전단벽을 가진 고층건물의 반강접 접합 위치와 강성에 관한 연구

Abstract

모든 접합부는 강절(Rigid)과 핀접합(Pinned Connection) 사이의 회전강성을 가지고 있다. 또한 역해석(Inverse Analysis)이나 안전 진단을 위해 변형이 발생한 건물의 변형 각도를 조사해보면 90°를 유지하는 경우는 없다. 따라서 변위를 일으킨 하중이나 원인을 규명하기 위해 강절만이 아닌 반강접(Semi-Rigid)으로 모델링하여 시뮬레이션을 하는 것이 건물에 발생한 변형 및 잔존 수명을 예측하는데 더 정확하고 합리적이다. 일반적으로 반강접은 저층 건물에서 선호되었으나 고층 건물에서 강절과 함께 사용하였을 때, 사용성(Serviceability)과 안정성(Stability) 조건을 만족하는 한도 내에서는 전체 강절의 수가 줄어들어 경제적인 시공이 된다. 여러 연구자들이 밝혀낸 반강접에 대한 지식 정보가 너무나 복잡하고 일관적이지 못하며, 체계적인 시방서로 정리되지 못하여 구조 엔지니어가 반강접 접합을 실무에 적용하지 못하고 단지 연구에만 그치는 한계를 가지고 있었다. 현재는 반강접을 실무에 적용하기 위한 실용 프로그램 개발 및 다양한 연구가 진행 중이다. 본 연구 또한 전단벽이 고려된 고층의 철골 골조에서 반강접 접합을 강절과 혼용할 때, 반강접의 적절한 위치와 EC3 분류에 근거한 회전강성의 범위를 제시하는 해석적 고찰을 수행하였다. 본 연구에서 제시된 내용은 상용 구조 해석 프로그램인 MIDAS를 사용하여 해석적 고찰을 수행하였으며, 실무에서 반강접 접합부 설계를 위한 기초적인 자료로 효율적으로 적용될 수 있다. 전단벽이 있는 철골조의 반강접 위치 및 회전강성 정도에 의한 골조의 거동을 해석적으로 고찰한 본 논문의 결론은 다음과 같다. 1. 1경간, 1층 골조와 2경간, 3층 골조의 예제를 통하여 간단한 단부 해제만으로도 반강접의 개념을 실무에 적용할 수 있음을 고찰하였다. 2. Kishi가 사용한 4경간, 8층 골조의 반강접은 0.3의 단부 고정계수에 해당하였다. 이는 EC3 시방서의 접합부 분류에 의하면 반강접이 아닌 핀 접합(Flexible zone)에 해당하므로 엄밀히 구분하면 반강접과 강절의 혼합이 아니다. 따라서 본 논문에서는 Kishi의 골조에 EC3의 분류를 사용하여 반강접의 회전강성의 정도인 단부 고정계수 가 0.35 이상임을 규명하였다. 3. 일반적으로 시공적인 면에서 접합부의 종류와 위치가 다양할수록 시공의 효율은 떨어진다. 이에 본 논문에서는 전체 접합부를 동일한 방법으로 시공할 수 있도록 전체 반강접을 사용할 수 있는 하한계 회전강성 r_low를 제안하였다. Kishi는 0.3의 단부 고정계수를 사용하는 대신 외주의 접합부를 강절로 접합하였다. 본 논문에서는 전체 접합부를 반강접으로 하였을 때의 하한계(Lower limit) 회전강성 r_low 0.6 을 규명하였다. 4. Case Study I의 해석을 고찰하면, 전단벽-골조 시스템에서 외주를 강절로 묶고, 나머지 접합부는 반강접으로 혼용하는 것이 수평 변위를 효과적으로 감소시키고, 경제적이었다. 그러나 시공성까지 고려하면 전단벽-전체 반강접 시스템이 가장 경제적이다. 5. 전단벽-골조 시스템을 도입함으로써 전단벽이 건물의 수평 변위를 크게 분담하기 때문에 골조 시스템보다 부재의 단면을 줄일 수 있다. 이에 본 논문에서는 콘크리트 강도 240 kgf/㎠의 철근 콘크리트벽에 벽두께 6 in.(150mm)를 사용한 경우에 대하여 최적화 설계를 수행하였다. 그 결과 전체 건물 중량이 약 16%가 줄어들었고, 이에 따라 시공비도 줄어들게 되었다. 6. 전단벽-골조 시스템에서는 우선 전단벽의 위치가 전체 골조에 미치는 영향을 알아보기 위하여 5개의 경간에 대하여 해석적 고찰을 수행하였다. 그 결과 전단벽이 전체 골조에서 대칭의 위치로 이동할수록 수평 변위의 감소가 현저하였으며, 이 때는 모든 접합부를 반강접으로 하는 것이 효율적이고 경제적이었다. 그러나 전단벽의 위치는 건축 설계에서 주로 결정되기 때문에 구조 설계의 요인이 아닐 수도 있다. 따라서 본 연구는 전단벽-골조 시스템에서 반강접의 위치와 회전강성 정도에 따라 골조의 거동을 살펴보았고, 전단벽의 위치에 따른 설계의 기본 자료를 제시하였다. 7. 15층 전단벽-반강접 골조에 대해서도 8층 Kishi의 골조에 전단벽의 위치와 반강접의 회전강성의 변화 유형과 동일한 양상을 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제시한 전단벽-반강접 골조에 대한 설계의 기본 자료가 고층에서도 적용될 수 있음이 입증되었다.;The steel framework is one of the most commonly used structural system in modern construction. Conventional analysis and design of steel frames are performed using the assumption that the connections are either fully rigid or ideally pinned. Although the use of such idealized connection behavior greatly simplifies the analysis and design process, the predicted response of the idealized structure may be quite unrealistic compared to the response for the actual structure. In fact the actual behavior of beam-to-column connections used in practical process always falls in between these two extreme cases. So much attention has been focused in recent years toward a more accurate modelling of such connections. Recent research on structural semi-rigid connections has resulted in considerable progress of development of analysis programs and design