[논문]강-PC 복합모듈러 골조의 합성보에 대한 구조성능 평가

이상섭; 박금성; 배규웅; 최윤철

doi:10.7781/kjoss.2017.29.5.331

[국내논문] 강-PC 복합모듈러 골조의 합성보에 대한 구조성능 평가
Structural Performance Evaluation for Composite Beam Member of Hybrid Modules Frame with Steel-Precast Concrete 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.29 no.5, 2017년, pp.331 - 340

이상섭 (한국건설기술연구원) , 박금성 (한국건설기술연구원) , 배규웅 (한국건설기술연구원) , 최윤철 (청운대학교)

초록
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본 연구는 새로운 모듈러 시스템을 개발하기 위한 목적으로 수행하였다. 현재 국내에서 적용되고 있는 모듈러 시스템은 C형 강재보만을 사용하기 때문에 재료비와 내화 측면에서 매우 고가이다. 이를 극복하기 위하여 새로운 강-PC형의 복합모듈러 시스템을 개발하고자 하였다. 우선, 보 단면 형상을 개선하여 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 3개의 실험체를 제작하여 휨성능 평가를 위한 실험을 수행하였다. 실험결과, 합성보는 수평전단 파괴에 의해 지배되는 것으로 나타났다. 또한, 비선형 유한요소해석을 수행하여 실험과 이론식과 비교를 통해 구조적 성능을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed in order to develop of the new modular construction system. For the modular construction method that is currently applied in the country, it is very expensive in terms of material costs and fire resistance because it uses only the steel C-type beam. In order to overcome this, and the practical application of new steel-PC hybrid module construction system. Improvement and development of the cross-section of the structural beam member in order to be carried out first. An experiment was carried out by making three specimens. Experiment result, the composite beam was dominated by the horizontal shear failure. It was evaluated through a nonlinear analysis and experimental & theoretical for the structural performance the composite beam member.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

강-PC 복합모듈을 구성하는 합성보에 대해 주요 변수에 따른 비선형 해석을 수행하여 실험적 거동과 비교 평가하여 구조적 안전성능을 확인하고자 하였다.
비선형 해석결과를 반영하여 절곡 강판 두께와 휨철근 유무에 따라 변수별로 실험체를 계획하여 구조성능 평가를 위한 휨실험을 수행하였다. 강-PC 합성보에 대한 설계방법에 따라 비선형해석 및 실험결과를 비교를 통해 강-PC 복합모듈 골조의 합성보 설계를 위한 자료로 활용하고자한다.
강판 절곡형 비대칭 합성보의 휨성능 실험은 실제 하중 작용시의 대상 단면의 내하능력, 처짐 및 변형성상을 파악하기 위한 실험으로서 본 연구에서는 중앙부 정모멘트를 받는 실험체를 계획하였다. 가력은 단순보 형식의 2점 재하에 의해 정모멘트를 받도록 하였으며 전단파괴에 앞서서 휨파괴가 선행하도록 스팬 중앙부를 중심으로 양단부로 각각 L/4지점에 4점으로 가력하였다.
개선된 강-PC 합성보에 대한 내력과 거동을 평가하기 위한 실험 및 이론과 비선형 해석적 연구를 통해 합성보의 구조성능 확보를 위한 연구를 수행하였다. 강-PC 합성보의 단면형태가 비대칭 형태로 단일 합성보로 휨성능을 평가하는 데에는 한계가 있어 아래의 Fig.
본 연구에서는 강-PC 복합모듈을 구성하는 주요 구조 부재인 합성보의 형상을 강판 절곡형으로 개선한 것으로 합성보에 대한 내력 및 거동 평가를 위한 휨성능 실험 연구를Table 1과 같이 계획하였다.
C형 채널 단면의 경우, 모듈 바닥 내에 슬래 브설치시 슬래브 단부를 고정시키기 위한 보강재나 연결철물이 반드시 필요하며 강재 물량이 증가하는 요인이 된다. 본 연구에서는 비교적 얇은 박판 강재를 소정의 단면 형상으로 절곡하여 모듈 간 접합이 용이하며, 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 절곡형 단면 내부에 콘크리트를 타설하여 내화성능 확보에 기여하도록 보의 단면형상을 개선하였다.
우선, 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 강-PC 복합모듈러 구조시스템을 구성하는 주요 구조부재를 개발하기 위한 목적으로 수행하였다. 강-PC 복합모듈 골조를 구성하는 구조 부재인 합성보에 대하여 강판 절곡형 단면 형상을 제안하였다.

