[논문]건축용 프리캐스트 콘크리트 모듈의 설계 및 안전성 검토

이상섭; 박금성

doi:10.9712/kass.2020.20.3.35

문제 정의

본 연구는 부스(Booths) 또는 단층 건물을 구축할 수 있는 3D PC 모듈의 개발에 관한 것이다[Fig. 1]. 개념 설계로 제시된 PC 모듈의 상당한 무게가 현장 시공과 공장 생산에 장애요소가 되어 경량화가 필요하였고, 완성 시 육각형의 미적 요소가 드러나도록 경사 부분의 기울기를 최대화할 필요가 있었다.
개념 설계로 제시된 PC 모듈의 상당한 무게가 현장 시공과 공장 생산에 장애요소가 되어 경량화가 필요하였고, 완성 시 육각형의 미적 요소가 드러나도록 경사 부분의 기울기를 최대화할 필요가 있었다. 이에 경량화와 디자인 요구사항이 만족될 수 있도록 구조적으로 설계하고, 경량화한 슬래브를 갖는 PC 모듈의 구조안전성을 해석적으로 조사하였다. 아울러 중량물 재하시험을 통해 검증한 PC 모듈의 개발 과정을 본 논문에 서술하였다.
이에 경량화와 디자인 요구사항이 만족될 수 있도록 구조적으로 설계하고, 경량화한 슬래브를 갖는 PC 모듈의 구조안전성을 해석적으로 조사하였다. 아울러 중량물 재하시험을 통해 검증한 PC 모듈의 개발 과정을 본 논문에 서술하였다.
본 실험의 목적은 PC 모듈 프로토타입의 내하력을 정량화하여 안전성을 평가하기 위한 것이다. 이 재하실험에서는 실제 규모의 PC 모듈에 중량물을 순차적으로 적재하면서 수평변위, 처짐, 균열 및 손상 등의 발생 여부를 확인하고, 하중에 대한 저항 성능을 조사하고자 한다.
본 실험의 목적은 PC 모듈 프로토타입의 내하력을 정량화하여 안전성을 평가하기 위한 것이다. 이 재하실험에서는 실제 규모의 PC 모듈에 중량물을 순차적으로 적재하면서 수평변위, 처짐, 균열 및 손상 등의 발생 여부를 확인하고, 하중에 대한 저항 성능을 조사하고자 한다. 구조설계와 유한요소해석을 통해 PC 모듈 프로토타입은 내력이 아닌 수직처짐과 수평변위에 따른 사용성이 지배하는 것으로 확인되었다.
판매 또는 안내 등의 용도로 사용될 수 있는 부스나 폭 방향으로 연결하여 사무 또는 주거 등의 용도로 사용될 수 있는 PC 모듈을 개발하기 위해 구조설계, 유한요소해석, 재하실험 등의 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

모듈의 길이를 9,100㎜로 유지하면서 경사 부분의 각도를 10~20° 사이에서 1°씩 증가시면서 지붕의 수직처짐과 접합 높이에서 수평변위를 구조안전성의 지표로 사용해 가정된 두께의 적정성을 판단하였다. 수직처짐은 구조설계기준(KDS 14 20 30 : 2016)에 제시된 허용처짐 가운데 비구조요소가 손상될 염려가 크지 않을 경우로 가정하여 L/240(L : 지붕 스팬)을 기준으로 하였다. 수평변위는 통상적으로 적용하고 있는 H/500(H : 건물 높이)을 기준으로 만족 여부가 판정되었다.
구조검토를 위해 PC 모듈의 두께는 처음 250㎜로 가정하였다. 또한 지붕의 용도는 정원 또는 집회 용도로 설정하여 5.
여기서 콘크리트의 탄성계수(Ec)는 4700#로 계산하였고, 압축강도에 도달했을 때 변형률(εo)은 0.002로 가정되었다.

