[논문]포스트 텐션으로 보강된 아웃리거 벽체의 부등기둥축소량 저감 효과

임유진; 김한수

doi:10.7734/coseik.2020.33.4.237

포스트 텐션으로 보강된 아웃리거 벽체의 부등기둥축소량 저감 효과
Effect of Outrigger Wall Reinforced with Post Tension on Reducing Differential Column Shortening 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.33 no.4, 2020년, pp.237 - 244

초록
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본 논문에서는 포스트 텐션으로 보강된 아웃리거 벽체의 부등기둥축소량 저감 효과를 확인하였다. 아웃리거 벽체 시스템을 사용할 경우 콘크리트 부재를 아웃리거로 사용하기 때문에 아웃리거 벽체의 장기거동도 고려해야 한다. 아웃리거 벽체은 깊은 보의 형태로 전단 응력이 지배적이기 때문에 전단 응력을 받는 콘크리트의 장기거동에 대한 이론 연구를 수행하였고 그 결과를 유한요소해석에 적용하였다. 아웃리거의 장기거동 고려 시 부등기둥축소량과 아웃리거에 작용하는 전단력을 확인하였으며, 설계 변수인 아웃리거의 두께를 변경해가며 해석하였다. 해석 결과 부등기둥축소량은 증가하고 아웃리거에 작용하는 전단력은 감소함을 밝혔으며 아웃리거의 강성이 작을수록 그 효과가 크다는 것을 밝혔다. 이후 아웃리거의 장기거동으로 인해 증가한 부등기둥축소량을 감소시키기 위해 포스트 텐션 공법으로 보강하는 방법을 제안하고 그 효과를 확인하였다. 프리스트레스 도입 직후의 프리스트레스 손실과 장기거동에 의한 프리스트레스 손실을 모두 고려하였다. 해석 결과 포스트 텐션 공법의 뛰어난 부등기둥축소량 저감 효과를 확인하였으며, 프리스트레스의 크기가 증가할수록 그 효과가 증가함을 밝혔다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the effect of the outrigger wall reinforced with post-tension on reducing differential column shortening. Since the outrigger wall is a concrete structure, the effect of its long-term behavior should be considered. The long-term behavior of the outrigger wall increases differential column shortening and decreases the shear force acting on the outrigger. When the stiffness of the outrigger becomes small, the effect of its long-term behavior increases. Furthermore, a method of reinforcing with post-tension to reduce differential column shortening is proposed. Following the analysis, it was confirmed that the post-tension method shows a significant reduction in the differential column shortening. This study shows that the effect of the outrigger wall reinforced with post-tension on reducing differential column shortening increases with the prestressing force of tendon.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

철골 부재를 사용한 아웃리거 트러스의 경우 아웃리거의 장기거동을 고려할 필요가 없지만 콘크리트 부재를 사용한 아웃리거 벽체 시스템의 경우 아웃리거의 장기거동을 고려해야만 한다. 따라서 본 논문은 아웃리거 벽체 시스템을 사용할 경우 기둥과 전단벽 뿐만 아니라 아웃리거의 장기거동까지 고려하여 아웃리거의 부등기둥축소량 저감 효과와 아웃리거에 발생하는 부가 응력을 확인한다.
포스트 텐션 공법을 적용한 프리스트레스트 콘크리트(PSC)는 장경간 구조에 매우 유리하며 일반 철근콘크리트(RC) 부재에 비해 높은 전단 강도를 가진다. 따라서 아웃리거의 장기거동에 의해 증가하는 부등기둥축소량을 보완하기 위해 포스트 텐션 공법으로 보강한 아웃리거 벽체 시스템을 제안하고 유한요소해석을 통해 그 효과를 확인한다.
본 논문에서는 아웃리거 벽체의 장기거동을 고려하여 부등기둥축소량과 아웃리거에 작용하는 전단력을 확인하였다. 아웃리거의 강성이 아웃리거의 장기거동의 부등기둥축소량 저감 효과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 설계변수인 아웃리거 벽체의 두께를 변화시켜가며 해석을 수행하였다.
이 장에서는 아웃리거 벽체의 장기거동이 부등기둥축소량에 미치는 영향을 확인하고 프리스트레스 콘크리트의 원리와 포스트 텐션 공법을 적용한 아웃리거 벽체 시스템을 소개하고자 한다.

