풍하중을 고려한 전단벽-반강접 골조 시스템의 거동에 관한 연구

Abstract

The more steel structures are constructed as the high-rise buildings become generalized. The exact grasping real behavior of the connections is necessity when needed to examine the behavior both of the new building and the exist building. The connections are idealized as rigid or pin connections when analyzed but the fact that all connections are between the two ideal extreme connections(rigid and pin) is verified by many kinds of experiment. Therefore the semi-rigid connection model is reasonable to respect the deformation and the building s lifetime. The semi-rigid connections are usually used in low buildings but these can be used in high-rise building also, in the case of satisfying the conditions of serviceability and stability and be economic design. When the high-rise buildings are analyzed the real wind loads are applied instead of regular lateral loads. The research results of semi-rigid connections are not comfortable to use in office work. These days, the vary methods are studied to use the semi-rigid connection at the usual structure analysis program. In this study, the method of find the proper location and rigidity of semi-rigid connections in high-rise building by ETABS that can be analyzed by rotational stiffness. The result of a study on use of rigid and semi-rigid connections of tall buildings subjected to wind loads is following. The drift is small when the shear wall is located at middle span. In the case of semi-rigid frame-shear wall structure, the drift mode shape is not different, with rigid frame-shear wall structure. But the graph slope is small and the maximum drift is increased, so the proper choice of semi-rigid connection s rigidity and location is important design element. The lower and upper limit of semi-rigid is prescribed by Eurocode 3 classifications, so the range of the end fixity factor r is 0.143~0.786. When the location used semi-rigid connections is near the middle story it is disadvantageous to control the lateral drift. In this study, the method to zone 3 parts high-rise building by the height. The 3 parts are lower part, middle part, and higher part. For effective control lateral drift and economic design, middle part has to be designed as rigid connections and lower and higher part are better semi-rigid connections than rigid.; 최근 건축물의 고층화가 대중화되면서 건축물에 철골의 사용이 크게 증가하고 있다. 새로운 건축물을 설계하거나 이미 지어진 철골 건축물에서 사용성(Serviceability)이나 안전성(Stability)에 문제가 발생하여 강구조의 거동을 규명하여야 할 때 접합부에 대한 정확한 거동파악은 매우 중요한 과제이다. 