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문제 정의
- 이에 이 연구에서는 모듈과 모듈을 연결하는 방식을 조사하여 구조적 특징과 제한사항 등을 우선 살펴보았다. 그리고 각형강관 기둥과 ㄷ형강 보로 구성된 모듈의 유닛 간 접합에 일자형 접합철물이 사용되었을 때 모듈의 단변방향(폭 방향) 과 장변방향(길이 방향)에 대한 거동을 실험적으로 조사하였다.
제안 방법
- 200×75×6mm인 ㄷ형강 보는 KS D 3530 ｢일반 구조용 경량 형강｣을 따라 강판을 절곡하여 제작하였다, 웨브의 판폭두께비는 31.33로 내진콤팩트 단면의 한계세장비인 72.34(2.45# )보다 작았지만 플랜지 판폭두께비는 12.5로 내진콤팩트 단면의 한계세장비인 8.86(0.30# ) 과 콤팩트 단면의 한계세장비인 11.22(0.38# )보다 커비콤팩트 단면으로 분류되었다.
- 모듈러 골조가 횡력을 받는 상황을 상정하여 기둥 상부를 횡방향으로 변위 점증 방식의 반복가력하는 실험 방법을 채택하였다. 가력 스케줄은 KBC2009 0722.2.4.[7]을 따랐으며 변위각 0.04rad(횡변위 88.8mm)까지 스케줄에 따라 반복가력한 후 약 110mm(0.05rad)까지 당겨 접합부의 변형을 관찰한 후 실험을 종료하였다. 가력 장치는 1000kN 용량의 액츄에이터(actuator)를 이용하였고, 0.
- 가력 스케줄의 0.04rad까지의 변위각이 발생하는 경우를 전제로 상층 기둥의 + 가력과 – 가력에 의한 변위각(θ+upper , θ-upper )의 합(θtupper )을 K-SS와 K-SC에 각각 계산하였고, 또한 하층 기둥에 대해서도 가력 방향에 따른 변위각(θ+lower , θ-lower )의 합(θtlowerr )도 계산하였다.
- 각형강관 기둥, ㄷ형강 보 및 연결 강판의 재료 특성을 알아보고자 각 2개의 인장 시험편(14B호)을 제작하였다. 시험에 앞서 시험편의 단면적(A)을 측정하여 시험 장치에 입력 하였고, 연신율(elongation) 측정용 기준점도 표시하여 KSB 0802를 따라 강재의 인장강도시험을 실시하였다.
- 이에 이 연구에서는 모듈과 모듈을 연결하는 방식을 조사하여 구조적 특징과 제한사항 등을 우선 살펴보았다. 그리고 각형강관 기둥과 ㄷ형강 보로 구성된 모듈의 유닛 간 접합에 일자형 접합철물이 사용되었을 때 모듈의 단변방향(폭 방향) 과 장변방향(길이 방향)에 대한 거동을 실험적으로 조사하였다. 또한 장변방향으로 부족할 수 있는 강성을 개선하기 위해 십자형 접합철물이 사용된 경우를 비교 대상으로 함께 실험을 실시하여 거동 차이를 비교하였다.
- 그리고 각형강관 기둥과 ㄷ형강 보로 구성된 모듈의 유닛 간 접합에 일자형 접합철물이 사용되었을 때 모듈의 단변방향(폭 방향) 과 장변방향(길이 방향)에 대한 거동을 실험적으로 조사하였다. 또한 장변방향으로 부족할 수 있는 강성을 개선하기 위해 십자형 접합철물이 사용된 경우를 비교 대상으로 함께 실험을 실시하여 거동 차이를 비교하였다.
- 모듈러 골조가 횡력을 받는 상황을 상정하여 기둥 상부를 횡방향으로 변위 점증 방식의 반복가력하는 실험 방법을 채택하였다. 가력 스케줄은 KBC2009 0722.
- 9와 같이 기둥의 하단 지점은 힌지와 볼트로 연결하였고, 보의 양단(또는 일단)은 이동단으로 지지된 조건을 유지하였으며, 상부층 모듈의 바닥 보와 하부층 모듈의 천방 보가 이동단에 동시에 지지되도록 강재로 제작된 캡이 사용되었다. 변위계(displacement transducer)를 이용하여 주요 위치에서 변위를 측정하였으며, 게이지를 이용하여 접합부 주변의 변형도를 측정하였다.
- 4는 과거 쿨맨 건축 회사(Kullman Building Corporation)가 이용한 맞물림 시스템으로 모듈 기둥 하부에 용접된 각각의 핀은 위치와 방향 조절 및 시공오차를 흡수하는 역할을 담당하였다. 상‧하 모듈은 맞물림 장치를 이용해 맞춰졌고, 강판을 덧대고 블라인드(blind) 볼트로 체결하여 상‧하 및 좌‧우 모듈을 접합하였다. 또한 콘크리트 바닥의 하부 보 구간에서 양측 모듈의 볼트 접합과 천장 보 구간에서 강판을 이용해 좌·우 모듈의 용접이 이루어진다.