가설 설정

2을 적용하였다. 콘크리트의 인장 강도는 f_ck의 9.0%로 가정하였으며, 콘크리트인장 강도 발현 이후에는 Fig. 12와 같이 콘크리트의 인장 응력이 감소한다고 가정하였다. 본 연구에서는 Hue and Mo(2010)가 제안한 콘크리트의 인장 응력-변형률 곡선을 이용하였다^[14].
12와 같다. 콘크리트의 일축 압축 응력-변형률 곡선은 Saenz(Saenz LP., 1964)의 제안식을 적용하였으며^[13], 콘크리트의 압축강도 f_ck의 50%까지는 탄성으로 가정하였다. 여기서 콘크리트의 탄성계수 Ec는 4,700(MPa)이며(ACI,2011), 콘크리트의 푸아송 비(V_c)는 0.

제안 방법

Fig. 3과 같이 강판 절곡형 합성보는 비대칭 단면 조립 형태의 보로 대칭화 하여 단순 휨가력 실험계획이 필요하였으며, 슬래브 유효폭을 고려하여 좌우 대칭 장선 합성보의 형태로 수정하고 반영하여 바닥판의 폭은 600mm로 계획하였다.
가력방법은 변위제어를 하였으며, 가력속도는 0.05mm/sec로 가력하였다. Fig.
1과 같은 강-PC 복합모듈러 구조시스템을 구성하는 주요 구조부재를 개발하기 위한 목적으로 수행하였다. 강-PC 복합모듈 골조를 구성하는 구조 부재인 합성보에 대하여 강판 절곡형 단면 형상을 제안하였다. 절곡형 합성보에 대한 비선형해석^[9]연구에서는 기존 연구의 실험결과를 이용하여 검증한 해석모델을 이용하였다.
개선된 강-PC 합성보에 대한 내력과 거동을 평가하기 위한 실험 및 이론과 비선형 해석적 연구를 통해 합성보의 구조성능 확보를 위한 연구를 수행하였다. 강-PC 합성보의 단면형태가 비대칭 형태로 단일 합성보로 휨성능을 평가하는 데에는 한계가 있어 아래의 Fig. 2와 같은 조립형태의 합성보로 대칭화하여 단순 휨가력 실험을 계획하였다.
본 연구에 사용된 강재의 역학적 성능을 파악하기 위하여 KS B 0801의 금속재료 인장시험편 규정에 따라 강재 시험편을 제작하였고, 사용강재는 SM490을 사용하였다. 강판 절곡 형강의 경우, 비교적 잔류응력의 영향이 적은 플랜지와 웨브에서 두께별로 각각 3개씩의 시험편을 절취 하여 시험편을 제작하였다. 시험은 1000kN 유압식 만능시험기(U.
강판 절곡형 비대칭 합성보의 주요 변수로는 절곡 강판 두께(4.5mm, 6.0mm), 내화성능 고려한 합성보의 하단부에 휨보강근 유무로 하여 총 3개의 실험체를 계획하였으며, 강판 절곡형 합성보 단면의 벌어짐 방지를 위해 내측에 띠판을 일정한 간격으로 설치하였다.
4와 같이 2,000kN 용량의 UTM을 사용하여 2점 선형가력 하였다. 또한 가력시 가력지점에서의 국부변형을 방지하고자 가력지점부에 미끄럼방지용 고무판을 설치하였다.
절곡형 합성보에 대한 비선형해석^[9]연구에서는 기존 연구의 실험결과를 이용하여 검증한 해석모델을 이용하였다. 비선형 해석결과를 반영하여 절곡 강판 두께와 휨철근 유무에 따라 변수별로 실험체를 계획하여 구조성능 평가를 위한 휨실험을 수행하였다. 강-PC 합성보에 대한 설계방법에 따라 비선형해석 및 실험결과를 비교를 통해 강-PC 복합모듈 골조의 합성보 설계를 위한 자료로 활용하고자한다.
측정 장치로는 합성보의 수직처짐과 스팬중앙부에서의 강재와 콘크리트의 변형률 및 합성보와 콘크리트 슬래브의 슬립을 측정하기 위해서 LVDT와 변형률 게이지를 측정장치로 사용하였다. 합성보는 단부에서의 슬립을 측정하였다(Fig.

