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문제 정의
- 현재 PC벽체의 접합부에서 발생하고 있는 다양한 시공 문제가 기존 폭 100 mm 로 인해 발생하므로 구조적 성능은 유사하면서 설치가 쉬운 광폭형 연결부위의 개발이 절실하다. 이 연구에서는 기존 100 mm 폭의 접합부 대신 150 mm의 폭에 다른 연결 방법을 적용하여 광폭형 수직접합부의 구조적 성능을 연구하고 실험 결과를 각국의 기준 및 제안식과 비교하여 적용성을 검토한다. 또한, 상용 비선형 유한요소 해석 프로그램인 DIANA(displacement analyzer)를 이용하여 기존 100 mm 폭 접합부와 150 mm 광폭형 접합부 내의 전단키, 루프근의 응력 분포 및 변형을 비교 분석하여 광폭형 연결방법의 구조적 안전성을 분석한다.
제안 방법
- 각 실험 모델별로 접합면에 초기균열이 발생할 때의 하중을 Pc, 최대하중을 Pmax, 극한하중을 Pu로 표시하였으며, 접합부의 단면적에 대한 각각의 하중들의 전단응력도를 τc, τmax, τu로 나타내었다.
- 각국의 설계 기준과의 비교와 더불어 기존 연구자들에 의해 제안된 식을 이 연구의 실험 결과와 비교하여 적용성을 평가하였다. 각국 규준 및 기존의 제안식에 의한 계산값과 실험값을 비교하여 Tables 4, 5에 나타냈으며, 제안식에 의한 계산값과 실험값의 비를 계산하여 Fig.
- 광폭형 접합부를 실제로 적용하기 위해서는 내력을 예측할 수 있어야 하므로 실험 결과를 주요국가의 구조규준과 비교 검토하였다. 각국의 내력 평가식에 의한 값과 이 연구에서의 실험값의 비를 계산하여 Fig.
- 이 연구에서는 기존 100 mm 폭의 접합부 대신 150 mm의 폭에 다른 연결 방법을 적용하여 광폭형 수직접합부의 구조적 성능을 연구하고 실험 결과를 각국의 기준 및 제안식과 비교하여 적용성을 검토한다. 또한, 상용 비선형 유한요소 해석 프로그램인 DIANA(displacement analyzer)를 이용하여 기존 100 mm 폭 접합부와 150 mm 광폭형 접합부 내의 전단키, 루프근의 응력 분포 및 변형을 비교 분석하여 광폭형 연결방법의 구조적 안전성을 분석한다.
- 광폭형 접합부 실험체는 100 mm폭 접합부와 성능을 비교하기 위하여 루프근의 개수를 2개와 3개인 실험체를 각각 한 개씩 제작하였다. 또한, 폭이 150 mm인 광폭형 접합부는 Fig. 2에서와 같이 3가지 접합 방법을 채택하였으며, 루프근의 크기가 D10, D16인 두 가지 실험체로 루프근의 크기가 접합부의 성능에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이상에서 각 실험 변수에 따른 실험체의 구성을 정리하면 Table 1과 같다.
- 실험체에 가력하는 방법은 Fig. 1과 같이 실험체의 수직접합부를 수직방향을 유지할 수 있도록 가력대에 설치한 후에 가능한 한 편심이 발생하지 않도록 힌지를 위치시키고 수평이 되도록 하였다.
- 각 실험 모델별로 접합면에 초기균열이 발생할 때의 하중을 Pc, 최대하중을 Pmax, 극한하중을 Pu로 표시하였으며, 접합부의 단면적에 대한 각각의 하중들의 전단응력도를 τc, τmax, τu로 나타내었다. 여기서 전단응력도는 각 하중에 대한 전단력을 구하고 이를 접합부의 단면적으로 나누어 계산하였다. 처짐은 초기균열이 발생할 때 δc, 그리고 최대하중이 발생할 때 δmax로 나타내었다.
- 이 연구에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 재료적 비선형해석을 수행하였다. 전단키와 루프근 및 수직철근의 역할을 평가하기 위해 3차원으로 모델링하여 유한요소해석을 수행하였다.
- 이 연구에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 재료적 비선형해석을 수행하였다. 전단키와 루프근 및 수직철근의 역할을 평가하기 위해 3차원으로 모델링하여 유한요소해석을 수행하였다. 콘크리트는 3차원 8절점 입방형 요소, 철근은 선형요소로 하여 해석하였다.