- 연결 강판의 형태에 따른 기둥의 횡변위 차이를 알아보기 위해 K-SS와 K-SC를 대상으로 실험체에 설치하였던 변위계의 측정값과 변위계 사이의 거리를 이용하여 상층 및 하층 기둥의 변위각(θupper , θlower )을 Fig. 14와 같이 밀어서 가력하는 경우(-)와 당겨서 가력하는 경우(+)로 나눠 계산하였고, 그 결과를 Fig. 15에 나타내었다.
- 유닛 간 접합 방식은 모듈의 구성 상세와 건물 전체 구조시스템에 따라 너무 다양하여 골조식의 유닛 간 접합으로 조사를 한정하였다. 골조식 모듈의 유닛 간 접합은 내‧외장재의 마감 범위와 시공 오차 흡수 범위에 따라 접합 상세의 특징이 결정된다[5].
- 골조식 모듈의 유닛 간 접합은 내‧외장재의 마감 범위와 시공 오차 흡수 범위에 따라 접합 상세의 특징이 결정된다[5]. 유닛 간 접합 상세는 모듈러 시스템의 중요기술로서 공개된 자료가 부족하여 해당 모듈의 외형 특징을 통해 그 접합 방법을 살펴보았다.
- 5에 나타낸 유니타이즈 건축(Unitised Building)의 접합 시스템이 있다. 이 시스템은 모듈 측면에 노출된 기둥과 기둥의 상‧하부에 용접된 강재 블록을 이용하여 모듈이 수평적으로 맞물리도록 하여 볼트와 로드(rod)를 이용하여 상‧하 및 좌‧우 모듈을 접합한다. 기둥 상‧하부에 용접된 강재 블록을 두꺼운 플레이트로 대체하는 변형된 방식도 있으며, 기둥이 측면에 노출되기 때문에 접합을 위해 좌‧우 모듈 사이에는 일정 공간이 필요하다.
- 이 연구에서 모듈러 유닛 간 접합을 위해 사용되고 있는 접합 방식을 조사하였고, 모듈러 유닛 간 접합을 위해 일자형 연결 강판과 십자형 연결 강판이 사용된 접합부의 실험을 통해 구조 성능과 거동을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 7(a)와 같이 기둥 부재로 125×125×9mm(SPSR400)의 각형강관이 사용되고, 보 부재로 강판을 200×75×6mm(SS400)으로 절곡한 ㄷ형강이 사용된 3×6×3m의 모듈이 상‧하 및 좌‧우로 연결하기 위해 Fig. 7(b)에 나타낸 일자형 및 십자형 연결 강판이 적용된 모듈러 유닛 간 접합부를 실험 대상으로 선정하였다. 정방형 각형강관이 기둥으로 사용되어 모듈러 유닛 간 접합부는 폭과 길이 방향에 대해 유사한 모멘트-회전각 관계를 갖지만 연결 강판의 배치 방향에 따라 모멘트-회전각 관계가 달라질 수 있다.
- 보가 비대칭 단면이고 기둥에 편심을 두고 접합된 점을 고려하여 실험체는 대칭으로 제작되어 편심 가력에 따른 불안 정성을 최소화하였으며, Table 1에 정리한 것과 같이 폭 방향으로는 십자 형태의 실험체를 제작하고, 길이 방향으로는 외팔보 형태의 실험체로 Fig. 8과 같이 총 4개를 제작하였다.
이론/모형
- 각형강관 기둥, ㄷ형강 보 및 연결 강판의 재료 특성을 알아보고자 각 2개의 인장 시험편(14B호)을 제작하였다. 시험에 앞서 시험편의 단면적(A)을 측정하여 시험 장치에 입력 하였고, 연신율(elongation) 측정용 기준점도 표시하여 KSB 0802를 따라 강재의 인장강도시험을 실시하였다.
성능/효과
- (1) 모듈러 유닛 간 접합은 4~8개의 모듈러 유닛이 동시에 접합될 수 있는 경우를 고려해야 하고, 접합 방식으로 연결 강판, 맞물림 장치, 용접 등이 사용되고 있으며 모듈러 유닛의 내‧ 외장 공장 마감률 높이기 위해 용접 방식은 지양되어야 한다.
- (2) 모듈러 건물이 고층화될수록 모듈러 유닛 간 접합 방식은 시공 안전성을 확보하기 위해 가급적 모듈 내부에서 시공할 수 있는 접합 방법이 적용되어야 하며, 높이 100m마다 2mm 이내의 오차만 허용되는 수준의 제작 및 접합 정밀성을 유지하는 것이 바람직하다.
- (3) 125×125×9mm의 각형강관 기둥과 200×75×6mm의 강판 절곡 ㄷ형강 보가 사용된 모듈러 유닛의 접합에 일자형 및 십자형 연결 강판이 사용된 접합부의 실험 결과 보에서 소성힌지가 형성되어 내력이 결정되었고, 0.04rad까지 층간변위각을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다.
- (4) 길이 방향 접합부 실험에서 십자형 연결 강판은 일자형 연결 강판보다 강성이 우수하고, 0.04rad의 변위각의 가력을 기준으로 분석한 상‧하 기둥의 실제 변위각은 십자형 연결 강판을 적용한 경우가 일자형 강판보다 0.0014rad정도 작은 것으로 나타났다.