대상 데이터

또한, 실험체에 사용된 콘크리트는 설계기준강도 30MPa로 계획하였으며, 사용된 레미콘의 수에 따라 각각 3개씩 총12개의 공시체를 제작하였다. 콘크리트 압축강도 시험은 KS F2405의 시험방법에 따라 1000kN 유압식 만능 시험기(U.
본 연구에 사용된 강재의 역학적 성능을 파악하기 위하여 KS B 0801의 금속재료 인장시험편 규정에 따라 강재 시험편을 제작하였고, 사용강재는 SM490을 사용하였다. 강판 절곡 형강의 경우, 비교적 잔류응력의 영향이 적은 플랜지와 웨브에서 두께별로 각각 3개씩의 시험편을 절취 하여 시험편을 제작하였다.
, 1964)의 제안식을 적용하였으며^[13], 콘크리트의 압축강도 f_ck의 50%까지는 탄성으로 가정하였다. 여기서 콘크리트의 탄성계수 Ec는 4,700(MPa)이며(ACI,2011), 콘크리트의 푸아송 비(V_c)는 0.2을 적용하였다. 콘크리트의 인장 강도는 f_ck의 9.

이론/모형

12와 같이 콘크리트의 인장 응력이 감소한다고 가정하였다. 본 연구에서는 Hue and Mo(2010)가 제안한 콘크리트의 인장 응력-변형률 곡선을 이용하였다^[14].
강판 절곡 형강의 경우, 비교적 잔류응력의 영향이 적은 플랜지와 웨브에서 두께별로 각각 3개씩의 시험편을 절취 하여 시험편을 제작하였다. 시험은 1000kN 유압식 만능시험기(U.T.M.)를 사용하여 KS B 0802의 금속재료 인장시험편 시험 방법에 의해 실시하였고, 시험결과 평균항복강도는 345MPa로 나타났다.
11과 같이 절곡된 강판에는 4절점 쉘 요소(S4R)를 적용하였고, 합성되는 콘크리트에는 8절점 솔리드 요소(C3D8R)를 적용하였다. 절곡된 강판과 충전 콘크리트 접촉면이 전단 연결재 없이 마찰로만 전단력에 저항하는 것을 구사하기 위해 ABAQUS(2010)^[12]에서 제공하는 갭 요소(Gapelement)를 사용하였다. 갭 요소는 노드(Node)의 연결부에서 압축력은 전달하나 인장에는 저항할 수 없는 특징을 갖고 있다.
또한, 실험체에 사용된 콘크리트는 설계기준강도 30MPa로 계획하였으며, 사용된 레미콘의 수에 따라 각각 3개씩 총12개의 공시체를 제작하였다. 콘크리트 압축강도 시험은 KS F2405의 시험방법에 따라 1000kN 유압식 만능 시험기(U.T.M)를 사용하여 실시하였다. KS F 2403에 따라 제작한 공시체의 콘크리트 압축강도 시험결과, 평균 34MPa로 나타났다.

