[논문]모듈러 골조의 각형강관 기둥과 C형강 보 접합부의 거동 평가

이상섭; 박금성; 홍성엽; 배규웅

doi:10.7781/kjoss.2015.27.5.471

모듈러 골조의 각형강관 기둥과 C형강 보 접합부의 거동 평가
Behavior of C-Shaped Beam to Square Hollow Section Column Connection in Modular Frame 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.27 no.5, 2015년, pp.471 - 481

이상섭 (한국건설기술연구원) , 박금성 (한국건설기술연구원) , 홍성엽 (한국건설기술연구원) , 배규웅 (한국건설기술연구원)

초록
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모듈러 건축은 사전에 설계 검토된 건물 요소를 공장에서 모듈로 제작하여 현장으로 운송 조립하는 프리패브 건축 시스템이다. 모듈러 건축물의 구조 형식은 공법, 재료, 부재 구성 등에 따라 다양하게 구분될 수 있지만 사용되는 모듈의 구조 형식은 크게 벽식과 가구식으로 나눌 수 있다. 벽식 모듈은 모듈의 입면을 패널을 이용하여 구성하여 수직하중과 수평하중을 전달시키는 방식이다. 가구식 모듈은 기둥과 보를 이용하여 모듈을 구성하고, 용도에 맞춰 입면을 마감하거나 개방시켜 놓는 방식이다. 이 두 가지 모듈 방식은 국내에도 사용된 바 있으나 최근 가구식 모듈이 보편화되고 있다. 가구식 모듈의 기둥 부재로 각형강관이 일반적으로 사용되고 있으며, 보 부재로 C형강 또는 H형강이 사용되고 있다. 각형강관이 기둥 부재로 사용된 가구식 모듈간 접합을 위해 각형강관 기둥 단부에 고력볼트를 채우기 위해 액세스 홀을 가공하는 경우가 있다. 액세스 홀은 볼트체결을 위해 사람의 손이나 공구가 폐쇄형 단면인 각형강관 내부에 접근하기 위한 개구부로 액세스 홀은 기둥-보 접합부의 거동에 영향을 미치는 패널존을 약화시킬 가능성이 높다. 이 연구에서는 가구식 모듈의 기둥-보 접합부 거동에 영향을 미치는 액세스 홀, 기둥 두께, 다이아프램을 변수로 5개의 실험체를 제작하여 실험을 실시하였고 그 결과를 분석하여 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Modular building is a prefabricated construction system for building where factory-produced pre-engineered modular units are delivered to site and assembled as substantial elements of a building. There are two basic kinds of modular structures. One is a load-bearing wall structure designed to transfer the load through longitudinal walls. The other is a frame structure composed of columns and beams. For frame structure, square hollow section is often used as a column member and channel as a beam member in modular unit. Lower and upper modules are fasten with bolts via a pre-installed access hole in the SHS column. However, the access holes can weaken the panel zone that would affect the behavior of beam to column connection. The 5 specimens of beam to column connections with parameters of access hole, column thickness and diaphragm were made and this paper describes the test results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서 아치형 액세스 홀은 체결 공구가 삽입될 수 있는 최소 크기로 뚫린 것이다. 3층 이하의 저층 건물에서 이 아치형 액세스 홀의 기둥-보 접합부의 거동에 미치는 영향은 작을 수 있지만 층수가 증가할수록 그 영향은 클 것으로 적절한 개선 또는 보강 방안을 마련하기 위해 실험을 통해 그 거동을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 각형강관과 C형강으로 구성된 가구식 모듈에서 각형강관 기둥에 가공된 액세스 홀, 각형강관 기둥의 두께, 그리고 각형강관 기둥 내부에 설치된 다이아프램이 기둥-보 접합부의 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 접합부 실험을 계획하였다. 선행 연구를 참고하여 비틀림의 영향을 최소화할 수 있도록 실험체를 설계하였고, 지점 조건이 접합부의 거동에 영향을 미치지 않도록 실험 방법을 강구하여 실험을 실시하였고 실험결과를 비교․분석하였다.
이 연구에서는 각형강관 기둥과 C형강 보를 이용하여 제작한 가구식 모듈의 기둥-보 접합부를 대상으로 모듈간 접합을 위해 가공된 액세스 홀, 기둥의 두께, 다이아프램이 접합부 거동에 미치는 영향을 실험적으로 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
각형강관 기둥의 외연에 맞춰 C형강 단일 보를 용접하여 접합한 실험체의 경우 C형강 보의 비틀림 좌굴로 내력이 결정될 가능성이 높다. 이런 문제는 선행 연구에서도 언급된 바 있으며 이 연구에서는 실험체를 대칭으로 제작하여 비틀림에 의한 보의 선행 파괴를 예방하고자 하였다. 또한 선행연구에서 채택한 실험 방법은 패널존이 지지되도록 기둥 단부를 반력 프레임에 볼트로 고정하거나 힌지 지점으로 지지하여 접합부의 회전 강성을 증가시킬 수 있다는 우려가 있었다.

