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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 건설현장에 프리캐스트 콘크리트 건식 보-기둥 연결공법의 적용가능성 여부를 평가하고자 시험체를 다음과 같은 목적으로 제작하였다.
- 본 연구에서는 국내의 주상복합건물 및 고층빌딩에 적용 가능한 건식공법에 의한 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부를 개발하고자 현재의 국내·외에 적용되고 있는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부 시험체와 개선된 보-기둥 연결부 시험체를 제작하였다. 제작된 시험체를 반복하중 재하실험을 통하여 연결부의 거동 및 연성능력을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 주상복합건물 또는 고층빌딩에 프리캐스트 콘크리트 건식 보-기둥 연결부의 적용가능성 여부를 실험을 통하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 연결부 시험체를 제작하였다. 제작된 시험체를 반복하중 재하실험을 통하여 연결부의 거동 및 연성능력을 평가하고자 하였다.
- 4)와 동일한 시험체에 포스트텐션 (post-tension)을 적용한 시험체이다. 포스트텐션의 도입이 보-기둥 연결부에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 5%씩 증가시켰다. 각각의 층간변위비마다 3 사이클 (Cycle)씩 반복 재하하였으며, 파괴에 이를 때까지 실험하였다.
- Table 2와 같다. 또한 사용된 프리캐스트 콘크리트와 PBC 1에 사용된 토핑 콘크리트를 타설 시 KS F 2403에 따라 공시체를 제작하여 시험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 이러한 공시체를 보-기둥 시험체의 실험 시 KS F 2405에 따라 측정하여 Table 3의 압축강도를 얻었다.
- 6에서의 위치에 부착하였다. 또한 실험 시 반복 횡 하중 재하로 인한 시험체를 지지하고 있는 바닥판의 미끄러짐을 최소화시키고자 20개의 유압 볼트를 이용하여 플레이트를 유압에 의하여 바닥판에 고정시켰다. 하중재하 방식은 Fig.
- 보-기둥 시험체의 연결부에 콘크리트를 구속하고 있는 띠철근이 층간변위비에 따라 변형률에 미치는 영향을 분석하고자 연결부 띠철근의 변형률을 측정하였다. 측정된 연결부 띠철근의 위치는 보의 높이가 600mm(±300mm) 이고, 기둥 내부의 상·하 연결철물의 간격은 460 mm 이내 이므로 ±230mm 이내에 위치한 띠철근은 연결부 코어 콘크리트(core concrete) 내부에 위치한 것으로 볼 수 있다.
- 볼 수 있다. 본 연구에서는 시험체의 각 층간 변위 비별 첫 번째 사이클의 에너지 소산량을 기준으로 누적 에너지 소산량을 비교하였으며, 누적 에너지 소산량을 PBC 1을 기준으로 층간변위비 3.0%까지 비교한 결과는 Table 6와 같다. 그 이상의 층간변위비에 대해서는 PBC 1 시험체의 파괴로 인하여 비교하지 못하였으며, Fig.
- 시험체 설치는 기둥하단에 직경 100 mm의 강봉을 사용하여 회전변형을 유도하였고, 보의 양 단부는 Fig. 6에서와 같이 단부지지 철물을 설치하여 수직변형을 구속하는 형태로 유도하였다. 반복 횡 하중을 시험체에 재 하하 고자 변위 용량이 ±250 mm인 1, 960 kN Hydraulic actuator를 기둥 상부에 수평으로 Fig.
- 또한 실험 시 반복 횡 하중 재하로 인한 시험체를 지지하고 있는 바닥판의 미끄러짐을 최소화시키고자 20개의 유압 볼트를 이용하여 플레이트를 유압에 의하여 바닥판에 고정시켰다. 하중재하 방식은 Fig. 7과 같은 변위 제어방식으로 층간변위비(층간변우]/기둥길이 비율, Story drift ratio)를 첫 번째 하중은 0.1%로 하고 그 이후 0.1%씩 증가 시 켰으며, 층간변위비가 1.0% 이후에는 층간변위비를 0.5%씩 증가시켰다. 각각의 층간변위비마다 3 사이클 (Cycle)씩 반복 재하하였으며, 파괴에 이를 때까지 실험하였다.
대상 데이터
- PBC 2 시험체(Fig. 3)는 Englekirk"가 제안하는 DDC 시스템 연결부를 국내 실정에 따라 제작한 시험체이다. 기둥 내에 덕타일 로드(ductile rod)를 삽입하고, 보의 단부에는 보의 주철근을 연결시킨 철제블록(transfer block) 을 설치하여 보와 기등을 볼트 연결로 간편하게 시공할 수 있는 시험체이다.