제안 방법

모듈의 길이를 9,100㎜로 유지하면서 경사 부분의 각도를 10~20° 사이에서 1°씩 증가시면서 지붕의 수직처짐과 접합 높이에서 수평변위를 구조안전성의 지표로 사용해 가정된 두께의 적정성을 판단하였다.
5kN/㎡의 고정하중이 고려되었다. 구조해석은 MIDAS Gen을 사용하였고, 콘크리트의 설계기준압축강도는 27MPa, 철근의 항복강도는 400MPa으로 입력되었다.
경사 부분의 각도를 늘리기 위해 우선 잘못 적용된 지붕의 용도를 바로 잡았다. 정원 및 집회 용도는 헬기 이착륙장과 같이 5.0kN/㎡의 적재하중이 적용되는 용도이지만 PC 모듈을 이용한 단층 건축물의 지붕은 [Fig. 1]과 같이 휴게 공간 용도로만 사용되므로 설계기준에 제시된 산책로 용도로 정정하여 적재하중을 3.0kN/㎡으로 적용하였다. 적재하중을 수정한 두께 250㎜인 PC 모듈에 대해 경사 부분의 각도를 20°로 확대하여 재해석한 결과, 수직처짐은 16.
이에 대해 검토한 결과, 구조안전성이 확보되는 경사 부분의 최대 각도는 17°로 나타났다. 한편, PC 모듈의 무게를 150kN 이하로 맞추고 같은 몰드를 사용하여 상부 및 하부 모듈이 생산될 수 있도록 형태를 통일하여 [Fig. 5]와 같은 PC 모듈 프로토타입을 개발하였다. 하부 모듈에도 개구부가 생겨 구조적으로 불리해졌지만, 구조해석 결과 수직처짐과 수평변위는 각각 9.
MIDAS Gen에서 경사 부재에 대한 배근 설계를 지원하지 않아 각 부재의 부재력을 확인 후 별도의 프로그램을 이용하여 배근 설계를 실시하였다. 또한 경량화를 위해 슬래브 중앙 구간에 160☓100☓3,500㎜의 발포폴리스틸렌 5개를 260㎜ 간격으로 배치하였다.
MIDAS Gen에서 경사 부재에 대한 배근 설계를 지원하지 않아 각 부재의 부재력을 확인 후 별도의 프로그램을 이용하여 배근 설계를 실시하였다. 또한 경량화를 위해 슬래브 중앙 구간에 160☓100☓3,500㎜의 발포폴리스틸렌 5개를 260㎜ 간격으로 배치하였다. 최종 배근 설계 결과는 초기 설계안의 배근 설계와 비교할 수 있도록 [Table 1]에 함께 정리하였다.
PC 모듈 프로토타입에 대해 중량물 재하실험을 통한 수직처짐과 수평변위에 대한 구조안전성 검증에 앞서 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 경사 부분과 발포폴리스틸렌이 삽입된 중공 부분의 영향을 해석적으로 평가하였다.
각도가 17°인 경사 부분과 슬래브가 만나는 코너부 및 경사 부분의 개구부 주변은 균열 발생으로 수직처짐과 수평변위에 직․간접적으로 영향을 미칠 수 있는 취약한 부재이다. 이를 고려하여 경사 부분의 배근은 [Fig. 9]와 같이 벽체가 아닌 보와 기둥으로 스터럽과 띠철근으로 보강하였고, 경량화를 위해 발포폴리스티렌을 배치하여 [Fig. 10]과 같은 과정으로 제작하였다.
가력에 이용된 중량물은 크기 3,280☓800☓350㎜, 무게 22kN인 콘크리트 블록이었다. 먼저 하부 모듈 실험에는 크기 10,000☓1,200☓300mm, 무게 86.4kN인 콘크리트 평판을 모듈에 적치하고 7개의 블록을 쌓아 총 240kN이 재하되었고, 변위계(DT1, DT2)를 이용하여 양쪽 경사 부분에서 수평변위가 측정되었다. 또한 상부 모듈 실험에는 4개의 블록이 적재되어 88kN이 가력되었고, 슬래브 중앙에서 수직처짐(DT3)과 경사 부분의 수평변위(DT1, DT2)가 측정되었다.