제안 방법

Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 기둥을 힌지 구좌로 지지하고 보 단부를 이동단으로 지지하여 수평가력 하였으며, 주요 지점에서 변위와 변형도를 측정하였다.
기둥-보 접합부의 거동에 영향을 미치는 인자를 액세스홀의 유무와 위치, 기둥의 두께, 보 플랜지 높이에서 기둥 내부의 다이아프램의 유무로 선정하여 Table 1에 정리한 것과 같이 5개의 접합부 실험체를 계획하였다.
보에 가해진 수평변위(δ)를 실험체의 높이(h)로 나눠 계산하기 때문에 층간변위각이 커질수록 초과된 수평변위(δ′)가 보에 가해지게 되지만 보수적 평가가 되도록 이를 수용하였다.
본 연구에서는 각형강관과 C형강으로 구성된 가구식 모듈에서 각형강관 기둥에 가공된 액세스 홀, 각형강관 기둥의 두께, 그리고 각형강관 기둥 내부에 설치된 다이아프램이 기둥-보 접합부의 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 접합부 실험을 계획하였다. 선행 연구를 참고하여 비틀림의 영향을 최소화할 수 있도록 실험체를 설계하였고, 지점 조건이 접합부의 거동에 영향을 미치지 않도록 실험 방법을 강구하여 실험을 실시하였고 실험결과를 비교․분석하였다.
실험체 제작에 사용된 각형강관과 C형강의 재료 특성을 알아보고자 Fig. 5와 같이 각각 2개의 인장 시험편(14B호)을 제작하여 KS B 0802^[8]를 따라 강재의 인장강도시험을 실시하였고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다.
여기서 접합부의 성능을 평가하기 위해 먼저 액세스 홀을 고려한 각형강관 기둥과 C형강 보의 전소성모멘트를 계산하였다. Fig.
2에 실험체의 형상은 십자형이나 외팔보 형태로 제작할 수 있으며, 가력도보 단부 혹은 기둥 단부에 변위를 가하는 방법을 채택할 수 있다고 설명되어 있다. 이 실험에서 사용한 가력방법은 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 KBC2009 0722.2.4^[9]에 규정된 층간 변위각을 0.2mm/sec 속도로 제어하는 반복가력이었다. 보에 가해진 수평변위(δ)를 실험체의 높이(h)로 나눠 계산하기 때문에 층간변위각이 커질수록 초과된 수평변위(δ′)가 보에 가해지게 되지만 보수적 평가가 되도록 이를 수용하였다.
0) 보로 구성된 접합부를 단조 가력하는 실험을 실시하였다. 이 실험은 기둥의 단부를 반력 프레임에 볼트로 고정하고, 보를 세워 수평 가력하는 방법으로 수행하였다. 비록 비틀림의 영향을 최소화한 길이의 단일 보로 실험체를 제작하였으나 C형강 보의 국부좌굴로 인한 비틀림 좌굴에 의해 내력이 결정되었다고 서술하였다.
2) 기둥과 C형강(200×75×6) 보가 사용된 2가지 접합부 실험체를 대칭되게 쌍으로 제작하여 박금성 등(2009)^[6]에서 사용된 지점 조건으로 반복가력 실험을 실시하여 접합부의 내력을 평가하였다. 이 연구를 통해 접합부의 안전한 거동을 위해 패널존 보강과 각항강관 기둥 두께에 제한을 둘 것을 제안하였다.
이 연구에서는 접합부의 상대 회전각을 변위계를 이용해 측정한 기둥면의 수평변위(δ5, δ6)를 두 변위계의 거리(d)로 나눠 계산하였다.
또한 선행연구에서 채택한 실험 방법은 패널존이 지지되도록 기둥 단부를 반력 프레임에 볼트로 고정하거나 힌지 지점으로 지지하여 접합부의 회전 강성을 증가시킬 수 있다는 우려가 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 세워진 기둥 상부에 보를 접합하고 보를 수평가력할 수 있는 실험방법을 계획하였다. 즉 바닥보를 중심으로 생각하면 ㄴ자형 접합부 실험체가 되어야 하지만 가력의 편리를 위해 이를 상하로 뒤집어 ㄱ자형의 접합부 실험체로 상세 치수와 형상을 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 각형강관 기둥으로 125×125×9mm 또는 125×125×6mm이 사용되었고, C형강 보로 200×75×6mm가 사용된 모듈의 장변방향과 단변방향 기둥-보 접합부를 대상으로 하였다.
이 연구에서 실험 대상이 된 접합부는 Fig. 3에 나타낸 장변이 6m이고 단변이 3m인 모듈에 사용된 것으로 이 가운데 보 스팬이 짧은 단변을 기준으로 Eurocode 3^[11]의 분류 경계가 되는 초기강성을 계산하고, Fig. 12에 나타낸 방법으로 구한 모멘트-회전각 관계의 초기 직선 구간을 Fig. 13에 비교하여 나타내었다.

