[논문]모듈러 골조용 비대칭 기둥-보 접합부에 대한 거동 평가

박금성; 이상섭; 배규웅; 문지호

doi:10.11112/jksmi.2019.23.1.36

모듈러 골조용 비대칭 기둥-보 접합부에 대한 거동 평가
Behavior Evaluation on the Non-symmetric Composite Column for Unit Modular Frames 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.1, 2019년, pp.36 - 44

박금성 (한국건설기술연구원) , 이상섭 (한국건설기술연구원) , 배규웅 (한국건설기술연구원) , 문지호 (강원대학교)

초록
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본 연구의 목적은 강 - PC 복합모듈 골조를 구성하는 프레스 성형된 비대칭 기둥과 보 접합부의 구조적 성능을 평가하는 것이다. 모듈러 골조를 구성하는 대부분의 접합부는 폐쇄형의 사각형 강재 기둥 단면을 주로 사용한다. 폐쇄형의 기둥 단면을 사용한 기둥-보 접합부는 시공성을 감소시키고 내화성을 확보하는데 어려움이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 강판을 프레스로 성형하여 비대칭 개방형 단면 내에 콘크리트를 충진하는 것이다. 프레스 성형된 비대칭 기둥-보 접합부의 구조적 성능을 조사하기 위해 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험결과, 비대칭 기둥의 구조적 성능과 거동이 비대칭 기둥 단면이 합성되는지 또는 기둥의 폭-두께 비율에 따라 달라지는지를 보여주었다. 프레스 성형된 비대칭 기둥-보 접합부의 구조적 성능은 실험결과와 이론식을 비교하여 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to evaluate the structural performance of press-formed type asymmetric column to beam connections of steel-PC composite module frames. Most of the column sections of the joints making up the modular frame use a closed square steel section. The column-beam connection using the closed column section has difficulty in reducing the workability and securing the fire resistance. In order to overcome this disadvantage, concrete is filled in the asymmetrical open type cross section of the steel plate by press forming. A total of four specimens were fabricated to investigate the structural performance of press formed type asymmetric column to beam connections. The experimental results show that the structural performance and behavior of the asymmetric columns are different depending on whether the asymmetric column cross section is composited or the column width thickness ratio. The structural performance of the press formed type asymmetric column to beam connection was evaluated by comparing the experimental results with the theoretical formulas.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Study of Column-Beam Connections
그림 Fig. 2 Test specimen of column-beam connection
표 Table 1 Description of test specimen
그림 Fig. 3 Loading protocols
그림 Fig. 4 Test set-up and measurement
표 Table 2 Material test result
그림 Fig. 5 Moment-rotation relationships of test specimens
그림 Fig. 6 Moment-strain relationship of asymmetric column-to-beam connections
표 Table 3 Descriptions of test specimen
그림 Fig. 7 Asymmetric beam and column section
그림 Fig. 8 Reaction and bending moment diagram
표 Table 4 Plastic moment of members
그림 Fig. 9 Comparison of test result

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 프레스 절곡형 비대칭 기둥 단면과 프레스 절곡형 강재보로 구성된 골조식 모듈에서 비대칭 기둥에 콘크리트 합성 유무, 기둥 단면의 두께, 그리고 프레스 절곡형 강재보의 상부 플랜지면 보강판 유무에 따른 프레스 절곡형 비대칭 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 영향이 최소화 되도록 실험 기법을 강구하여 실험을 실시하였으며, 실험결과를 비교․분석하였다.
이런 문제를 최대한 방지하기 위하여 본 연구에서는 실험체를 대칭으로 제작하여 비틀림에 의한 보의 선행 파괴를 방지하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 비교적 얇은 강판을 오픈형의 기둥과 보 단면 형상으로 프레스 절곡함으로서 모듈 간 접합을 용이하게 하고 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 프레스 절곡형 기둥 단면 내부에 콘크리트를 충전 타설함으로서 내화성능 확보가 가능하도록 개선하고자 하였다. 또한, 기존 폐쇄형 각형강관 기둥과 보의 접합 용이성을 확보 가능성을 검토하기 위하여 비대칭 강판 프레스 절곡형 비합성 기둥과 보 접합부의 형상에 대해서도 구조성능을 평가하였다.
프레스 절곡형 비대칭 합성 및 비합성 기둥과 절곡형 보에 대한 접합부의 내력과 거동을 평가하기 위한 실험과 이론 및 해석적 연구를 통해 비대칭 합성 및 비합성 기둥과 보의 접합부 구조성능 확보를 위한 연구를 수행하였다. 프레스 절곡형 비대칭 합성 단면과 보의 접합부는 고층형 모듈러 건축물에 적용하기 위한 목표로 수행하였다. 또한, 중층형 모듈러 건축물에 적용 가능성을 확인하기 위해서 프레스 절곡형 비대칭 비합성 기둥단면과 보의 접합부 형상에 대한 구조성능 평가 실험도 같이 계획하였다.
프레스 절곡형 비대칭 합성 및 비합성 기둥과 절곡형 보에 대한 접합부의 내력과 거동을 평가하기 위한 실험과 이론 및 해석적 연구를 통해 비대칭 합성 및 비합성 기둥과 보의 접합부 구조성능 확보를 위한 연구를 수행하였다. 프레스 절곡형 비대칭 합성 단면과 보의 접합부는 고층형 모듈러 건축물에 적용하기 위한 목표로 수행하였다.

