KR20210013929A - 기둥과 보의 접합구조 - Google Patents

기둥과 보의 접합구조 Download PDF

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KR20210013929A KR1020190091785A KR20190091785A KR20210013929A KR 20210013929 A KR20210013929 A KR 20210013929A KR 1020190091785 A KR1020190091785 A KR 1020190091785A KR 20190091785 A KR20190091785 A KR 20190091785A KR 20210013929 A KR20210013929 A KR 20210013929A
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Abstract

본 발명은 기둥; 단부가 상기 기둥에 접합되고, 대향되게 설치되는 한 쌍의 플랜지부재와, 상기 한 쌍의 플랜지부재의 사이를 연결하는 웨브부재를 구비하는 보; 및, 상기 기둥과 상기 보의 접합부분에 설치되는 스티프너;를 포함하고, 상기 스티프너는, 상기 기둥에 및 상기 플랜지부재에 접합되며, 상대적으로 큰 폭을 가지는 제1 스티프너; 상기 플랜지부재에 접합되고, 상기 보의 상기 제1 스티프너에 비해 상대적으로 작은 폭을 가지는 제2 스티프너; 및, 상기 제1 스티프너와 상기 제2 스티프너의 사이에 형성되고, 상기 제1 스티프너에서 제2 스티프너 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 만곡라인이 형성되는 제3 스티프너;를 구비하고, 상기 제2 스티프너의 길이방향 영역에서 소성힌지가 발생되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조를 제공한다.

