뼈대 구조
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1. 개요
라멘 구조는 부재 간 강접합을 통해 굽힘 모멘트를 전달하여 강성을 확보하는 건축 구조 방식이다. 지진이나 바람과 같은 외력에 저항하며, 가새 구조 없이 넓은 공간을 확보할 수 있다. 건축 분야에서 철골, 철근 콘크리트, 철골 철근 콘크리트 구조에 널리 사용되며, 토목 분야에서는 교량의 라멘교 등에 적용된다. 구조 계산은 복잡하며, 손 계산 시 고정 모멘트법 등을 사용하고, 컴퓨터를 활용하여 매트릭스 변위법으로 정확한 해를 구할 수 있다.
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| 뼈대 구조 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 건축 구조 |
| 관련 용어 | 골조, 구조, 구조 공학, 구조 요소, 구조 시스템 |
| 관련 구조물 | 뼈대 구조 |
| 정의 | |
| 정의 | 강성 연결로 결합된 기둥과 보의 조립체 |
| 기능 | 수직 및 수평 하중에 저항 |
| 구조 | |
| 구조적 거동 | 굽힘 모멘트, 전단력 및 축 방향 힘에 저항하도록 설계 |
| 연결부 | 모멘트 전달이 가능하도록 강성 연결로 설계 |
| 재료 | 강철 철근 콘크리트 목재 |
| 종류 | |
| 종류 | 직교 라멘 경사 라멘 굴절 라멘 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 넓은 공간 확보 가능 |
| 단점 | 연결부 설계 및 시공의 복잡성 |
| 설계 고려 사항 | |
| 하중 | 사하중 활하중 풍하중 지진하중 |
| 안정성 | 좌굴 방지 |
| 사용성 | 처짐 제한 |
| 응용 분야 | |
| 응용 분야 | 고층 건물 산업 건물 교량 |
| 기타 | |
| 독일어 | Rahmen |
2. 정의 및 특징
라멘 구조는 장방형의 각부가 강접합되어 있어, 외력에 의해 부재에 발생한 굽힘 모멘트는 접합부에 전달되면서 전체 부재에서 강도를 구성한다. 부재에 평행한 하중(건물에서는 지진이나 바람 등에 의한 옆에서의 힘)이 가해져도, 접합부에서 저항력을 발생시켜 가새 구조를 불필요하게 하는 한편, 접합부에 높은 강도가 요구된다. 부정정 구조이기 때문에 일부가 파괴되어도 응력의 재분배가 이루어져 붕괴되는 일은 없고, 많은 곳에 파괴가 발생했을 때 붕괴에 이른다. 이 성질을 최대한 발휘하려면, 기둥보다 보가 먼저 파괴되도록 하는 것, 파괴 모드는 굽힘 파괴만으로 하고 전단 파괴를 허용하지 않는 것 등이 중요하다.
비교되는 구조 개념으로, 각 부재의 접합부가 핀 접합된 트러스, 부재를 선이 아닌 면으로 간주하는 벽식 구조, 굽힘 모멘트를 압축력으로 변환하는 아치 구조 등이 있다.
2. 1. 주요 특징
라멘 구조는 장방형의 각부가 강접합되어 있어, 외력에 의해 부재에 발생한 굽힘 모멘트는 접합부에 전달되면서 전체 부재에서 강도를 구성한다. 부재에 평행한 하중(건물에서는 지진이나 바람 등에 의한 옆에서의 힘)이 가해져도, 접합부에서 저항력을 발생시켜 가새 구조를 불필요하게 하는 한편, 접합부에 높은 강도가 요구된다. 부정정 구조이기 때문에 일부가 파괴되어도 응력의 재분배가 이루어져 붕괴되는 일은 없고, 많은 곳에 파괴가 발생했을 때 붕괴에 이른다. 이 성질을 최대한 발휘하려면, 기둥보다 보가 먼저 파괴되도록 하는 것, 파괴 모드는 굽힘 파괴만으로 하고 전단 파괴를 허용하지 않는 것 등이 중요하다.비교되는 구조 개념으로, 각 부재의 접합부가 핀 접합된 트러스, 부재를 선이 아닌 면으로 간주하는 벽식 구조, 굽힘 모멘트를 압축력으로 변환하는 아치 구조 등이 있다.
2. 2. 접합부 강성
AISC 강재 설계 규정 B3절 해설에서는 접합부의 분류에 대한 지침을 강성 측면에서 제공한다. 접합부 강성의 지표 속성으로 접합부의 할선 강성 Ks가 사용된다.Ks = Ms/θs
여기서
- Ms = 사용 하중에서의 모멘트 (N-mm)
- θs = 사용 하중에서의 회전 (라디안)
접합부의 할선 강성은 연결된 부재의 회전 강성과 비교된다. 여기서 L과 EI는 각각 보의 길이와 굽힘 강성이다.
