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문제 정의
- 본 연구에서는 건식공법에 의한 공동주택 건물에 적합한 보-기둥 연결부를 개발하고자 국외의 건식공법 연결부를 경제성과 시공성 등을 고려하여 변형시킨 시험체들의 적용가능성 여부를 평가하고자 시험체를 다음과 같은목적으로 제작하였다.
- 본 연구에서는 공동주택 건물에 적용을 위한 건식 공법에 의한 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부를 개발하고자 실험을 통하여 보-기둥 연결부의 거동을 분석한결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 이러한 기존의 프리캐스트 콘크리트 연결방법의 문제점을 해결하고자 프리캐스트 콘크리트 공법의 장점을 극대화할 수 있는 건식공법을 적용한 공동주택용 보-기둥 연결부를 개발하고자 국외의 건식공법연결부를 경제성과 시공성 등을 고려하여 변형시킨 시험체를 제작하여 실험을 통하여 분석하였다. 일반적으로 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부는 고층 주거용 건물에 필수적인 횡하중에 대한 저항성능 확보 면에서 철근콘크리트 보-기둥 연결부에 비해 매우 불리한 것으로 인식되어, 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부에 반복 횡 하중을 재하하여 실험을 실시하였다.
- 요약 본 연구에서는공동주택 리모델링에 활용할 수 있는완전 건식공법에 의한프리캐스트콘크리트보-기둥 연결부를 개발하는데 있다. 독일에서 개발한 DDC 연결부를 국내 실정에 적합하도록 그 개선모델을 제안하기 위하여 총 5개의 건식연결부 시험체를 제작하였다.
- 8)는 PCC 4 시험체와 동일한 시험체에 프리스트레스를 적용한 시험체이다. 포스트텐션의 도입이 보-기둥 연결부에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 5)는 고비용의 DDC 연결부를 최소화하기 위하여 연결부 상하부에 쉬스(sheath)관을 삽입한후 고강도 강봉을 적용한 시험체이다. DDC 시스템과 같이 전달블록을 적용하였으며, 고강도 강봉의 끝에는 나사선을 내어, 육각너트를 이용하여 연결하였다.
- PCC 2 시험체(Fig. 4)는 Englekirl』가 제안하는 DDC 시스템 연결부를 국내의 아파트에 적용되는 외곽보 크기로 제작하고자 전달블록의 크기를 Fig. 2와 같이 보의 폭을 최소화하여 제작하였다. 보에 설치된 전달블록을 통하여 보와 기등을 볼트 연결로 간편하게 시공할 수 있으며, 기둥 내에 덕타일 로드를 삽입하고 보 주철근을고강도 봉으로 사용한 시험체이다.
- Table 2와 같다. 또한 시험체 제작에 사용된 프리캐스트 콘크리트와 PCC 1에 사용된 현장타설 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.
- 9에서의 위치에 부착하였다. 또한 실험 시 반복 횡 하중 재하로 인한 시험체를지지하고 있는 바닥판의 미끄러짐을 최소화시키고자 20 개의 유압볼트를 이용하여 플레이트를 유압에 의하여 바닥판에 고정시켰다. 하중재하 방식은 Fig.
- 또한 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 보-기둥 연결부인 철근콘크리트 보-기둥 연결부 시험체를제작하여 거동을 비교하였다.
- 보-기둥 시험체의 연결부에 콘크리트를 구속하고 있는띠철근이 층간변위비에 따라 변형률에 미치는 영향을 분석하고자 연결부 띠철근의 변형률을 측정하였다. 측정된연결부 띠철근의 위치는 보의 높이가 700 mm(±350 mm) 이므로, ±350 mm 이내에 위치한 콘크리트를 구속하고있는 띠철근이다.
