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강접골조방식 (Rigid Frame Structure)

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  • 하이구조
  • 03-08-01 14:12
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1. 강접골조방식 (Rigid Frame Structure) 이란 ?


강접골조방식은 일명 모멘트 저항골조, 강성골조, 라멘구조 등으로 불리는데,기둥과 보가 만나는 접합부를 강하게 결합시킴으로써 기둥과 보의 상대적인 부재각이 하중을 받아도변화하지 않는다는 가정하에서, 주로 기둥과 보 부재의 휨강성으로 외력에 저항하는 평면격자형태의구조시스템이다.


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[그림-1] 강접골조와 수평하중에 의한 강접구조의 변형


 

기둥과 보가 만나는 절점이 강접합이므로 전체 건물의 종국 파괴메카니즘의 입장에서 볼 때, 풍하중 및 지진하중과 같은 수평하중에 대하여 건물의 연성능력(Ductility Capacity)이 뛰어난, 즉 끈기가있는 구조형태이다.


연성이 뛰어나다는 말은 구조물이 갑자기 파괴되지 않고 충분한 변형을 통하여 사전에 파괴위험성을 사람들에게 인지시켜 대피할 시간적 여유를 어느 정도 충분히 제공할 정도로, 건물의 최종 전체 붕괴에 이르기까지 구조체가 질기게 버틴다는 의미로 이해하면 될 것이다.


이러한 파괴유형은 전문용어로 연성파괴(Ductility Failure)라고 지칭되기도 한다.


강접골조방식은 다른 수평하중 저항시스템과 비교할 때, 건물이 최종붕괴에 이르기까지 비탄성영역안에서 다수의 소성힌지(Plastic Hinge)를 발생시킴으로써 연성능력이 뛰어나므로 지진이 다수 발생하는 지역에서 적용하기 매우 적합한 구조시스템으로 평가되고 있다.


내진구조시스템으로 강접골조방식은 기둥(Column)을 보(Girder) 보다 강하게 설계하는 것이 일반적인데, 소위 “강한 기둥-약한 보”이론으로 지진 및 바람과 같은 수평하중으로 인한 건물의 극한한계상태에서 소성힌지 발생장소가 기둥 보다는 보에 생기도록 함으로써 전체 구조물의 연성을 증가시키자는 의도이다.


기둥의 파괴는 전체 건물의 연쇄적인 파괴로 이어지지만, 보의 파괴는 부정정 구조물의 잉여력 및 응력 재분배 등으로 인하여 국부적인 붕괴는 있을 수 있지만 전체적인 건물의 붕괴에 이루기까지는 상대한 시간이 소요되기 때문에, 최악의 경우를 생각한다면 붕괴의 시작은 기둥보다는 보에서부터 시작하도록 계획하자는 것이다. 

 

강성이 크다고 얘기하는 전단벽 구조가 딱딱하고 강함으로 수평력에 전면으로 대항함으로써 수평변형이 크게 발생하지는 않지만, 비교적 작은 변형하에서도 갑자기 딱 부러지는 파괴형태(취성파괴, Brittle Failure)로 그 최종수명을 다하는 뻣뻣한 구조형태라고 한다면, 이에 비하여 강접골조방식은 수평력(바람, 지진)에 순응하여 크게 흔들거리기는 하지만, 쉽게 부러지지 않는 부드러운 나무와 같이 강성은 작지만 변형능력이 뛰어나서 건물의 최종붕괴측면에서 연성능력이 뛰어난 구조로 이해하면 될 것이다.


강접골조방식의 건물은, 물론 건물형태, 세장비, 구조형식, 주변상황 등에 따라 다르겠지만, 일반적으로 20층이나 30층을 넘지 않는 건물에서 효율이 크다고 알려져 있다.


이 보다 더 큰 층수의 건물에 대하여 효율이 떨어지는 이유는 주로 기둥과 보의 강접으로 인한 휨 저항능력 만으로 수평하중(바람,지진)에 저항하기 때문일 것이다.


따라서 강접골조방식에서는 보-기둥 접합부를 강접합시키는 것이 무엇보다도 중요하며, 접합부 회전은 수평변형(Lateral Drift)에 큰 비중을 차지함으로 접합부의 강도와 연성능력은 설계와 시공에 있어서 중요한 고려사항들이 된다.