guidelines. The semi-rigid connections combining with rigid connections can be used economically for tall buildings, if the serviceability check and the stability check are confirmed. In this study, the locations and the rotational stiffness of semi-rigid connections are proposed in high-rise steel frames with shear walls. The rotational stiffness of semi-rigid connections is based on the classification of Eurocode 3. The present numerical analyses are performed by the MIDAS program which is used in structural analysis commonly. The results drawn from this work may be used effectively for the design of semi-rigid connections in practical process. The results are as follows: 1. Semi-rigid connections can be used efficiently through the beam end-release in practical design. This result is verified through the examples of one-bay one-story and two-bay three story frames. 2. The rotational stiffness of semi-rigid connection which is used in Kishi's four-bay eight-story is about 0.3. But this end fixity factor falls in the flexible zone of Eurocode 3. The end fixity factor r of Kishi's frame is more than 0.35 by means of the classification of Eurocode 3. 3. In general the efficiency of construction is declined when types and locations of connections are various. In this study, r_low is proposed for effective and economical construction. r_low stands for the lower limit of end fixity factor and imply the semi-rigidity. Instead of using r as 0.3, Kishi assumed that all connections in exterior columns and in the second floor are all rigidly jointed. r_low is 0.6 that satisfies serviceability and stability conditions in all semi-rigid frames. 4. In Case Study I, shear wall-frame which exterior columns are rigidly jointed and the rest of beam-to-column connections are semi-rigidly jointed. But shear wall-all semi rigid frame is most economical case in the construction aspect. 5. Shear wall perform an important part in the distribution of lateral loads. So the element sections are reduced in shear wall-frame system. In this study, shear wall which has concrete strength 240 kgf/㎠ , thickness 6 in.(150mm) is used. The total weight of structure is reduced 16% as a result of the optimal design and the cost of construction also reduced. 6. To specify the effect of shear wall location, the analytical study is performed for 5 bay cases. As a result of analysis, when the location of shear wall approaches center bay, the drift of building is decrease remarkably. But the shear wall location may not be the parameter of structural design. So in this study, the shear wall-frame behaviors for various combinations of paramters are presented. The parameters used are locations of semi-rigid connection, the rotational stiffness of connections and locations of shear walls. The results of study can be adopted as basic design materials of semi-rigid connections. 7. For 15-story buildings, the trends are similar to the results of prior analysis of Kish's 8-story frames. So the fact that design materials of semi-rigid connections drawn from this study can be applied in tall buildings is verified.