- 전달블록은 보의 단부에 설치되어, 기등의 연결철물과 보의 주철근을연결하는 연결부 역할을 하며, 양 보로부터 전달되는 인장과 압축력을 지압으로서 기등에 전달하는 역할을 한다. 본 연구에서 적용된 전달블록은 아파트 외곽보에 활용할경우를 고려하여, H형 철물을 사용하여 Fig. 2에서와 같이 보의 폭을 최소화하였다.
- 본연구에서는 시험체의 각 층간변위비 별 첫 번째 사이클의 에너지 소산량을 기준으로 누적 에너지 소산량을 비교하였으며, 누적 에너지 소산량을 PCC 1을 기준으로층간변위비 4.0%까지 비교한 결과는 Table 6와 같다. 그이상의 층간변위비에 대해서는 PCC 1 시험체의 파괴로인하여 비교하지 못하였으며, Fig.
- 시험체 설치는 기둥하단에 직경 100mm의 강봉을 사용하여 회전변형을 유도하였고, 보의 양 단부는 Fig. 9에서와 같이 단부지지 철물을 설치하여 수직변형을 구속하는 형태로 유도하였다. 반복 횡 하중을 시험체에 재하하고자 변위용량이 ±250 mm인 1, 960 kN hydraulic actuator 를 기둥 상부에 수평으로 Fig.
- 독일에서 개발한 DDC 연결부를 국내 실정에 적합하도록 그 개선모델을 제안하기 위하여 총 5개의 건식연결부 시험체를 제작하였다. 아울러, 아파트 외곽보로 활용할 경우를 고려하여, H형 철물을 사용하여 기둥과 보의 폭을 최소화하였다. 실험결과 보-기둥 연결부에 DDC 시스템을 적용하게 되면 역학적 특성의 향상을 기대할 수있었으나 기등에 발생한 경사균열에 의하여 주도적으로 파괴 메커니즘이 형성되는 취약성을 초래하였다.
- 제작하여 실험을 통하여 분석하였다. 일반적으로 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부는 고층 주거용 건물에 필수적인 횡하중에 대한 저항성능 확보 면에서 철근콘크리트 보-기둥 연결부에 비해 매우 불리한 것으로 인식되어, 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부에 반복 횡 하중을 재하하여 실험을 실시하였다.
- 또한 실험 시 반복 횡 하중 재하로 인한 시험체를지지하고 있는 바닥판의 미끄러짐을 최소화시키고자 20 개의 유압볼트를 이용하여 플레이트를 유압에 의하여 바닥판에 고정시켰다. 하중재하 방식은 Fig. 10과 같은 변위제어방식으로 층간변위비(층간변위/기둥길이 비율, story drift ratio)를 첫 번째 하중은 0.1 %로 하고 그 이후 0.1% 씩 증가시키고, 층간변위비가 1.0% 이후에는 층간변위비를 0.5%씩 증가시키며 파괴에 이를 때까지 실험하였으며, 각각의 층간변위비마다 3 사이클씩 반복 재하하였다.
대상 데이터
- PCC 1 시험체(Fig. 3)는 국내에서 일반적으로 활용되고 있는 철근콘크리트 보-기둥 연결부이다. 단, 철근(high bar) 대신에 고강도 강봉을 적용하였으며, 콘크리트의 설계기준 강도는 27MPa로 제작하였다
- PCC 3 시험체(Fig. 6)와 유사한 연결부이지만 고강도강봉 대신에 철근(SD 400)을 적용한 시험체이다. PCC 1~3의 시험체들과 연결부의 강도를 동일하게 하기 위하여 Table 1과 같이 연결부 철근을 4-D32로 배치하였다.
- 개발하는데 있다. 독일에서 개발한 DDC 연결부를 국내 실정에 적합하도록 그 개선모델을 제안하기 위하여 총 5개의 건식연결부 시험체를 제작하였다. 아울러, 아파트 외곽보로 활용할 경우를 고려하여, H형 철물을 사용하여 기둥과 보의 폭을 최소화하였다.