Description

기둥과 보의 접합구조{CONNECTING STURCTURE BETWEEN COLUMN AND BEAM}
본 발명의 강도가 보강된 기둥과 보의 접합구조에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아님을 밝혀둔다.
최근 전세계적으로 지진 발생의 회수나 강도가 증가하고 있어, 내진설계에 대한 관심이 높아지고 있다.
일반적으로 강구조물은 철근콘크리트조보다 가볍고, 변형능력이 우수하여 내진성능이 우수한 것으로 알려져 있다.
하지만, 강구조물의 장점에도 불구하고, 큰 지진 발생시 힘이 집중되는 보-기둥 접합부쪽의 취성파단이 발생하여 건물이 붕괴되거나, 큰 피해로 이어진 사례들이 많다.
이는 강구조물의 재료뿐만 아니라 보, 기둥의 내력비, 보-기둥 접합상세, 용접 품질, 시공 등의 유기적인 관계가 중요하다.
재료적인 측면에서는 최근 강구조 재료분야의 품질이 향상되어 항복비 0.85이하는 물론 0.8이하의 소재가 개발되어 내진성능에 유리해지고 있다.
또한, 보-기둥 접합상세는 연성능력을 향상시키고 접합부쪽의 취성파단을 방지하고자 보 단면의 일부를 따내는 RBS공법 등이 있다.
그리고 국내에서는 단부보강판을 부착하여 취성파단 방지 및 강도보강을 하고자 하는 시도들이 있다.
강구조물의 내진성능을 향상시키기 위해서는 내진설계, 내진용 재료의 선정, 접합부 디테일, 용접을 비롯한 제작의 품질, 시공 오차의 최소화 등이 복합적으로 이루어져야 한다.
KR 20-0279918 Y1
본 발명은 일 측면으로서, 기둥과 보의 접합부분의 강도를 보강하고, 취성파단을 방지할 수 있는 기둥과 보의 접합구조를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 기둥; 단부가 상기 기둥에 접합되고, 대향되게 설치되는 한 쌍의 플랜지부재와, 상기 한 쌍의 플랜지부재의 사이를 연결하는 웨브부재를 구비하는 보; 및, 상기 기둥과 상기 보의 접합부분에 설치되는 스티프너;를 포함하고, 상기 스티프너는, 상기 기둥에 및 상기 플랜지부재에 접합되며, 상대적으로 큰 폭을 가지는 제1 스티프너; 상기 플랜지부재에 접합되고, 상기 보의 상기 제1 스티프너에 비해 상대적으로 작은 폭을 가지는 제2 스티프너; 및, 상기 제1 스티프너와 상기 제2 스티프너의 사이에 형성되고, 상기 제1 스티프너에서 제2 스티프너 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 만곡라인이 형성되는 제3 스티프너;를 구비하고, 상기 제2 스티프너의 길이방향 영역에서 소성힌지가 발생되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조를 제공한다.
바람직하게, 아래의 수학식 (1), (2)를 만족할 수 있다.
수학식 (1):
Figure pat00001
수학식 (2):
Figure pat00002
여기서, L S : 스티프너의 길이, h: 보의 춤(높이), b a : 제2 스티프너의 폭, t f : 보의 플랜지부재의 두께이다.
바람직하게, 아래의 수학식 (3), (4)를 만족할 수 있다.
수학식 (3):
Figure pat00003
수학식 (4):
Figure pat00004
여기서, b n : 제1 스티프너의 폭, b f : 보의 플랜지부재의 폭, d a : 제1 스티프너의 길이이다.
바람직하게, 상기 제2 스티프너의 길이방향 영역에서 소성힌지가 발생되도록 아래의 수학식 (5) ~ (7)을 만족할 수 있다.
수학식 (5):
Figure pat00005
수학식 (6):
Figure pat00006
,
Figure pat00007
수학식 (7):
Figure pat00008
,
Figure pat00009
여기서, MpA: A단면의 전소성 모멘트, MpB: B단면의 전소성 모멘트, MpC: , C단면의 전소성 모멘트, L: 보의 길이, L S : 스티프너의 길이, L S1 : 제1 스티프너의 길이와 제3 스티프너의 길이의 합, L S2 : 제2 스티프너의 길이, b a : 제2 스티프너의 폭, b n : 제1 스티프너의 폭, t f 는 보의 플랜지부재의 두께, b f : 보의 플랜지부재의 폭, b af : 보의 플랜지부재의 폭과 한 쌍의 제2 스티프너의 폭의 합, b nf : 보의 플랜지부재의 폭과 한 쌍의 제1 스티프너의 폭의 합, d a : 제1 스티프너의 길이, d b : 제2 스티프너와 제3 스티프너의 길이의 합, t f : 보의 플랜지부재의 두께, h: 보의 춤(높이)이다.
바람직하게, 상기 보는, 상기 한 쌍의 플랜지부재의 폭방향 전체구간 및, 상기 웨브부재의 높이방향 전체구간이 상기 기둥에 접한 상태에서 용접 접합될 수 있다.
바람직하게, 상기 스티프너는, 상기 플랜지부재의 폭방향 양단부에 각각 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제3 스티프너는, 상기 제1 스티프너에서 제2 스티프너 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 원호상의 만곡라인이 형성되고, 상기 만곡라인은 상기 제3 스티프너의 길이방향 전체에 걸쳐서 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기둥과 보의 접합부분의 강도를 보강하고, 취성파단을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 아닌 다른 방법에 의한 보와 기둥 접합부의 보강을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보와 기둥의 접합구조의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보와 기둥의 접합구조에서 스티프너의 설계를 위한 치수 등을 표시한 보와 스티프너의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보와 기둥의 접합구조에서의 보유내력과 발생모멘트를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보와 기둥의 접합구조의 일 실시예에 따른 실험체를 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a에 의한 실험체를 활용한 실험 전과 후를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5a의 실험체에 의한 실험에 따른 모멘트 - 회전각의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5a의 실험체에 의한 실험에 따른 모멘트 - 소성회전각의 관계를 도시한 도면이다.
도 8은 도 5a의 실험체에 의한 실험에 따른 구간별 인장변형도를 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 0.05rad 구간별 인장변형도를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보와 기둥의 접합구조의 해석적 성능검증을 위한 유한요소해석 과정을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1을 참조하면, 기둥(1)에 보(2)가 접합되면서 기둥(100)과 보(200)의 접합부를 형성할 수 있고, 기둥(1)과 보(2)의 사이에 단부보강판(3)이 접합될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반 단부보강판(3) 보강법은 접합부에서 최대하중이 발생하는 단부에 단부보강판(3)을 보강하여 비보강 보에 대비하여 높은 내력을 보유할 수 있는 공법이다.
