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문제 정의
- 통상 주열대 휨모멘트의 가운데 기둥폭에 부과되는 휨모멘트의 전달을 위해 휨철근의 전강도이음을 위한 현장용접이 불가피하다. 그러나 본 연구에서는 휨철근을 현장용접하지 않고도 휨철근의 전강도를 발휘할 수 있는 효과적 정착방안을 모색하였다.
- 무량판 구조의 펀칭강도를 증진시키기 위해서는 압축대를 보강하는 것이 중요하다. 압축대부분 보강상세는 이런 개념을 응용하여 슬래브의 압축대에 고강도 콘크리트를 타설하여 접합부의 강도를 높이고자 하였다. 시공 편의상 고강도 콘크리트는 전단머리 끝단을 경계면으로 타설하였다.
- 필자는 공기단축형 복합구조시스템 건설기술 개발 과제(2005년 5월~2010년 9월, 주관기관: 서울대학교) 중 1-4세세부 철골복합화 고층구조시스템 개발 연구를 수행하면서 일반 RC기둥-무량판 접합부의 내력과 동등하거나 또는 이를 상회하는 접합부내력을 갖는 동시에 뛰어난 시공성을 지닌 CFT기둥-RC 무량판 접합부를 개발하였다. 이에 본 고에서는 개발 내용을 간략하게 소개하고자 한다.
- 이 전단키의 강도는 목표로 하는 펀칭강도 이상이 되도록 확보되어야 할 것이다. 접합부의 안전성 및 현장에서의 시공성제고를 접합부 개발의 최우선 기준으로 연구를 진행하였다. 통상 주열대 휨모멘트의 가운데 기둥폭에 부과되는 휨모멘트의 전달을 위해 휨철근의 전강도이음을 위한 현장용접이 불가피하다.
제안 방법
- 또한 사용하중 상태에서 처짐 및 균열측정, 바닥진동 성능평가, 실재하에 의한 각 접합부의 극한 내하력 등을 평가하였다.
- RC 무량판, 2. 철골구조, 3. SRC기둥-철골조)으로 설계하였다. 그림 1에 나타난 바와 같이 CFT기둥-RC 무량판 구조 시스템이 다른 경쟁 구조시스템에 비해 공사기간이 획기적으로 단축되는 것을 알 수 있다.
- CFT기둥 세우기 작업시 발생할 수 있는 안전성 문제를 해결하기 위해 제안한 횡지지 부재(그림 7 참조)를 설치함으로써 RC 무량판 펀칭강도에 비해 35 %, FPP-SH에 비해 13 % 증가된 펀칭강도를 발휘하였다(그림 5 참조). 실험결과 펀칭이 발생한 후에 급격한 하중저하가 발생하는 것이 아니라, 완만한 경사를 형성하면서 하중이 저하되는 것을 알 수 있었다.
- 건축물의 공사비는 골조공사에 대한 비용만으로 비교평가하였으며, 터파기 및 기초공사를 제외한 지상층의 골조공사에 대하여 비교평가 하였다. 그림 2는 30층 프로토타입 건물의 골조공사비를 나타낸 것이다.
- 접합부의 내력은 비선형 영향선 개념을 도입하여 다양한 재하 실험을 모사하고 접합부의 성능을 평가할 수 있는 방법을 고안하였다. 경계조건 구현이 어려운 외부/모서리 접합부의 내력을 평가할 수 있는 하중 재하 방식을 결정하고, 중력하중이 작용할 경우 기둥에 발생하는 반력을 이용하여 각 접합부의 펀칭내력을 평가할 수 있는 방안을 모색하였다.
- 연구의 타당성 검증 및 경쟁시스템과의 시공성/경제성/공기단축성/부대이익 분석을 위하여 30층 규모의 주상복합 건물을 CFT기둥-무량판 구조 시스템과 4가지 경쟁시스템(1. RC 무량판, 2.
- 파일럿 실험결과 휨 철근은 기둥면을 완전히 관통시켜서 정착하고 전단키로서 H형강 전단머리를 사용하여 접합부를 구축하는 것이 가장 우수한 성능을 발현하는 것으로 평가되었다. 전단머리는 RC 무량판의 펀칭강도와 동등한 성능을 발현하도록 단면과 길이를 설계하였다.
- 전술한 접합부 개발 전략을 바탕으로 다양한 전단키 상세와 휨철근 정착 방법을 제안을 하였다. 파일럿 실험결과 휨 철근은 기둥면을 완전히 관통시켜서 정착하고 전단키로서 H형강 전단머리를 사용하여 접합부를 구축하는 것이 가장 우수한 성능을 발현하는 것으로 평가되었다.