2. 강접합 (Rigid Connection, Moment Connection) 형식


강접합(Rigid Connection)이란 모멘트 접합 (Moment Connection) 이라고도 하며, 인접한 부재들 사이의 회전에 대한 연속성이 완전하게 이상화된 형태이다. 즉 골조가 외력에 대하여 변형을 할 때 인접 부재사이의 각(Angle)이 변하지 않으며 보의 모멘트가 기둥에 전달되는 형식으로 일반적으로 접합부의 회전 구속도가 90% 이상인 경우를 말한다.


고로 철골구조의 보-기둥 강접합형식은 일반적으로 보의 웨브(Web) 뿐만 아니라 플랜지(Flange)가 기둥에 용접이나 긴결재 등에 의하여 튼튼하게 접합되어야 하는데, 이 때문에 시공상 많은 정밀도와 노력이 소요되고, 접합부 구조물량이 다른 접합형식(핀접합, 반강접합 등)에 비하여 많이 소요되는 단점이 있다.


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TYPE - A


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TYPE - B


[그림-2] RIGID CONNECTION DETAIL (H형강 기둥 + H형강 보) - 브라켓형  



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[그림-3] RIGID CONNECTION DETAIL (BOX형 기둥 + H형강 보) - 브라켓형  



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[그림-4] RIGID CONNECTION DETAIL (H형강 기둥 + H형강 보) - 현장용접형  


 

상기 그림2~그림4는 철골구조 강접합(RIGID CONNECTION)형식의 몇가지 실례를 보여주고 있는데, 크게 브라켓형과 현장용접형으로 나눌 수 있다.


브라켓형은 공장에서 기둥에 브라켓(Bracket)형식의 짧은 보(Girder)를 붙여 제작함으로써 접합부의 품질을 확보하고, 현장에서는 작업성이 좋은 고력볼트체결을 통하여 보이음을 하기 때문에 시공성이 우수한 접합형식이지만, 반면에 접합물량이 현장용접형에 비하여 많이 소요되는 단점이 있다.


현장용접형은 보-기둥 접합이 모두 현장작업을 통하여 이루어지고, 보 플랜지의 맞댐용접이 이루어져야 함으로 현장에서의 시공정밀도가 요구되는 단점이 있으나, 접합물량은 브라켓형에 비하여 절감되는 장점이 있다.


한편, 철골구조에서 기둥과 보가 강접합 형태로 연결되어 있을 때, 기둥과 보로 둘러싸인 부분을 패널존(Panel Zone) 이라고 하는데, 이 부분은 각 부재에서 전달되는 오는 힘들이 교차하는 구조적으로 중요한 부분으로 골조에 큰 수평력이 작용하면 여기에 큰 전단력이 작용함으로 구조적인 안전성이 확보되어야 한다.

고층건물의 경우, 전단력이 클 경우에는 패널존(Panel Zone)의 판두께를 키우거나 대각선 보강 스티프너를 배치하여 강화시켜야 하기도 한다.


패널존(Panel Zone)은 도로 교차로로 비유할 수 있는데, 도로 교차로가 각 도로들에서 진입하는 많은 차들을 효율적 신호체계에 따라 원활히 소통시켜야 그 기능을 다 하듯이, 패널존(Panel Zone)은 각 부재들에서 오는 힘들을 효율적 구조체계에 의하여 원활히 흘려보내야 그 기능을 다하는 것입니다.


또한, 패널존(Panel Zone)을 외력에 대한 변형 및 응력에 안전하게 보호해주면서, 힘을 원활히 흘려보내기 위한 보-기둥 접합부의 중요한 구조요소의 하나가 다이어프램(Diaphram)이다.


보-기둥 접합부의 다이어프램(Diaphram)은 일반적으로 관통 다이어프램(보 관통형, 기둥 관통형), 내측 다이어프램, 외측 다이어프램 3가지로 크게 나눌 수 있다.


참고로 각형 강관기둥에 H형강 철골보가 접합되는 경우의 다이어프램(Diaphram)의 종류를 살펴보면 다음과 같다.


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[그림-5] 기둥-보 다이어프램의 3 종류 (관통, 내측, 외측)  

 


철근콘크리트 현장타설 건물에서는 보-기둥 접합부가 연속되는 장점을 가지고 있으나, 보와 기둥 부재 및 접합부의 회전성능에 의하여 그 성능이 좌우되는 것은 철골구조와 마찬가지이다.


따라서, 보-기둥과 같은 주 골조부재의 접합부에 있어서 철근을 연속시키기 위한 이음과 접합부 내에서 절단되는 철근의 정착을 위해 둘레보강이 마련되어야 하며, 둘레보강은 외부 콘크리트 또는 내부 폐쇄띠철근, 나선철근 또는 스터럽(Stirrup) 등으로 구성되어진다.