하지만, 단순히 단부보강판단부보강판(3)로 보강하게 되면 용접부 단부에서 취성파단부분(4)을 유발할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 기둥(100)과 보(200)의 접합구조는 재료, 접합부 디테일을 포함한 설계, 제작 품질 등을 통하여 내진 성능을 향상시키고자 하고, 본 발명에 의하면 보(200) 춤(높이) 1,000mm 까지 최고등급의 내진접합부인 특수모멘트 접합부의 성능이 확보될 수 있다.
본 발명의 접합구조는 단순히 기둥(100)과 보(200)의 접합부분의 단부를 보강하여 내력을 높히는 것이 주된 목적이 아니라, 소성힌지의 발생의 유도하여 접합부분의 단부에서 발생하는 응력을 보다 넓은 영역으로 소산시켜 취성파단을 방지하는 것을 목적으로 한다.
이하, 도 2 내지 도 10b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접합구조에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합구조는 기둥(100), 보(200), 스티프너(300)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 접합구조는 기둥(100)과, 단부가 상기 기둥(100)에 접합되고, 대향되게 설치되는 한 쌍의 플랜지부재(210)와, 상기 한 쌍의 플랜지부재(210)의 사이를 연결하는 웨브부재(230)를 구비하는 보(200) 및, 상기 기둥(100)과 상기 보(200)의 접합부분에 설치되는 스티프너(300)를 포함할 수 있다.
도 2 및, 도 3을 참조하면, 스티프너(300)는, 상기 기둥(100)에 및 상기 플랜지부재(210)에 접합되며, 상대적으로 큰 폭을 가지는 제1 스티프너(310)와, 상기 플랜지부재(210)에 접합되고, 상기 보(200)의 상기 제1 스티프너(310)에 비해 상대적으로 작은 폭을 가지는 제2 스티프너(320) 및, 상기 제1 스티프너(310)와 상기 제2 스티프너(320)의 사이에 형성되고, 상기 제1 스티프너(310)에서 제2 스티프너(320) 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 만곡라인이 형성되는 제3 스티프너(330)를 구비하고, 상기 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생될 수 있다.
본 발명에 적용된 기둥(100), 보(200), 스티프너(300)는 강재 등의 금속소재로 구성될 수 있고, 기둥(100), 보(200), 스티프너(300)는 서로 용접 접합될 수 있다.
일례로, 접합구조에 적용되는 강재는 KS상에서 가장 우수한 내진성능을 가지고 있는 SN 강재를 사용하여 소재의 항복비가 0.8 이하로 제어되고, 용접성능을 향상시켜 구조물의 기본적인 내진성능을 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 기둥(100)은 H형 단면 또는 I형 단면을 가지는 형강으로 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 기둥(100)은 대향되게 설치되는 한 쌍의 기둥플랜지(110)와, 한 쌍의 기둥플랜지(110)를 연결하는 기둥웨브(120)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 기둥플랜지(110)와, 기둥웨브(120)를 포함하여 횡방향으로 H형 또는 I형의 단면을 형성할 수 있다.
기둥(100)은 한 쌍의 기둥플랜지(110)와 기둥웨브(120)의 사이에 설치되어 횡방향으로 H형 또는 I형의 단면을 보강하는 수평보강판(130)을 더 구비할 수 있다.
기둥(100)은 사각형의 단면을 가지는 강관으로 구성될 수 있고, 보(200)는 기둥(100)의 사각형의 단면의 각변에 용접 접합될 수 있다.
물론, 기둥(100)은 다각형의 단면을 가지는 강관으로 구성될 수 있고, 보(200)는 기둥(100)의 다각형의 단면의 각변에 용접 접합될 수 있다.
물론, 기둥(100)에는 기둥플랜지(110), 기둥웨브(120) 이외에 다른 추가적 구성요소가 부가될 수 있음은 물론이다.
도 2를 참조하면, 보(200)는 단부가 기둥(100)에 교차되게 접합될 수 있다.
보(200)는 한 쌍의 플랜지부재(210)와 웨브부재(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
한 쌍의 플랜지부재(210)는 길이방향(D2)으로 연장 형성되고, 높이방향으로 대향되게 이격 배치된 상태에서 웨브부재(230)에 의해 연결되면서 종방향으로 H형 또는 I형의 단면을 형성할 수 있다.
한 쌍의 플랜지부재(210)와 웨브부재(230)는 길이방향(D2) 단부가 기둥(100)의 기둥플랜지(110)에 접한 상태에서 용접 접합될 수 있다.
물론, 보(200)에는 플랜지부재(210), 웨브부재(230) 이외에 다른 추가적 구성요소가 부가될 수 있음은 물론이다.
도 2 및, 도 3을 참조하면, 스티프너(300)는 기둥(100)과 보(200)의 접합부분에 설치될 수 있다.
스티프너(300)는 소성힌지의 발생위치의 변경을 유도하는 역할을 한다.
스티프너(300)는 기둥(100)과 보(200)에 각각 접합되어 기둥(100)과 보(200)의 접합부분의 단부에서 발생하는 응력을 보다 넓은 영역으로 소산시켜 취성파단을 방지할 수 있다.
즉, 스티프너(300)는 기둥(100)과 보(200)의 접합부분에 설치됨으로써, 기둥(100)과 용접 접합되는 보(200)의 단부에 집중되던 응력을 보다 넓은 영역으로 소산시켜 소성힌지의 힌지의 발생위치를 기둥(100)과 보(200)의 접합부분인 보(200)의 단부영역에서 스티프너(300) 내의 설정된 위치로 이동시킬 수 있다.
물론, 스티프너(300)는 기둥(100)과 보(200)에 각각 접합되어 기둥(100)과 보(200)의 연결부분을 보강할 수 있음은 물론이다.
스티프너(300)는 단부가 기둥(100)의 기둥플랜지(110)와 수직하게 용접 접합되고, 보(200)의 플랜지부재(210)와 평행하게 배치되도록 수평방향 용접 접합될 수 있다.
일례로, 스티프너(300)는 보(200)와 별도로 제작되고, 보(200)에 용접 접합될 수 있다.
다른 일례로, 스티프너(300)는 처음부터 보(200)와 일체로 제작될 수 있다. 즉, 보(200)와 스티프너(300)가 별도의 접합부분 없이 일체로 제작될 수 있다.
스티프너(300)는 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 양단부에 형성되고, 단부가 기둥(100)에 접합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 스티프너(300)의 길이방향(D2) 단부는 기둥(100)의 기둥플랜지(110)에 접합되고, 스티프너(300)의 길이방향(D2)의 일측면은 보(200)의 플랜지부재(210)에 접합될 수 있다.
일례로, 스티프너(300)의 두께는 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께와 동일하고, 보(200)와 동일한 소재로 구성될 수 있다.
