지식 베이스

IDEA StatiCa Connection의 지진 해석

Steel

Connection

AISC (USA)

CBFEM

Capacity design

Moment Connection

Seismicity

EN (Eurocode)

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내진 설계 해석은 지진 영향 및 지진 하중의 효과를 처리하기 위한 규정 검토를 제공합니다. 이 규정 검토는 접합부의 충분한 연성에 관한 결과, 즉 소성 힌지의 위치가 예상된 곳에 발생하는지 여부를 제공하며, 연결의 내력을 계산합니다.

소개

지진 하중 조합에 저항하는 구조를 설계할 때, 엔지니어는 다음 개념 중 하나를 선택해야 합니다:

저소산 구조 거동
- q = 1 ~ 2 (단면 등급 4 → q = 1)
- 강구조에 대한 특별 요구사항 없음
- 연성 등급 낮음 (DCL)
소산 구조 거동
- q ≤ 4 – 연성 등급 중간 (DCM), 단면 등급 1, 2
- q > 4 – 연성 등급 높음 (DCH), 단면 등급 1

저소산 구조 거동의 경우 특별 요구사항이 필요하지 않으며, 일반적인 연결 검토가 요구됩니다. 그러나 높은 지진 하중의 경우, 탄성 상태를 유지하며 저항하는 구조를 설계하는 것은 실현 불가능하며, 소산 구조 거동이 필요합니다. IDEA StatiCa Connection의 부재 내력 설계 해석(Member Capacity Design)은 이러한 거동을 위한 것입니다.

EN 1998-1에서 허용되는 지진 저항 시스템의 가능한 구조 유형은 다음과 같습니다:

모멘트 저항 골조 (MRF)
- 보의 단부 또는 보-기둥 연결부에서의 소성 힌지
- 소성 힌지는 다음 위치에도 발생할 수 있음:
  - 기둥 베이스
  - 최상층 기둥 상단
동심 가새 골조 (CBF):
- 소산 구역은 인장 대각재에 위치
편심 가새 골조 (EBF):
- 지진 링크(주로 보)의 소산 구역
역진자 구조
콘크리트 코어 또는 콘크리트 벽과 결합된 강구조
모멘트 저항 골조와 가새 골조를 결합한 이중 골조
- MRF가 전체 강도 및 강성의 > 25%에 기여
철근콘크리트 채움벽과 결합된 모멘트 저항 골조

지진 하중 케이스 결정

지진 하중 조합에 대한 내력은 다음 구조 지진 해석 방법 중 하나로 결정될 수 있습니다:

횡력 방법
선형 모달 응답 스펙트럼 해석
비선형 정적 푸시오버 해석
비선형 시간이력 동적 해석

선형 모달 응답 스펙트럼 해석을 사용하면 제곱합의 제곱근(SRSS) 방법으로 인해 내력의 부호가 소실됩니다. 부호는 횡력 방법으로 재획득해야 하며, IDEA StatiCa의 접합부는 평형 상태여야 합니다. 지진 하중은 우발 하중 조합에 포함되며, 구조가 해석됩니다. 접합부는 IDEA StatiCa Connection의 표준 응력-변형률 해석(EPS)을 사용하여 설계됩니다.

또한, 비소산 부재는 소산 부재에서 소성 힌지를 형성하는 데 필요한 힘을 유의미한 변형 없이 안전하게 전달할 수 있어야 합니다. 이 추가 검토는 부재 내력 설계 해석(MC)에서 수행됩니다.

내력 설계

내력 설계의 목적은 설계 수준의 지진에서 붕괴를 방지하기 위해 건물이 제어된 연성 거동을 하도록 확인하는 것입니다. 이는 구조 내의 예측 가능한 주요 위치에서 연성 파괴가 발생하도록 구조를 설계하고, 이러한 위치 근처 또는 구조의 다른 곳에서 다른 파괴 유형이 발생하지 않도록 방지하는 것을 포함합니다.

즉, 취성 요소와 연성 요소를 모두 포함하는 구조에서 내력 설계는 구조에 전체적인 연성 특성을 부여하는 방법입니다.