- 전단키와 루프근 및 수직철근의 역할을 평가하기 위해 3차원으로 모델링하여 유한요소해석을 수행하였다. 콘크리트는 3차원 8절점 입방형 요소, 철근은 선형요소로 하여 해석하였다. 프리캐스트 콘크리트 패널과 접합부 그라우트 재료의 불연속면을 경계요소(interface element)로 모델링하여 해석하였으며, 콘크리트, 접합부 및 경계요소의 파괴기준8)은 모어-쿨롱의 파괴 기준을 적용하였다.
대상 데이터
- 광폭형 접합부 실험체는 100 mm폭 접합부와 성능을 비교하기 위하여 루프근의 개수를 2개와 3개인 실험체를 각각 한 개씩 제작하였다. 또한, 폭이 150 mm인 광폭형 접합부는 Fig.
- 실험체는 Fig. 1과 같이 외부 벽판 2개, 중앙부 벽판 1개 등 3개의 벽판으로 구성하여 H자 형태로 조립하여 제작하였다. 외부 벽판은 두께 160 mm, 가로 600 mm, 높이 880 mm, 중앙부 벽판은 동일한 두께에 가로 620 mm, 높이 980 mm로, 외부 벽판과 중앙부 벽판 사이 접합부의 폭은 100 mm와 150 mm로 하였다.
- 1과 같이 외부 벽판 2개, 중앙부 벽판 1개 등 3개의 벽판으로 구성하여 H자 형태로 조립하여 제작하였다. 외부 벽판은 두께 160 mm, 가로 600 mm, 높이 880 mm, 중앙부 벽판은 동일한 두께에 가로 620 mm, 높이 980 mm로, 외부 벽판과 중앙부 벽판 사이 접합부의 폭은 100 mm와 150 mm로 하였다. 주요 실험변수로 루프근의 연결방법, 개수, 그리고 단면적 등 수직접합부에 영향을 미치는 변수를 중심으로 실험체를 계획하여 Table 1과 같이 접합부의 폭 100 mm 2개, 150 mm 폭 9개를 제작하였다.
- 외부 벽판은 두께 160 mm, 가로 600 mm, 높이 880 mm, 중앙부 벽판은 동일한 두께에 가로 620 mm, 높이 980 mm로, 외부 벽판과 중앙부 벽판 사이 접합부의 폭은 100 mm와 150 mm로 하였다. 주요 실험변수로 루프근의 연결방법, 개수, 그리고 단면적 등 수직접합부에 영향을 미치는 변수를 중심으로 실험체를 계획하여 Table 1과 같이 접합부의 폭 100 mm 2개, 150 mm 폭 9개를 제작하였다. 또한 실험체의 기존 전단키의 형태는 Fig.
데이터처리
- 11(b)와 같으며 접합부의 형태에 관계없이 해석 값이 실험값과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 이상에서 해석 결과가 비교적 정확하므로 DIANA로 비선형 해석을 수행한다.
이론/모형
- 프리캐스트 콘크리트 패널과 접합부 그라우트 재료의 불연속면을 경계요소(interface element)로 모델링하여 해석하였으며, 콘크리트, 접합부 및 경계요소의 파괴기준8)은 모어-쿨롱의 파괴 기준을 적용하였다. 콘크리트 구성 모델은 Drucker-Prager 항복조건을 사용하였으며, 철근 구성모델로는 Von Mises 항복조건을 사용하였다. 경계요소의 강성 및 재료의 성질은 실험 결과를 적용하였으며, 최종 시험체 해석모델을 Fig.
- 콘크리트는 3차원 8절점 입방형 요소, 철근은 선형요소로 하여 해석하였다. 프리캐스트 콘크리트 패널과 접합부 그라우트 재료의 불연속면을 경계요소(interface element)로 모델링하여 해석하였으며, 콘크리트, 접합부 및 경계요소의 파괴기준8)은 모어-쿨롱의 파괴 기준을 적용하였다. 콘크리트 구성 모델은 Drucker-Prager 항복조건을 사용하였으며, 철근 구성모델로는 Von Mises 항복조건을 사용하였다.
성능/효과
- Table 3과 Fig. 4(a)의 루프근이 3개인 VTED 실험체에서 최대하중은 현장 용접의 문제로 인해 B형(링형)-A형(용접형)-C형(C형)의 순으로 최대하중이 큰 것으로 나타났다. 그러나 극한하중은 A형-B형-C형 순으로 나타났는데, 이는 최대하중 이후 용접으로 인해 루프근의 일체성이 증가하여 A형이 크게 나타난 것으로 평가된다.
