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문제 정의
- 본 연구에서는 목구조의 기둥 하부와 상부에서 형성되는 주각 및 보단부 접합부에 대해 드리프트핀 접합을 위한 접합철물을 적용하여 기둥-보 부재로 이루어지는 뼈대 구조의 내력성능을 예측하고 성능 향상을 미리 파악할 수 있는 기초자료로 활용하고자, 뼈대를 구성하는 각부 접합부인 주각접합부와 보단부 접합부의 모멘트저항성능을 실험적으로 파악하여 그 개선점과 성능에 대해 검토하였다.
제안 방법
- ⊏형 접합철물은 PBM-S12 (150 × 150 mm, 90 mm 끝면거리)와 PBM-L16 (200 × 200 mm, 140 mm 끝면거리)의 두 가지 형태로 준비하여 핀인발시험을 행하였다.
- 낙엽송 집성재를 전통공법이 가미된 기둥-보 구조의 부재로 사용하여 뼈대구조를 구성하는 보단부 접합부와 주각접합부의 모멘트저항성능을 살펴보았다. 각 접합부의 모멘트저항성능의 기초자료로 활용하기 위해서 두 가지 형태의 접합부에 대해 핀인발시험을 행하여 핀직경에 의한 세장비의 영향에 대해 검토하였다. 드리프트핀의 세장비가 크면 초기강성에 어느 정도 유리하고 세장비가 작으면 항복내력과 최대내력 측면에서 유리함을 알 수 있었다.
- 기둥과 보가 만나는 보단부 접합부의 모멘트저항시험은 핀인발시험의 사양에 기둥이 볼트에 의해 보단부와 결합된 접합부에 대해 실시하였다. 두 개의 볼트와 두 개의 드리프트핀으로 결합되어 접합부의 긴결성이 유지되는 형태로써, 핀인발시험에서와 같이 접합철물은 12 mm와 16 mm용으로 구분하여 준비하였다.
- 낙엽송 집성재를 전통공법이 가미된 기둥-보 구조의 부재로 사용하여 뼈대구조를 구성하는 보단부 접합부와 주각접합부의 모멘트저항성능을 살펴보았다. 각 접합부의 모멘트저항성능의 기초자료로 활용하기 위해서 두 가지 형태의 접합부에 대해 핀인발시험을 행하여 핀직경에 의한 세장비의 영향에 대해 검토하였다.
- 측정된 하중-변위 관계로부터 모멘트-회전각 관계를 얻어 항복모멘트와 모멘트강성을 5% 옵셋법과 완전탄소성 분석법(bi-linear analysis)[8]에 의해 구하였다. 또한, 항복모멘트(My)는 목조건축구조설계 매뉴얼[2]과 건축구조설계기준[9]에 의거하여 EYT(European Yield Theory)에 의해 이중전단 금속-목재 접합부로 설정하여 가능한 모드별로 산정하였다.
- ⊏형 접합철물은 PBM-S12 (150 × 150 mm, 90 mm 끝면거리)와 PBM-L16 (200 × 200 mm, 140 mm 끝면거리)의 두 가지 형태로 준비하여 핀인발시험을 행하였다. 볼트를 인장하여 핀의 인발내력을 측정하였으며, 200 kN의 용량과 로드셀이 장착된 인장-압축형 시험기를 이용하여 시험을 행하였다. 변위제어로 시험속도는 1 mm/min 였으며, 하중과 변위는 컴퓨터제어로 일정 간격으로 수집하였다.
- 1(b)에서와 같이 기둥면에서 500 mm 위치에서 가력하였다. 사용 시험기 및 데이터수집 방법은 핀인발시험과 동일하며, 그림에서와 같이 가력부에서 보의 하부와 기둥면 하부에서 보의 하부 처짐변위로부터 모멘트-회전각 관계를 산출하였다.
- 변위제어로 시험속도는 1 mm/min 였으며, 하중과 변위는 컴퓨터제어로 일정 간격으로 수집하였다. 얻어진 하중-변위 관계로부터 최대인발력을 산출하였으며, 핀의 직경과 세장비에 따른 영향력을 검토하였다.
- 모멘트저항시험은 KS F2154[7]에 준하여 수평하중을 가하였다. 하중-변형 관계로부터 변형각(rad.)과 모멘트(kN․m)를 구하였으며, 항복모멘트(My), 최대모멘트(Mmax), 모멘트강성(KM) 등을 구하였다.
대상 데이터
- 기둥과 보가 만나는 보단부 접합부의 모멘트저항시험은 핀인발시험의 사양에 기둥이 볼트에 의해 보단부와 결합된 접합부에 대해 실시하였다. 두 개의 볼트와 두 개의 드리프트핀으로 결합되어 접합부의 긴결성이 유지되는 형태로써, 핀인발시험에서와 같이 접합철물은 12 mm와 16 mm용으로 구분하여 준비하였다. ⊏형 접합철물의 내부 간격은 35 mm로 두 가지 형태의 접합철물에서 동일하며, 보단부 접합부의 모멘트저항성능을 측정하기 위한 가력 위치는 Fig.
- 본 연구에서 사용된 구조용 집성재는 국내산 낙엽송으로 KS F3021 (2005)[5] 조건으로 생산되어 층재의 호칭치수는 두께 27 mm였으며, 기둥재는 180 mm, 정각재로 길이가 2450 mm, 보재는 나비 140 mm, 춤 240 mm, 길이 3480 mm였다. 사용된 기둥과 보 부재는 기계프리커트로 공장에서 가공되었으며, 핀 및 볼트 구멍, 슬롯, 따냄 등의 가공이 이루어졌다.