- 본 연구에서 제작된 시험체는 현재 미국 샌프란시스코의 파라마운트 빌딩에 적용되어 구조성능에 대한 검증이이뤄 진 건식연결부인 DDC(Dywidag ductile connection) 시스템 공법에 따라 제작한 시험체와 DDC 연결부를 경제성과 시공성 등을 고려하여 개량시킨 시험체들을 제작하였다. 또한 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 보-기둥 연결부인 철근콘크리트 보-기둥 연결부 시험체를제작하여 거동을 비교하였다.
- 시험체는 국내에서 현재 활용되고 있는 철근콘크리트연결부 시험처】, DDC 연결부 시험처】, 철근 및 고강도 봉 (thread bar)을 사용한 DDC 연결부를 대체할 수 있는 시험체, 그리고 고강도 봉과 포스트텐션 강선에 의한 시험체로 총 6가지 시험체를 제작하였다. 철근콘크리트 연결부 시험체를 제외한 5개의 시험체의 보 단부에는 Fig.
- 프리캐스트 콘크리트와 철근콘크리트 보-기둥 연결부 시험체에 사용된 콘크리트의 설계기준강도는 35 MPa, 27MPa 을 적용하였다. 각 시험체 연결부의 특성은 Table 1과 같고, 시험체의 특성은 다음과 같다.
이론/모형
- 또한 시험체 제작에 사용된 프리캐스트 콘크리트와 PCC 1에 사용된 현장타설 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 현장타설 콘크리트의 배합비는 Table 4 와 같다.
성능/효과
- 1) 전달블록을 적용한 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부가 철근 콘크리트 보-기둥 연결부보다 강도와연성능력이 우수한 것으로 나타났다. 그러나 철근콘크리트 보-기둥 연결부인 PCC 1 시험체는 파괴되기 전 층간변위비인 4.
- 2) 보-기둥 연결부에 DDC 시스템을 적용하게 되면 연결부의 강도와 연성능력의 향상을 기대할 수 있었으나 파괴 메커니즘이 보에 에너지를 분산시키지않고, 연결부에서 에너지를 소산시키게 되어 최종파괴 시 연결부 띠철근이 항복되고, 연결부 콘크리트가 박락되어 파괴되는 단점이 나타났다.
- 3) 고가의 DDC 시스템의 덕타일 로드를 대신하여 적용한 고강도 강봉을 적용한 결과 DDC 연결부와 유사한 연결부 강도를 얻을 수 있었다. 시험체의 파 괴 메커니즘도 DDC 연결부는 연결부에서만 에너지 소산을 국한시켰던 것에 반해, 고강도 강봉을 적용한 연결부는 연결부 이외에 보에서도 에너지를 분 산시킴으로 인하여 DDC 연결부에 비하여 우수한 것으로 판단된다
- 4) 보-기둥 연결부 연결철근을 덕타일 로드나 고강도강봉을 대신하여, 경제성을 높이고자 적용한 SD 400 철근은 연성능력에서는 안정적인 결과를 얻을 수있었으나 연결부의 강도에서는 성능이 떨어지는 단점이 발견되었다. 이러한 결과를 통하여 건식연결공법의 경제성을 높일 수 있는 공법으로 SD 400 철근을 대신하여 고강도 철근인 SD 500 철근을 적용하는 것이 연결부의 역학적 특성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단되며, 이러한 공법의 적용을 위해서는 추가적인 연구가 반드시 필요하다.
- 5) 보-기둥 연결부에 고강도 강봉 및 철근을 연결하기위하여 매설하는 쉬스관에 연결철근을 그라우팅하여 부착시키는 공법은 비부착 공법보다 보-기둥 연결부의 역학적 특성 및 파괴 메커니즘을 개선시킬수 있는 공법으로 판단된다.
- 19와 같이 보-기둥연결부에 지압파괴가 일어났다. PCC 3 시험체의 거동은 PCC 2 시험체에서 나타난 문제점인 연결부에서만 에너지 소산을 국한시키게 되었던 것에 반해, PCC 3 시험체는 연결부 이외에 보에서도 에너지를 분산시킴으로서 PCC 2 시험체보다 파괴 메커니즘이 우수한 것으로 판단된다.