- 시험체는 국내에서 현재 활용되고 있는 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체, DDC 연결부 시험체, DDC 연결부에 포스트텐션을 도입한 시험체와 철근 압착공법에 포스트 텐션을 도입한 시험체로 4가지 시험체를 제작하였다. 현재 국내에서 활용되고 있는 시험체인 PBC 1을 제외한 3개의 시험체의 보 단부에는 철제블록(transfer block)을 적용하였다.
- 프리캐스트 콘크리트의 설계기준강도는 35 MPa, 토핑 콘크리트의 설계기준강도는 27 MPa을 사용하였다. 각 시험체의 연결부 특성은 Table 1과 같고, 시험체의 특성은 다음과 같다.
- 제작하였다. 현재 국내에서 활용되고 있는 시험체인 PBC 1을 제외한 3개의 시험체의 보 단부에는 철제블록(transfer block)을 적용하였다. 철제블록(transfer block)은 보의 단부에 설치되어, 기등의 연결철물과 보의 주철근을 연결하는 연결부역할을 하며, 양 보로부터 전달되는 인장력과 압축력을 지압으로서 기등에 전달하는 역할을 한다.
이론/모형
- 또한 사용된 프리캐스트 콘크리트와 PBC 1에 사용된 토핑 콘크리트를 타설 시 KS F 2403에 따라 공시체를 제작하여 시험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 이러한 공시체를 보-기둥 시험체의 실험 시 KS F 2405에 따라 측정하여 Table 3의 압축강도를 얻었다. 여기서 사용된 프리캐스트 콘크리트와 토핑 콘크리트의 배합비는 Table 4와 같다.
성능/효과
- 2) DDC 시스템을 적용한 프리캐스트 콘크리트 건식 보-기둥 연결부는 본 연구에서 실험 결과 시공의 편리성이나 강도, 변형능력 등의 역학적 특성이 우수한 공법으로 판단된다. 그러나 구조물의 안전성 측면에서 강-기둥, 약-보의 개념으로 볼 때 보에 에너지를 분산시키지 않고, 연결부에서 에너지를 소산시키게 되어, 최종에는 연결부의 파괴가 나타남으로 인해 파괴 메커니즘이 취약한 것으로 나타났다.
- 3) 프리캐스트 콘크리트 건식 보-기둥 연결부에 포스트 텐션의 도입은 연결부의 안전성을 나타내는 자가조정 (sel& centering) 등을 통하여 횡 강성의 증가에 기여하는 것으로 판단된다. 반면 프리캐스트 보·기둥연결부에 포스트텐션의 도입은 연결부의 강도와 연성능력의 증가에는 기여하지 못하는 것으로 나타났다.
- 17%의 강도증가를 보였다. PBC 2 시험체는 46% 의 강도증가를 나타내어 가장 효과적인 연결부의 내력을 보인 반면에 포스트텐션을 도입한 PBC 3, PBC 4 시험체는 예상내력보다 실험결과를 통한 강도증가가 포스트 텐션을 도입하지 않은 시험체에 비하여 낮은 단점을 볼 수 있었다. 이러한 결과는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부에 포스트텐션을 도입하게 되면 자가조정 (self-centering) 등을 통하여 연결부의 안전성과 횡 강성의 증가는 기대할 수 있지만 연결부의 강도 증가에는 효과적이지 못한 것으로 나타났다.
- 각 시험체의 예상내력과 실험 결과의 비교는 Table 5와 같으며, 예상내력과 실험결과를 비교한 결과 PBC 1 시험체가 17%의 강도증가를 보였다. PBC 2 시험체는 46% 의 강도증가를 나타내어 가장 효과적인 연결부의 내력을 보인 반면에 포스트텐션을 도입한 PBC 3, PBC 4 시험체는 예상내력보다 실험결과를 통한 강도증가가 포스트 텐션을 도입하지 않은 시험체에 비하여 낮은 단점을 볼 수 있었다.
- 또한 DDC 시스템 (PBC 2)의 프리캐스트 콘크리트 연결공법이 현재 국내에서 적용되고 있는 프리캐스트 콘크리트 공법(PBC 1)보다 성능의 우수성이 입증되었다. 각 시험체의 최대하중에 대한 연성도를 비교한 결과 최대하중 시 나타난 층간 변위 비는 DDC 시스템을 적용한 PBC 2(5.0%), PBC 3(3.5%) 시험체가 크게 나타났다. 이러한 현상은 DDC 방식이 내부지판과 철제블록(transfer block双로 에너지를 분산하기 때문에, 이 분산된 에너지가 철근의 과도한 응력집중으로 연결되지 않기 때문이다.
