[논문]조립식 프리캐스트 콘크리트 보 -기둥 접합 시스템(HPHC 공법)

최현기; 최창식

doi:10.22636/mkci.2012.24.2.32

조립식 프리캐스트 콘크리트 보 -기둥 접합 시스템(HPHC 공법)
Construction of HPHC(High Performance Hybrid Connection) Beam-Column Connection System 원문보기

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문제 정의

HPHC 공법의 내진성능 검증을 위한 실험이 수행되었다. <그림 5>는 HPHC 공법을 이용한 특수 모멘트 골조 접합부에 대한 실험을 보여주고 있다.
본 고에서는 시공성 및 연결부의 성능을 향상 시킬 수 있는 HPHC 공법을 소개하였다. 개발된 공법은 간결한 현장 연결방법과 우수한 성능을 발휘하는 섬유보강 콘크리트를 적용하여 기존 RC 공법과 동등 혹은 더 높은 성능을 발현하도록 개발되었다.
국내에서도 기존 PC 공법의 단점을 극복하고 시공성, 경제성 및 유지 관리성을 갖춘 고성능 PC 접합상세의 필요성이 대두되고 있으며 많은 연구결과가 발표되고 있다. 본 기사에서는 접합부 성능향상 및 현장 시공성이 간략한 High Performance Hybrid Connection(이하 HPHC)의 특징 및 성능에 대하여 소개하고자 한다.

제안 방법

본 고에서는 시공성 및 연결부의 성능을 향상 시킬 수 있는 HPHC 공법을 소개하였다. 개발된 공법은 간결한 현장 연결방법과 우수한 성능을 발휘하는 섬유보강 콘크리트를 적용하여 기존 RC 공법과 동등 혹은 더 높은 성능을 발현하도록 개발되었다.
이는 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 충분한 인성확보가 가능하여 접합부의 내진성능 향상을 기대할 수 있다. 또한 본 공법에서 제안하고 있는 ECC는 유동성 확보가 필수적으로 합성섬유의 종류 및 체적비 등을 변화시켜 타설용 ECC로 개량하여 적용하였다. 이러한 접합 상세는 접합부에서 교차되는 철근의 상호간섭이 없으며, PC보의 하부철근이 외부로 돌출되지 않아 공장에서 제작이 용이하다.
전술한 PC공법의 문제를 해결하기 위해 와 같이 접합부의 시공성 및 단절된 PC부재간의 효율적인 응력전달을 위해 철골연결재 및 섬유콘크리트의 일종인 ECC(engineered cementitious composite; 이하 ECC)를 적용한 새로운 접합상세를 개발하였다.

성능/효과

철골연결재는 PC기둥 및 보에 매립되어 제작되는 철골 각 관과 철판을 현장에서 볼트 접합시킨 후 접합부 일부에 ECC를 타설하여 작업을 완료하도록 개발되었다. 개발된 상세의 특징은 각 부재 간 접합을 철물을 통해 간단하게 연결이 가능하여 시공성이 우수하다. 또한 접합부 내에 타설된 ECC의 경우 합성섬유를 시멘트 체적비 1% 정도 투입하여 보통 콘크리트나 섬유보강 콘크리트(fibber reinforced concrete; FRC)보다 1~6%의 인장 변형능력(tensile deformability)을 확보할 수 있도록 하였다.
과 같이 정·부방향 모두 2%의 층간변위에서 80% 이상의 내력을 유지하여 중간모멘트 골조 요구조건을 만족하는 것으로 분석되었다.
<그림 6>과 같이 정·부방향 모두 2%의 층간변위에서 80% 이상의 내력을 유지하여 중간모멘트 골조 요구조건을 만족하는 것으로 분석되었다. 또한, 층간변위비 3.5%에서 최대하중에 도달하였으며, 4% 이상의 층간변위비까지 최대 하중의 75%를 유지하였다. 현행 RC공법에 비해 우수한 성능을 발휘하였으며, 기존 PC 공법에 비해 핀칭 현상이 크게 개선되어 에너지소산 능력이 우수한 것으로 나타났다.
이는 기둥에 설치된 철골 연결재(각형강관) 및 접합부에 타설된 ECC의 저항능력이 증대됨에 따라 접합부의 전단변형이 작아진 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발된 HPHC 공법의 경우 ECC 및 철골연결재의 설치로 접합부의 횡보강근의 설치는 큰 의미가 없는 것으로 나타났다.
<그림 5>는 HPHC 공법을 이용한 특수 모멘트 골조 접합부에 대한 실험을 보여주고 있다. 실험결과 실험체의하중 재하능력은 보의 소성모멘트에 근거하여 계산된 보-기둥 접합부의 하중 재하능력을 발휘하였다. <그림 6>과 같이 정·부방향 모두 2%의 층간변위에서 80% 이상의 내력을 유지하여 중간모멘트 골조 요구조건을 만족하는 것으로 분석되었다.
현행 RC공법에 비해 우수한 성능을 발휘하였으며, 기존 PC 공법에 비해 핀칭 현상이 크게 개선되어 에너지소산 능력이 우수한 것으로 나타났다. 이를 통해 ACI-ITG에서 제시하고 있는 성능요구 조건을 모두 만족하고 있는 것으로 분석되었다.
5%에서 최대하중에 도달하였으며, 4% 이상의 층간변위비까지 최대 하중의 75%를 유지하였다. 현행 RC공법에 비해 우수한 성능을 발휘하였으며, 기존 PC 공법에 비해 핀칭 현상이 크게 개선되어 에너지소산 능력이 우수한 것으로 나타났다. 이를 통해 ACI-ITG에서 제시하고 있는 성능요구 조건을 모두 만족하고 있는 것으로 분석되었다.