- 각 시험체의 에너지 소산량을 계산한 결과, 동일한 층간변위 시 사이클은 첫 번째 회전의 에너지 소산량이 가장 크게 나타나는 것을 볼 수 있으며, 그 이후의 사이클에서의 에너지 소산량은 줄어드는 것을 볼 수 있다. 본연구에서는 시험체의 각 층간변위비 별 첫 번째 사이클의 에너지 소산량을 기준으로 누적 에너지 소산량을 비교하였으며, 누적 에너지 소산량을 PCC 1을 기준으로층간변위비 4.
- 실험결과 보-기둥 연결부에 DDC 시스템을 적용하게 되면 역학적 특성의 향상을 기대할 수있었으나 기등에 발생한 경사균열에 의하여 주도적으로 파괴 메커니즘이 형성되는 취약성을 초래하였다. 고가의 DDC 시스템의 덕타일 로드를 대신하여 고강도 강봉을 적용한 공법은 DDC 연결부와 역학적 특성은 유사한 거동을 보였으며, 파괴 메커니즘은 더 우수한 것으로 나타났다. 또한 연결부에 연결철근을 쉬스관 안에 그라우팅하여 부착시키게 되면, 비부착 시키는 공법보다 역학적 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 같다. 고강도 강봉을 적용한 PCC 2, PCC 3 시험체들이 가장 효과적인 연결부의 내력을 보인 반면에 포스트텐션을 도입한 PCC 6 시험체는 예상 내력보다 실험결과를 통한 강도 증가가 포스트 텐션을 도입하지 않은 시험체에 비하여 낮은 단점을 볼 수 있었다. 이러한 결과는프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부에 포스트 텐션을 도입하게 되면 횡 강성이 증가는 기대할 수 있지만 연결부의 강도 증가에는 효과적이지 못한 것으로 판단된다.
- 우수한 것으로 나타났다. 그러나 철근콘크리트 보-기둥 연결부인 PCC 1 시험체는 파괴되기 전 층간변위비인 4.0%까지 누적에너지 소산량을 비교한 결과, 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체들보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한 연결부 강도는 낮게 나타났지만, 연결부 파괴형상이소성흰지를 형성하여, 파괴 메커니즘이 합리적인 것으로 판단된다.
- 0%까지 누적에너지 소산량을 비교한 결과, 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체들보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한 연결부 강도는 낮게 나타났지만, 연결부 파괴형상이소성흰지를 형성하여, 파괴 메커니즘이 합리적인 것으로 판단된다.
- 23 를 통하여 비교하였다. 시험체 별 횡 강성은 철근콘크리트 연결부 시험체인 PCC 1이 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체보다 횡 강성이 크게 나타났다. 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체들의 횡 강성은 유사한 경향을 보였으나 포스트텐션을 도입한 PCC 6 시험체는 PCC 1 시험체와 횡 강성이 유사한 것으로 나타났다.
- 시험체 최대하중에 대한 연성도를 비교한 결과 최대하중 시 나타난 층간변위비는 DDC시스템을 적용한 PCC 2와 고강도 강봉을 적용한 PCC 3 시험체가 5.0%로 크게 나타났다. 한편 연결부 연결 철근을 고가의 덕타일로드나 고강도 강봉을 대신하여, 건식 연결부의 경제성을 높이고자 SD 400 철근을 사용한 결과 연성도에서는안정적인 결과를 얻을 수 있었으나 연결부의 강도에서는연결부 강성을 고강도 강봉을 적용한 PCC 2와 동일하게 배치하였음에도 불구하고 강도가 낮게 나오는 단점이발견되었다.