도 2 및, 도 3을 참조하면, 스티프너(300)는 보(200)의 폭방향(D1) 단부에서 접합되고, 기둥(100)에서 멀어지는 방향으로 제1 스티프너(310), 제3 스티프너(330), 제2 스티프너(320)가 연속적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 접합구조는 스티프너(300)의 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 접합구조는 스티프너(300)의 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생되도록 유도하여 보(200)의 단부영역에서 발생하는 취성파단을 방지하여 연성능력을 향상시키고 강도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
제1 스티프너(310)는 길이방향(D2) 단부가 상기 기둥(100)에 접합되고, 폭방향(D1) 단부가 플랜지부재(210)의 폭방향(D1)단부에 접합될 수 있다.
제2 스티프너(320)는 길이방향(D2) 단부가 제1 스티프너(310)와 접하고, 폭방향(D1) 단부가 플랜지부재(210)의 폭방향(D1)단부에 접합될 수 있다.
제3 스티프너(330)는 길이방향(D2) 일측단부는 제1 스티프너(310)와 접하고 타측 단부는 제2 스티프너(320)와 접하며, 폭방향(D1) 단부가 플랜지부재(210)의 폭방향(D1)단부에 접합될 수 있다.
본 발명의 접합구조는 스티프너(300)를 기둥(100)과 보(200)의 접합부분에 설치하여, 기둥(100)과 용접 접합되는 보(200)의 단부에 집중되던 응력을 보다 넓은 영역으로 소산시킴으로써, 소성힌지의 힌지의 발생위치를 기둥(100)과 보(200)의 접합부분인 보(200)의 단부영역에서 스티프너(300)의 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역으로 이동시킬 수 있다.
물론, 스티프너(300)에는 제1 스티프너(310), 제2 스티프너(320), 제3 스티프너(330) 이외에 다른 추가적 구성요소가 부가될 수 있음은 물론이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 접합구조의 성능목표 달성을 위한 설계의 과정 및, 접합구조의 보유내력 검토와 관련된 수학식 (1) ~ (7)를 설명하기 전에 관련된 변수들을 정의하면 다음과 같다.
여기서, MpA: A단면의 전소성 모멘트, MpB: B단면의 전소성 모멘트, MpC: , C단면의 전소성 모멘트, L: 보(200)의 길이(L), L S : 스티프너(300)의 길이, L S1 : 제1 스티프너(310)의 길이와 제3 스티프너(330)의 길이의 합, L S2 : 제2 스티프너(320)의 길이, b a : 제2 스티프너(320)의 폭, b n : 제1 스티프너(310)의 폭, t f 는 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께, b f : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭, b af : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭과 한 쌍의 제2 스티프너(320)의 폭의 합, b nf : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭과 한 쌍의 제1 스티프너(310)의 폭의 합, d a : 제1 스티프너(310)의 길이, d b : 제2 스티프너(320)와 제3 스티프너(330)의 길이의 합, t f : 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께, tw: 보(200)의 웨브부재(230)의 두께, h: 보(200)의 춤(높이), b cf : 기둥(100)의 기둥플랜지(110)의 폭이다.
본 발명의 접합구조는 아래의 수학식 (1), (2)를 만족할 수 있다.
수학식 (1):
Figure pat00010
수학식 (2):
Figure pat00011
여기서, L S : 스티프너의 길이, h: 보의 춤(높이), b a : 제2 스티프너(320)의 폭, t f : 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 접합구조의 성능목표 달성을 위한 설계의 과정과 관련된 수학식 (1) ~ (2)를 설명하면 다음과 같다.
수학식 (1)에 따르면, 스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.2 배 이상으로 형성되어야 한다.
수학식 (1)에 따르면, 스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.2 배 이상으로 형성하는 이유는, 스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.2 배 미만으로 될 경우는 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
수학식 (2)에 따르면, 제2 스티프너(320)의 폭(b a )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께(t f ) 이상으로 형성되어야 한다. 이는, 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생시키기 위함이다.
제2 스티프너(320)의 폭(b a )이 과도하게 좁아질 경우, 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
즉, 본 발명의 접합구조는, 수학식 (1) ~ (2)를 만족시킬 경우, 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생하기 위한, 바람직한 본 발명의 접합구조의 성능목표 달성을 위한 설계를 만족시킬 수 있다.
본 발명의 접합구조는 보다 바람직하게, 수학식 (1), (2)를 대신하여 아래의 수학식 (1-1), (2-1)을 만족할 수 있다.
수학식 (1-1):
Figure pat00012
수학식 (2-1):
Figure pat00013
수학식 (2-1)에 따르면, 스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.2 배 이상으로 형성되어야 하고, 스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.5배 이하로 형성되어야 한다.
스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.2 배 이상으로 형성하는 이유는, 스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.2 배 미만으로 될 경우는 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
스티프너의 길이(L S )는 보의 춤(h)의 1.5배 이하로 형성하는 이유는, 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생될 수 있으나, 불필요한 부분까지 스티프너(300)가 연장 형성되는 문제점이 있기 때문이다.