만약 KsL/EI ≥ 20이라면, 접합부를 완전 구속으로 간주한다. 즉, 부재 간의 각도를 유지할 수 있다. 만약 KsL/EI ≤ 2라면, 접합부를 단순으로 간주한다. 즉, 모멘트를 발생시키지 않고 회전한다. 이 두 한계 사이의 강성을 가진 접합부는 부분 구속이며, 설계 시 접합부의 강성, 강도 및 연성을 고려해야 한다.
3. 분야별 적용
3. 1. 건축 분야
라멘 구조는 현대 건축에서 가장 일반적인 구조 형식이다. 구조재별로 보면, 철골 구조(S조), 철근 콘크리트 구조(RC조), 철골 철근 콘크리트 구조(SRC조)의 건축물에 많이 채용되고 있다. 라멘 구조가 현재와 같이 일반적인 형식이 된 것은, 건축사적 시점에서 보면 20세기에 들어선 이후의 일이며, 위에 언급한 건축 재료, 즉 철과 콘크리트의 보급과 라멘 구조의 보급은 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있다.역사적인 축적도 많고, 신뢰성이 매우 높다. 사무소 빌딩이나 중층 집합 주택 등에는 기둥 간격을 6 - 8m로 한 것이 가장 비용 효율이 좋으며, 경제 스팬이라고도 불린다.
라멘구조는 기본적으로 브레이스나 내진벽이 필요 없으므로, 칸막이가 없는 넓은 공간을 만들 수 있다. 하중에 대해서는 주로 기둥과 보의 휨에 의해 저항하므로, 기둥과 보는 매우 굵어진다. 일반적인 기둥의 치수는, 철골 구조의 경우 300mm각 - 900mm각 정도, 철근 콘크리트 구조의 경우 600mm각 - 1200mm각 정도가 된다. 하중에 의한 부재의 변형은 휨 변형이 지배적이며, 전단 변형 · 축 방향 변형은 거의 발생하지 않는다. 지진 하중 · 풍 하중에 대한 변형량은, 벽식 구조 등에 비해 커진다. 그러나, 큰 변형 시에도 끈기 있게 저항하는 특성이 있다. 다만, 큰 변형에 따라갈 수 없는 건구류나 마감재가 손상되는 경우가 많다.
목조에서는 부재끼리 강하게 접합하는 것이 어렵다 (접합부에 금속 부품을 사용하더라도, 금속 부품이 목재에 파고들기 쉽고, 완전한 강접합을 만드는 것은 어렵다). 그러나, 최근 드리프트 핀 공법의 보급에 따라, 목조 건축물에서도 라멘 구조가 가능하게 되었다. 래그 스크류 볼트에 의한 문형 라멘 공법이 그 대표적인 예이다.
3. 2. 토목 분야
토목 분야에서는 인프라 정비 전반에 걸쳐 일부 강구조·콘크리트 구조에 대해, 정정 구조물과 구별할 때 뼈대 구조라는 호칭이 사용된다. 대표적으로, 교량의 상부 구조에서 핀 지점인 받침을 설치하지 않고 강결 구조로 한 라멘교가 있다. 교량 하부 구조에서는 단주 형식의 교각이 일점 고정의 정정 구조인 데 반해, 부정정 구조인 문형 교각을 "라멘 교각"이라고 칭하여 구별하기도 한다.4. 구조 계산 방법
라면 구조의 구조 계산은 복잡하다. 따라서 다음과 같은 방법이 사용된다.
부정정 차수가 매우 높기 때문에, 손 계산에 의한 계산은 어렵다(매우 고차의 연립 방정식을 풀어야 한다). 따라서 손 계산의 경우, 근사적인 해를 구하는 방법으로 고정 모멘트법이나 D값법이 자주 사용된다.
컴퓨터를 사용한 계산에서는, 매트릭스 변위법을 사용함으로써 모든 절점의 변위와 모든 부재의 응력을 정확하게 구할 수 있다. 이는 시판되는 구조 계산 소프트웨어로 수행할 수 있다.
4. 1. 계산 방법
라면 구조의 구조 계산은 복잡하다. 따라서 다음과 같은 방법이 사용된다.부정정 차수가 매우 높기 때문에, 손 계산에 의한 계산은 어렵다(매우 고차의 연립 방정식을 풀어야 한다). 따라서 손 계산의 경우, 근사적인 해를 구하는 방법으로 고정 모멘트법이나 D값법이 자주 사용된다.
컴퓨터를 사용한 계산에서는, 매트릭스 변위법을 사용함으로써 모든 절점의 변위와 모든 부재의 응력을 정확하게 구할 수 있다. 이는 시판되는 구조 계산 소프트웨어로 수행할 수 있다.
5. 한국의 라멘 구조 관련 정책 및 동향
5. 1. 내진 설계 기준 강화
5. 2. 신기술 도입 및 연구 개발 지원
5. 3. 관련 법규 및 제도 개선
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