- (5) 상‧하 보의 웨브를 십자형 연결 강판을 이용해 볼트 접합하더라도 상‧하 보의 합성 효과는 미소하기 때문에 구조해석에서 바닥 보와 천장 보를 별도로 모델링하여 설계하는 것이 바람직하다.
- (6) 모듈러 유닛 간 접합부에 적용되는 연결 강판 이외에 상‧하 및 좌‧우에서 보가 만나는 구간에 낄판 설치를 통해 비틀림의 영향을 최소화할 수 있다.
- 125×125×9mm인 정방형 각형강관의 판폭두께비는 12.8로 KBC2009 0713.8.2.[7]에 규정된 내진콤팩트 단면의 압축 요소에 대한 판폭두께비 제한값인 18.9(=0.64# )보다 작아 국부좌굴에 대한 저항 성능은 확보된 것으로 확인되었다.
- 200×75×6mm인 ㄷ형강 보의 재료시험을 통해 얻은 평균 항복강도 263N/mm2를적용한 소성휨모멘트는 36.1kN‧m로 계산되었다.
- 4개 실험체는 모두 천장 보와 바닥 보는 앞서 서술한 것과 같이 합성 거동이 아닌 개별적인 거동에 가까운 변형도 분포를 보이며, 보 플랜지에 국부좌굴 또는 소성힌지의 형성에 따라 변형도의 분포가 역전되는 현상을 보이고 있다. 항복변형도를 재료시험을 통해 얻은 보의 평균 항복강도(263MPa)를 기준으로 계산하면 약 1300(=263/205000)으로 대부분의 실험체는 변위각 0.
- K-LS와 K-LC의 경우 비록 대칭으로 제작되었지만 좌․우 보 사이 공간이 있어 변위각이 증가할수록 보 단부에서 비틀림도 커졌으나 K-SS와 K-SC의 경우 공간이 작아 비틀림 발생은 억제되었다. 모든 실험체의 최대하중은 보 플랜지에 소성힌지가 발생하여 결정되는 것으로 관찰되었다.
- 04rad까지의 변위각이 발생하는 경우를 전제로 상층 기둥의 + 가력과 – 가력에 의한 변위각(θ+upper , θ-upper )의 합(θtupper )을 K-SS와 K-SC에 각각 계산하였고, 또한 하층 기둥에 대해서도 가력 방향에 따른 변위각(θ+lower , θ-lower )의 합(θtlowerr )도 계산하였다. 계산 결과 K-SS의 상층 기둥과 하층 기둥의 변위각의 합은 각각 0.0968rad와 0.078rad이었고, K-SC의 상층 기둥과 하층 기둥의 변위각의 합은 각각 0.0934rad와 0.080rad이었다.
- K-LC에 설치된 십자형 연결 강판은 수평판의 장변 방향으로 밀고 당기는 반복 가력을 받게 되어 휨 작용의 중심선에 놓인 수직판은 휨 저항에 기여하는 바가 작다. 따라서 0.03rad까지의 거동을 비교하 였을 때 낄판의 유무에 따른 차이라고 볼 수 있으며, 낄판의 설치로 이력곡선의 면적인 에너지흡수능력을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.
- K-LS와 K-LC의 경우 비록 대칭으로 제작되었지만 좌․우 보 사이 공간이 있어 변위각이 증가할수록 보 단부에서 비틀림도 커졌으나 K-SS와 K-SC의 경우 공간이 작아 비틀림 발생은 억제되었다. 모든 실험체의 최대하중은 보 플랜지에 소성힌지가 발생하여 결정되는 것으로 관찰되었다. Table 3에 실험결과를 정리하였고 Fig.
- 기둥에 사용된 각형강관의 항복강도가 냉간가공에 따른 잔류응력 등의 영향으로 항복강도가 인장강도에 가까운 값을 보이고 있는 반면 강판을 절곡하거나 그대로 사용한 경우 항복강도와 인장강도의 차이는 뚜렷함을 알 수 있다. 사용된 모든 강재의 항복강도와 인장강도는 건축구조기준에 제시된 값보다 큰 것으로 나타나 사용된 강재는 규격품임을 확인하였다.
- 4개 실험체는 모두 천장 보와 바닥 보는 앞서 서술한 것과 같이 합성 거동이 아닌 개별적인 거동에 가까운 변형도 분포를 보이며, 보 플랜지에 국부좌굴 또는 소성힌지의 형성에 따라 변형도의 분포가 역전되는 현상을 보이고 있다. 항복변형도를 재료시험을 통해 얻은 보의 평균 항복강도(263MPa)를 기준으로 계산하면 약 1300(=263/205000)으로 대부분의 실험체는 변위각 0.02rad 부근에서 천장 보와 바닥 보가 각각 항복이 시작되는 것으로 확인된다.
후속연구
- 따라서 구조해석에 천장 보와 바닥 보는 독립된 부재로 모델링될 필요가 있으며, 만약 단일 부재로 모델링될 경우 단면 성능은 각 단면성능을 더한 값을 반영해야 할 것이다.
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