수학식 (2-2)에 따르면, 제2 스티프너(320)의 폭(b a )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께(t f ) 이상으로 형성되어야 하고, 제2 스티프너(320)의 폭(b a )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께(t f )의 2배 이하로 형성되어야 한다.
제2 스티프너(320)의 폭(b a )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께(t f ) 이상으로 형성되어야 한다. 이는, 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생시키기 위함이다.
제2 스티프너(320)의 폭(b a )이 과도하게 좁아질 경우, 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
제2 스티프너(320)의 폭(b a )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께(t f )의 2배 이하로 형성하는 이유는, 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생될 수 있으나, 과다설계 등의 문제점이 있기 때문이다.
본 발명의 접합구조는 아래의 수학식 (3), (4)를 만족할 수 있다.
즉, 본 발명의 접합구조는, 수학식 (1) ~ (4)를 모두 만족시킬 수 있다.
수학식 (3):
Figure pat00014
수학식 (4):
Figure pat00015
여기서, b n : 제1 스티프너(310)의 폭, b f : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭, d a : 제1 스티프너(310)의 길이이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 접합구조의 성능목표 달성을 위한 설계의 과정과 관련된 수학식 (3) ~ (4)를 설명하면 다음과 같다.
수학식 (3)에 따르면, 제1 스티프너(310)의 길이(d a )는 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.5배 이상으로 형성되어야 한다.
제1 스티프너(310)의 길이(d a )를 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.5배 이상으로 형성하는 이유는, 제1 스티프너(310)의 길이(d a )는 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.5배 미만으로 될 경우는 제1 스티프너(310)의 길이(d a )가 과도하게 짧아지면서 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
수학식 (4)에 따르면, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 1/3 배이상으로 구성되어야 한다.
이는, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 1/3 배 미만으로 구성될 경우, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )이 과도하게 좁아지면서 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
본원발명은 수학식 (1), (2)와 함께 수학식 (3), (4)를 추가적으로 만족함으로써, 스티프너(300)가 기둥(100)과 용접 접합부분인 보(200)의 단부에 집중되던 응력을 보다 원활하게 넓은 영역으로 소산시켜, 소성힌지의 힌지의 발생위치를 기둥(100)과 보(200)의 접합부분인 보(200)의 단부영역에서 스티프너(300)의 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역으로 이동시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 접합구조는, 수학식 (1) ~ (4)를 만족시킬 경우, 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생하기 위한 보다 바람직한 본 발명의 접합구조의 성능목표 달성을 위한 설계를 만족시킬 수 있다.
본 발명의 접합구조는 보다 바람직하게, 수학식 (3), (4)를 대신하여 아래의 수학식 (3-1), (4-1)을 만족할 수 있다.
수학식 (3-1):
Figure pat00016
수학식 (4-1):
Figure pat00017
수학식 (3-1)에 따르면, 제1 스티프너(310)의 길이(d a )는 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.5배 이상으로 형성되어야 하고, 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.75배 이하로 형성되어야 한다.
제1 스티프너(310)의 길이(d a )를 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.5배 이상으로 형성하는 이유는, 제1 스티프너(310)의 길이(d a )는 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.5배 미만으로 될 경우는 제1 스티프너(310)의 길이(d a )가 과도하게 짧아지면서 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
제1 스티프너(310)의 길이(d a )를 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.75배 이하로 형성하는 이유는, 제1 스티프너(310)의 길이(d a )는 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 0.75배를 초과할 경우 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생될 수 있으나, 과다설계 등의 문제점이 있기 때문이다.
수학식 (4-1)에 따르면, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 1/3 배이상으로 구성되어야 하고, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )은 기둥(100)의 기둥플랜지(110)의 폭(b cf )의 이하로 구성되어야 한다.
이는, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )은 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f )의 1/3 배 미만으로 구성될 경우, 제1 스티프너(310)의 폭(b n )이 과도하게 좁아지면서 제2 스티프너(320)의 영역에서 소성힌지가 발생되지 않을 수 있기 때문이다.
제1 스티프너(310)의 폭(b n )은 기둥(100)의 기둥플랜지(110)의 폭(b cf )을 초과하여 구성될 경우, 제1 스티프너(310)가 기둥플랜지(110)와 용접 접합될 ㅅ 없는 영역까지 설치되면서 과다설계 등의 문제점이 있기 때문이다.
접합구조는 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생되도록 아래의 수학식 (5) ~ (7)을 만족할 수 있다.
수학식 (5):
Figure pat00018
수학식 (6):
Figure pat00019
,
Figure pat00020
수학식 (7):
Figure pat00021
,
Figure pat00022