가설 설정

비부착 공법은 일반건물, 주차건물 등의 슬래브나 보에 사용되며 콘크리트와 긴장재를 일체화시키지 않기 때문에 시공이 보다 간단하다. 본 논문에서는 거대 구조물인 아웃리거에 포스트 텐션 공법을 적용하는 것이므로 부착 공법을 적용하는 것으로 가정한다.
유한요소해석 프로그램에서는 콘크리트 구조물의 보다 정확한 장기거동해석을 위해 단계해석법(SSM :Step-by-Step Method)을 사용한다. 한 층의 시공주기는 5일이며, 지어진 후 3일째에 고정하중이 가해지고, 건조수축은 지어진 후 7일째에 시작된다고 가정한다. 해석 결과는 장기거동이 충분히 완료된 시점인 10,000일 때의 결과를 측정한다.

제안 방법

아웃리거의 장기거동의 효과를 확인하기 위해 아웃리거의 재료 모델을 1) 탄성 변형만 고려한 모델과 2) 탄성변형과 장기거동(크리프, 건조수축) 모두 고려한 모델 두 가지로 설정하여 해석하고 그 결과를 비교하였다. Fig.
다음은 아웃리거의 강성이 장기거동의 효과에 얼마나 영향을 주는지 파악하기 위하여 아웃리거의 두께를 변화시키며 동일한 해석을 수행하였다. Fig.
다음은 프리스트레스의 크기가 부등기둥축소량 저감 효과에 미치는 효과를 확인하기 위해 프리스트레스의 크기를 변경해가며 해석을 수행하였다. 기본 모델에서의 프리스트레스 크기는 6208kN이며, 프리스트레스의 크기를 2배에서 4배까지 변경하여 해석하였고 해석 결과를 Fig.
본 논문에서는 (1)초기 프리스트레스 크기 대비 비율로 계산하는 방법을 사용한다. 프리스트레싱 직후 손실량은 초기 프리스트레스 크기의 5%, 장기거동으로 인한 프리스트레스 손실량은 초기 프리스트레스 크기의 24%이다.
본 논문에서는 아웃리거 벽체의 장기거동을 고려하여 부등기둥축소량과 아웃리거에 작용하는 전단력을 확인하였다. 아웃리거의 강성이 아웃리거의 장기거동의 부등기둥축소량 저감 효과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 설계변수인 아웃리거 벽체의 두께를 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 이후, 아웃리거의 장기거동으로 인해 증가한 부등기둥축소량을 보완하기 위해 포스트 텐션 공법을 적용하는 방안을 제안하고 해석을 수행하였다.
아웃리거의 강성이 아웃리거의 장기거동의 부등기둥축소량 저감 효과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 설계변수인 아웃리거 벽체의 두께를 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 이후, 아웃리거의 장기거동으로 인해 증가한 부등기둥축소량을 보완하기 위해 포스트 텐션 공법을 적용하는 방안을 제안하고 해석을 수행하였다. 프리스트레스에 관한 이론 연구와 CEB-FIP 구조기준을 확인하여 프리스트레스 해석 방법을 확인하고 시공단계해석에 포스트 텐션 공법을 도입해 부등기둥축소량 해석 결과를 비교하였다.
CEB-FIP 구조기준에 따르면 콘크리트의 강도가 적정 수준 이상으로 발현된 이후에 프리스트레스를 적용해야 한다. 콘크리트의 평균 압축강도는 타설 후 28일에 발현되므로 본 논문에서는 아웃리거 층이 지어진 후 5개의 시공 단계 이후(25일 후) 프리스트레스를 가하였다. ETABS에서 프리스트레스 손실량을 계산하는 방법은 크게 3가지로 구분된다.
이후, 아웃리거의 장기거동으로 인해 증가한 부등기둥축소량을 보완하기 위해 포스트 텐션 공법을 적용하는 방안을 제안하고 해석을 수행하였다. 프리스트레스에 관한 이론 연구와 CEB-FIP 구조기준을 확인하여 프리스트레스 해석 방법을 확인하고 시공단계해석에 포스트 텐션 공법을 도입해 부등기둥축소량 해석 결과를 비교하였다. 본 논문에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

