사가 가공된 양나사 볼트이고 상기 철골 기둥의 양측 플랜지와 철골 보의 단부판을 모두 관통하도록 설치되며,
    상기 양나사 볼트에는 각각 너트가 결합되고,
    상기 와셔는 너트에 각각 접하는 제 1 와셔와 제 2 와셔로 구성되며,
    상기 코일 스프링은 철골 보의 단부판과 제 1 와셔 그리고 제 2 와셔 사이에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양나사 볼트는 2개로 분할되고 그 중 어느 하나의 일측에 구형 확대부를 형성하고 다른 하나의 일측에 상기 구형 확대부를 수용하는 홈이 형성된 반구형 확대부를 형성하여 상기 구형 확대부가 반구형 확대부에 끼워맞춤하여 회전 가능하게 접합되며 그 접합부는 상기 철골 기둥의 양측 플랜지 사이에 위치하도록 한 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 양나사 볼트는 2개로 분할되고 그 중 어느 하나의 일측에 아이를 형성 하고 다른 하나의 일측에 포크를 형성하여 핀으로 서로 연결시키며 그 접합부는 상기 철골 기둥의 양측 플랜지 사이에 위치하도록 한 것을 특징으로 하는 철골 보와 기둥의 셀프센터링 접합부 구조.
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