도 2를 참조하면, 본 발명의 접합구조의 성능목표 달성을 위한 설계의 과정과 관련된 수학식 (5) ~ (7)을 설명하기 전에 관련된 변수들을 정의하면 다음과 같다.
여기서, MpA: A단면의 전소성 모멘트, MpB: B단면의 전소성 모멘트, MpC: , C단면의 전소성 모멘트, L: 보(200)의 길이(L), L S : 스티프너(300)의 길이, L S1 : 제1 스티프너(310)의 길이와 제3 스티프너(330)의 길이의 합, L S2 : 제2 스티프너(320)의 길이, b a : 제2 스티프너(320)의 폭, b n : 제1 스티프너(310)의 폭, t f 는 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께, b f : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭, b af : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭과 한 쌍의 제2 스티프너(320)의 폭의 합, b nf : 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭과 한 쌍의 제1 스티프너(310)의 폭의 합, d a : 제1 스티프너(310)의 길이, d b : 제2 스티프너(320)와 제3 스티프너(330)의 길이의 합, t f : 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께, tw: 보(200)의 웨브부재(230)의 두께, h: 보(200)의 춤(높이)이다.
표 1을 참조하면, 보(200)의 단면(PH- 1000x300x16x25)에 대한 IHS 설계결과는 다음과 같다.
여기서: 보(200)의 춤(h) = 1000 mm, 보(200)의 플랜지부재(210)의 폭(b f ) = 300mm, 보(200)의 웨브부재(230)의 두께(t w ) = 16 mm, 보(200)의 플랜지부재(210)의 두께(t f ) = 25 mm 이다.
Figure pat00023
본 발명의 접합구조는, 수학식 (5) ~ (7)를 만족시킬 경우, 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생할 수 있다.
수학식 (5):
Figure pat00024
수학식 (6):
Figure pat00025
,
Figure pat00026
표 1 및, 수학식(6)을 활용하여, A 단면의 전소성 모멘트를 계산하면 다음과 같다.
Figure pat00027
수학식 (7):
Figure pat00028
,
Figure pat00029
표 1 및, 수학식(7)을 활용하여, B 단면의 전소성 모멘트를 계산하면 다음과 같다.
Figure pat00030
C 단면의 전소성 모멘트를 계산하면 다음과 같다.
Figure pat00031
수학식 (5) ~ (7)에 의해, 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 영역에서 소성힌지가 발생하는지 여부를 검토하면 다음과 같다.
수학식 (5):
Figure pat00032
Figure pat00033
즉, 수학식(5)를 활용하여, 소성힌지 발현지점을 검증하면 B단면을 가지는 제2 스티프너(320)의 길이방향(D2) 구간에서 소성힌지가 발생하는 것을 알 수 있었다.
도 2를 참조하면, 보(200)는, 상기 한 쌍의 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 전체구간 및, 상기 웨브부재(230)의 높이방향 전체구간이 상기 기둥(100)에 접한 상태에서 용접 접합될 수 있다.
본 발명의 접합구조는, 보(200)에 용접의 편의를 위해 절개된 공간인 스캘럽(S)을 형성하지 않고, 보(200)와 스티프너(300)의 기둥(100) 방향의 단부 전체가 상기 기둥(100)의 외면에 접한 상태에서 용접 접합할 수 있다.
즉, 본 발명의 접합구조에 적용된 보(200)는 웨브부재(230)에 절개부분인 스캘럽(S)이 형성되지 않고, 웨브부재(230)의 높이방향 단면 전체가 기둥(100)에 용접 접합될 수 있다.
종래에는, 도 2의 확대된 부분에 점선으로 도시된 바와 같이, 기둥(100)과 보(200)를 용접 접합할 때, 용접이 편의성을 위해 기둥(100)에 접합되는 보(200)의 웨브의 단부에 개방된 부분인 스캘럽(S)을 형성하여 기둥(100)과 보(200)를 용접 접합하는 방식이 주로 사용되었다.
스캘럽(S)은 보(200)의 플랜지, 기둥(100), 웨브가 만나는 지점에 개방된 부분에 형성되고, 보(200)의 웨브가 만곡지게 절개되어 형성될 수 있다.
하지만, 종래와 같이 스캘럽(S)을 형성하여 기둥(100)과 보(200)를 용접 접합할 경우, 기둥(100)과 보(200)의 접합부분인 보(200)의 단부영역에서 응력집중이 발생하면서 취성파단이 빈번하게 발생했다.
도 2의 확대된 부분을 참조하면, 본 발명의 접합구조는, 보(200)의 한 쌍의 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 전체구간 및, 상기 웨브부재(230)의 높이방향 전체구간이 상기 기둥(100)에 접한 상태에서 용접 접합되면서 종래에 도입되던 스캘럽(S) 부분이 배제됨으로써, 보(200)의 단부영역에서의 응력의 흐름을 원활하게 하여 기둥(100)과 보(200)의 접합부분에서의 연성을 증가시켜 변형능력을 향상시키면서 종래에 스캘럽(S) 도입시 빈번하게 발생하던 취성파단을 방지할 수 있는 효과가 있다.
기둥(100), 보(200), 스티프너(300)는 용접 접합될 수 있고, 바람직하게 기둥(100), 보, 스티프너(300)는 용접에는 완전용입 용접 방식이 적용될 수 있다.
도 2 및, 도 3을 참조하면, 스티프너(300)는, 상기 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 양단부에 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 접합구조는 단순히 기둥(100)과 보(200)의 접합부분의 단부를 보강하여 내력을 높히는 것이 주된 목적이 아니라, 소성힌지의 발생의 유도하여 접합부분의 단부에서 발생하는 응력을 보다 넓은 영역으로 소산시켜 취성파단을 방지하는 것을 목적으로 하는바, 스티프너(300)는, 상기 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 양단부에 각각 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
스티프너(300)는 길이방향(D2) 단부가 기둥(100)에 접합되고, 폭방향(D1) 단부가 플랜지부재(210)에 접합될 수 있다.
기둥(100)과 보(200)의 접합부에는 한 쌍의 플랜지부재(210)가 배치될 수 있고, 각각의 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 양단부에 스티프너(300)가 배치될 수 있다.
즉, 보(200)가 H형강으로 구성될 경우, H형강 보(200)에는 상부측의 플랜지부재(210)에 2개의 스티프너(300)가 설치되고, 하부측의 플랜지부재(210)에 2개의 스티프너(300)가 설치되면서 기둥(100)과 보(200)의 일측 접합부에는 4개의 스티프너(300)가 설치될 수 있다.
물론, 보(200)의 상부측의 플랜지부재(210)와 하부측의 플랜지부재(210) 중 어느 일측에만 2개의 스티프너(300)를 설치하는 것을 고려할 수 있다.