일부 부재는 소산 부재로, 다른 부재는 비소산 부재로 간주됩니다. 연결부는 일반적으로 비소산 부재이지만 경우에 따라 소산 부재가 될 수 있습니다. 소산 요소는 지진 하중 케이스 동안 상당한 소성 변형을 겪을 것으로 예상되며, 지진 에너지는 이러한 변형에서 소산될 수 있고, 따라서 지진 하중이 크게 감소합니다. 반면에, 소산 요소는 균열 없이 반복 변형률을 견딜 수 있어야 하며, 모든 비소산 요소는 소산 요소에 의해 유발된 하중을 전달할 수 있어야 합니다. 소산 부재에서 소성 힌지의 형성을 보장하기 위해, 공칭 항복 강도 대신 예상 항복 강도가 사용되며, 특히 MRF의 보에 대해서는 변형률 경화도 고려됩니다. 따라서 소산 부재의 강도는 다음과 같이 취해집니다:

\(f_{y,max} = \gamma_{sh} \cdot \gamma_{ov} \cdot f_y \) (EN)

\(F_{y,max}= C_{pr} \cdot R_y \cdot F_y \) (AISC)

여기서:

γ_sh – 변형률 경화 계수, EN 1998-1에서 1.1, EN 1993-1-8에서 1.2; ECCS 매뉴얼에서는 지진 적용에 사용되는 강재 등급에 더 잘 대응하므로 1.2를 권장; 소산 요소 기능에서 편집 가능
γ_ov – 초과강도 계수, 권장값 1.25; 재료에서 편집 가능
\(C_{pr} = \frac{F_y + F_u}{2 \cdot F_y}\) – 변형률 경화 계수 – AISC 358-16 (2.4-2); 소산 요소 기능에서 켜거나 끌 수 있음
R_y – 예상 항복 강도 대 최소 항복 강도의 비율 – AISC 341-16 – Table A3.1; 재료에서 편집 가능

극한(인장) 강도도 소산 부재로 선택된 요소에 대해 수정됩니다:

\(f_{u,max}= \gamma_ov \cdot f_u \) (EN)

\(F_{u,max} = R_t \cdot F_u \) (AISC)

여기서:

γ_ov – 초과강도 계수, 권장값 1.25; 재료에서 편집 가능
R_u – 예상 인장 강도 대 최소 인장 강도의 비율 – AISC 341-16 – Table A3.1; 재료에서 편집 가능

모든 계수는 수정 가능하여 사용자에게 높은 자유도를 제공합니다. 또한, 다양한 특성을 가진 여러 초과강도 함수를 생성할 수 있지만, 하나의 플레이트는 한 번만 선택할 수 있습니다. 변형률 경화 계수는 일반적으로 가새 골조 해석에 사용되지 않습니다(1과 동일). 안전(저항/내력) 계수는 소산 요소(초과강도 함수가 적용된 부재 또는 플레이트)에는 사용되지 않습니다.

사례 연구: 모멘트 저항 골조

일반적으로 보는 소성 힌지가 형성되도록 의도된 소산 부재이며, 연결부와 기둥은 유의미한 변형 없이 유지되어야 하는 비소산 요소입니다. 보는 예상 항복 강도로 보에서 소성 힌지를 형성하는 데 필요한 하중과 그에 상응하는 전단력에 의해 하중을 받습니다:

\[ M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl} \]

\[V_{Ed} = \frac{2M_{Ed}}{L_h} + V_{gravity} \]

여기서:

W_pl – 보의 소성 단면 계수
L_h – 보의 두 소성 힌지 사이의 거리
V_gravity – 지진 조합에서 중력 하중에 의한 전단력

양면 보-기둥 접합부를 사용하는 경우, 힘은 올바른 방향으로 동일한 하중 케이스에서 적용되어야 합니다. 예를 들면:

전단력은 일반적으로 강접합부의 노드에 적용됩니다. 그러나 적용된 상응하는 전단력은 소성 힌지에서의 휨 모멘트를 감소시킵니다. 소성 힌지에서의 모멘트는 \(M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl}\) 로 계산되며, 노드에서의 휨 모멘트 M_y는 전단력 V_z에 의해 \( M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} + V_z \cdot s_h \) 로 증가합니다. 여기서 s_h는 노드와 소성 힌지 위치 사이의 거리입니다. AISC 358은 기둥 면과 소성 힌지 사이의 거리에 대한 s_h 값을 규정합니다.

다른 옵션은 \(M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} \) 로 설정하고 전단력의 위치를 의도된 소성 힌지 위치에 설정하는 것입니다 (모델 > 힘 위치 > 위치).

접합부에 연결된 다른 비소산 부재가 있을 수 있습니다. 이러한 부재는 우발 지진 하중 조합의 중력 하중에 의해 하중을 받아야 합니다.

상세 설계

관련 규정에 명시된 상세 설계 규칙은 IDEA StatiCa Connection에서 검토되지 않으므로 반드시 준수해야 합니다. 많은 내진 저항 접합부의 저주기 피로에 대한 저항은 실험적 시험으로 검증되었습니다. 특히 용접 상세는 피로 균열이 발생하기 쉬우며, 소산 부재의 연결에는 표준 용접 검토만으로는 충분하지 않습니다. EQUALJOINTS 프로젝트에서 규정된 용접 상세의 예가 아래에 나와 있습니다.

확장 스티프너 및 비스티프너 엔드 플레이트 보-기둥 접합부의 완전 용입 그루브 용접 상세: