[논문]철골 모듈러 구조물의 포스트텐션 기둥-바닥 접합부 거동에 대한 해석적 연구

최경석; 신동현; 김형준

doi:10.7734/coseik.2020.33.6.427

문제 정의

본 연구에서는 모듈러 건축물의 횡력저항성능을 확보하기 위해 셀프 센터링 거동이 가능한 모듈러 구조시스템을 제안하였다. 제안된 구조시스템의 주요 구성요소인 포스트텐션 기둥 -바닥 접합부(PTCBC)의 구조적 거동을 역학적으로 규명한 후, 초기 긴장력 및 보-기둥 접합 조건을 변수로 한 비선형 유한요소해석을 수행하여 PTCBC의 거동특성을 분석하였다.

가설 설정

긴장재는 초기 도입한 긴장력을 유지한다.
· 접합부를 구성하는 주요 구조 부재는 탄성을 유지한다. 마지막 구조적 가정에 따라 접합부에 갭이 발생하더라도, 잔류 변형 없이 원래 위치로 돌아가려는 복원 능력을 발휘할 것으로 예상되며, 이는 전형적인 셀프 센터링 시스템의 거동특성이다.
· 접합부의 변형은 미소 변형의 가정을 따른다.
단위 모듈 보-기둥 골조의 경우, 용접부에서의 파괴는 발생하지 않는다는 가정 아래 용접에 대한 별도의 해석 요소를 고려하지 않았으며 보-기둥 접합부를 일체화하여 모델링하였다. 긴장 재는 각형 강관 내부를 관통하여 상부 연결 플레이트와 바닥의 스토퍼 지점에 접합되며 구속 조건을 부여하였다.