후속연구

기존 공법에 비해 향상된 성능과 경제적인 공법 개발을 위한 지속적인 연구와 다양한 프로젝트 적용을 통해, 매우 많은 장점을 갖고 있는 프리캐스트 공법이 더욱 발전하길 기대한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

DDC 공법은 무엇인가

그러나 보-기둥 접합부를 관통하는 긴장재의 덕트를 매설하는 등 시공과정이 복잡하며, 포스트텐션 도입을 위한 별도의 장비와 기술이 요구되어 경제성 및 시공성이 저하된다. DDC 공법은 기둥내에 덕타일 로드(ductile load)를 삽입하여 보와 기둥을 볼트로 체결하여 모든 구조적 연결을 완료할 수 있도록 개발된 상세로서 연성능력이 뛰어난 장점을 갖고 있으며, 실용화가 이루어진 공법 중의 하나이다. 그러나 고가의 덕타일 로드 및 시공시 고도의 정밀도를 요구하는 단점을 갖고 있다.

프리캐스트 콘크리트의 한계는 무엇인가

프리캐스트 콘크리트(precast concrete; 이하 PC)는 구조물의 안전성, 내구성, 신뢰성, 고품질, 비용절감 효과를 위한 실용적인 수단으로 널리 채택되어 왔다. 그러나 연결부위에 대한 시공성 및 경제성 확보의 어려움과 설계지침의 미비로 인하여 제한적으로 적용되고 있는 실정이며, 특히 지진 지역에서의 완전한 적용은 아직까지 완전히 해결되지 못하고 있다<그림 1>. PC 구조 사용에 있어 현장타설 철근콘크리트(이하 RC) 구조의 사용을 권장하는 관례적 조항은 지진지역에서의 사용을 주저하게 하고 있으며, 이는 현장타설 RC 구조와 같은 높은 에너지소산능력과 연성능력을 확보하기 위한 표준 방법론을 제시하게 되었다(ITC).

프리스트레스 및 하이브리드공법은 무엇인가?

그러나 접합부의 연성도 확보 및 내진성능 증가를 위해 많은 실험적 연구가 진행되었으며,<그림 2>와 같이 1990년대부터 PRESSS(precast seismic structural system) 프로그램을 통해 프리스트레스, 하이브리드(hybrid), DDC(dywidag ductile connection) 공법 등이 개발되었다. <그림 3>과 같이 개발된 공법의 특징을 살펴보면 프리스트레스 및 하이브리드공법은 PC 부재간 접합부의 결합력을 증가시키고 자가조정(self-centering) 현상에 의해 내진성능을 향상시킨 공법이다. 그러나 보-기둥 접합부를 관통하는 긴장재의 덕트를 매설하는 등 시공과정이 복잡하며, 포스트텐션 도입을 위한 별도의 장비와 기술이 요구되어 경제성 및 시공성이 저하된다.

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