- 각 시험체의 횡 강성은 에너지 소산량을 계산한 결과, 동일한 층간변위 시 사이클(cycle)은 첫 번째 회전의 에너지 소산량이 가장 크게 나타나는 것을 볼 수 있으며, 그 이후의 사이클(cycle)에서의 에너지 소산량은 줄어드는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서는 시험체의 각 층간 변위 비별 첫 번째 사이클의 에너지 소산량을 기준으로 누적 에너지 소산량을 비교하였으며, 누적 에너지 소산량을 PBC 1을 기준으로 층간변위비 3.
- 이러한 거동을 통하여, DDC 시스템은 시공의 편리성이나 강도, 변형능력 등의 역학적 특성이 기존의 프리캐스트 콘크리트 연결부인 PBC 1 시험체에 사용된 공법보다 우수한 공법으로 생각된다. 그러나 구조물의 안전성 측면에서 강-기둥, 약-보의 개념으로 볼 때 보에 에너지를 분산시키지 않고, 연결 부에서 에너지를 소산시키게 되어, 최종에는 Fig. 13과 같이 파괴됨으로 인해 파괴 메커니즘이 취약한 것으로 나타났다. 또한 이러한 연결부에서의 에너지 소산은 Fig.
- 판단된다. 그러나 구조물의 안전성 측면에서 강-기둥, 약-보의 개념으로 볼 때 보에 에너지를 분산시키지 않고, 연결부에서 에너지를 소산시키게 되어, 최종에는 연결부의 파괴가 나타남으로 인해 파괴 메커니즘이 취약한 것으로 나타났다.
- 즉, 힘의 집중이 기둥내부와 기둥 밖의 철제블록(transfer block)으로 분산되므로, 보-기둥 연결부의 연성도를 향상시켜주는 것으로 판단된다. 또한 DDC 시스템 (PBC 2)의 프리캐스트 콘크리트 연결공법이 현재 국내에서 적용되고 있는 프리캐스트 콘크리트 공법(PBC 1)보다 성능의 우수성이 입증되었다. 각 시험체의 최대하중에 대한 연성도를 비교한 결과 최대하중 시 나타난 층간 변위 비는 DDC 시스템을 적용한 PBC 2(5.
- 14와 같이 파괴됨으로 인해 PBC 2 시험체와 같이 파괴 메커니즘이 취약한 것으로 판단된다. 또한 PBC 3 시험체에서는 PBC 2 시험체에서 나타난 덕타일 로드(ductile rod)와 볼트의 회전에 의한 연성거동이 발생하기 전에 연결부 콘크리트에서 응력집중이 발생하여, Fig. 10에서와 같이 최대하중 이후에 연성능력이 저하되는 것으로 나타났다. PBC 4 시험체는 층간변위비 0.
- 이 연결부 균열은 스플라이스 접합 시 사용되는 고강도 스플라이스 모르타르가 목표 강도에 도달하지 못하여, 두 강체 사이에 일체 화가 충분하지 못하였던 것으로 판단된다. 또한 보 상부의 기존 콘크리트와 토핑 콘크리트 사이의 계면에 나타난 균열은 토핑 콘크리트의 양생 시 발생 가능한 온도변화와 건조수축 등의 불균등한 체적변화로 인한 계면에 추가적으로 발생하는 응력과 계면이 반복하중 재하 시 두 층이 합성거동을 할 수 있도록 충분한 부착강도를 확보하지 못하여 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 국내에 활용되고 있는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부를 적용 시에는 습식공법을 적용하는 부분에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 13과 같이 파괴됨으로 인해 파괴 메커니즘이 취약한 것으로 나타났다. 또한 이러한 연결부에서의 에너지 소산은 Fig. 19에서 PBC 2 시험체의 연결부 띠철근 변형률을 통하여, 코어 콘크리트(core concrete) 구역의 응력집중 현상이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 현상은 DDC 방식이 내부지판과 철제블록(transfer block双로 에너지를 분산하기 때문에, 이 분산된 에너지가 철근의 과도한 응력집중으로 연결되지 않기 때문이다. 또한, PBC 1, PBC 4 시험체는 각각 2.5%, 3.0%의 층간변위비에서 최대하중이 나타났다. PBC 4 시험체는 최대하중에 대한 층간 변위 비는 3.