제안 방법

Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 기둥을 힌지 구좌로 지지하고 보 단부를 이동단으로 지지되도록 하여 수평가력 하였으며, 주요지점에서 변위와 변형률을 측정하였다.
이에 본 연구에서는 비교적 얇은 강판을 오픈형의 기둥과 보 단면 형상으로 프레스 절곡함으로서 모듈 간 접합을 용이하게 하고 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 프레스 절곡형 기둥 단면 내부에 콘크리트를 충전 타설함으로서 내화성능 확보가 가능하도록 개선하고자 하였다. 또한, 기존 폐쇄형 각형강관 기둥과 보의 접합 용이성을 확보 가능성을 검토하기 위하여 비대칭 강판 프레스 절곡형 비합성 기둥과 보 접합부의 형상에 대해서도 구조성능을 평가하였다.
프레스 절곡형 비대칭 합성 단면과 보의 접합부는 고층형 모듈러 건축물에 적용하기 위한 목표로 수행하였다. 또한, 중층형 모듈러 건축물에 적용 가능성을 확인하기 위해서 프레스 절곡형 비대칭 비합성 기둥단면과 보의 접합부 형상에 대한 구조성능 평가 실험도 같이 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 프레스 절곡형 비대칭 기둥 단면과 프레스 절곡형 강재보로 구성된 골조식 모듈에서 비대칭 기둥에 콘크리트 합성 유무, 기둥 단면의 두께, 그리고 프레스 절곡형 강재보의 상부 플랜지면 보강판 유무에 따른 프레스 절곡형 비대칭 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 영향이 최소화 되도록 실험 기법을 강구하여 실험을 실시하였으며, 실험결과를 비교․분석하였다.
실험체 제작에 사용된 비대칭 절곡 기둥과 강판 절곡한 보의 재료 특성을 알아보고자 각각 3개의 인장시험편(14B호)을 제작하여 KS B 0802에 따라 강재의 인장강도시험을 실시하였고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 기둥으로 사용된 프레스 절곡형 비대칭 단면의 강종은 SM 490이었고, 보로 사용된 단면도 강종 SM 490 강판을 절곡하여 제작한 것으로 항복강도는 315N/mm2, 인장강도는 490N/mm2으로 건축구조기준에 명시되어 있다.
여기서 접합부의 성능을 평가하기 위해 먼저 비대칭 합성 및 비합성을 고려한 프레스 절곡형 기둥과 상부플랜지 보강 유무에 따른 절곡형 보의 전소성모멘트를 계산하였다. Fig.
또한 선행 연구(Park, 2013)에서 채택한 실험 방법은 패널존이 지지되도록 기둥 단부를 반력 프레임에 볼트로 고정하거나 힌지점으로 지지하여 접합부의 회전 강성을 증가시킬 수 있다는 우려가 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 세워진 기둥 상부에 보를 접합하고 보를 수평가력 할 수 있는 실험방법을 계획하였다(Lee, 2015). 즉 바닥보를 중심으로 생각하면 L자형 접합부 실험체가 되어야 하지만 가력의 편리를 위해 이를 상․하로 뒤집어 ㄱ자형의 접합부 실험체로 상세 치수와 형상을 Fig.
프레스 절곡형 기둥-보 접합부의 거동에 영향을 미치는 주요 인자를 기둥의 강판 두께와 콘크리트 충전타설 유무, 절곡형 보의 상부플랜지 보강 유무로 선정하여 Table 1에 정리한 것과 같이 4개의 접합부 실험체를 계획하였다. 강판 프레스 절곡형 비대칭 기둥의 외연에 맞춰 절곡형 단일 보를 용접으로 접합한 실험체의 경우 프레스 절곡형 비대칭 보의 비틀림 좌굴로 내력이 결정될 가능성이 높다.