대상 데이터

콘크리트 부분의 기하모델은 상부와 하부 모듈이 결합된 PC 모듈 프로토타입 전체를 대상으로 실제 치수와 동일하게 솔리드로 만들었다. 데이텀 평면을 설정하여 개구부와 중공부의 단면을 돌출시켜 솔리드에서 제거되도록 하여 [Fig.
콘크리트 부분은 50㎜ 메쉬로 나뉘어 3D 모델에 자주 사용되는 솔리드 요소인 C3D8R이 적용되었으며, 노드 133,743개, 요소 110,450개로 구성되었다. 철근도 가급적 메쉬의 크기가 50㎜가 되도록 조절되었고, 3차원 트러스 요소인 T3D2가 적용되어 노드 11,060개, 요소 12,704개로 구성되었다.
콘크리트 부분은 50㎜ 메쉬로 나뉘어 3D 모델에 자주 사용되는 솔리드 요소인 C3D8R이 적용되었으며, 노드 133,743개, 요소 110,450개로 구성되었다. 철근도 가급적 메쉬의 크기가 50㎜가 되도록 조절되었고, 3차원 트러스 요소인 T3D2가 적용되어 노드 11,060개, 요소 12,704개로 구성되었다.
6L)인 74kN이 넘도록 재하되어 실험이 진행되었다. 가력에 이용된 중량물은 크기 3,280☓800☓350㎜, 무게 22kN인 콘크리트 블록이었다. 먼저 하부 모듈 실험에는 크기 10,000☓1,200☓300mm, 무게 86.
4kN인 콘크리트 평판을 모듈에 적치하고 7개의 블록을 쌓아 총 240kN이 재하되었고, 변위계(DT1, DT2)를 이용하여 양쪽 경사 부분에서 수평변위가 측정되었다. 또한 상부 모듈 실험에는 4개의 블록이 적재되어 88kN이 가력되었고, 슬래브 중앙에서 수직처짐(DT3)과 경사 부분의 수평변위(DT1, DT2)가 측정되었다.
콘크리트 압축강도 시험체는 Φ100☓200㎜ 크기의 공시체로 3개가 제작되었다.
실험체 제작에 사용된 콘크리트의 압축강도는 27MPa으로 25-27-120(굵은 골재 최대직경-설계기준강도-슬럼프)인 레미콘이 사용되었다. 콘크리트 압축강도 시험체는 Φ100☓200㎜ 크기의 공시체로 3개가 제작되었다.
5MPa로 평균 31MPa이었다. 또한 실험체 제작에 사용된 철근은 SD400 D16, D13, D10 3가지로 항복강도와 인장강도는 검사증명서를 통해 확인되었고, D16의 항복강도와 인장강도는 각각 487MPa와 601MPa이었다. D13은 각각 463MPa와 582MPa이었으며, D10은 각각 456MPa와 565MPa으로 나타나 모두 한국산업표준에 적합한 것으로 확인되었다.

이론/모형

압축응력-변형률 관계는 Saenz(1964)가 제안한 모델6)을 이용하였고, 인장응력-변형률 관계는 Hsu & Mo(2010)가 제안한 모델7)을 이용하였다.
다축응력의 작용에 의한 콘크리트의 비선형 거동을 모사하기 위해 콘크리트 손상소성모델이 사용되었으며, 팽창각은 31°로 입력되었다.
매립 철근이 콘크리트에 균열 발생으로 항복하여도 균열 사이의 철근 응력이 균열 발생 지점의 철근 항복응력(fy)보다 작게 되는 분산균열모델 개념을 반영하여 Hsu & Mo(2010)가 제안한 아래의 평균 응력-변형률 모델7)이 철근의 재료 모델로 사용되었다.