성능/효과

(1) 강-PC 복합모듈을 구성하는 강판 절곡형 비대칭 합성보는 강판 두께와 휨 보강근의 유무에 따라서 서로 다른 파괴모드를 관측할 수 있었다.
(3) 강판 두께가 6.0mm인 실험체와 강판 두께 4.5mm이며 휨보강근이 있는 경우에는 충분한 휨변형이 발생하기이전에 가력점 근방 및 단부에서 매우 큰 휨-수평전단파괴가 일어나 강재면과 콘크리트 경계면을 따라 단부슬립현상과 더불어 단부에서 면외 벌어짐 변형이 크게 증가하면서 급격히 파괴되는 거동을 나타내었다.
(4) 강판 절곡형 합성보의 실험결과에 대한 실험 및 이론값의 휨모멘트 비교결과, 실험체 변수에 관계없이 실험 항복 및 최대휨모멘트 값보다 이론 최대휨모멘트 값은 각각 87~99%, 74~87%로써 실험값이 이론값보다 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.
(5) 해석 모델은 초기강성 및 극한 강도는 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 실험에서 발생한 극단적 전단파괴는 해석에서 예측이 되지 않아 향후 모델링에 대한 추가 검토가 필요한 것으로 생각된다.
M)를 사용하여 실시하였다. KS F 2403에 따라 제작한 공시체의 콘크리트 압축강도 시험결과, 평균 34MPa로 나타났다.
SCB4.5-N실험체와 동일한 형상으로 보 하부에 배근된 휨보강근으로 인해 합성보의 강성과 내력은 다소 높게 나타났으며, 연성 측면에서는 다소 저하되는 것으로 나타났다. 이는 합성보의 전체적인 파괴거동이 휨파괴로 지배되지 못하고 SCB6.
웨브면에 특별한 전단연결재를 설치하지 않은 상태로 슬래브에서 초기균열 발생 이후에 강재면과 콘크리트 경계면을 따라 단부 슬립현상과 더불어 단부에서 면외 벌어짐 변형이 크게 증가하면서 급격히 파괴되는 거동을 나타내었다. 강판 두께 4.5mm인 실험체에 비해 내력과 강성이 크게 나타났으나, 연성은 저하하는 것으로 나타났다.
비교결과, 절곡강판의 두께가 4mm이면서 하부 보강근이 없는 합성보의 경우, 실험 항복 및 최대 휨모멘트 값보다 이론 최대 휨모멘트 값은 각각 87%, 74%로서 이론 휨모멘트 값보다 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 절곡 강판의 두께가 6mm이면서 내부 휨보강근이 없는 합성보의 경우에도 실험 휨모멘트 값보다 이론 최대 휨모멘트 값은 84~92%로서 비교적 실험값이 크게 나타남을 알 수 있었다.
Table 4는 3개의 강판 절곡형 합성보의 실험결과에 대한실험 및 이론값의 휨모멘트를 정리하였다. 비교결과, 절곡강판의 두께가 4mm이면서 하부 보강근이 없는 합성보의 경우, 실험 항복 및 최대 휨모멘트 값보다 이론 최대 휨모멘트 값은 각각 87%, 74%로서 이론 휨모멘트 값보다 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 절곡 강판의 두께가 6mm이면서 내부 휨보강근이 없는 합성보의 경우에도 실험 휨모멘트 값보다 이론 최대 휨모멘트 값은 84~92%로서 비교적 실험값이 크게 나타남을 알 수 있었다.
절곡 강판 두께가 두꺼운 경우에 강성은 21% 이상, 내력 측면에서 12% 이상 증가함을 알 수 있다. 시공시의 강성 값은 다소 차이를 나타내지만, 합성 후에는 전체적인 강성값의 차이는 크지 않고, 슬립발생을 전후로 강성값도 큰 변화를 나타내었다.
14에는 변형과 응력도 상황을 나타냈었다. 실험에서 발생한 콘크리트의 극단적 전단 파괴는 해석에서 발생하지 않았으며, 강판 두께가 4.5mm인 실험체와 유사하게 하중 가력부에 콘크리트 응력 집중현상이 발생하였으며, 압축부는 설계압축강도 f_ck에 도달 하지 않았다. 절곡 강재 인장부는 항복하였으며, 하중 가력부는 압축부와 마찬가지로 항복하였으나 중앙부의 상부 플랜지는 항복하지 않는 것으로 나타났다.
이상과 같이 강판 절곡형 비대칭 합성보에 대한 실험과 해석을 비교한 결과, 해석 모델은 초기강성과 극한 강도는 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 실험에서 발생한 극단적 전단 파괴는 해석에서 예측이 잘 되지 않았으며, 향후 해석 모델링에 대한 추가 검토가 필요한 것으로 생각된다.
5mm인 실험체와 유사하게 하중 가력부에 콘크리트 응력 집중현상이 발생하였으며, 압축부는 설계압축강도 f_ck에 도달 하지 않았다. 절곡 강재 인장부는 항복하였으며, 하중 가력부는 압축부와 마찬가지로 항복하였으나 중앙부의 상부 플랜지는 항복하지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해 압축부가 항복을 하지 않은 것으로 보아 실험에서도 단면이 극한강도에 도달하지 않은 것으로 보인다.
5-N 실험체의 경우, 비대칭 합성보의 강성 값이 다른 합성보 실험체의 강성에 비해서 최소10% 이상 작은 값을 나타내고 있다. 절곡 강판 두께가 같은 합성보에서 내부 휨보강근 여부에 따라 강성은 10% 이상, 내력은 3% 정도 다소 증가하는 경향을 보였다. 절곡 강판 두께가 두꺼운 경우에 강성은 21% 이상, 내력 측면에서 12% 이상 증가함을 알 수 있다.

