GFRP 보강적층판 및 GFRP rod를 이용한 낙엽송 집성재 문형라멘 구조의 수평가력 성능평가 Lateral Load Performance Evaluation of Larch Glulam Portal Frames Using GFRP-Reinforced Laminated Plate and GFRP Rod원문보기
구조용 집성재라멘 접합부에 일반적으로 사용되는 접합철물을 대신하여 단판과 Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP)를 복합시킨 GFRP 보강적층판과 삽입 접착형 GFRP rod를 접합물로 사용하여 낙엽송 집성재 문형라멘 구조의 수평가력 성능평가를 실시하였다. 실험결과 GFRP rod와 에폭시 접착제를 이용한 삽입 접착형 접합부는 기존의 접합철물을 이용한 실험체와 비교하여 항복내력, 종국내력, 초기강성이 각각 49%, 52%, 61% 낮게 측정되었다. 이러한 접합부는 GFRP rod와 집성재 간의 접착력이 중요한 내력 기구로 현장적용 시 문제가 발생할 수 있는 가능성이 크다고 판단된다. 반면, GFRP 보강적층판과 목재(Eucalyptus marginata)핀을 이용한 실험체는 집성재 슬릿 접합부의 단면적 손실이 큼에도 불구하고 항복내력, 종국내력, 초기강성, 소성률이 전부 3% 이내로 측정되었다. 게다가 사이클에 대한 강성변화율도 35%로 가장 낮게 측정되며 접합철물을 이용한 실험체와 거의 동등한 성능을 발휘한 것을 확인하였다.
구조용 집성재 라멘 접합부에 일반적으로 사용되는 접합철물을 대신하여 단판과 Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP)를 복합시킨 GFRP 보강적층판과 삽입 접착형 GFRP rod를 접합물로 사용하여 낙엽송 집성재 문형라멘 구조의 수평가력 성능평가를 실시하였다. 실험결과 GFRP rod와 에폭시 접착제를 이용한 삽입 접착형 접합부는 기존의 접합철물을 이용한 실험체와 비교하여 항복내력, 종국내력, 초기강성이 각각 49%, 52%, 61% 낮게 측정되었다. 이러한 접합부는 GFRP rod와 집성재 간의 접착력이 중요한 내력 기구로 현장적용 시 문제가 발생할 수 있는 가능성이 크다고 판단된다. 반면, GFRP 보강적층판과 목재(Eucalyptus marginata)핀을 이용한 실험체는 집성재 슬릿 접합부의 단면적 손실이 큼에도 불구하고 항복내력, 종국내력, 초기강성, 소성률이 전부 3% 이내로 측정되었다. 게다가 사이클에 대한 강성변화율도 35%로 가장 낮게 측정되며 접합철물을 이용한 실험체와 거의 동등한 성능을 발휘한 것을 확인하였다.
The evaluation of the lateral load performance for larch glulam portal frames was carried out using glass fiber reinforced plastic (GFRP) as connector in two different systems: the GFRP-reinforced laminated plates combined with veneer, and GFRP rod joints glued with epoxy resins to replace usual met...
The evaluation of the lateral load performance for larch glulam portal frames was carried out using glass fiber reinforced plastic (GFRP) as connector in two different systems: the GFRP-reinforced laminated plates combined with veneer, and GFRP rod joints glued with epoxy resins to replace usual metal connectors for the structural glulam rahmen joints. As a result the yield strength, ultimate strength, initial stiffness of glulams of GFRP rod joints glued with epoxy resin decreased to 49%, 52% and 61% compared to those of the conventional metal connector. This connector will be a stress device where the bonding strength between the GFRP rod and glued laminated timber is important. Thus, there will be a high possibility that a problem may occur when it is applied to the field. On the other hand, the GFRP-reinforced laminated plates and wood (Eucalyptus marginata) pin were measured all within 3% for all measurements of the yield strength, ultimate strength, initial strength and ductility factor, regardless of high cross sectional loss on the glued laminated timber slit joint. In addition, the variation of stiffness on the cycle was 35%, which was the lowest, confirming that it was almost the same performance as the specimen prepared with the metal connector.