현재 실무에서는 접합부를 강절(Rigid)과 핀접합(Pinned connection)으로 이상화하여 해석하고 있으나, 여러 연구자들의 실험에 의해 실제 모든 접합부는 강절과 핀접합사이의 회전강성을 가지고 있음이 입증되었다. 따라서 변위를 일으킨 하중이나 원인을 규명하기 위해 반강접(Semi-rigid connection)으로 모델링하여 시뮬레이션하는 것이 건물에 발생한 변형 및 잔존수명을 예측하는데 합리적인 방법이다. 일반적으로 반강접은 저층 건물에서 선호되었으나 고층 건물에서 강절과 함께 사용하였을 때, 사용성과 안정성 조건을 만족하는 한도 내에서는 전체 강절의 수가 줄어들어 경제적인 시공이 된다. 또한 고층건물을 해석함에 있어서 일정한 풍압을 받는 횡하중으로 풍하중을 고려하기보다는 풍하중 설계변수들을 합리적으로 고려한 개정된 풍하중 규준을 적용하여야 한다. 현재까지 발표된 반강접에 대한 연구결과는 실무에 적용하기에는 너무나 복잡하고 일관적이지 못하며, 아직 각국 시방서에 체계적으로 정리되어 있지 않다. 최근 해석 기기의 발달과 더불어 실무에서 사용하고 있는 구조해석 프로그램을 이용한 반강접의 개념을 도입할 수 있는 기법 연구가 다양하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 반강접의 개념을 회전강성 R로 고려할 수 있는 ETABS 프로그램을 이용하여, 고층 구조물에서 반강접의 적절한 위치와 강성을 찾는 방법을 제시하였다. 또한 구조실무자들이 반강접 접합부를 손쉽게 설계할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 전단벽-반강접 철골 구조물에 새로 규정된 풍하중규준을 적용하여 접합부의 거동과 변위 모드를 연구한 본 연구의 결론은 다음과 같다. 1. 풍하중을 고려한 전단벽-골조 시스템에서 접합부를 반강접으로 설계하였을 경우, 변위 모드는 강절로 설계하였을 경우와 전체 모드 형상에는 큰 차이가 없었다. 단, 변위모드가 옆으로 기우는 형상을 보여 최대 변위가 증가하므로 변위제한에 만족하도록 적절한 강성과 위치의 선택이 중요한 설계 요소임을 알 수 있었다. 2. 전단벽-반강접 골조 시스템에서 접합부의 강성을 변화시키며 층간변위를 고찰한 결과, 단부 고정 계수 r이 0.2 일 경우에 중간층을 제외하고는 모두 층간변위제한을 만족하였다. 3. 반강접 접합부의 범위는 EC3 규준에 의해 결정하여 단부 고정 계수 r값의 범위로 나타낸 결과 0.14~0.79이었다. 4. 7경간 25층 골조에서 반강접 접합부 사용 범위를 3개층(1절) 단위로 이동시키며 변위를 고찰하였다. 중층부에 반강접 접합을 사용한 경우, 최대변위의 증가량이 상층부나 하층부에 사용한 경우에 비해 최대 3.68배까지 크게 나타나 중층부에 반강접의 사용이 불리함을 알 수 있었다. 5. 반강접 접합부의 사용을 실제 구조물에 적용하기 위해서는 실용적인 구역화가 필요하므로, 4의 결과를 바탕으로 하층부, 중층부, 상층부의 3구역으로 나누어 따른 최적의 강성을 찾은 결과는 다음과 같다. 하층부-중층부-상층부의 접합을 PR2(Partial Rigid 2구역)-R-R과 PR3(Partial Rigid 3구역)-R-R로 하였을 경우에 하층부의 변위제한을 만족하는 단부 고정 계수 r의 하한계는 각각 0.24, 0.58이었고, R-R-PR2와 R-R-PR3로 하였을 경우에 상층부의 변위제한을 만족하는 r의 하한계는 각각 0.3 , 0.54 이었다. 6. 상층부와 하층부의 구역을 조합하여 변위를 고찰한 결과, PR2-R-PR2의 골조에서 하층부의 단부 고정 계수 r의 값을 0.3 부터 0.1 씩 증가시키며 이에 대한 변위제한을 만족하는 상층부의 r값을 고찰한 결과 0.4-1.0-0.75, 0.5-1.0-0.64, 0.6-1.0-0.54, 0.7-1.0-0.46이고, PR2-R-PR3의 골조에서 같은 방법으로 해석을 수행한 결과는 0.5-1.0-0.77, 0.6-1.0-0.71, 0.7-1.0-0.65로 모두 변위제한을 만족하였다. 7. 7경간 25층 골조에 기본 풍속 45㎧일 때의 큰 풍하중을 적용하여 일반적인 풍속의 변위모드와 비교한 결과 같은 양상을 얻었다. 또한 중층부에 반강접을 사용하는 경우는 하층부에 반강접을 사용하는 경우보다 변위의 증가가 최대 2.39배까지 크게 나타났다. 그러나 상층부에 큰 풍하중이 작용하여, 골조의 역할이 커지므로 상층부에 반강접사용의 범위가 감소하였다. 8. 5경간 15층 골조에서 반강접 사용범위를 조사한 결과 중층부에 단부 고정 계수 r이 매우 작을 경우에만 현저한 변위의 증가를 보였다. 9. 9경간 45층 골조에서 반강접 접합부의 사용범위를 조사한 결과 25층 골조에서와 비슷한 양상을 보였다. 다만 풍하중의 증가로 상층부에서 반강접 접합 사용범위가 약간 감소하는 경향을 보였다. 10. 고층 구조물에서 반강접 접합의 효율적인 사용을 위하여 횡변위곡선을 이용한 변곡점으로부터의 구역화를 위한 식을 제안하였다. 11. 본 연구에서 제안한 구역화식에 의해 접합부를 구역화하면 전체 접합부의 20%에서 42%까지 반강접접합을 사용하여 경제적인 시공이 된다.