- 16을 통하여 비교하였다. 시험체 별 횡 강성은 PBC 1와 PBC 2 시험체가 유사한 횡 강성을 보였으며, 포스트텐션을 도입한 PBC 3, PBC 4 시험체는 Fig. 16에서 보는 바와 같이 포스트텐션을 도입하지 않은 시험체보다 횡 강성이 약 52~83% 크게 나타냈다. 이러한 결과를 통하여 프리캐스트 콘크리트보-기둥 연결부의 횡 강성은 연결철물에 따라 큰 차이를 나타내지 않는 것을 볼 수 있었으며, 연결부에 포스트 텐션의 도입은 횡 강성의 증가에 기여하는 것으로 판단된다.
- 0%에서 기등의 스플라이스 연결부분에서 초기균열이 수평방향으로 균열이 발생하였다. 이 연결부 균열은 프리캐스트콘크리트 기등과 보의 스플라이스 접합 시 고강도 스플라이스 모르타르로 그 계면(internee)을 접합하게 되는데, 이 적용된 스플라이스 모르타르가 실험 결과 40.3 MPa로 목표 강도 60 MPa에 미치지 못하여 나타나는 현상으로 판단된다. PBC 1 시험체의 최대하중은 층간변위비 2.
- PBC 2 시험체는 46% 의 강도증가를 나타내어 가장 효과적인 연결부의 내력을 보인 반면에 포스트텐션을 도입한 PBC 3, PBC 4 시험체는 예상내력보다 실험결과를 통한 강도증가가 포스트 텐션을 도입하지 않은 시험체에 비하여 낮은 단점을 볼 수 있었다. 이러한 결과는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부에 포스트텐션을 도입하게 되면 자가조정 (self-centering) 등을 통하여 연결부의 안전성과 횡 강성의 증가는 기대할 수 있지만 연결부의 강도 증가에는 효과적이지 못한 것으로 나타났다. 한편 본 연구에서의 예상내력과 실험 결과의 비교는 각 시험체의 연결부 예상내력을 시험체 제작여건상 동일한 강성으로 제작하지 못하여, 본 연구에서의 시험체와 다른 경우 그에 따른 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 16에서 보는 바와 같이 포스트텐션을 도입하지 않은 시험체보다 횡 강성이 약 52~83% 크게 나타냈다. 이러한 결과를 통하여 프리캐스트 콘크리트보-기둥 연결부의 횡 강성은 연결철물에 따라 큰 차이를 나타내지 않는 것을 볼 수 있었으며, 연결부에 포스트 텐션의 도입은 횡 강성의 증가에 기여하는 것으로 판단된다.
- 18~21 에서와 같이 층간변위비가 증가할수록 띠철근의 변형률이 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 철제블록(transfer block)을 사용한 연결부인 PBC 2~4 시험체들은 기등의 연결부에 코어 콘크리트(core concrete)를 형성하고 있는 ±230mm 이내에 위치한 띠철근이 층간변위에 따라 ±230mm 밖에 위치한 띠철근보다 변형률이 크게 나타났으며, 이러한 결과를 통하여 보-기둥 연결부의 코어 콘크리트는 층간변위비의 증가에 따라 응력이 집중되는 것으로 판단된다.
- 14와 같이 연결부에 콘크리트의 박락이 발생하였다. 한편 PBC 3 시험체가 PBC 2 시험체 보다 최대하중은 크게 나왔지만, 최대하중 이후 연성능력은 크게 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 덕타일 로드(ductile rod) 와 포스트텐션의 도입으로 인하여 연결부 연결철근의 강성이 증가되지만 보에 에너지를 분산시키지 않고, 연결부에서 에너지를 소산시키게 되어, 최종에는 Fig.
후속연구
- 5%까지 연성거동을 하는 것으로 나타났다. 이러한 거동을 통하여 덕타일 로드(ductile rod)를 적용하지 않더라도, 철제블록(transfer block)과 포스트텐션의 도입으로도 보-기둥 연결부의 연성거동을 유도할 수 있을 것으로 예상되며, 정확한 예측을 위해서는 이와 관련된 많은 변수에 대한 실험 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부에 포스트텐션을 도입하게 되면 자가조정 (self-centering) 등을 통하여 연결부의 안전성과 횡 강성의 증가는 기대할 수 있지만 연결부의 강도 증가에는 효과적이지 못한 것으로 나타났다. 한편 본 연구에서의 예상내력과 실험 결과의 비교는 각 시험체의 연결부 예상내력을 시험체 제작여건상 동일한 강성으로 제작하지 못하여, 본 연구에서의 시험체와 다른 경우 그에 따른 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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