성능/효과

1]. 개념 설계로 제시된 PC 모듈의 상당한 무게가 현장 시공과 공장 생산에 장애요소가 되어 경량화가 필요하였고, 완성 시 육각형의 미적 요소가 드러나도록 경사 부분의 기울기를 최대화할 필요가 있었다. 이에 경량화와 디자인 요구사항이 만족될 수 있도록 구조적으로 설계하고, 경량화한 슬래브를 갖는 PC 모듈의 구조안전성을 해석적으로 조사하였다.
0㎜(H=5,000㎜) 이내로 만족되었다. 부재력은 상부 모듈의 슬래브에서 전단력의 내력비가 0.6으로 가장 컸으며, 최대균열폭은 0.154㎜로 허용균열폭 0.3㎜보다 작은 것으로 검토되었다.
적재하중을 수정한 두께 250㎜인 PC 모듈에 대해 경사 부분의 각도를 20°로 확대하여 재해석한 결과, 수직처짐은 16.50㎜로 만족하였지만 수평변위는 10.60㎜로 변위제한을 벗어나는 것으로 나타났다.
이후 앞에서와 마찬가지로 수직처짐과 수평변위 제한을 만족하는 경사 부분의 각도를 찾기 위해 1°씩 줄여 가며 해석을 반복하였고, 이를 만족하는 경사 부분의 각도로 17°를 얻었다. 이 경우 수직처짐과 수평변위는 각각 15.13㎜과 9.46㎜로 나타나 수평변위가 제한 값에 거의 도달하는 결과를 보였다.
5]와 같은 PC 모듈 프로토타입을 개발하였다. 하부 모듈에도 개구부가 생겨 구조적으로 불리해졌지만, 구조해석 결과 수직처짐과 수평변위는 각각 9.71㎜와 8.08㎜이고 처짐제한인 29.17㎜(L=7,000㎜) 및 변위제한인 9.80㎜(H=4,900㎜)보다 작아 만족하는 것으로 확인되었다.
최종 배근 설계 결과는 초기 설계안의 배근 설계와 비교할 수 있도록 [Table 1]에 함께 정리하였다. 프로토타입 PC 모듈의 무게는 약 128kN까지 줄었으며, 초기 설계안과 비교하여 전체 무게는 약 29% 감소되었다. 철근량도 40% 감소하였으며, 발포폴리스틸렌 삽입으로 약 7%의 경량화 효과가 있었다.
프로토타입 PC 모듈의 무게는 약 128kN까지 줄었으며, 초기 설계안과 비교하여 전체 무게는 약 29% 감소되었다. 철근량도 40% 감소하였으며, 발포폴리스틸렌 삽입으로 약 7%의 경량화 효과가 있었다.
17㎜를 넘지 않았다. 사용하중 조건에서 해석된 수직처짐인 9.71㎜보다 약 3배 증가하였으며, 계수하중이 사용하중에 비해 약 1.4배 큰 것을 감안한다면 비선형 거동에 의해 수직처짐이 증가하는 것으로 분석된다. 한편, 수평변위는 좌우로 발생하여 좌측이 약 8.
이 재하실험에서는 실제 규모의 PC 모듈에 중량물을 순차적으로 적재하면서 수평변위, 처짐, 균열 및 손상 등의 발생 여부를 확인하고, 하중에 대한 저항 성능을 조사하고자 한다. 구조설계와 유한요소해석을 통해 PC 모듈 프로토타입은 내력이 아닌 수직처짐과 수평변위에 따른 사용성이 지배하는 것으로 확인되었다. 각도가 17°인 경사 부분과 슬래브가 만나는 코너부 및 경사 부분의 개구부 주변은 균열 발생으로 수직처짐과 수평변위에 직․간접적으로 영향을 미칠 수 있는 취약한 부재이다.
콘크리트 압축강도 시험체는 Φ100☓200㎜ 크기의 공시체로 3개가 제작되었다. 28일이 경과한 후 시험을 실시한 결과, 압축강도는 31.3MPa, 30.1MPa, 31.5MPa로 평균 31MPa이었다. 또한 실험체 제작에 사용된 철근은 SD400 D16, D13, D10 3가지로 항복강도와 인장강도는 검사증명서를 통해 확인되었고, D16의 항복강도와 인장강도는 각각 487MPa와 601MPa이었다.
또한 실험체 제작에 사용된 철근은 SD400 D16, D13, D10 3가지로 항복강도와 인장강도는 검사증명서를 통해 확인되었고, D16의 항복강도와 인장강도는 각각 487MPa와 601MPa이었다. D13은 각각 463MPa와 582MPa이었으며, D10은 각각 456MPa와 565MPa으로 나타나 모두 한국산업표준에 적합한 것으로 확인되었다.