하지만, 이 경우, 기둥(100)과 보(200)의 접합부분을 비보강시와 같이 접합부분이 연성거동을 하지 못하고 기둥(100)과 보(200)의 용접부 등의 접합부분에 취성파단이 발생할 수 있는바, 상부측의 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 양단부에 각각 스티프너(300)를 설치하고, 하부측의 플랜지부재(210)의 폭방향(D1) 양단부에 각각 스티프너(300)가 설치하여 기둥(100)과 보(200)의 일측 접합부에 4개의 스티프너(300)가 설치하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
도 2 및, 도 3을 참조하면, 제3 스티프너(330)는, 상기 제1 스티프너(310)에서 제2 스티프너(320) 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 원호상의 만곡라인이 형성되고, 상기 만곡라인은 상기 제3 스티프너(330)의 길이방향(D2) 전체에 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제3 스티프너(330)의 만곡라인의 반지름(R1) 값은 제3 스티프너(330)의 길이와 동일하게 구성될 수 있다.
도 5a 내지 도 10b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 접합구조의 실험체를 활용한 시험결과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 접합구조의 검증을 위하여 실대형 실험을 수행하였고, 기둥(100)에 사용된 부재는 Pos-H로 PH-600x600x50x70이고, 보(200)에 사용된 부재도 Pos-H로 PH-1000x300x16x25로 T형으로 접합구조의 실험체를 제작하였고, 가력방법은 KDS2019에서 제시하고 있는 반복재하절차를 적용하였다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보(200)와 기둥(100)의 접합구조의 일 실시예에 따른 실험체를 도시한 도면이고, 도 5b는 도 5a에 의한 실험체를 활용한 실험 전과 후를 도시한 도면이다.
도 5b를 참조하면, 0.05rad 2cycle까지 거동하였으며, 0.06rad의 변형은 액츄에이터 가력 범위를 초과하여 실험을 종료하였다.
가력 종료시까지 취성적 파단은 발생하지 않았으며, 스티프너(300)의 제2 스티프너(320)부분에서 소성힌지가 발생하였다.
도 6은 도 5a의 실험체에 의한 실험에 따른 모멘트 - 회전각(최대변형각)의 관계를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접합구조의 실험체는 회전각(최대변형각) 기준 0.04rad에서 0.8Mp 이상의 성능을 나타내어 특수모멘트 접합부의 성능을 발휘하였다.
즉, 본 발명의 접합구조의 실험체는 접합구조의 회전각(최대변형각) 기준 0.04rad 거동시까지 보 전소성 모멘트(Mp)의 80% 이상의 내력을 확보함으로써 특수모멘트골조(SMF) 요구성능을 만족하는 것을 알 수 있었다.
도 7은 도 5a의 실험체에 의한 실험에 따른 모멘트 - 소성회전각의 관계를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접합구조의 실험체는 소성회전각 기준 0.03rad에서 0.8Mp 이상의 성능을 나타내어, 특수모멘트 접합부의 성능을 발휘하였다.
즉, 본 발명의 접합구조의 실험체는 소성회전각 기준 0.03rad 거동시까지 보 전소성 모멘트(Mp)의 80% 이상의 내력을 확보함으로써 특수모멘트골조(SMF) 요구성능을 만족하는 것을 알 수 있었다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 접합구조의 실험체는 회전각(최대변형각) 기준 0.04rad에서 0.8Mp이상의 성능을 만족하고, 소성회전각 기준 0.03rad에서 0.8Mp이상의 성능을 만족하여 특수모멘트 접합부의 성능을 발휘함을 알 수 있었다.
도 8은 도 5a의 실험체에 의한 실험에 따른 구간별 인장변형도를 도시한 도면이고, 도 9는 도 8의 0.05rad 구간별 인장변형도를 도시한 도면이다.
도 8 및, 도 9는 보(200)의 길이(L)방향(D2) 및, 폭방향(D1)으로 3개씩 이격하여 스트레인 게이지를 부착하여 보(200)의 소성변형을 측정하였다.
도 8을 참조하면, 보(200)의 길이(L)방향(D2)으로 3개의 스트레인 게이지의 측정값을 보면, 좌측의 스트레인 게이지와, 우측의 스트레인 게이지의 측정값은 항복변형(Yield Strain)의 값인 0.002를 크게 벗어나지 않아 탄성화된 상태로 이 부분에서는 소성변형이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
반면에, 보(200)의 길이(L)방향(D2)으로 3개의 스트레인 게이지 중 길이방향(D2)으로 중앙의 스트레인 게이지의 값인 0.002를 크게 벗어나면서 소성화가 이루어지는 것을 알 수 있었다.
즉, 본 발명의 접합구조의 실험체는 스티프너(300)의 제2 스트프너의 길이방향(D2) 영역에서 소성화가 이루어지면서 소성힌지의 발생이 유도되는 것을 알 수 있었다.
도 9는 보(200)의 폭방향(D1)으로 3개씩 이격하여 스트레인 게이지를 부착하여 보(200)의 소성변형을 측정하였다.
도 9 및, 도 10b를 참조하면, 보(200)의 폭방향 좌측영역과 우측영역의 인장강도가 값이 상이한데, 이는 스티프너(300)의 제2 스티프너(320)에서 가장 높은 변형율을 나타내어 소성힌지가 발생되었기 때문이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보(200)와 기둥(100)의 접합구조의 해석적 성능검증을 위한 유한요소해석 과정을 도시한 도면이다.
도 10a는 본 발명의 접합구조의 실험체에 소성변형이 발생되기 전의 유한요소해석 상태를 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 접합구조의 실험체에 소성변형이 발생된 후의 유한요소해석 상태를 도시한 것이다.
또한, 도 10b를 참조하면, 보(200)의 폭방향 좌측영역과 우측영역의 소성변형 상태가 상이한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1: 기둥 2: 보
3: 단부보강판 4: 취성파단부분
100: 기둥 110: 기둥플랜지
120: 기둥웨브 130: 수평보강판
200: 보 210: 플랜지부재
230: 웨브부재 300: 스티프너
310: 제1 스티프너 320: 제2 스티프너
330:제3 스티프너 D1: 폭방향
D2: 길이방향 S: 스캘럽
L: 보의 길이 L S : 스티프너의 길이
L S1 : 제1 스티프너의 길이와 제3 스티프너의 길이의 합
L S2 : 제2 스티프너의 길이 b a : 제2 스티프너의 폭
b n : 제1 스티프너의 폭 t f 는 보의 플랜지부재의 두께
tw: 보의 웨브부재의 두께 b f : 보의 플랜지부재의 폭
b af : 보의 플랜지부재의 폭과 한 쌍의 제2 스티프너의 폭의 합
b nf : 보의 플랜지부재의 폭과 한 쌍의 제1 스티프너의 폭의 합
d a : 제1 스티프너의 길이
d b : 제2 스티프너와 제3 스티프너의 길이의 합
t f : 보의 플랜지부재의 두께 h: 보의 춤(높이)

