목구조물 기둥-보 접합물로는 슬릿 가공된 부재에 강판을 삽입한 형상이 통용되고 있다. 본 연구에서는 접합부가 접착된 강절형 문형라멘프레임 및 강판 대용인 목질접합물을 제작하여 절반은 기둥부재에 일체화하고 나머지 절반은 보부재와 핀으로 접합한 반강절형 문형라멘프레임을 제작하였다. 목질 문형라멘프레임들은 강판삽입형 접합부 문형라멘프레임과 수평내력성능을 비교 분석하였다. 수평내력성능은 완전탄소성모델 분석과 구간별 강성변화율 및 단기허용전단내력으로 평가하였다. 실험결과, 강절형 문형라멘프레임의 최대내력이 강판삽입형 접합부 문형라멘프레임 보다 낮게 측정되어 항복 내력은 0.58, 종국내력은 0.48로 산출되었으나, 초기강성과 소성률은 각각 1.35, 1.1 향상된 값이 측정되었다. 반강절형 문형라멘프레임의 완전탄소성모델 분석 결과 최대내력은 강절형 문형라멘프레임보다 낮았으나 파괴 후 인성이 우수하여 종국내력은 1.05~1.07 높은 값이 산출되었다. 강판삽입형 문형라멘프레임은 반복 시험이 진행됨에 따라 강성이 급격히 감소한 반면 접합부가 목질로된 문형라멘프레임들의 강성은 서서히 감소되었다.
목구조물 기둥-보 접합물로는 슬릿 가공된 부재에 강판을 삽입한 형상이 통용되고 있다. 본 연구에서는 접합부가 접착된 강절형 문형라멘프레임 및 강판 대용인 목질접합물을 제작하여 절반은 기둥부재에 일체화하고 나머지 절반은 보부재와 핀으로 접합한 반강절형 문형라멘프레임을 제작하였다. 목질 문형라멘프레임들은 강판삽입형 접합부 문형라멘프레임과 수평내력성능을 비교 분석하였다. 수평내력성능은 완전탄소성모델 분석과 구간별 강성변화율 및 단기허용전단내력으로 평가하였다. 실험결과, 강절형 문형라멘프레임의 최대내력이 강판삽입형 접합부 문형라멘프레임 보다 낮게 측정되어 항복 내력은 0.58, 종국내력은 0.48로 산출되었으나, 초기강성과 소성률은 각각 1.35, 1.1 향상된 값이 측정되었다. 반강절형 문형라멘프레임의 완전탄소성모델 분석 결과 최대내력은 강절형 문형라멘프레임보다 낮았으나 파괴 후 인성이 우수하여 종국내력은 1.05~1.07 높은 값이 산출되었다. 강판삽입형 문형라멘프레임은 반복 시험이 진행됨에 따라 강성이 급격히 감소한 반면 접합부가 목질로된 문형라멘프레임들의 강성은 서서히 감소되었다.
For column-beam gussets of wooden structures, slit-processed members inserted with a steel plate are used in general. In this study, a rigid portal frame bonded with a joint was fabricated and a semi-rigid portal frame was fabricated by making a wooden gusset, a replacement for steel plate, of which...
For column-beam gussets of wooden structures, slit-processed members inserted with a steel plate are used in general. In this study, a rigid portal frame bonded with a joint was fabricated and a semi-rigid portal frame was fabricated by making a wooden gusset, a replacement for steel plate, of which a half was integrated into the column member and the other half was joined with the beam member by drift-pins. The lateral strength performance of the wooden portal frame was compared with that of the steel plate-inserted joint portal frame. The lateral strength performance was evaluated through a perfect elasto-plasticity model analysis, sectional stiffness change rate, and short-term permissible shear strength. As a result of the experiment, the maximum strength of the rigid portal frame was lower than that of the steel plate-inserted joint portal frame. The yield strength and ultimate strength were calculated as 0.58 and 0.48, respectively, but the measurements of initial stiffness and cumulative ductility improved by 1.35 and 1.1, respectively. As a result of the perfect elasto-plasticity model analysis of the semi-rigid portal frame, the maximum strength was lower than that of the rigid portal frame, but the toughness after failure was excellent. Thus, the ultimate strength was higher by 1.05~1.07. The steel plate-inserted portal frame showed rapid decrease in stiffness with the progress of repeated tests, but the stiffness of the portal frames with a wooden joint decreased slowly.
