Portal Frame 실구조물 실험 및 구조해석


1. Portal Frame 실구조물 실험

1) 실험목적
① 경량철골 박공형 골조의 구조적인 안정성 평가
② 부재간의 연결부 강성 및 내력평가
③ 기둥 및 바닥과 앵커부위의 강성 및 내력 평가
④ 주 구조재의 내력 및 강성평가
⑤ 중도리에 의한 보의 횡좌굴 구속 검토


2) 실험체 설치 전경


3) 실험 결과

부      재

하      중

설계값(kg/㎡)

실험값(kg/㎡)

실험값/설계값

220 x 65 x 18 x 10 x 2.3T

수      직

67.2

196.0

2.92

수직 + 수평

84.0

149.9

1.78

300 x 65 x 18 x 10 x 3.0T

수      직

69.0

116.1

1.68

수직 + 수평

84.0

139.1

1.66

4) 결론

① 경량철골 박공형 골조를 현장에서 비숙련공에 의해 조립ㆍ시공하여 설계하중을 가력한 결과 안정적인 거동을 함.
② 실험체의 내력은 설계하중의 평균 1.8배로 충분히 안정적이다.
③ 설계하중하에서 실험체의 변위는 허용설계변위의 0.18∼0.63배로 안정적이다.
④ 기둥재와 보부재의 경우 규준에 따라 설계하는 경우 안정성이 확보됨


2. 접합부 정밀 해석 - '주식회사 포스마이다스' 수행


1) 개요
① 부재와 부재 연결부 강성 및 내력은 구조적으로 충분한 것은 실험을 통해 확인됨.
② 상부 플랜지가 없는 처마브라켓과 용마루브라켓의 상부플랜지 결손에 의한 접합부의 강성변화가 있을 것을 예상되므로 이에 대한 상세한 검토가 필요함.


2) 구조해석모델

① 구조형태 : 가로폭 15.4m, 기둥높이 4.5m, 기둥의 구배 10%인 2차원구조물(Portal Frame)
② 하중 : 접합부 강성 비교를 위하여 기둥에 단위 횡방향 하중을 작용.
③ 일반해석 모델(접합부의 단면결손이 없는 모델) 
    보요소를 사용한 일반해석 모델 - 접합부에서의 강체연결조건 가정
④ 상세해석 모델(접합부 단면결손을 고려한 모델)  
    접합부는 판요소를 사용하여 정밀하게 모델링하고 보요소로 연결
⑤ 연결부 상세모델과 가정조건
 - 접합부는 2개의 'ㄷ' - 형 철골과 1개의 연결판으로 모델링
 - 접합부의 구속조건으로 Bolting 부분을 강체(Rigid link)로 연결
 - 판요소를 사용한 부분과 보요소를 사용한 구간의 연결은 강체로 연결

3) 해석결과의 비교
해석결과는 연결점에서의 변위와 기둥의 바닥면에서의 모멘트 값을 비교하였다. 비교 결과 변위의 상대 오차는 최저 2.25%에서 최대 4.99%까지 발생하였고, 모멘트의 상대오차는 최저 0.60%에서 최대 1.62%까지 발생하였다.
해석결과에 따르면 아래 표에서와 같이 상세 해석모델의 연결부 강성이 일반해석모델보다 상대적으로 약간 큰 것으로 알 수 있고 그 결과 값들의 차이는 크지 않음을 알 수 있었다. 

구      분

일반모델

상세모델

상대오차

연결점의 황변위

A(내민처마)

27.393mm

26.776mm

2.25

B(용마루)

27.393mm

26.411mm

3.61

C(처마)

27.393mm

26.025mm

4.99mm

 

기둥의 최대모멘트

왼쪽

5.387ton - m

5.350ton - m

0.60

오른쪽

5.387ton - m

5.300ton - m

1.62

4) 결 론

해석결과의 비교검토결과 횡변위량을 기준으로 한 비교에서 최대 4.99%까지 차이가 남을 알 수 있   고 일반 모델의 경우와 비교하여 모든 접합부에서 상대적으로 적은 변위를 보이고 있다. 따라서 접   합부에 단면결손이 있는 상세모델의 경우가 오히려 접합부의 강성은 증가된 것으로 판단된다.

이것은 처마브라켓 상부플랜지의 단면결손을 보완하기 위하여 브라켓 하부에 비교적 큰 헌치를 두   어 보강한것이 주효한 것으로 판단된다.

따라서, 접합부의 단면결손에 의한 상대적인 강성저하는 발생하지 않을 것으로 예상되고, 기둥에서   발생된 휨모멘트의 상대적인 차이도 2%이내이므로 구조해석 및 설계 방법을 적용하여 구조적인 안   정성을 검토하여도 무방할 것으로 판단된다.



3. 접합부 고정도 실험 - 포항산업과학연구원 강구조연구소

1) 개요
① 부재와 부재 연결부 강성 및 내력은 구조적으로 충분한 것은 실험을 통해 연구함.
② 상부 플랜지가 없는 처마브라켓과 용마루브라켓의 상부플랜지 결손에 의한 접합부의 강성변화가 있을 것을 예상되므로 이에 대한 상세한 검토를 위해 새로운 형상의 브라켓으로 강성도 검토함.
③ 기존의 베이스플레이트는 힌지형식의 베이스이므로 대공간구성에 취약하므로 이를 극복하기 위한 고정단 형식의 새로운 베이스플레이트를 제작하여 실험하여 고정도 검토함.