A Study on the Simple Design Method of Semi-Rigid Connection with Angle in Steel Structure

강구조에서 ㄱ형강을 이용한 반강접 접합의 간편 설계

  • 허명재 (인천대학교 건축공학과) ;
  • 김홍근 (인천대학교 건축공학과, (주)STMeng) ;
  • 최원구 ((주)센구조연구소)
  • Received : 2011.01.20
  • Accepted : 2011.06.13
  • Published : 2011.06.27

Abstract

Recently, the demands for steel frame are increasing because of the trend and due to the demand for bigger and higher buildings. In the analysis of typical steel frame, connections are based on the idealized fixed or pinned connection. A fixed connection assumes that the relative angle of each member before deformation is the same after the transformation. Therefore, the stiffener reinforces the connection to sufficient rigidity and stability of the panel zone. In the economical aspect, however, the necessity of connection that the stiffener reinforcement has omitted is increasing due to the excessive production as well as labor costs of connection. In contrast, pinned connection is assumed that bending moments between the beams and columns do not transfer to each member. This is easy to make in the plant and the construction is simple. However, the structural efficiency is reduced in pinned connection because connection cannot transfer moments. The introduction of this semirigid process can decide efficient cross-sectional dimensions that promote ease in the course of structural erection, as performed by members in the field-a call for safety in the entire frame. Therefore, foreign countries exert efforts to study the practical behavior and the results are applied to criterion. This paper analyzes the semirigid connection of domestic steel by design specifications of AISC/LRFD and make data bank that pertain to each steel. After wards, the results are compared to those of idealized connection; at the same time, this paper presents a design method that matches economic efficiency, end-fixity, and rotational stiffness.

최근에는 건축물의 대형화, 고층화라는 시대적인 흐름과 요구로 인해서 철골 구조의 수요가 급증하고 있다. 일반적인 철골 구조의 해석은 접합부를 강접합과 단순접합으로 가정하여 수행되고 있는데, 강접합(Fixed connection)의 경우에는 절점에 연결된 각 부재의 변형 전 상대적인 각도가 변형 후에도 그대로 유지된다고 가정하므로 접합부가 충분한 강성을 발휘하고 안정성을 확보하도록 패널존 부분에 스티프너로 보강을 한다. 하지만 인건비 상승과 함께 강접 접합부의 제작비가 과도해짐으로 경제성 측면에서 스티프너 보강을 생략한 접합부의 필요성이 증가하고 있다. 반면, 단순접합(Pinned connection)의 경우에는 단순보처럼 거동하여 보와 기둥 사이에 휨모멘트가 전달되지 않는다고 가정한다. 이는 공장제작이 간단하고, 시공이 간편한 장점이 있으나 접합부에서 모멘트를 전달할 수 없어서 구조적인 효율이 떨어지는 단점이 있다. 반강접의 도입은 단면치수 결정의 효율성을 증대하고, 현장에서의 부재조립 용이성, 골조 전체의 안전성 확보 등의 이점이 있어서 외국의 경우, 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위해서 계속적인 노력을 해왔고 그 결과를 규준에 적용하고 있다. 본 논문은 미국 AISC의 LRFD 설계규준을 참고하여 국내 강재를 적용한 반강접의 구조해석을 실시해서 각 강재에 대한 자료은행을 만들 것이고 이상화된 접합부의 구조해석 결과와 비교하여 경제성 측면, 단부 고정계수, 회전강성과 함께 반강접을 고려한 구조물의 설계 방안을 제시 하고자 한다.