For column-beam gussets of wooden structures, slit-processed members inserted with a steel plate are used in general. In this study, a rigid portal frame bonded with a joint was fabricated and a semi-rigid portal frame was fabricated by making a wooden gusset, a replacement for steel plate, of which a half was integrated into the column member and the other half was joined with the beam member by drift-pins. The lateral strength performance of the wooden portal frame was compared with that of the steel plate-inserted joint portal frame. The lateral strength performance was evaluated through a perfect elasto-plasticity model analysis, sectional stiffness change rate, and short-term permissible shear strength. As a result of the experiment, the maximum strength of the rigid portal frame was lower than that of the steel plate-inserted joint portal frame. The yield strength and ultimate strength were calculated as 0.58 and 0.48, respectively, but the measurements of initial stiffness and cumulative ductility improved by 1.35 and 1.1, respectively. As a result of the perfect elasto-plasticity model analysis of the semi-rigid portal frame, the maximum strength was lower than that of the rigid portal frame, but the toughness after failure was excellent. Thus, the ultimate strength was higher by 1.05~1.07. The steel plate-inserted portal frame showed rapid decrease in stiffness with the progress of repeated tests, but the stiffness of the portal frames with a wooden joint decreased slowly.
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문제 정의
본 연구에서는 목질 문형라멘프레임 설계 시 접합부의 복잡한 설계과정 해소 및 일체성 향상을 위해 강절형 접합부 및 보강 접합부를 문형라멘프레임에 적용하여 반강절형 목질 문형라멘프레임을 제작 후 성능을 비교분석하였다. 기둥부재와 보부재가 접착제로 일체화된 강절형 문형라멘프레임은 강판삽입형접합부 문형라멘프레임보다 항복 내력과 종국내력 값은 저하되었으나 초기강성과 소성률은 향상되었다.
제안 방법
1) Control: 문형라멘프레임의 대표적인 철물접합부는 강판삽입형 접합부를 사용하였으며, 연단거리와 끝면거리를 최대한 확보하여 설계하였다. 기둥과 보부재는 9 mm의 슬릿가공 후 8 mm의 강판을 삽입하고 직경 13 mm의 드리프트 핀으로 접합하였다.
강절형 문형라멘프레임 실대재는 공장제작 시 접착성능의 균일한 성능확보 어려움 및 크기에 의한 현장운송 문제가 예상된다. 따라서 기둥부재와 GFRP보강적층판을 일체화 하고 보부재와 GFRP보강적층판은 핀으로 접합하는 경우의 구조성능을 검토하였다.
, 2017)를 문형라멘프레임에 적용하였다. 또한 유리섬유강화플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics; GFRP)보강적층판과 핀을 사용한 하이브리드 접합부를 문형라멘프레임에 적용하여 접합부의 거동, 파괴 형상, 강성변화율 및 벽배율 등을 대조군 문형라멘프레임과 비교 분석하였다.
기둥-보 접합물는 GFRP 핀과 드리프트 핀 그리고 낙엽송 핀을 사용하였다. 목질 문형라멘프레임 접합부에는 강판대용으로 GFRP보강적층판을 사용하여 기둥과 보를 접합하였다. GFRP보강적층판은 낙엽송재 사이와 외각 면 절반에 GFRP를 초산비닐 접착제 도포량 300 g/m2, 압체압력 1 MPa로 24시간 상온 경화하였다(Lee et al.
문형라멘프레임은 5층의 집성재를 사용하여 문형라멘프레임으로 제작하였다. 문형라멘프레임의 접합부는 각기 다른 접합형상에 따라 4가지로 제작하였다(Fig. 1).
문형라멘프레임의 특성치 산정 값과 일본건축학회의 목질구조설계규준에 의거하여 문형라멘프레임의 단기허용전단내력을 산정하였다.
선행연구에서 중목구조 접합부에 사용되는 접합철물을 사용한 반강절형 시험편과 목질접합물을 사용한 반강절형 및 강절형 시험편들을 제작하여 모멘트 저항성능을 비교 검토하였다. 그 결과 강절형 시험편의 초기강성과 소성율이 반강절형 시험편보다 양호하였으며, 목질접합물로 제작한 시험편들이 접합철물을 사용한 시험편들보다 인성이 우수하였다(Lee et al.
실험방법은 전단변형각이 ± 1/450, ± 1/300, ± 1/200, ± 1/150, ± 1/100, ± 1/75, ± 1/50rad.이 되도록 정부가력을 1회 실시하였으며, 이후 정방향으로 수평가력하여 최대하중의 80% 또는 전단변형각이 1/15 rad.을 초과할 때까지 실시하였다.
) 층재에 PRF (Phenol-Resorcinol-Formaldehyde) 접착제를 300 g/m2 도포 후 압체압력 1 MPa의 조건으로 제작하였다. 집성재 조합은 층재의 휨 탄성계수를 측정하여 균일하게 제작하였다. 기둥-보 접합물는 GFRP 핀과 드리프트 핀 그리고 낙엽송 핀을 사용하였다.
대상 데이터
문형라멘프레임은 5층의 집성재를 사용하여 문형라멘프레임으로 제작하였다. 문형라멘프레임의 접합부는 각기 다른 접합형상에 따라 4가지로 제작하였다(Fig.
문형라멘프레임의 기둥-보에 사용된 집성재는 폭 190 mm, 두께 30 mm의 낙엽송(Larix kaemferi Carr.) 층재에 PRF (Phenol-Resorcinol-Formaldehyde) 접착제를 300 g/m2 도포 후 압체압력 1 MPa의 조건으로 제작하였다. 집성재 조합은 층재의 휨 탄성계수를 측정하여 균일하게 제작하였다.
이론/모형
, 2017). 본 연구에서는 기존 철물로 제작된 목질 문형라멘프레임 접합부의 설계과정 간소화, 경량화, 일체성 증가 및 수평내력성능과 강성을 증진시키기 위하여 접합부가 목질로 일체화된 강절형 접합부(Lee et al., 2017)를 문형라멘프레임에 적용하였다. 또한 유리섬유강화플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics; GFRP)보강적층판과 핀을 사용한 하이브리드 접합부를 문형라멘프레임에 적용하여 접합부의 거동, 파괴 형상, 강성변화율 및 벽배율 등을 대조군 문형라멘프레임과 비교 분석하였다.
성능/효과
기둥부재와 보부재가 접착제로 일체화된 강절형 문형라멘프레임은 강판삽입형접합부 문형라멘프레임보다 항복 내력과 종국내력 값은 저하되었으나 초기강성과 소성률은 향상되었다. GFRP보강적층판과 핀으로 접합된 문형라멘프레임들은 최대내력, 항복내력, 초기강성, 종국내력이 강판삽입형 문형라멘프레임보다 낮게 측정되었다. 낙엽송 핀으로 접합된 문형라멘프레임의 소성률은 모든 문형라멘프레임 중 가장 우수한 값이 측정되었다.
16 배율로 얇아 기둥부재의 두께가 상대적으로 더 두꺼웠기 때문으로 추측된다. Type-Ⅰ은 Control 보다 항복내력과 종국내력은 각각 0.55와 0.47로 낮은 결과가 관찰되었지만 초기강성은 1.36으로 향상된 결과 값이 관찰되었다. 이렇게 산출된 것은 접합부가 일체화 되어 초기 잔류변형 및 소성변형이 거의 발생하지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
Control은 반복하중이 진행되면서 정방향과 부방향 모두에서 강성이 급격하게 감소되었다. Type-Ⅰ의 강성 변화율은 비교적 적었으며, 정방향 강성이 서서히 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 정방향 0.
이상부터는 Control보다 높은 강성이 관찰 되었다. Type-Ⅱ와 Type-Ⅲ의 강성은 낮게 측정되었지만 강성변화율도 적게 측정되어 문형라멘프레임의 접합부가 높은 내력에서도 안정적인 것을 확인하였다. 이러한 결과는 접합부가 강절형으로 일체화되어 접합부의 변형이 적었기 때문으로 사료된다.
반복시험 이후 Type-Ⅱ은 GFRP 핀, Type-Ⅲ는 낙엽송 핀의 지압 특성차이로 서로 다른 결과가 측정되었다. Type-Ⅱ의 GFRP 핀이 Type- Ⅲ의 낙엽송 핀보다 강성이 높은 관계로 항복하중 14%, 최대하중 28% 더 높은 결과가 관찰되었으나 종국내력은 큰 차이가 없었다. 이러한 결과는 적층판에 인장내력이 주로 작용되었으나 Type-Ⅲ의 낙엽송 핀이 압입되면서 적층판에 적용하는 인장내력을 분산한 것으로 판단된다.
강성변화율은 접합부가 일체화된 문형라멘프레임들이 대조군 문형라멘프레임보다 적게 측정되어 높은 내력에서 보다 안정적이였다. 단기허용전단내력 산정결과 강절형으로 일체화된 문형라멘프레임이 대조군 문형라멘프레임과 대등한 성능을 발휘하였다.