- 경기도 여주 소재의 PC 공장에 스팬길이 6m x 6m, 2 Bay의 목업 건물을 시공하였다. 제안된 상세를 적용한 CFT기둥-RC 무량판 구조시스템을 시공하면서 시공성 및 공기단축성을 평가하고, 시공지침서를 작성하는 데 반영하였다. 또한 사용하중 상태에서 처짐 및 균열측정, 바닥진동 성능평가, 실재하에 의한 각 접합부의 극한 내하력 등을 평가하였다.
- 5%의 변형 능력을 발현해야 한다고 규정하고 있다(ACI-ASCE 352). 중력하중 실험을 통하여 RC 무량판 접합부에 비해 펀칭강도 및 강성면에서 우수한 성능을 보인 전단머리 상세를 기본으로 한 CFT기둥-RC 무량판 내부 접합부에 대하여 횡하중 반복가력 실험을 수행하였다. 제안된 CFT기둥-RC 무량판 상세가 중력하중이 공칭 펀칭전단강도의 40%의 수준으로 작용할 때 1.
- 그러나 현재 CFT기둥-RC 무량판 접합부의 효율적인 디테일은 국내∙외적으로 아직 제시된 바가 없어서 이 분야의 연구가 매우 필요한 실정이다. 필자는 공기단축형 복합구조시스템 건설기술 개발 과제(2005년 5월~2010년 9월, 주관기관: 서울대학교) 중 1-4세세부 철골복합화 고층구조시스템 개발 연구를 수행하면서 일반 RC기둥-무량판 접합부의 내력과 동등하거나 또는 이를 상회하는 접합부내력을 갖는 동시에 뛰어난 시공성을 지닌 CFT기둥-RC 무량판 접합부를 개발하였다. 이에 본 고에서는 개발 내용을 간략하게 소개하고자 한다.
- 횡하중 반복가력실험의 경우 횡하중에 의한 경계조건만을 고려하여 실험을 수행하는 경우가 대부분이나, 본 연구에서는 중력하중과 횡하중에 의한 경계조건을 모두 고려하여 ERS (Edge Restrained System)와 HS (Hinge System)를 사용하였다(그림 14 및 15 참조). CFT1의 접합부강도(이하 모두)는 BM-RC에 비해 약 1.
대상 데이터
- 경기도 여주 소재의 PC 공장에 스팬길이 6m x 6m, 2 Bay의 목업 건물을 시공하였다. 제안된 상세를 적용한 CFT기둥-RC 무량판 구조시스템을 시공하면서 시공성 및 공기단축성을 평가하고, 시공지침서를 작성하는 데 반영하였다.
- 본 연구의 기본이 되는 FPP-SH 실험체의 경우, CFT기둥의 두께는 40mm, 전단머리 단면은 H-100x100x6x8 (SS400), 길이는 320 mm로 이 상세를 기본으로 펀칭강도를 증진시킬 수 있는 방안을 모색하여 총 9개의 실험체를 제작하여 실물대 실험을 수행하였다(표 1 참조). 아래 표 1에서 SH는 전단머리(ShearHead)를 나타내고 뒤의 숫자는 전단머리의 길이를 나타낸다.
성능/효과
- 실험 초기에는 거의 비슷한 소산능력을 보였으나 사이클이 증가할수록 BM-RC 시험체에 비해 CFT기둥-RC 무량판시험체의 에너지 소산능력이 크게 나타났다. CFT1은 BMRC에 비해 약 1.5배 증가된 에너지 소산능력을 나타내었고, CFT3의 에너지 소산능력은 CFT1에 비해 약 2.5배 향상되는 것으로 평가되었다. 이는 전단밴드가 에너지 소산능력 향상에 큰 기여를 하는 것을 시사한다.
- 횡하중 반복가력실험의 경우 횡하중에 의한 경계조건만을 고려하여 실험을 수행하는 경우가 대부분이나, 본 연구에서는 중력하중과 횡하중에 의한 경계조건을 모두 고려하여 ERS (Edge Restrained System)와 HS (Hinge System)를 사용하였다(그림 14 및 15 참조). CFT1의 접합부강도(이하 모두)는 BM-RC에 비해 약 1.7배가량 증가한 성능을 갖는 것으로 평가되었고, CFT3의 불균형 모멘트 성능은 CFT1과 유사하지만 횡변위비는 1.7배가량 우수한 것으로 평가되었다.