대상 데이터

3이다. 7개의 가닥으로 구성된 다발 긴장재를 사용하며 하나의 가닥(strand)의 단면적은 700mm², 총 단면적은 4900mm²이다. CEB-FIP에 따르면 포스트 텐션 공법과 프리 텐션 공법 모두 긴장재의 최대 인장 응력의 크기는 긴장재의 항복강도의 0.
다음은 프리스트레스의 크기가 부등기둥축소량 저감 효과에 미치는 효과를 확인하기 위해 프리스트레스의 크기를 변경해가며 해석을 수행하였다. 기본 모델에서의 프리스트레스 크기는 6208kN이며, 프리스트레스의 크기를 2배에서 4배까지 변경하여 해석하였고 해석 결과를 Fig. 11에 제시하였다. Fig.
아웃리거 벽체의 높이(depth)는 개구부 설치가 용이하도록 3개 층으로 설정하였으며, 아웃리거의 최상부의 위치를 아웃리거 위치로 정의한다. 기본 모델의 아웃리거 위치는 횡변위 저감 목적의 초기위치로 알려진 전체 층수의 중간(40F)이다. 기둥과 전단벽 부재의 단면 크기는 모든 층에서 동일하며, 콘크리트의 건조수축과 크리프 등의 장기거동 재료 모델은 CEB-FIP를 따른다.
포스트 텐션 해석을 위한 긴장재의 극한강도와 항복강도는 각각 1861Mpa, 1689Mpa이다. 탄성계수는 196,500Mpa이며 포아송비는 0.
해석 모델은 철근콘크리트구조이며, 건물의 한 층 높이는 3.5m로 총 80층, 280m이다. 하중과 부재치수 등 자세한 해석 모델의 특성은 Table 1에 나타나있다.

이론/모형

기본 모델의 아웃리거 위치는 횡변위 저감 목적의 초기위치로 알려진 전체 층수의 중간(40F)이다. 기둥과 전단벽 부재의 단면 크기는 모든 층에서 동일하며, 콘크리트의 건조수축과 크리프 등의 장기거동 재료 모델은 CEB-FIP를 따른다. 상대습도는 60%이며, 보통콘크리트를 사용한다.
부등기둥축소량 해석을 위해 선행 연구에서 사용된 유한요소해석 프로그램과 상용 구조해석 프로그램인 ETABS를 사용한다. 유한요소해석 프로그램에서는 콘크리트 구조물의 보다 정확한 장기거동해석을 위해 단계해석법(SSM :Step-by-Step Method)을 사용한다.
부등기둥축소량 해석을 위해 선행 연구에서 사용된 유한요소해석 프로그램과 상용 구조해석 프로그램인 ETABS를 사용한다. 유한요소해석 프로그램에서는 콘크리트 구조물의 보다 정확한 장기거동해석을 위해 단계해석법(SSM :Step-by-Step Method)을 사용한다. 한 층의 시공주기는 5일이며, 지어진 후 3일째에 고정하중이 가해지고, 건조수축은 지어진 후 7일째에 시작된다고 가정한다.

성능/효과

Fig. 11의 (a)에서 아웃리거 층에서의 부등기둥축소량은 29.10% 감소했으며, 최대 부등기둥축소량이 발생하는 57F에서의 부등기둥축소량은 7.22% 감소했다. Fig.
1) 아웃리거 벽체의 장기거동을 고려 시, 기둥의 축소량은 증가하고 전단벽의 축소량은 감소한다. 따라서 기둥과 전단벽의 차이인 부등기둥축소량은 다소 증가한다.
2) 아웃리거의 장기거동 고려 유무에 따른 부등기둥축소량 차이는 아웃리거 층에서 32.03%, 최대 부등기둥축소량이 발생하는 층에서 15.41%이다.
3) 아웃리거의 부등기둥축소량 저감 효과와 전단력 감소율은 각각 4.72%p, 6.66% 감소로 미미한 수준이다. 따라서 이중목적 아웃리거로 사용 시 부등기둥축소량을 저감시키는 역할을 충분히 할 수 있으며, 아웃리거에 작용하는 전단력의 감소로 이중 목적 아웃리거의 문제점으로 여겨지는 아웃리거에 부가적인 응력의 크기는 감소한다.
4) 아웃리거 벽체을 포스트 텐션으로 보강 시, 기둥의 축소 량은 감소하고 전단벽의 축소량은 증가한다. 따라서 부등기둥축소량은 감소한다.
7은 아웃리거를 설치하지 않은 경우 대비 부등기둥축소량 저감 효과를 비교한 그래프이다. 아웃리거 장기거동 고려 시 부등기둥축소량 저감 효과가 70.17%에서 65.45%로 4.72%p 감소하였다. 이때, 아웃리거에 작용하는 전단력은 15132kN에서 14125kN으로 약6.
그래프 범례 상의 PS는 프리스트레스(Pre-Stress)를 작용했음을 의미한다. 해석 결과, 기둥의 축소량은 감소하고 전단벽의 축소량은 증가한다. 따라서 기둥과 전단벽의 축소량 차이인 부등기둥축소량은 감소한다.