Keywords

References

  1. 강경원, 강석봉(1997) 철골구조물 반강접 보-기둥 접합부 해석모델의 단순화에 관한 연구, 대한건축학회 학술발표대회논문집 (구조계), 대한건축학회, 제17권, 제2호, pp.1155-1161.
  2. 강석봉(1998) 철골 골조 구조물의 보-기둥 반강접 접합부, 대한건축학회, 제42권, 제7호, pp.40-44
  3. 강철규, 전성남(1999) 반강접 철골조의 안전성 설계에 관한 연구, 산업기술종합 연구소 논문집, 제17권, pp.403-417.
  4. 김규석(1991) 철골구조학(개정), 기문당.
  5. 김덕기, 전성남(2000) 반강접 특성을 고려한 큰보-작은보 접합부 거동에 관한 연구, 대한건축학회 학술발표대회논문집, 대한건축학회, 제20권, 제1호, pp.71-74.
  6. 김상대, 김지영, 김대영(2001) 철골구조 반강접 접합부의 국내 적용 검토, 한국강구조학회지, 제13권, 제4호, pp.71-81.
  7. 김상대, 김지영, 김대영(2002) AISC DesignGuide에 의거한 철골구조 합성 반강접 접합부의 설계방안, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회지, 제14권, 제2호, pp.91-98.
  8. 김종성(2003) 반강접 접합부를 갖는 강골조의 거동에 대한 해석적 연구, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제15권, 제5호, pp.551-559
  9. 김진욱(2002) 반강접 접합부를 고려한 철골건물의 해석 및 최적설계에 관한 연구, 경일대학교 산업대학원 석사학위논문.
  10. 류홍식, 이상섭, 문태섭(2000) 반강접 접합부를 갖는 철골 골조의 탄성해석, 대한건축학회논문집, 대한건축학회, 제16권, 제1호, pp.77-82.
  11. 안형준, 김건욱(2002), 단부구속도에 따른 철골 접합부의 모멘트-회전각 관계에 관한 연구, 한국구조물진단학회, 제6권, 제4호, pp.219-224.
  12. 양재근, 김기환, 김호근(2004) 더블앵글 접합부의 초기강성 산정을 위한 해석모델, 한국쉘.공간구조학회 논문집, 제4권, 제4호, pp.55-63.
  13. 양철민, 김영문(2004) 반강접 접합부를 갖는 중.저층 철골 골조의 거동특성에 관하여, 한국강구조학회지, 제16권, 제4호, pp.58-63.
  14. 윤성기, 이치형(2002) 반강접 접합부의 구조신뢰성 해석에 관한 연구, 대한건축학회 논문집, 대한건축학회, 제18권, 제1호, pp.61-68.
  15. 한영철(1993) 반강접 철골구조물의 구조적 거동에 관한 연구, 연세대학교 대학원 박사학위논문.
  16. 허명재(1998) 기본 강구조 설계, 영풍문고.
  17. AISC(1998) Load & Resistance Factor Design, 2nd Edition.
  18. Chen, W.F.(1987) Joint Flexibility in Steel Frame, Elsevier Applied Science.
  19. Chen, W.F. (2000) Practical analysis for semi-rigid frame design, World Scientific.
  20. Chen, W.F.,Goto, Y.,and Richard Liew, J.Y.(1996) Stability design of semi-rigid frames, John Wiley & Sons.
  21. Chen, W.F.and Kim, S.E.(1997) LRFD steel design using advanced analysis, CRC Press.
  22. Chen, W.F. and Kishi, N. (1987) Moment-rotation relation of top and seat angle connections, Purdue University Schoolof Civil Eng.
  23. Chen, W.F.and Lui, E.M.(1991) Stability Design of Steel Frames, CRC Press.
  24. Chen, W.F.and Toma, S.(1993) Advanced analysis of steel frames: theory, software, and applications, CRC Press.
  25. Eurocode 3 (1993) Design of Steel Structures.
  26. Kennedy, D.J. (1969) Moment-rotation characteristics of shear connection, AISC Eng. J., Vol.6, No.4, pp.105-115.
  27. Kishi, N. and Chen, W.F. (1990) Moment-rotation relation of semi-rigid connection with angle, J. Struct. Eng., ASCE, Vol. 116, No. 7, pp.1813-1834. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1990)116:7(1813)
  28. Monforton, G.R. and Wu, T.S.(1963) Matrix analysis of semirigid connected frames, Journal of the structural devision, Vol.87, No.st6, pp.13-42.
  29. Salmon, C.G., Johnson, John, E.M., and Faris, A. (2008) Steel Structures, Design And Behavior, Prentice Hall.