- 그림 2는 30층 프로토타입 건물의 골조공사비를 나타낸 것이다. CFT기둥-RC 무량판 구조시스템은 철골조(or SRC기둥-철골보)에 비해 골조공사비가 절감되는 반면, RC 무량판 구조에 비해 약 1억 원 가량 더 소요되는 것으로 평가되었다. CFT기둥-무량판 구조시스템은 RC 무량판 구조시스템과 공사비는 비슷하게 소요되지만 공사기간이 30% 정도 단축되기 때문에 공기단축으로 인한 금융비용 및 부대효과를 고려할 경우 충분한 경쟁력이 있다고 사료된다.
- 그림 1에 나타난 바와 같이 CFT기둥-RC 무량판 구조 시스템이 다른 경쟁 구조시스템에 비해 공사기간이 획기적으로 단축되는 것을 알 수 있다. RC 무량판 구조시스템에 비해 약 50일 가량의 공기단축 효과가 있는 것으로 평가되었다.
- CFT2의 결과는 중력하중의 크기가 무량판 접합부의 변형 능력에 영향을 끼치는 중요한 인자로서 작용한다는 것을 반영한다. RC 무량판 접합부에 비해 CFT기둥 무량판 접합부의 초기강도가 22% 증가하였으며, 휨강도는 유사한 것으로 평가되었다. 내부 접합부의 경우, 전단밴드는 휨강도 증진에는 별 영향을 미치지 않았으나, 변형 능력을 향상시키는 것으로 평가되었다.
- 그림 10은 CFT기둥-RC 무량판 구조가 RC 무량판 슬래브 실용상의 상한 두께인 300 mm에 해당하는 성능을 발현할 수 있는지 여부를 검증하기 위한 시험체의 펀칭강도를 나타낸 것이다. SH620-S300은 BM-RCS300에 비해 26 % 증가된 펀칭강도 값을 갖는 것으로 평가되었다. 또한 RC 무량판의 경우 두께가 1.
- 롤 부재 사용에 따른 펀칭전단강도를 그림 9에 나타내었다. 그림 9에 나타난 바와 같이 SH320-WT19는 RC 무량판펀칭강도에 비해 15 % 정도 증가한 값을 가지며, 40 mm 후 판재 빌트업 단면인 FPP-SH 펀칭강도의 약 96 % 성능을 보였다. SH670-WT19는 박판의 롤 부재와 가용전단머리 길이 상한선으로 구성된 가장 불리한 조합임에도 RC 무량판의 펀칭강도와 동등한 성능을 발휘하였다.
- SH620-S300은 BM-RCS300에 비해 26 % 증가된 펀칭강도 값을 갖는 것으로 평가되었다. 또한 RC 무량판의 경우 두께가 1.5배 증가 시 펀칭강도가 93 % 증가하였고, CFT기둥-RC 무량판의 경우 두께가 1.5배 증가 시 RC 무량판 펀칭강도 보다 174 % 증가하는 것으로 평가되었다. 동일한 슬래브 두께를 갖는 무량판 구조의 경우 CFT기둥-RC 무량판 구조가 RC 무량판 구조에 비해 별도의 전단 보강 없이 안전하고 우수한 성능을 지닌 접합부를 구축할 수 있을 것으로 사료된다.
- 내부 접합부의 경우, 전단밴드는 휨강도 증진에는 별 영향을 미치지 않았으나, 변형 능력을 향상시키는 것으로 평가되었다. 반면 외부 접합부에 전단 밴드를 설치할 경우, 휨강도, 강성, 변형능력 모두 증가되는 것으로 평가되었다. 따라서 우수한 내진 성능을 요구하는 구조물에 CFT기둥-RC 무량판 접합부를 적용할 경우, 외부 접합부 구축시 시공성 및 경제성에서 우수한 전단밴드를 사용하면 적합할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 개발된 기술은 국내외에서 개발된 바가 없는 신기술로서 실용화가 될 경우 건설사에 충분한 경쟁력과 이익을 제공할 수 기술임이 여러 객관적 자료를 통해 입증되었다. 그러나 건설업의 보수적 속성으로 기술의 우수성이 분명한 경우도 이를 먼저 도입하여 시범 적용하는 것에 따르는 리스크 등으로 인해 현장적용에 매우 소극적인 것이 현실이다.
- 실제 목업 시공을 진행하면서 CFT기둥-무량판 접합부의 양호한 시공성능을 확인하였고, 바닥진동 성능 평가와 실재하 내하력 평가를 수행하여 각 접합부의 요구성능을 만족하는 것을 검증하였다.