기둥부재와 GFRP보강적층판은 강절형이고 GFRP 보강적층판과 보부재는 핀으로 고정된 반강절형 Type-Ⅱ와 Type-Ⅲ 시험편들은 강절형으로 일체화된 기둥부재에서 파괴형상이 관찰되지 않았으며, GFRP 보강적층판이나 핀 부분에서 파괴되었다. 이는 강절형으로 일체화된 기둥부재 부분은 내력이 우수한 것으로 판단할 수 있다.
본 연구에서는 목질 문형라멘프레임 설계 시 접합부의 복잡한 설계과정 해소 및 일체성 향상을 위해 강절형 접합부 및 보강 접합부를 문형라멘프레임에 적용하여 반강절형 목질 문형라멘프레임을 제작 후 성능을 비교분석하였다. 기둥부재와 보부재가 접착제로 일체화된 강절형 문형라멘프레임은 강판삽입형접합부 문형라멘프레임보다 항복 내력과 종국내력 값은 저하되었으나 초기강성과 소성률은 향상되었다. GFRP보강적층판과 핀으로 접합된 문형라멘프레임들은 최대내력, 항복내력, 초기강성, 종국내력이 강판삽입형 문형라멘프레임보다 낮게 측정되었다.
GFRP보강적층판과 핀으로 접합된 문형라멘프레임들은 최대내력, 항복내력, 초기강성, 종국내력이 강판삽입형 문형라멘프레임보다 낮게 측정되었다. 낙엽송 핀으로 접합된 문형라멘프레임의 소성률은 모든 문형라멘프레임 중 가장 우수한 값이 측정되었다.
5는 소정의 전단변형각에서 각 강성 값을 도식화한 것이다. 모든 문형라멘프레임의 부 방향 강성 값이 정 방향 강성 값보다 높은 경향이 관찰되었다. Control은 반복하중이 진행되면서 정방향과 부방향 모두에서 강성이 급격하게 감소되었다.
실험결과 Control의 항복내력과 종국내력이 타 문형라멘프레임들과 비교하여 가장 우수하게 측정되었으며, 초기강성과 소성률도 비교적 우수하게 산출되었다. 이러한 현상은 목질 적층판 보다 강판의 두께가 0.
41로 향상되었다. 접착제로 일체화된 접합부는 수직내력과 수평내력 시험에서 강판 삽입형 접합부보다 최대 내력은 낮으나 강성은 우수한 결과가 산출되었다.
후속연구
단기허용전단내력 산정결과 강절형으로 일체화된 문형라멘프레임이 대조군 문형라멘프레임과 대등한 성능을 발휘하였다. 추후 접합부가 FRP 등의 신소재로 부분 보강된 목질 문형라멘프레임의 내력성능 검토가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
접합부의 특징은 무엇인가?
접합부는 축 하중과 휨 모멘트를 동시에 받는 부재로써 축 하중뿐만 아니라 부재 양단 사이에 전달되는 횡 하중, 휨 모멘트, 비틀림 모멘트 등에도 저항해야 한다. 일반적으로 문형라멘프레임의 기둥에 편심이 발생하지 않도록 가설하는 것은 실험실에서 조차도 거의 어려우며, 실제 건물에서는 더욱 불가능하다(Charleson, 2008).
문형라멘프레임의 접합부는 어떤 설계가 필요한가?
문형라멘프레임의 설계과정은 설계조건, 하중의 산정 및 내진설계, 하중조합 및 단면력 산정, 보 및 기둥부재의 설계, 접합부 설계, 기둥기초부 설계, 받침부 설계, 상세설계, 처짐 등의 검토가 필요하다. 특히 접합부는 적용 단면력 결정, 범위 산정, 응력 산정 등의 설계가 필요하다. 접합철물을 사용한 반강절형 접합부의 경우 단거리 산정, 연단거리 산정, 볼트의 개수 및 배치, 지압응력 결정 등을 추가로 설계해야 되는 어려움이 있다.
문형라멘프레임은 어디에 활용되는가?
중목구조의 공법은 규격화 되어있는 경골목구조와는 상이하게 높은 기술을 요구한다. 특히 내력벽이 사용되지 않고 설계의 변경 및 가변성이 양호한 문형라멘프레임은 기둥-보 접합부의 내력이 주된 구조로 대형 목조 건축물에 많이 활용되고 있는 구조이다.
참고문헌 (15)
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