- 고강도 강봉을 적용한 결과 DDC 연결부와 유사한 연결부 강도를 얻을 수 있었다. 시험체의 파 괴 메커니즘도 DDC 연결부는 연결부에서만 에너지 소산을 국한시켰던 것에 반해, 고강도 강봉을 적용한 연결부는 연결부 이외에 보에서도 에너지를 분 산시킴으로 인하여 DDC 연결부에 비하여 우수한 것으로 판단된다
- 아울러, 아파트 외곽보로 활용할 경우를 고려하여, H형 철물을 사용하여 기둥과 보의 폭을 최소화하였다. 실험결과 보-기둥 연결부에 DDC 시스템을 적용하게 되면 역학적 특성의 향상을 기대할 수있었으나 기등에 발생한 경사균열에 의하여 주도적으로 파괴 메커니즘이 형성되는 취약성을 초래하였다. 고가의 DDC 시스템의 덕타일 로드를 대신하여 고강도 강봉을 적용한 공법은 DDC 연결부와 역학적 특성은 유사한 거동을 보였으며, 파괴 메커니즘은 더 우수한 것으로 나타났다.
- 보와 기둥사이에 발생한 유격은 층간변위비의 증가에 따라 덕타일 로드에 연결된 볼트가 자체적으로 회전하여 발생한 변위이며, 이러한 변위는 연결부의 연성거동을 유발하는 것으로 판단된다. 이러한 거동을 통하여 DDC 시스템은 역학적 특성이 우수하나 연결부의 파괴 메커니즘이 보에 에너지를 분산시키지 않고, 연결부에서 에너지를 소산시키게 되어, 최종에는 Fig. 18 과 같이 연결부 콘크리트가 박락되어 파괴됨으로 인해파괴 메커니즘이 취약한 것으로 나타났다.
- PCC 6 시험체와 같이 포스트텐션을 도입한연결부는 보-기둥 연결부를 연결하는 철근에 포스트 텐션의 도입에 따른 추가적인 응력을 부담하게 되어, 설계 시예상되었던 연결부 강도에 미치지 못하고, 연결부의 지압파괴가 일어났다. 이러한 결과는 PCC 6 시험체의 연결철근을 일반 철근을 사용하여 나타나는 것으로 보이며, 고강도 강봉 또는 덕타일 로드와 같이 강성이 큰 연결부연결 철근을 사용할 경우 포스트텐션 도입에 따른 연결부의 역학적 특성이 증가할 것으로 판단된다.
- 또한 PCC 5 시험체는 연결철근이 연결부 내부에서는 쉬스관에 그라우트된 모르타르로 구속되어 있고, 연결부 외부에서는 전달블록과 너트로만 연결되어 있어, 하중재하 시 전달블록과의 연결부분에 응력 집중이 일어나게 되어 종국에는 연결철근이항복 후 절단되어 파괴되었다. 이러한 결과들을 통하여연결철근을 그라우팅하여 부착시키는 공법이 비부착 공법보다 보-기둥 연결부의 역학적 특성 및 파괴 메커니즘을 개선시킬 수 있는 공법으로 판단된다.
- 한편 연결부 연결 철근을 고가의 덕타일로드나 고강도 강봉을 대신하여, 건식 연결부의 경제성을 높이고자 SD 400 철근을 사용한 결과 연성도에서는안정적인 결과를 얻을 수 있었으나 연결부의 강도에서는연결부 강성을 고강도 강봉을 적용한 PCC 2와 동일하게 배치하였음에도 불구하고 강도가 낮게 나오는 단점이발견되었다. 이러한 결과를 통하여 건식 연결 공법의 경제성을 높일 수 있는 대안 공법으로 연결부의 연결 철근을 SD 400 철근의 도입보다는 최근 건축 구조물에서적용되고 있는 고강도 철근인 SD 500 철근(super bar)을적용하는 것이 연결부의 역학적 특성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단된다. 각 시험체의 횡 강성 비교는 Fig.