- 본 연구에서 사용된 구조용 집성재는 국내산 낙엽송으로 KS F3021 (2005)[5] 조건으로 생산되어 층재의 호칭치수는 두께 27 mm였으며, 기둥재는 180 mm, 정각재로 길이가 2450 mm, 보재는 나비 140 mm, 춤 240 mm, 길이 3480 mm였다. 사용된 기둥과 보 부재는 기계프리커트로 공장에서 가공되었으며, 핀 및 볼트 구멍, 슬롯, 따냄 등의 가공이 이루어졌다. 가공된 부재는 Fig.
- 1(c)에서와 같이 철물의 하부는 벽체구성에서 토대나 하부 플레이트와 같은 수준인 38 mm의 박스 형태로 하였으며, 상부는 파이프 형태로 기둥에 삽입되어 드리프트핀으로 열십자의 형태로 고정되는 방식이다. 파이프의 직경은 60 mm, 길이는 160 mm이며, 박스는 높이 38 mm, 한 변이 160 mm인 정사각형의 형태이다.
이론/모형
- 모멘트저항시험은 KS F2154[7]에 준하여 수평하중을 가하였다. 하중-변형 관계로부터 변형각(rad.
- 측정된 하중-변위 관계로부터 모멘트-회전각 관계를 얻어 항복모멘트와 모멘트강성을 5% 옵셋법과 완전탄소성 분석법(bi-linear analysis)[8]에 의해 구하였다. 또한, 항복모멘트(My)는 목조건축구조설계 매뉴얼[2]과 건축구조설계기준[9]에 의거하여 EYT(European Yield Theory)에 의해 이중전단 금속-목재 접합부로 설정하여 가능한 모드별로 산정하였다.
- 한국표준협회 KS F2153 (2005)[6] 기준을 참조하여 핀인발시험을 행하였고, KS F2154 (2001)[7] 기준에 의거하여 보단부 접합부와 주각접합부에 대해 모멘트저항성능시험을 행하였다. 각 접합부의 시험모습은 Fig.
성능/효과
- 기둥-보 구조에 있어 전통공법과 드리프트핀 접합법의 융합으로 전체 구조체에 있어서는 핀의 세장비를 적절히 설정하면 우수한 모멘트 저항성능이 발휘 및 예측이 가능할 것으로 판단되었다.
- 각 접합부의 모멘트저항성능의 기초자료로 활용하기 위해서 두 가지 형태의 접합부에 대해 핀인발시험을 행하여 핀직경에 의한 세장비의 영향에 대해 검토하였다. 드리프트핀의 세장비가 크면 초기강성에 어느 정도 유리하고 세장비가 작으면 항복내력과 최대내력 측면에서 유리함을 알 수 있었다.
- 05)와 허용모멘트(Ma)에서는 드리프트핀의 직경이 큰 쪽이 높게 나타남을 알 수 있다. 특히, PBM-L16 시험체의 항복모멘트는 PBM-S12 시험체보다 50% 이상 증가한 값을 나타냈다. 하지만, PBM-S12 시험체의 낮은 항복모멘트에도 불구하고 모멘트강성(KM)은 PBM-L16 시험체의 거의 비슷한 값을 보였다.
- 2(a) 및 (b)에서와 같이 확연한 차이가 있음을 알 수 있었다. 핀의 직경이 상대적으로 작은 12 mm 드리프트핀 접합부의 파괴는 핀의 휨변형에 의한 파괴가 주를 이루었으며, 핀의 직경이 상대적으로 큰 16 mm 드리프트핀 접합부에서는 핀의 변형보다는 주부재에 해당하는 ⊏형 접합 철물의 중앙부의 목재의 전단할렬파괴 및 측면부재에 해당하는 ⊏형 접합철물의 외측 목재부에서의 할렬 등이 관찰되었다. 이러한 핀인발내력으로부터 다양한 접합부의 내력성능 예측이 가능하며, 일례로 황과 박의 연구[10]에서는 핀접합부의 인발성능으로부터 보단부접합부의 모멘트저항성능을 실험값에 근사하게 예측하였다.
- 이러한 결과로부터 주각접합부의 성능은 완전탄소성분석이 적합한 것으로 사료된다. 한편, 최대 모멘트에서 드리프트핀의 휨변형과 목재의 할렬이 관찰되었으며, 초기 변형은 따냄, 구멍 공차에 의해 발생한 것으로 전체 모멘트저항 시스템에 어느 정도 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
- 이는 12 mm 드리프트핀을 사용함으로써 핀의 휨변형으로 인한 목재의 파괴가 동시에 진행되어 생긴 것으로 사료된다. 한편, 파괴형상면에서는 PBM-S12 시험체에서는 대부분이 핀의 휨변형과 접합철물 내부의 목재부에서 전단파괴가 주로 일어났으며, PBM-L16 시험체에서는 핀의 휨변형에 의한 파괴는 거의 관찰되지 않았으며 목재의 전단파괴가 주로 일어났다. 이로써, 핀의 직경이 커지면 목재부에서의 파괴가 주로 일어남을 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 완전탄소성 분석법은 목구조의 전단성능을 평가할 때 사용되는 유용한 방법이다[8]. 즉, 본 연구에서 구해진 각각의 접합부에 대한 값들은 기둥-보 뼈대구조와 같은 형식의 실대구조체의 수평전단성능을 예측하고 향상시킬 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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