The evaluation of the lateral load performance for larch glulam portal frames was carried out using glass fiber reinforced plastic (GFRP) as connector in two different systems: the GFRP-reinforced laminated plates combined with veneer, and GFRP rod joints glued with epoxy resins to replace usual metal connectors for the structural glulam rahmen joints. As a result the yield strength, ultimate strength, initial stiffness of glulams of GFRP rod joints glued with epoxy resin decreased to 49%, 52% and 61% compared to those of the conventional metal connector. This connector will be a stress device where the bonding strength between the GFRP rod and glued laminated timber is important. Thus, there will be a high possibility that a problem may occur when it is applied to the field. On the other hand, the GFRP-reinforced laminated plates and wood (Eucalyptus marginata) pin were measured all within 3% for all measurements of the yield strength, ultimate strength, initial strength and ductility factor, regardless of high cross sectional loss on the glued laminated timber slit joint. In addition, the variation of stiffness on the cycle was 35%, which was the lowest, confirming that it was almost the same performance as the specimen prepared with the metal connector.
따라서 본 연구에서는 집성재 기둥-보 접합부에 GFRP 보강적층판 및 삽입 접착형 GFRP rod의 적정 접합부 설계를 적용하여 기둥과 보 부재를 강접합한 일방향 구조시스템인 문형라멘 구조 접합부로서의사용 가능성을 확인하였으며 문형라멘 구조의 수평가력 성능평가를 통해 각 접합부의 내력성능을 비교, 검토하였다.
제안 방법
라멘 구조 실험체의 기둥-보 접합부는 슬릿 삽입형 접합부와 GFPR rod와 에폭시 접착제로 구성된 삽입 접착형 접합부로 접합구 종류와 접합방법을 달리하여 5 유형의 기둥-보 접합부를 제작하였다(Fig. 1).
대상 데이터
실험에 사용된 집성재는 국내산 낙엽송(Larix kaemferi Carr.)으로 종진동의 고유 진동수를 이용한 휨 탄성계수로 등급 구분하였다. 모든 문형라멘 구조 실험체는 Hundegger 社의 K2i 1259 프리컷 가공기계를 이용하여 가공하였으며, 보부재는 H : 190 × W : 200 × L : 2410 (mm), 기둥재는 H : 190 × W : 200 × L : 1800 (mm)이었다.
성능/효과
1) GFRP 보강적층판을 이용한 낙엽송 집성재의 기둥-보 접합부는 강판보다 약 3배 정도 두껍기 때문에 슬릿형 접합부의 경우 부재의 손실을 단점으로 예상했으나 단면적 손실이 큼에도 불구하고 슬릿부에 GFRP 보강적층판의 접착과 압체가 이루어짐으로써 금속철물을 이용한 접합부와 동등한 성능을 발휘하였다. 이는 부재의 일체화가 이뤄졌음을 보여 주며, 특히 GFRP rod핀 보다 목재 핀을 사용함으로써 접합구의 압입에 의한 파괴를 억제할 수 있었던 것으로 판단된다.
2) GFRP rod로 접합한 접착형 접합 문형라멘 구조(RahmenⅣ)와 기둥 보 부재 장부 맞춤과 GFRP rod로 접착 접합한 문형라멘 구조(RahmenⅤ)의 항복, 종국내력, 초기강성이 RahmenⅠ과 비교하여 약 49, 52, 61% 낮게 측정되었다. GFRP rod를 이용한 접합부는 GFRP rod와 집성재 간의 접착력이 중요한 내력 기구로 현장적용 시 문제가 발생할 수 있는 가능성이 크다고 판단된다.
5는 각 사이클(± 1/450, ± 1/300, ± 1/200, ± 1/150, ± 1/100, ± 1/75, ± 1/50 rad)에 대한 강성변화율을 나타낸 것으로 강성은 각 사이클에서의 수평하중(kN)을 목표 변형각(rad)으로 나눈 값으로 정의하였다. 모든 실험체의 강성은 변형각이 커질수록 감소하였다.
후속연구
정확한 접착을 위한 목재의 품질관리와 정밀한 접착공정이 요구된다. 또한 실용화를 위해서는 접착공정 뿐 아니라 이에 대한 추가적인 보강 방법 고안이 필요할 것으로 생각된다.
항복내력과, 종국내력 값의 차이는 크지 않았으나 초기강성이 높게 측정된 이유는 장부 맞춤에 의한 것이라 판단된다. 접착제에 의한 기둥 보 접합은 낮은 내력, 작업성 측면에서 보강 방법과 접합 방법에 있어 개선 방안이 요구된다.
이는 부재의 일체화가 이뤄졌음을 보여 주며, 특히 GFRP rod핀 보다 목재 핀을 사용함으로써 접합구의 압입에 의한 파괴를 억제할 수 있었던 것으로 판단된다. 추후 GFRP 보강적층판을 사용한 집성재 부재의 외측보강 및 정밀한 접착공정을 통한 부재의 일체화가 이루어질 수 있다면 접합성능이 더욱 증가될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초기강성이 22% 낮게 측정된 이유는?
RahmenⅡ는 RahmenⅠ과 비교하여 항복내력, 종국내력이 8%, 9% 낮지만 비슷한 내력 값이 측정되었다. 하지만 초기강성은 22% 낮게 측정되었는데 이는 RahmenⅠ의 슬릿 두께 보다 RahmenⅡ의 슬릿 두께가 3배 이상 늘어나면서 집성재의 단면적이 줄어 핀의 지압면적이 줄었기 때문이며, GFRP rod의 강성이 드리프트 핀에 비해 낮기 때문이라고 판단된다. RahmenⅢ은 RahmenⅠ과 가장 근사한 내력 값이 측정되었으며, RahmenⅡ와 비교하였을 때 항복내력 6%, 종국내력 8%, 초기강성 25% 높게 측정되었다.
목질라멘 구조의 장점은?
경골목조공법 이외의 다른 목조공법들은 보다 높은 기술 수준을 필요로 하고 있으며 특히 보와 기둥 같은 연결 부위의 설계와 시공에 신중한 주의가 요구된다. 목질라멘 구조는 기둥-기초 접합부와 기둥-보 접합부의 모멘트저항이 주된 내력 기구로 내력벽이 필요 없어 평면 계획의 변경 및 가변성이 양호하고 건축물의 장수명화를 추구할 수 있는 장점이 있다. 또한 목재가 노출되어 목재의 수려한 질감을 자연스레 표현할 수 있어 심미적인 요소를 부각시킬 수 있다.
GFRP 보강적층판을 이용한 접합부를 통해 기대할 수 있는 것은?
GFRP 보강적층판을 이용한 접합부는 기존의 슬릿 삽입형 강판과 드리프트 핀 접합부를 대체할 목적으로 GFRP 보강적층판과 비금속 dowels을 이용한 슬릿 삽입형 접합부로 제작하였다. 이러한 접합 방법은 구조물을 경량화 할 수 있으며, 집성재 슬릿 접합부에 같은 재질의 GFRP 보강적층판을 사용함으로써 접합부의 일체성, 현장 가공성 및 심미성을 증대 시킬 것으로 생각된다. 또한 GFRP rod와 에폭시 접착제를 사용한 삽입 접착형 접합부는 접합물이 외부로 드러나지 않아 심미적 요소를 부각시킬 수 있으며, 내화성 및 내식성이 우수할 것으로 생각된다. 뿐만 아니라 기존의 강판 삽입형 철물 접합부가 섬유배향을 따라 끝 단면으로 파단되는 것과 달리 섬유배향에 영향을 적게 받을 것으로 사료된다.
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