대상 데이터

본 연구에서는 프레스 절곡형(PF) 비대칭 기둥으로 PF-150×75×4.5mm 또는 PF-150×75×8mm이 사용되었고, 프레스 절곡형 보로 PF-200×75×4.5mm가 사용된 모듈의 장변방향과 단변방향의 기둥-보 접합부를 대상으로 하였다.
프레스 절곡형 비대칭 기둥-보 접합부의 실험체에 사용된 콘크리트 설계기준강도는 24MPa로 계획하였으며, 사용된 레미콘의 수에 따라 각각 3개씩 총 12개의 공시체를 제작하였다. 콘크리트 압축강도 시험은 KS F 2405의 시험방법에 따라 1,000kN 유압식 만능 시험기(U.

이론/모형

프레스 절곡형 비대칭 기둥-보 접합부의 실험체에 사용된 콘크리트 설계기준강도는 24MPa로 계획하였으며, 사용된 레미콘의 수에 따라 각각 3개씩 총 12개의 공시체를 제작하였다. 콘크리트 압축강도 시험은 KS F 2405의 시험방법에 따라 1,000kN 유압식 만능 시험기(U.T.M)를 사용하여 실시하였다. KS F 2403에 따라 제작한 공시체의 실험 당일에 시험한 콘크리트 압축강도 결과는 평균 24.

성능/효과

(1) 폭두께비가 비교적 큰 콘크리트 합성형 기둥-보 접합부인 CCB-R0와 CCB-R4.5의 경우, 콘크리트 부착파괴→ 기둥 단부 국부좌굴→기둥 소성힌지→기둥-보 용접부 균열 파괴되는 현상을 보였으며, 최대하중에 도달한 이후 하중이 감소하는 특징을 보였다.
(2) 폭두께비가 비교적 작은 비합성 기둥-보 접합부인CNCB-R0와 CNCB-R4.5 경우, 보 플랜지면의 국부좌굴→보의 소성힌지 발생으로 소성변형이 두드러지게나타났고 최대하중에 도달한 이후에는 하중이 감소하는 특징을 보였다.
(4) 기둥 두께가 8.0mm이고 비대칭 비합성 단면은 절곡형보의 상부 플랜지면 보강 여부와 관계없이 CNCB-R0와CNCB-R4.5 두 실험체는 특수모멘트골조에 해당하는접합부 성능을 보였다.
(5) 기둥 두께가 4.5mm이고 비대칭 합성형 단면은 절곡형보의 상부플랜지면 보강 여부와 관계없이 CCB-R0와CCB-R4.5 두 실험체는 중간모멘트골조 성능에 해당하는 성능을 보였다.
M)를 사용하여 실시하였다. KS F 2403에 따라 제작한 공시체의 실험 당일에 시험한 콘크리트 압축강도 결과는 평균 24.5MPa로 나타났다.
5의 경우 보 면에서 약 50∼80mm 떨어진 위치에서 강재와 콘크리트 간의 부착균열이 발생하였다. 기둥 플랜지의 국부좌굴이 두드러졌고 변형이 증가할수록 기둥-보 접합부의 용접부가 균열파괴되는 현상을 보였으며 최대하중에 도달한 이후 하중이 감소하는 특징을 보였다.
비대칭 합성기둥-보 접합부에서는 정모멘트 가력과 기둥단면에서 부모멘트 가력시 보에서 소성휨모멘트가 결정되었다. 또한, 비대칭 비합성 기둥-보의 접합부에서는 보 상부플랜지면의 보강 유무에 관계없이 보에서 소성휨모멘트가 지배하는 것으로 평가되었다. 따라서 비대칭 기둥의 합성 유무와 보의 상부플랜지면 보강 유무에 관계없이 접합부에서 실험을 통해 얻은 최대모멘트는 지배되는 소성모멘트보다 커야 접합부에서 특수모멘트골조 성능 확보가 가능할 것이다.
비대칭 합성기둥-보 접합부에서는 정모멘트 가력과 기둥단면에서 부모멘트 가력시 보에서 소성휨모멘트가 결정되었다. 또한, 비대칭 비합성 기둥-보의 접합부에서는 보 상부플랜지면의 보강 유무에 관계없이 보에서 소성휨모멘트가 지배하는 것으로 평가되었다. 따라서 비대칭 기둥의 합성 유무와 보의 상부플랜지면 보강 유무에 관계없이 접합부에서 실험을 통해 얻은 최대모멘트는 지배되는 소성모멘트보다 커야 접합부에서 특수모멘트골조 성능 확보가 가능할 것이다.
기둥으로 사용된 프레스 절곡형 비대칭 단면의 강종은 SM 490이었고, 보로 사용된 단면도 강종 SM 490 강판을 절곡하여 제작한 것으로 항복강도는 315N/mm2, 인장강도는 490N/mm2으로 건축구조기준에 명시되어 있다. 시험 결과 각 강종의 강도기준이 만족되고 있지만 항복비가 높은 것으로 나타났다. 강판 두께 4.