일반적으로 수평하중에 대한 철근콘크리트 구조의 보-기둥 접합부 설계에 있어서 내부기둥은 4면에보(Girder)가 연결되므로 외부 콘크리트에 의한 둘레보강이 이루어져 있으므로 크게 염려되지는 않지만, 외곽기둥 및 개구부쪽의 내부기둥의 경우는 보-기둥이 만나는 접합부(패널존, Panel Zone)에 둘레보강이 요구된다.


즉, 보 춤 범위에 있는 사면 비구속 기둥부위는 큰 전단력을 받게 되므로, 대각선 균열과 콘크리트분열을 방지하기 위하여 수평 띠철근 등의 둘레보강이 이루어져야 한다.



3. 강접골조의 수평변형 (Lateral Drift)


강접골조에서 수평변형(Lateral Drift)을 좌우하는 것은 기둥 강성과 보 강성의 상관관계이다. 일반적으로 건물은 보 스팬(Span)이 층 높이보다 크기 때문에 효과적인 모멘트저항골조를 위해서는층높이에 대한 보 스팬의 비율로, 보의 단면2차모멘트를 기둥의 단면2차모멘트 보다 크게 하는 것이 유리하게 된다.


즉, 기둥과 보(Girder)가 요구되는 강도를 만족할 때, 수평변형제어를 위해서는 기둥의 강성을 키우는 것 보다는 보(Girder)의 강성을 증가시키는 것이 보다 효율적이라는 말이 된다.


결국, 강접골조의 강도와 강성은 보와 기둥의 크기에 비례하고 기둥간격에 반비례하여, 구조물의 효율적인 거동은 좁은 간격으로 많이 배치된 기둥 및 건물 외주부에 춤이 큰 보를 설치함으로써 얻어질수 있다.


두 발로 버티고 있는 서있는 사람을 옆에서 밀어 움직이게 하는 것이 한발로만 버티고 있는 서있는사람을 밀 때보다 힘이 많이 들고, 네 발로 버티고 있는 동물을 밀어 움직이게 하는 것이 더더욱 힘든 자연의 이치 그대로이다.


기둥을 흉물 취급하며, 기둥 빼주는 것을 구조설계자의 실력으로 판단하시는 많은 건축설계자들이 발이 하나, 둘 없어짐으로 인하여 건물이 얼마나 횡변위에 어지러워하는지 알았으면 하는 것이 필자의작은 바람이다.       


초고층 강접골조방식은 큰 수평하중이 작용함으로 보에 추가적인 전단력과 휨모멘트가 발생함으로,수평변형제어를 위한 골조의 소요강성이 필요하게 되며, 중력하중에서 요구되는 보 강성 이상의 추가적인 강성이 필요하게 되는 경우가 발생하게 된다.


강접골조방식의 수평변형은 대부분 골조의 수평전단력에 의하여 발생하는 전단 수평변형의 형태로 일어나고, 일부는 기둥의 축소로 인한 기둥의 축방향 변형에 기인하게 되는데, 전단 수평변형에 의한성분이 골조의 전체 수평변형의 대략 80~90%를 차지할 정도로 영향이 크다.


이에 수평하중 하에서 허용 수평처짐 이내로 수평변형(Lateral Drift)을 제어하기 위해서는 강도보다는 강성이 중요한 역할을 함으로, 같은 수직하중을 지지하는 보(Girder)라도 하층부의 보(Girder)가 상층부의 보(Girder) 보다 커질 수 있다.


각 층이 동일한 중력하중을 받고 있다면 보의 크기는 저층부나 고층부나 별로 차이가 없겠지만, 큰수평하중 작용시에는 해당 상부층 수평력들의 합력이 누적되어 해당층에 층전단력으로 작용을 하기때문에 하부층일수록 큰 수평전단력이 작용하기 때문이다.


이에 구조계획시 바닥구조시스템를 효율적으로 구성하면, 중력하중에 의하여 결정되는 보(Girder) 부재가 횡하중에도 효율적으로 작용하도록 할 수 있다. 


즉, 수평하중으로 인하여 강성이 커져야 할 필요가 있는 한 방향의 큰 보(Girder)에, 작은 보(Beam)들을 집중 배치하는 방법 등을 사용하여, 강도면에서도 부재가 큰 응력을 받아 커지도록 함으로써,큰 보(Girder)가 강성 뿐만 아니라 강도에서도 자신이 가진 최대내력에 근접하도록 하는 것이 가장효율적이고 경제적인 설계라 할 수 있다.


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