09㎜ 초과하였으나 유한요소해석을 통해 얻은 수평변위와도 유사하였다. 제작 결함에 따른 보수 흔적 외 균열은 육안으로 관찰되지 않아 충분히 안전성이 확보된 것으로 판단되었다.
상부 모듈 실험은 하부 모듈을 천장 크레인으로 뒤집는 과정에서 모서리 부분 등에 작은 손상을 입었지만 실험에 영향을 미칠 정도는 아니었다. 4개의 블록이 적재되었을 때 슬래브 중앙에서 발생한 수직처짐은 8.44㎜로 처짐제한인 29.17㎜와 유한요소해석에서 얻은 수직처짐인 27.8㎜에 비해 약 30% 수준으로 작았다. 이러한 차이는 해석 상 철근 기하 모델의 단순화에서 발생한 것으로 추정되며, 실제 배근은 코너부에서 기둥의 수직철근과 추가 보강근이 겹쳐져 있어 슬래브의 양단부 구속이 해석 모델보다 컸기 때문일 것이다.
2) 개발된 PC 모듈의 최종 크기는 최대 길이 8,500㎜(지붕 7,000㎜), 높이 2,450㎜, 폭 2,200㎜, 두께 250㎜이며, 경사부재의 각도가 17°, 무게가 약 130kN으로 최초 설계안에 비해 길이가 약 7% 줄었지만, 무게는 약 29% 경량화되었다.
1) 수평부재와 경사부재로 구성되는 PC 모듈은 경사부재로 인해 구조안전성이 내력보다는 사용성으로 결정되며, 특히 경사부재의 수평변위가 구조설계를 지배하고 있다.
3) PC 모듈은 압축강도 27MPa의 콘크리트와 항복강도 400MPa의 철근으로 제작되었으며, 유한요소해석 및 재하실험을 통해 사용성 및 내하력이 확보된 것으로 확인되었다.
4) PC 모듈의 구조안전성을 보장하기 위해 경사 부분 주변의 배근은 벽체가 아닌 기둥 및 보와 같이 하는 것이 바람직하다.
5) 유한요소해석과 재하실험에서 수평변위는 매우 유사하게 나타났지만, 수직처짐은 약 3배의 차이를 보였다. 이는 철근이 노드를 공유하도록 한 기하 모델링과 매립에 따른 조기 항복을 가정한 재료 모델링에서 기인한 것으로 추정된다.
6) 재하실험을 통해 파악된 것과 같이 경사부재의 수평변위는 하부 모듈에 상부 모듈을 적재하는 시점에 상대적으로 크게 발생할 수 있으므로 조립 시공에 유의해야 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모듈러 공법의 종류는 무엇에 따라 나눌 수 있는가?	모듈러 공법은 건설 생산성을 혁신할 수 있는 기술 중 하나로 주목받고 있다. 모듈러 공법의 종류는 사용 재료, 시공 방법, 모듈 구조형식 등에 따라 나누어 볼 수 있으며, 바닥 슬래브를 제외한 주요 부재가 강재로 제작된 모듈을 기반으로 설계된 사례를 쉽게 찾아 볼 수 있다. 최근에는 목재나 콘크리트를 이용한 모듈도 개발되고 있으며, 관련 연구도 조금씩 보고되고 있다1).
	콘크리트 모듈의 무게는 얼마인가?	콘크리트 모듈은 공장에서 제작되는 프리캐스트 콘크리트(이하 PC) 3D 공간 부품으로 무게가 약 200~300kN에 이른다. 내화, 차음, 단열, 유지관리 측면에서 강재 모듈보다 유리하여 싱가포르에서는 고층 주거용 건축물에 사용되고 있다2).
	콘크리트 모듈이 다른 재료를 사용하는 모델보다 더 많은 분야에서 적용되는 이유는 무엇인가?	다른 재료를 사용하는 모듈에도 해당될 수 있지만 콘크리트 모듈은 호텔, 교도소, 학교, 욕실(Bathroom pod) 등에 많이 적용되고 있다. 이는 치수가 일률적인 3D 박스형 유닛을 단일 몰드를 사용해 반복적으로 제작할 수 있어 규모의 경제성을 확보할 수 있기 때문이다3). 설계 치수에 변화가 많을 경우 몰드 제작에 많은 비용이 소요되므로 평면 요소를 조립하여 공간을 구축하는 방식이 오히려 바람직할 것이다.

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