후속연구

(7) 프레스 절곡형 비대칭 합성형 기둥 단면에 대해 건축물에 횡력은 x 및 y방향으로 모두 작용함을 감안하여 비대칭 합성단면의 판폭두께비를 콤팩트 단면으로 확보하여 기둥의 휨-비틀림 변형을 방지하거나 매입된 콘크리트 구속효과를 증대시키는 방안으로 보강되는 것이 바람직할 것이다.
이 연구에 사용된 프레스 절곡형 비대칭 합성단면의 경우, 보와 접합면이 비구속판 요소로 구성되어 접합면에서의 국부변형으로 큰 비탄성변형의 원인으로 작용하기 때문에 주의를 기울일 필요가 있음을 알 수 있다. 결과적으로 이 연구에서 사용된 프레스 절곡형 비대칭 합성형 기둥 단면에 대해 건축물에 횡력은 x 및 y방향으로 모두 작용함을 감안하여 비대칭 합성단면의 판폭두께비를 콤팩트 단면으로 확보하여 기둥의 휨비틀림을 방지하거나 매입된 콘크리트 구속효과를 증대시키는 방안으로 보강되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 비대칭 비합성 기둥-보의 접합부에서는 보 상부플랜지면의 보강 유무에 관계없이 보에서 소성휨모멘트가 지배하는 것으로 평가되었다. 따라서 비대칭 기둥의 합성 유무와 보의 상부플랜지면 보강 유무에 관계없이 접합부에서 실험을 통해 얻은 최대모멘트는 지배되는 소성모멘트보다 커야 접합부에서 특수모멘트골조 성능 확보가 가능할 것이다.
또한, 비대칭 비합성 기둥-보의 접합부에서는 보 상부플랜지면의보강 유무에 관계없이 보에서 소성휨모멘트가 지배하는 것으로 평가되었다. 따라서 비대칭 기둥의 합성 유무와 보의 상부플랜지면 보강 유무에 관계없이 접합부에서 실험을 통해 얻은 최대모멘트는 지배되는 소성모멘트보다 커야 할 것이다.
오픈 형태의 단면 개발을 통한 조립 시공성, 내화 및 안전성과 경제성 확보가 가능한 모듈러 접합 기술개발이 절실히 필요하다. 이를 위해 Fig. 1과 같이 효율적인 복합 모듈러를 구성하는 구조 부재 및 조인트의 상세 개발과 실대형 조합모듈 골조의 구조안전 및 내진성능 확보를 위한 실험과 이론해석 등의 전반적인 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모듈러 건축 공법의 주요 이점은 무엇인가?	모듈러 건축 공법의 주요 이점으로 공장 제작 건수가 늘어날수록 공장의 고정 비용이 낮아져 전체 건설비용이 감소될 수 있고, 현장 시공을 최소화하여 공기를 단축할 수 있으며, 그리고 효율적 품질관리를 통한 공장 제작과 검사로 고품질의 건축이 가능하다는 점이다. 그러나 이러한 장점이 중고층 모듈러 건축에서도 유지되기 위해서는 구조 안전성이 우선 전제되어야 할 것이다.
	각형강관의 장 단점은 무엇인가	일반적으로 골조식 모듈에서 코너에 배치되는 기둥은 각형강관이 주로 사용되었으며 해외에서도 가장 흔하게 사용되고 있다. 각형강관은 단면 성능이 우수하여 모듈의 기둥으로 적합 하나 폐쇄형 단면으로 상․하 기둥의 이음 및 보-기둥 접합부 처리가 개방형 단면보다 좀 더 까다롭다. 각형강관 기둥이 사용된 골조식 모듈에서 상․하 모듈의 볼트 접합을 위해 각형강관기둥에 손이나 공구가 들어갈 수 있는 아치형의 액세스 홀을가공하는 방법이 사용되고 있다.
	국내 모듈러 건축은 2000년도 초반에 도입되어 주로 어디에 적용되었는가?	국내 모듈러 건축은 2000년도 초반에 도입되어 학교, 군막사, 오피스 등을 중심으로 적용되어 왔다. 용도는 비주거용으로 구조 및 환경적으로 높은 건축성능이 요구되지 않았으며 주로 3층 이하로 시공되었다. 최근 모듈러 건축 산업의 성장을 위해 국내외에서 중고층화를 하나의 해법으로 모색하고 있으며, 건축물의 용도를 주거용으로 확대하고 있다.

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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