성능/효과

(1) 가구식 모듈의 모듈간 접합을 위해 각형강관(□-125×125×9) 기둥에 가공된 액세스 홀(아치형 75×137.5mm)은 모듈의 기둥-보 접합부의 강도와 강성을 저하시킬 가능성이 높아 가공을 하지 않거나 보강하는 것이 바람직하다.
(2) 횡력이 작용하는 조건에서 액세스 홀이 각형강관 기둥의 플랜지 면에 가공될 경우 액세스 홀이 접합부의 강도와 강성에 미치는 영향은 최소화될 수 있다.
(3) 액세스 홀이 기둥 플랜지에 가공되거나 혹은 가공되지 않은 각형강관 기둥-C형강 보 접합부는 C형강 보가 내진콤팩트 단면의 한계세장비를 만족시킬 수 있다면 중간모멘트골조 이상의 성능을 발휘할 수 있다.
(4) 액세스 홀이 기둥 웨브에 가공된 각형강관 기둥-C형강보 접합부는 비록 기둥 내부에 다이아프램이 보강되어도 보통모멘트골조의 성능을 갖는 것으로 나타났다.
(5) C형강 보 플랜지 높이에서 각형강관(□-125×125×6) 내부에 용접된 다이아프램은 상당한 보강 효과가 있지만 액세스 홀이 접합부의 거동에 더 큰 영향을 미친다.
(6) 액세스 홀이 가공되지 않은 각형강관 기둥-C형강 보 접합부가 3×6m의 바닥면적을 갖는 모듈에 적용될 경우 모든 접합부는 강접합으로 모델링되어 설계될 수 있다.
게산된 소성모멘트는 실험결과와 비교하기 위해 Table 4에 ×2로 표기하였다. 각 실험체에서 지배하는 소성모멘트는 액세스 홀에 의한 단면 결손을 고려하더라도 C형강 보의 소성휨모멘트로 결정되었다. 따라서 액세스 홀의 영향이 없거나 미미한 경우 실험을 통해 얻은 최대모멘트는 보의 소성모멘트보다 커야 할 것이다.
이 연구에 사용된 액세스 홀이 항상 보호영역으로 취급되는 영역에서 제외될 수 있는 패널존에 가공되었지만, 큰 비탄성변형의 원인으로 작용하기 때문에 주의를 기울일 필요가 있음을 알 수 있다. 결과적으로 이 연구에서 사용된 크기의 액세스 홀이 횡력 방향에 교차되어 기둥 표면에 가공될 경우 그 영향은 미미해 지지만, 건축물에 횡력은 x 및 y방향으로 모두 작용함을 감안하여 이 크기의 액세스 홀은 가공하지 않거나 보강되는 것이 바람직할 것이다.
기둥 두께가 9mm이고 액세스 홀이 없었던 K-9NS와 액세스 홀이 기둥 플랜지에 가공된 K-9FS 두 실험체만이 특수모멘트골조에 해당하는 성능을 보이고 있고, 액세스 홀이 기둥 웨브에 가공된 K-9WS는 중간모멘트골조 성능에 조금 못 미치는 성능을 보이고 있다. 이 비교로부터 기둥에 가공된 액세스 홀이 하중의 작용 방향과 나란히 기둥 표면에 가공될 경우 기둥-보 접합부의 성능은 크게 떨어짐을 알 수 있다.
기둥을 지지한 힌지 구좌의 유격에 따른 문제로 K-9NS의 모멘트-회전각 관계가 좌측으로 이동되어 나타나고 있지만 초기강성은 강접합(rigid)에 가까운 기울기를 보이고 있다. 또한 K-9NS와 유사한 거동을 보였던 K-9FS의 초기 모멘트-회전각 관계는 완전히 강접합 영역에 포함되는 것으로 나타났다. 반면 K-9WS, K-6WS, K-6WD는 모두 반강접 영역에 해당되는 것으로 나타났다.
으로 건축구조기준에 명시되어 있다. 시험 결과 각 강종의 강도 기준이 만족되고 있지만 항복비가 높은 것으로 나타났다. 두께 6mm 각형강관의 경우 강종이 SPSR490으로 추정될 정도의 항복강도와 인장강도를 보였다.
는 모듈러 건축 공법의 주요 이점을 다음과 같이 3가지로 요약하였다. 첫째 공장 제작 건수가 늘어날수록 공장의 고정 비용이 낮아져 전체 건설비용은 감소될 수 있고, 현장 시공을 최소화하여 공기를 단축할 수 있으며, 셋째 엄격한 품질관리를 통한 공장 제작과 검사로 고품질의 건축이 가능하다는 점이다. 그러나 이러한 장점이 중고층 모듈러 건축에서도 유지되기 위해서는 구조 안전성이 우선 전제되어야 할 것이다.