- 그림 18은 각 시험체의 에너지 소산능력을 나타낸 것이다. 실험 초기에는 거의 비슷한 소산능력을 보였으나 사이클이 증가할수록 BM-RC 시험체에 비해 CFT기둥-RC 무량판시험체의 에너지 소산능력이 크게 나타났다. CFT1은 BMRC에 비해 약 1.
- 그림 4에서 가로축은 전단머리길이의 비를 나타낸 것이고, 세로축은 실험에서 얻어진 펀칭강도를 FPP-SH(전단머리 길이 320 mm) 실험체의 펀칭강도로 무차원화 한 것이다. 실험결과 전단머리를 갖는 CFT기둥-RC 무량판의 펀칭강도는 RC 무량판의 펀칭강도에 비해 약 20 ̃ 93 % 상회하는 것을 확인하였다. 그림 4에 나타난 바와 같이 전단머리 길이에 따라 펀칭전단강도가 증가하는 것을 알 수 있다.
- CFT기둥 세우기 작업시 발생할 수 있는 안전성 문제를 해결하기 위해 제안한 횡지지 부재(그림 7 참조)를 설치함으로써 RC 무량판 펀칭강도에 비해 35 %, FPP-SH에 비해 13 % 증가된 펀칭강도를 발휘하였다(그림 5 참조). 실험결과 펀칭이 발생한 후에 급격한 하중저하가 발생하는 것이 아니라, 완만한 경사를 형성하면서 하중이 저하되는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 펀칭파괴이후 횡지지 부재가 현수작용(Catenary Action)을 발휘하여 연쇄붕괴를 방지하는데 기여할 것으로 사료된다.
- 또한 무량판 구조는 층고절감 및 공기단축 측면의 장점으로 국내에서 초고층 주상복합시설과 주거시설에 광범위하게 적용되고 있다. 이두 구조시스템의 조합은 구조적 효율성 증대와 더불어 공기 단축 효과를 극대화시킴으로써 건설공사의 효율성을 높일 것으로 사료된다. 그러나 현재 CFT기둥-RC 무량판 접합부의 효율적인 디테일은 국내∙외적으로 아직 제시된 바가 없어서 이 분야의 연구가 매우 필요한 실정이다.
- 이상의 결과들은 제안된 상세를 지닌 시험체들이 RC 시험체에 비해 뛰어난 모멘트 성능과 변형 능력을 지니고 있다는 것을 시사한다. CFT2의 결과는 중력하중의 크기가 무량판 접합부의 변형 능력에 영향을 끼치는 중요한 인자로서 작용한다는 것을 반영한다.
- 이상의 실물대 실험 및 목업시공 결과를 종합해 볼 때 본 연구에서 제안한 전단머리를 갖는 CFT기둥-RC 무량판 구조시스템이 경쟁시스템(RC 무량판, RC 모멘트 골조, SRC 기둥-철골보)에 비해 월등한 구조 및 시공상의 장점이 있는 것으로 평가되었고, 실용화를 위한 충분한 경쟁력을 갖춘 것으로 사료된다. 이외에도 역타(top-down)공법을 위한 원형 CFT-무량판 볼트(무용접) 자켓 상세 등도 개발하고 성능을 검증하였으나 지면의 제한으로 소개하지 못하였다.
- 중력하중 실험을 통하여 RC 무량판 접합부에 비해 펀칭강도 및 강성면에서 우수한 성능을 보인 전단머리 상세를 기본으로 한 CFT기둥-RC 무량판 내부 접합부에 대하여 횡하중 반복가력 실험을 수행하였다. 제안된 CFT기둥-RC 무량판 상세가 중력하중이 공칭 펀칭전단강도의 40%의 수준으로 작용할 때 1.5%변형 능력을 발휘할 수 있고, RC 무량판 접합부에 비해 내진성능이 우수함을 실험적으로 검증하고자 하였다. 성능을 검증할 시험체는 표 2과 같고 상세는 그림 11 ̃ 그림 13에 나타내었다.
- 전술한 접합부 개발 전략을 바탕으로 다양한 전단키 상세와 휨철근 정착 방법을 제안을 하였다. 파일럿 실험결과 휨 철근은 기둥면을 완전히 관통시켜서 정착하고 전단키로서 H형강 전단머리를 사용하여 접합부를 구축하는 것이 가장 우수한 성능을 발현하는 것으로 평가되었다. 전단머리는 RC 무량판의 펀칭강도와 동등한 성능을 발현하도록 단면과 길이를 설계하였다.
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