제안 방법

5에 각 단계별 해석과정의 하중 조건을 나타내었다. 1단계 해석은 강봉에 긴장력을 도입하는 해석을 수행하였으며, 각 기등에 위치한 2개 PT 강봉 요소에 긴장력을 동시에 도입하였다. 2단계 해석은 PTCBC의 횡방향 거동특성을 파악하기 위해, 상부 보의 길이방향으로 AISC(2005)에서 제시하는 반복 가력 패턴을 참조하여 하중을 입력하였다.
1단계 해석은 강봉에 긴장력을 도입하는 해석을 수행하였으며, 각 기등에 위치한 2개 PT 강봉 요소에 긴장력을 동시에 도입하였다. 2단계 해석은 PTCBC의 횡방향 거동특성을 파악하기 위해, 상부 보의 길이방향으로 AISC(2005)에서 제시하는 반복 가력 패턴을 참조하여 하중을 입력하였다. 층간 변위 비가 0.
3이며, 항복 이후 변형도 경화 현상과 공칭인장강도 도달 이후 강도 및 강성 저감 현상을 고려하였다. PT 강봉의 탄성 계수 및 포아송 비는 각각 185GPa과 0.3을 적용하였으며, 완전-탄소성 곡선으로 모델링하였다.
PTCBC 해석모델은 구조적 거동에 직접적인 영향을 주는 구성요소를 위주로 단순화하여 모델링하였으며, 단위 모듈 보 -기둥 골조, 긴장재, 상부 연결 플레이트(connection plate), 그리고 바닥의 스토퍼 서포트(stopper support)로 구성된다. 단위 모듈 보-기둥 골조의 경우, 용접부에서의 파괴는 발생하지 않는다는 가정 아래 용접에 대한 별도의 해석 요소를 고려하지 않았으며 보-기둥 접합부를 일체화하여 모델링하였다.
PTCBC의 거동 특성을 파악하기 위해 Table 1과 같이 긴장 재의 초기 긴장력과 단위 모듈 하부 보와 기등의 접합 조건을 변수로 해석을 수행하였다. 초기 긴장력은 PT 강봉의 최대 강도인 800MPa의 30%와 50% 수준인 240MPa와 400MPa을 변수로 적용하였으며, 하부 보-기등의 접합부는 강접과 핀 접합을 변수로 설정하였다.
본 연구에서 제안한 PTCBC의 구조적 거동을 상세히 파악하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 상용프로그램인 ABAQUS 6-10(2010)을 사용하였으며, Fig.
본 연구에서는 이상의 접합방식과 유사하게 긴장재를 활용하여 각 단위 모듈을 접합시켜 시공성을 향상시킴과 동시에 소프트닝 거동(softening behavior)과 셀프 센터링 거동(self-centering behavior)을 유도할 수 있는 포스트텐션 기둥-바닥 접합부를 제안하였다. 제안된 포스트텐션 기둥-바닥 접합부(post-tensioned column-base connection, PTCBC)는 기존 포스트텐션닝 기법을 도입한 구조 시스템과 동일하게 주요 구조 부재인 보와 기둥의 손상을 방지하고, 잔류 변형을 제어할 수 있을 것으로 예상되며, 이와 같은 구조적 거동 및 성능을 파악하기 위해 유한요소해석 모델을 수립한 후 비선형 정적해석을 수행하였다.
긴장 재는 각형 강관 내부를 관통하여 상부 연결 플레이트와 바닥의 스토퍼 지점에 접합되며 구속 조건을 부여하였다. 상부 연결 플레이트와 바닥의 스토퍼 서포트는 강체(rigid body) 요소로 모델링하였으며, 스토퍼 서포트의 경우 PTCBC의 수평 방향 변위를 구속할 수 있도록 ㄴ형상으로 모델링하였다.
연결 플레이트 및 스토퍼 서포트와 단위 모듈 보, 기등의 접촉면에서의 마찰 거동을 모사하기 위해, 접촉면의 수평 방향으로 Coulomb friction 조건을, 접촉면의 수직 방향으로 Hard contact 조건을 정의하였으며, 이때 마찰계수는 0.2를 적용하였다. 지점 조건은 스토퍼 서포트 하부면을 고정단 지점으로 정의하였다.
제안된 구조시스템의 주요 구성요소인 포스트텐션 기둥 -바닥 접합부(PTCBC)의 구조적 거동을 역학적으로 규명한 후, 초기 긴장력 및 보-기둥 접합 조건을 변수로 한 비선형 유한요소해석을 수행하여 PTCBC의 거동특성을 분석하였다. 이상의해석적 연구를 통한 결론을 종합하면 다음과 같다.
제안된 포스트텐션 기둥-바닥 접합부(post-tensioned column-base connection, PTCBC)는 기존 포스트텐션닝 기법을 도입한 구조 시스템과 동일하게 주요 구조 부재인 보와 기둥의 손상을 방지하고, 잔류 변형을 제어할 수 있을 것으로 예상되며, 이와 같은 구조적 거동 및 성능을 파악하기 위해 유한요소해석 모델을 수립한 후 비선형 정적해석을 수행하였다.
해석을 수행하였다. 초기 긴장력은 PT 강봉의 최대 강도인 800MPa의 30%와 50% 수준인 240MPa와 400MPa을 변수로 적용하였으며, 하부 보-기등의 접합부는 강접과 핀 접합을 변수로 설정하였다. 핀 접합을 가지는 해석 대상인 P30과 P50은 유한요소해석 모델에서 단위 모듈 하부 보를 제거한 뒤 해석을 수행하였다.
2단계 해석은 PTCBC의 횡방향 거동특성을 파악하기 위해, 상부 보의 길이방향으로 AISC(2005)에서 제시하는 반복 가력 패턴을 참조하여 하중을 입력하였다. 층간 변위 비가 0.375~4%까지 정현파 형태의 반복변위를 각 1싸이클씩 가력하였다.
초기 긴장력은 PT 강봉의 최대 강도인 800MPa의 30%와 50% 수준인 240MPa와 400MPa을 변수로 적용하였으며, 하부 보-기등의 접합부는 강접과 핀 접합을 변수로 설정하였다. 핀 접합을 가지는 해석 대상인 P30과 P50은 유한요소해석 모델에서 단위 모듈 하부 보를 제거한 뒤 해석을 수행하였다.
SM355 강재의 공칭항복강도, F_{y, s}는 325MPa이고, 공칭인장강도, F_{u, s}는 490MPa이며, PT 강봉의 공칭항복강도, F_{p, s}은 800MPa 이다. 해석에 적용한 철골의 탄성계수 및 포아송 비는 각각 205GPa과 0.3이며, 항복 이후 변형도 경화 현상과 공칭인장강도 도달 이후 강도 및 강성 저감 현상을 고려하였다. PT 강봉의 탄성 계수 및 포아송 비는 각각 185GPa과 0.

대상 데이터

4에 해석에 사용된 재료 모델인 단위 모듈 보, 기등의 SM355 강재와 PT 강봉의 응력-변형률 곡선을 나타내었다. SM355 강재의 공칭항복강도, F_{y, s}는 325MPa이고, 공칭인장강도, F_{u, s}는 490MPa이며, PT 강봉의 공칭항복강도, F_{p, s}은 800MPa 이다. 해석에 적용한 철골의 탄성계수 및 포아송 비는 각각 205GPa과 0.
3에 수립된 유한요소해석 모델을 나타내었다. 해석모델에 고려한 단위 모듈은 실무에서 사용되고 있는 대표적인 형상 및 상세를 참조하였으며, 기둥은 B-125×125×9, 보는 C-200×75×6의 단면을 가진다.

이론/모형

유한요소해석을 수행하였다. 상용프로그램인 ABAQUS 6-10(2010)을 사용하였으며, Fig. 3에 수립된 유한요소해석 모델을 나타내었다. 해석모델에 고려한 단위 모듈은 실무에서 사용되고 있는 대표적인 형상 및 상세를 참조하였으며, 기둥은 B-125×125×9, 보는 C-200×75×6의 단면을 가진다.