후속연구

따라서 이 연구에 사용된 크기의 액세스 홀이 기둥 웨브에 있는 경우 모듈의 기둥-보 접합부는 반강접합으로 모델링되어야 하며, 실무 해석에서 모듈의 기둥-보 접합부를 강접합으로 가정하여 모델링하기 위해서는 각형강관 기둥에 액세스 홀을 가공하지 않거나 강판을 용접하여 보강하는 것이 실제 거동을 반영한 안전한 설계로 이어질 수 있을 것이다.
이 연구에 사용된 액세스 홀이 항상 보호영역으로 취급되는 영역에서 제외될 수 있는 패널존에 가공되었지만, 큰 비탄성변형의 원인으로 작용하기 때문에 주의를 기울일 필요가 있음을 알 수 있다. 결과적으로 이 연구에서 사용된 크기의 액세스 홀이 횡력 방향에 교차되어 기둥 표면에 가공될 경우 그 영향은 미미해 지지만, 건축물에 횡력은 x 및 y방향으로 모두 작용함을 감안하여 이 크기의 액세스 홀은 가공하지 않거나 보강되는 것이 바람직할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각형강관의 특징은 무엇인가?	일반적으로 가구식 모듈에서 코너에 배치되는 기둥은 각형강관이 주로 사용되었으며 해외에서도 가장 흔하게 사용되고 있다. 각형강관은 단면 성능이 우수하여 모듈의 기둥으로 적합하나 폐쇄형 단면으로 상․하 기둥의 이음 및 보-기둥 접합부 처리가 개방형 단면보다 좀 더 까다롭다.
	Issa J. Ramaji and Ali M. Memari는 모듈러 구조 시스템을 어떻게 구분하였는가?	Ramaji and Ali M. Memari(2013)[3]는 모듈러 구조 시스템을 구조적 특성에 따라 2D, 3D, 오픈 빌딩 시스템, 하이브리드 코어-모듈러, 하이브리드 포디움(podium), 골조-유닛 시스템(infill 구조)의 6가지 그룹으로 구분하였다. 이 가운데 상자형 모듈을 기반으로 하는 방식이 3D 시스템으로 내력벽식 모듈과 코너 지지 모듈(이하 가구식 모듈)로 구분된다.
	Lawson과 Ogden가 요약한 모듈러 건축 공법의 주요 이점은 무엇인가?	Lawson과 Ogden(2008)[2]는 모듈러 건축 공법의 주요 이점을 다음과 같이 3가지로 요약하였다. 첫째 공장 제작 건수가 늘어날수록 공장의 고정 비용이 낮아져 전체 건설비용은 감소될 수 있고, 현장 시공을 최소화하여 공기를 단축할 수 있으며, 셋째 엄격한 품질관리를 통한 공장 제작과 검사로 고품질의 건축이 가능하다는 점이다. 그러나 이러한 장점이 중고층 모듈러 건축에서도 유지되기 위해서는 구조 안전성이 우선 전제되어야 할 것이다.