Claims (7)

  1. 기둥;
    단부가 상기 기둥에 접합되고, 대향되게 설치되는 한 쌍의 플랜지부재와, 상기 한 쌍의 플랜지부재의 사이를 연결하는 웨브부재를 구비하는 보; 및,
    상기 기둥과 상기 보의 접합부분에 설치되는 스티프너;를 포함하고,
    상기 스티프너는,
    상기 기둥에 및 상기 플랜지부재에 접합되며, 상대적으로 큰 폭을 가지는 제1 스티프너;
    상기 플랜지부재에 접합되고, 상기 보의 상기 제1 스티프너에 비해 상대적으로 작은 폭을 가지는 제2 스티프너; 및,
    상기 제1 스티프너와 상기 제2 스티프너의 사이에 형성되고, 상기 제1 스티프너에서 제2 스티프너 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 만곡라인이 형성되는 제3 스티프너;를 구비하고,
    상기 제2 스티프너의 길이방향 영역에서 소성힌지가 발생되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.
  2. 제1항에 있어서,
    아래의 수학식 (1), (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.

    수학식 (1):
    Figure pat00034

    수학식 (2):
    Figure pat00035


    여기서, L S : 스티프너의 길이, h: 보의 춤(높이), b a : 제2 스티프너의 폭, t f : 보의 플랜지부재의 두께이다.
  3. 제2항에 있어서,
    아래의 수학식 (3), (4)를 만족하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.

    수학식 (3):
    Figure pat00036

    수학식 (4):
    Figure pat00037


    여기서, b n : 제1 스티프너의 폭, b f : 보의 플랜지부재의 폭, d a : 제1 스티프너의 길이이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 스티프너의 길이방향 영역에서 소성힌지가 발생되도록 아래의 수학식 (5) ~ (7)을 만족하는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.

    수학식 (5):
    Figure pat00038


    수학식 (6):
    Figure pat00039
    ,
    Figure pat00040


    수학식 (7):
    Figure pat00041
    ,
    Figure pat00042


    여기서, MpA: A단면의 전소성 모멘트, MpB: B단면의 전소성 모멘트, MpC: , C단면의 전소성 모멘트, L: 보의 길이, L S : 스티프너의 길이, L S1 : 제1 스티프너의 길이와 제3 스티프너의 길이의 합, L S2 : 제2 스티프너의 길이, b a : 제2 스티프너의 폭, b n : 제1 스티프너의 폭, t f 는 보의 플랜지부재의 두께, b f : 보의 플랜지부재의 폭, b af : 보의 플랜지부재의 폭과 한 쌍의 제2 스티프너의 폭의 합, b nf : 보의 플랜지부재의 폭과 한 쌍의 제1 스티프너의 폭의 합, d a : 제1 스티프너의 길이, d b : 제2 스티프너와 제3 스티프너의 길이의 합, t f : 보의 플랜지부재의 두께, h: 보의 춤(높이)이다.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보는,
    상기 한 쌍의 플랜지부재의 폭방향 전체구간 및, 상기 웨브부재의 높이방향 전체구간이 상기 기둥에 접한 상태에서 용접 접합되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스티프너는,
    상기 플랜지부재의 폭방향 양단부에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 스티프너는,
    상기 제1 스티프너에서 제2 스티프너 방향으로 갈수록 단면이 감소하는 원호상의 만곡라인이 형성되고, 상기 만곡라인은 상기 제3 스티프너의 길이방향 전체에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 기둥과 보의 접합구조.
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