성능/효과

1)적절한 가정을 통해 역학적으로 유도된 PTCBC의 거동은 유한요소해석 결과와 비교하였을 때 실제 구조적 거동을 유사하게 예측하는 것으로 나타났다.
2)유한요소해석 결과, 초기 긴장력 및 보-기둥 접합부의 접합 조건에 따라 PTCBC의 이력 거동은 확연한 차이를 보인다. 보와 기등을 강접합하는 경우 셀프 센터링 거동보다는 골조 거동에 의한 영향이 크게 나타났다.
3)반면, 안정적인 셀프 센터링 거동을 구현하기 위해서는 적절한 긴장력의 도입과 함께 보와 기등을 핀 접합함으로써, 골조 효과에 의한 횡력 저항 기여분이 작도록 유도하여야 한다. 이와 같은 조건에서 PTCBC는 갭 발생 이후 초기 강성보다 현저히 작은 강성으로 거동하기 때문에, 상대적으로 에너지 소산 능력은 떨어지지만 보와 기둥 부재의 손상을 방지하고, 변형 능력을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
이러한 영향으로 인해 접합부의 갭이 발생한 이후에도 초기강성과 유사한 강성을 유지하며 구조 부재의 항복으로 인해 에너지 소산 능력이 증가하고 상당한 잔류 변형이 발생하였다. F30과 P50의 구조 부재의 항복이 발생하는 층간 변위비는 각각 1.7%와 2.0%로 평가되었다. 결과적으로 F30과 F50은 지점 조건이 고정단이고 긴장재가 없는 보-기둥 골조의 횡력 저항 성능과 크게 다르지 않을 것으로 예상된다.
항복하였다. P30은 기등의 하단부로 갈수록 점차 응력이 감소하며 탄성 상태를 유지하였으나, P50은 스토퍼 서포트의 락킹 현상과 상대적으로 높은 축력으로 인해 압축측 플랜지에서 항복이 발생한 것으로 확인되었다.
PTCBC의 갭 발생 이후의 강성은 단위 모듈의 크기 및 긴장 재와 기등의 단면 형상에 의존하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 갭 발생 이후의 포스트텐션 바닥 접합부에 작용하는 모멘트, M_b는 다음과 같이 산정할 수 있다.
는 모듈 기등의 단면 폭이다. PTCBC의 주요한 거동인 압축상쇄로 인한 갭 발생은 초기 도입 긴장력과 기등의 작용 축력에 의해 결정된다는 것을 확인할 수 있다.
0%로 평가되었다. 결과적으로 F30과 F50은 지점 조건이 고정단이고 긴장재가 없는 보-기둥 골조의 횡력 저항 성능과 크게 다르지 않을 것으로 예상된다.
이는 기등과 스토퍼 서포트의 락킹 (rocking) 현상으로 인해 발생하는 것으로, 기등의 회전이 스토퍼 서포트에 의해 구속되기 때문이다. 따라서, 스토퍼 서포트와 접촉되는 방향의 락킹 현상으로 인한 지압력이 작용함으로써 모멘트 및 강성이 예측 결과보다 다소 크게 나타났다. 반면 F30을 제외한 각 해석모델의 락킹 현상이 발생하지 않는가력 방향에 대한 예측 결과는 유한요소해석 결과와 잘 대응하고 있음을 확인할 수 있다.
우측에 위치한 PTCBC의 부분 확대도를 살펴보면, 기등과 스토퍼 서포트의 접촉으로 인한 락킹(rocking)현상과 함께 접촉면을 중심으로 기등의 응력이 집중되는 현상이 발생한다. 응력 집중 현상은 모든 해석 대상에서 공통적으로 관찰되었으나, 강도나 강성을 저하시키지 않는 것으로 나타났다.
한다. 이와 같은 조건에서 PTCBC는 갭 발생 이후 초기 강성보다 현저히 작은 강성으로 거동하기 때문에, 상대적으로 에너지 소산 능력은 떨어지지만 보와 기둥 부재의 손상을 방지하고, 변형 능력을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
반면 F30을 제외한 각 해석모델의 락킹 현상이 발생하지 않는가력 방향에 대한 예측 결과는 유한요소해석 결과와 잘 대응하고 있음을 확인할 수 있다. 특히 갭이 발생하는 압축상쇄모멘트와 갭 발생 이후의 강성을 신뢰성 있게 예측하는 것으로 나타났다.
상당히 다르게 나타났다. 하부 보-기둥 접합 조건을 강접합으로 고려한 F30, F50 해석모델은 일반적인 철골 모멘트 저항 골조와 유사한 이력 거동을 보이는 반면, 핀접합으로 고려한 P30, P50 해석모델은 셀프센터링 거동을 하는 것으로 나타났다. 이는 단위 모듈을 구성하는 보-기둥 골조의 모멘트 저항능력에 의한 영향 때문이다.

후속연구

4)PTCBC에 셀프 센터링 거동을 도입할 경우 기존의 프레임에 비해 갭 발생 이후의 횡방향 강성이 감소할 수 있기 때문에 에너지 소산장치를 추가적으로 적용하여 보완할 필요가 있으며, 이에 대해서는 향후 추가적인 상세 제안 및 실험적 검증이 요구된다.
이상의 결론은 본 연구에서 제안한 모듈러 구조시스템의 구성요소 중 하나인 PTCBC에 대한 연구결과이며, 추후 모듈간접합부의 거동 분석 등 제안한 모듈러 구조시스템의 횡력 저항성능과 설계기법에 대한 실험적, 해석적 연구를 지속적으로수행할 예정이다.

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