- 1) 용접형-링형-C형 접합부의 순으로 강성과 연성도가 크게 나타나지만 링형 접합부가 구조적 거동에서 보다 안정적이다.
- 2) 루프근의 개수가 증가함에 따라 접합부의 내력이 20.0~66.0% 정도, 루프근의 단면적이 커짐에 따라 4.7~23.0% 정도 증가하여 접합부의 내력에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 3) 각국 기준 및 기존 제안식과 비교 결과, D10 루프근을 사용한 경우 CEB-FIP3)규준과 한국 규준, Hansen6)의 제안식이, 그리고 D16 루프근을 사용한 경우 ACI,5) PCI4)규준, Chakrabati7)의 제안식이 실험 결과를 잘 예측한다.
- 7에서 루프근이 링 형태로 연결된 경우 최대하중이 기준 실험체보다 크게 나타나지만, 다른 2가지 연결 방식은 시공 정도에 따라 차이를 보이고 있다. 3가지 연결방식 중 C형 연결의 최대하중이 가장 적고 B형이 우수하다. 이상에서 루프근의 개수와 크기에 의해 광폭형 접합부의 최대하중이 영향을 받으며 3가지 연결 형태의 하중 능력은 기존 접합부와 유사함을 알 수 있다.
- 6에 나타내었다. Fig. 6에서 루프근이 3개 들어간 실험체 VTED와 VTER을 비교한 결과 루프근이 D10인 실험체에 비해 D16인 용접 연결 실험체는 최대하중이 4.7%, 링 형태는 13.2%, C형 연결은 23.0% 증진되었다. Fig.
- 4(b)에서 VTER15-A 시험체는 용접 상태가 불량하여 최대하중과 극한하중이 B형-C형-A형의 순으로 나타났다. 기존의 100 mm 접합부와 비교하여 모든 150 mm 접합부 시험체에서 최대하중 이후 하중이 완만하게 감소하는 경향을 보인다.
- 이상에서 광폭형 접합부의 강성 및 거동에 2개의 수직철근이 많이 기여한 것으로 나타난다. 또한 경계요소의 강성을 동일하게 해석한 결과, 기존 접합부는 양쪽 루프근이 전단내력을 주로 수평방향으로 저항하고 있으나, 광폭형 접합부는 양쪽 루프근이 용접형 직선철근, 링형 연결근, C형 연결근으로 연결되어 응력이 루프근과 수평보강철근과 연결되어 있는 수직철근에 보다 많은 응력이 전달되어 전단저항능력이 증가하는 것으로 나타났다.
- 11(a)는 100 mm 폭을 가지고 있는 기존 접합부에 대한 실험 결과와 해석 결과를 비교한 것이다. 비교 결과 하중-처짐 곡선이 유사한 형태를 가지며 최대하중은 6.4%정도의 오차를 가진다. 광폭형 접합부에 대한 해석 결과는 Fig.
- 3가지 연결방식 중 C형 연결의 최대하중이 가장 적고 B형이 우수하다. 이상에서 루프근의 개수와 크기에 의해 광폭형 접합부의 최대하중이 영향을 받으며 3가지 연결 형태의 하중 능력은 기존 접합부와 유사함을 알 수 있다.
- 이는 DIANA 해석 결과에 의하면 광폭형 접합부에 수직으로 배근한 2개의 철근이 100 mm 폭 접합부 실험체의 수직철근보다 응력을 더 부담하여 균열이 늦게 발생하면서 강성의 증가가 발생한 결과라고 할 수 있다. 접합 형식에 따른 강성과 연성도의 크기는 A형(용접형), B형(링형), C형(C형) 순서로 나타났다. 그러나 루프근의 크기가 다른 VTED 및 VTER 실험체의 강성은 B형 접합보다 A형 접합이 약한 것으로 나타나는데 이는 현장 용접과정에 문제가 있었던 것으로 평가되었다.
- 그러나 루프근의 크기가 다른 VTED 및 VTER 실험체의 강성은 B형 접합보다 A형 접합이 약한 것으로 나타나는데 이는 현장 용접과정에 문제가 있었던 것으로 평가되었다. 접합부의 연성적인 거동을 판단할 수 있는 극한하중을 비교해보았을 때, 용접에 의해 접합된 A형 시험체가 가장 높게 나타났다.
후속연구
- 5) 광폭형 접합부의 현장 적용 및 강도 예측 식의 제안을 위하여 접합부 모르타르의 강도, 보강되는 철근의 길이 등을 변수로 하는 많은 실험적 연구가 필요하다.
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