후속연구

이상과 같이 강판 절곡형 비대칭 합성보에 대한 실험과 해석을 비교한 결과, 해석 모델은 초기강성과 극한 강도는 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 실험에서 발생한 극단적 전단 파괴는 해석에서 예측이 잘 되지 않았으며, 향후 해석 모델링에 대한 추가 검토가 필요한 것으로 생각된다. 압축부위가 항복하기 전에 수평전단 파괴가 발생하였으므로 이에 대한 전단 보강이 필요한 것으로 판단된다.
(5) 해석 모델은 초기강성 및 극한 강도는 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 실험에서 발생한 극단적 전단파괴는 해석에서 예측이 되지 않아 향후 모델링에 대한 추가 검토가 필요한 것으로 생각된다. 실험체 모두 인장부에서 먼저 항복이 발생하였으며, 압축부위가 항복하기 전에 수평전단 파괴가 발생하였으므로 이에 대한 전단 보강이 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 모듈러 골조에 적용되고 있는 대부분의 보 단면의 형상은 무엇을 사용하는가?	국내에서 모듈러 골조에 적용되고 있는 대부분의 보 단면의 형상은 기성 제품이나 강판을 C채널 단면 형태로 절곡하여 사용한다. C형 채널 단면의 경우, 모듈 바닥 내에 슬래 브설치시 슬래브 단부를 고정시키기 위한 보강재나 연결철물이 반드시 필요하며 강재 물량이 증가하는 요인이 된다.
	효율적인 강-PC복합모듈 건축시스템의 실용화를 위해 요구되는 것은 무엇인가?	효율적인 강-PC복합모듈 건축시스템의 실용화를 위해서는 중고층형 강-PC복합모듈을 구성하는 구조 부재 및 조인트의 상세 개발과 실대형 조합모듈 골조의 구조 및 내진성능[5]확보를 위한 실험과 이론해석 등의 전반적인 연구가 요구된다[6],[7],[8].
	국내에 도입된 지금까지의 모듈러 공장생산건축 공법은 어떤 문제를 가지고 있는가?	국내에 도입된 지금까지의 공법은 기술의 난이도, 설계기준의 강화, 사회적 여건 및 공업화 공법이라는 점에서 쉽게 현장에 적용되지 못하는 실정이며, 또한 기존 외국기술과[3],[4]의 차별성이 크지 않고 강재만을 이용한 모듈골조의 경우, 내화나 재료비 측면에서 매우 고가이며, 재료 다양화를 통한 내화 및 안전성과 경제성 확보가 가능한 강-PC 복합모듈 기술개발이 절실히 필요하다.

참고문헌 (15)

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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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