- 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체들의 횡 강성은 유사한 경향을 보였으나 포스트텐션을 도입한 PCC 6 시험체는 PCC 1 시험체와 횡 강성이 유사한 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통하여 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부의 횡 강성은 연결 철물에 따라 큰 차이를 나타내지 않는 것을 볼수 있었으며, 프리캐스트 콘크리트 연결부에 포스트텐션의 도입은 횡 강성의 증가에 기여하는 것으로 판단된다.
- 철근(SD 400)을 연결부에 적용한 PCC 4 시험체의 초기 거동은 PCC 3 시험체와 유사하였으며, 층간변위비 2.0% 에서 기등의 복부경사균열이 X자형으로 뚜렷하게 나타내는 특징을 보였다. 최대하중은 층간변위비 4.
- 23과 같다. 철근콘크리트 보-기둥 연결부인 PCC 1 시험체는 최대하중이후 강도가 급격하게 감소하는 형태를 보인 반면, 전달블록을 적용한 건식 연결 공법을 적용한 시험체(PCC 2~6) 는 최대하중에 도달한 이후 서서히 하중이 감소하는 안정적인 거동이 나타났다. 즉, 힘의 집중이 기둥내부와 기둥 밖의 전달블록으로 분산되므로, 보-기둥 연결부의 연성도를 향상시켜주는 것으로 판단된다.
- 25~30에서와 같이 띠철근의 변형률이증가하는 것을 볼 수 있었다. 특히, 기등의 연결부에 심부 콘크리트를 형성하고 있는 ±285.5 mm 이내에 위치한띠철근이 층간변위에 따라 ±285.5 mm 밖에 위치한 띠철근보다 변형률이 크게 나타났으며, 이러한 결과를 통하여 보-기둥 연결부의 심부 콘크리트는 층간변위의 증가에 따라 응력이 집중되는 것으로 판단된다.
- 시험체 별 횡 강성은 철근콘크리트 연결부 시험체인 PCC 1이 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체보다 횡 강성이 크게 나타났다. 프리캐스트 콘크리트 연결부 시험체들의 횡 강성은 유사한 경향을 보였으나 포스트텐션을 도입한 PCC 6 시험체는 PCC 1 시험체와 횡 강성이 유사한 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통하여 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 연결부의 횡 강성은 연결 철물에 따라 큰 차이를 나타내지 않는 것을 볼수 있었으며, 프리캐스트 콘크리트 연결부에 포스트텐션의 도입은 횡 강성의 증가에 기여하는 것으로 판단된다.
- 0%로 크게 나타났다. 한편 연결부 연결 철근을 고가의 덕타일로드나 고강도 강봉을 대신하여, 건식 연결부의 경제성을 높이고자 SD 400 철근을 사용한 결과 연성도에서는안정적인 결과를 얻을 수 있었으나 연결부의 강도에서는연결부 강성을 고강도 강봉을 적용한 PCC 2와 동일하게 배치하였음에도 불구하고 강도가 낮게 나오는 단점이발견되었다. 이러한 결과를 통하여 건식 연결 공법의 경제성을 높일 수 있는 대안 공법으로 연결부의 연결 철근을 SD 400 철근의 도입보다는 최근 건축 구조물에서적용되고 있는 고강도 철근인 SD 500 철근(super bar)을적용하는 것이 연결부의 역학적 특성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 고가의 DDC 시스템의 덕타일 로드를 대신하여 고강도 강봉을 적용한 공법은 DDC 연결부와 역학적 특성은 유사한 거동을 보였으며, 파괴 메커니즘은 더 우수한 것으로 나타났다. 또한 연결부에 연결철근을 쉬스관 안에 그라우팅하여 부착시키게 되면, 비부착 시키는 공법보다 역학적 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 발견되었다. 이러한 결과를 통하여 건식연결공법의 경제성을 높일 수 있는 공법으로 SD 400 철근을 대신하여 고강도 철근인 SD 500 철근을 적용하는 것이 연결부의 역학적 특성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단되며, 이러한 공법의 적용을 위해서는 추가적인 연구가 반드시 필요하다.
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