참고문헌 (11)

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상세보기
Lawson, R.M., Byfield, M.P., Popo-Ola, S.O., and Grubb, P.J. (2008). Robustness of Light Steel Frames and Modular Construction, Proceedings of the ICE - Structures and Buildings, Institution of Civil Engineers, Vol.161, Issue1, pp.3-16.
Issa J. Ramaji, and Ali M. Memari (2013) Identification of Structural Issues in Design and Construction of Multi- Story Modular Buildings, 1st Residential Building Design & Construction Conference, PHRC, pp.294-303.
심성철, 이상현, 조봉호, 우성식, 최문식(2008) $12m{\times}3m$ 스틸 모듈러 시스템의 보-중간기둥 접합부 구조성능, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제20권, 제6호, pp. 793-805. Shim, S.C., Lee, S.H., Jo, B.H., Woo, S.S., and Choi, M.S. (2008) Structural Performance of Beam-Middle Column Connection of $12m{\times}3m$ Steel Modular System, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.20, No.6, pp.793-805 (in Korean).
정성림, 강주원, 박성무(2008) 해체 조립식 모듈러 철골조 기둥-보 접합부의 거동에 관한 실험적 연구, 한국공간구조학회지, 한국공간구조학회, 제8권, 제1호, pp.89-97. Zheng, S.L., Kang, J.W., and Park, S.M. (2008) An Experimental Study on the Behavior of Beam-to-Column Joints for Modular Steel Frame, Journal of the Korean association for shell and spatial structures, KASSS, Vol.8, No.1, pp.89-97 (in Korean).
박금성, 이상섭, 임석호, 배규웅(2009) 접합부 형상변화에 따른 경ㄷ-형강 보의 거동에 관한 연구, 대한건축학회논문집 구조계, 대한건축학회, 제25권, 제1호, pp.89-96. Park, K.S., Lee, S.S., Lim, S.H., and Bea, K.W. (2009) The Behavior on the Beam of Light Steel Section with Shapes changed of Connections, Journal of the Architectural Institute of Korea, AIK, Vol.25, No.1, pp.89-96 (in Korean).
이상섭, 배규웅, 박금성, 홍성엽(2013) 유닛 모듈러 기둥- 보 조인트의 구조 성능에 대한 실험적 평가, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제25권, 제3호, pp.255-265. Lee, S.S., Bea, K.W., Park, K.S., and Hong, S.Y. (2013) An Experimental Evaluation of Structural Performance for the Beam to Column Joints in Unit Modular System, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.25, No.3, pp.255-265 (in Korean).

원문보기 상세보기
한국산업표준(2003) KS B 0802 금속재료 인장 시험 방법, 한국표준협회. Korean Standards (2003) KS B 0801 Method of Tensile Test for Metallic Materials, Korean Standards Association (in Korean).
대한건축학회(2011) 건축구조설계기준 및 해설(KBC 2009) 기문당. The Architectural Institute of Korea (2009) Korean Building Code and Commentary (KBC 2009), Kimoondang (in Korean).
AISC (2010) Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, USA.
CEN (2005) Eurocode 3: Design of steel structures, part 1.8 : Design of joints (EN 1993-1-8:2005), London : British Standards Institution.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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