후속연구

본 연구는 추후 포스트 텐션 공법으로 보강된 아웃리거 벽체 시스템의 연구에 기여할 수 있을 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리스트레스트 콘크리트는 어떤 구조인가?	프리스트레스트 콘크리트는 인장강도가 낮은 콘크리트를 보강하기 위하여 인장이 발생되는 위치에 강선, 강봉, 강연선 등과 같은 긴장재를 사용하여 콘크리트에 압축 응력을 도입해 콘크리트의 인장응력을 상쇄시킨 구조이다. 프리스트레스트 콘크리트는 균열발생 및 처짐량을 저감시키고 극한 강도를 증진시켜 경제성을 확보할 수 있다.
	프리스트레스트 콘크리트의 장점은 무엇인가?	프리스트레스트 콘크리트는 인장강도가 낮은 콘크리트를 보강하기 위하여 인장이 발생되는 위치에 강선, 강봉, 강연선 등과 같은 긴장재를 사용하여 콘크리트에 압축 응력을 도입해 콘크리트의 인장응력을 상쇄시킨 구조이다. 프리스트레스트 콘크리트는 균열발생 및 처짐량을 저감시키고 극한 강도를 증진시켜 경제성을 확보할 수 있다. 이때, 강재는 매우 큰 인장력을 받고, 콘크리트는 프리스트레스에 견뎌야하기 때문에 고강도 강재와 고강도 콘크리트를 사용해야 한다.
	본 연구에서 아웃리거의 부등기둥축소량 저감 효과와 아웃리거에 발생하는 부가 응력을 확인하여 얻은 결론은 무엇인가?	1) 아웃리거 벽체의 장기거동을 고려 시, 기둥의 축소량은 증가하고 전단벽의 축소량은 감소한다. 따라서 기둥과 전단벽의 차이인 부등기둥축소량은 다소 증가한다. 이때 아웃리거에 작용하는 전단력은 감소한다. 이러한 아웃리거의 장기거동에 의한 효과는 아웃리거의 강성이 작을수록 커진다. 2) 아웃리거의 장기거동 고려 유무에 따른 부등기둥축소량 차이는 아웃리거 층에서 32.03%, 최대 부등기둥축소량이 발생하는 층에서 15.41%이다. 3) 아웃리거의 부등기둥축소량 저감 효과와 전단력 감소율은 각각 4.72%p, 6.66% 감소로 미미한 수준이다. 따라서 이중목적 아웃리거로 사용 시 부등기둥축소량을 저감시키는 역할을 충분히 할 수 있으며, 아웃리거에 작용하는 전단력의 감소로 이중 목적 아웃리거의 문제점으로 여겨지는 아웃리거에 부가적인 응력의 크기는 감소한다. 4) 아웃리거 벽체을 포스트 텐션으로 보강 시, 기둥의 축소 량은 감소하고 전단벽의 축소량은 증가한다. 따라서 부등기둥축소량은 감소한다. 최대 부등기둥축소량의 감소보다 아웃리거 층에서의 부등기둥축소량이 크게 감소한다. 5) 포스트 텐션의 크기가 클수록 부등기둥축소량의 감소율이 증가하지만 과도한 프리스트레스는 파괴를 야기할 수 있기 때문에 아웃리거 벽체의 응력을 확인하여 적절한 포스트 텐션의 크기를 선정해야 한다.

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표제어: PCR

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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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