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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.2 pp.35-42
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.2.35

Evaluation of Structural Performance of Joints Between Modules With Non-Symmetric Section

Keum-Sung Park*, Sang-Sup Lee**, Ji-Ho Moon***
**Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
***Dept. of Civil Engineering, Kangwon National University
교신저자, 정회원, 한국건설기술연구원 연구위원, 공학박사 Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology Tel: 031-910-0370 Fax: 031-910-0392 E-mail: kspark1@kict.re.kr
April 10, 2019 June 4, 2019 June 13, 2019

Abstract


The purpose of this paper is to evaluate the structural performance of joints between modules with steel plate press forming type non-symmetric cross section. The main experimental variables are direction of load, whether vertical bolts are fastened, and whether the concrete inside the column is filled. A total of three experiments were performed for each variable. Experimental results show that the behavior of the joints dominated by the local buckling deformation of the upper and lower beam flanges of the module joints, and the final failure was the fracture of the column-beam welds. In case of short side direction, it is possible to secure the performance of intermediate moment frame (0.02 rad). In case of long side direction, it is evaluated that the performance of special moment frame (0.04 rad) is secured regardless of whether or not concrete is infilled in the column.



비대칭 단면으로 구성된 모듈 간 접합부의 구조 성능 평가

박 금 성*, 이 상 섭**, 문 지 호***
**정회원, 한국건설기술연구원 연구위원, 공학박사
***정회원, 강원대학교 토목공학과 교수, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18RERF-B082884-05

    1. 서론

    모듈러 철골 건축물은 공장에서 미리 제작된 3차 원 모듈 단위로 건설 현장에 운송되고 모듈 간 연결 을 통해 구조 시스템으로 형성된다. 모듈러 철골 건 축물은 공장 작업을 극대화하고 현장 작업을 최소 화하며 조립식 건물의 개념을 반영하는 고효율 건 설을 실현하게 한다. 모듈러 유닛은 힘 전달 경로에 따라 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 수직 하 중이 벽을 통해 전달되는 연속 4면 지지형 모듈과 수직 하중이 모서리와 중간 기둥을 통해 전달되는 모서리 지지 모듈이다. 2가지 모두 모듈 간 연결에 대한 높은 요구 성능이 필요한 시스템으로 조립된다1).

    모듈 간 연결은 축 방향의 힘, 전단력 및 휨모멘 트를 다른 모듈에 전달할 뿐만 아니라 현장에서의 설치와 조립의 편의성을 보장해야 한다2). 건물 전체 구조 시스템으로 저층의 경우 모듈만 적층하는 공 법이 사용되고, 중층의 경우 가새 등의 별도 안정화 시스템이 요구된다. 고층의 경우 콘크리트 코어나 가새 보강 골조 등 횡력 저항 시스템이 별도로 있어 야 한다.

    모듈러 철골 건축물의 접합부 거동은 부재력의 분포와 변형 형상에 영향을 미칠 수 있기 때문에 구 조 해석과 설계 단계에서 중요하게 고려된다. 일반 적으로 접합부의 거동은 강도, 강성 및 변형 능력에 따라 정의될 수 있다. 특히 모듈러 철골 구조물에서는 접합부가 건축물의 내력을 결정하는 가장 약한 요소 가 될 수 있기 때문에 매우 중요한 구성 요소이다3),4).

    국내에서는 4층 이하의 골조식 철골 모듈러 유닛 의 보 부재로 C형강이 주로 사용되고, 기둥은 기성 제품인 각형강관 또는 C형강이 사용되는 것으로 조 사되었다5),6). 모듈 간 접합은 접합 철물을 이용한 볼 트 접합이 일반적이나 모듈 구성 단면 형태나 내․외 장재의 마감 형식에 따라 연결재 철물 등의 상세가 달라질 수 있다.

    기성 제품을 적용할 경우 초기 생산 단가가 비교 적 높으며 특히 사용성(내화, 진동, 바닥충격음)을 확보하는 데 한계가 있다. 모듈러 건축의 중고층화 실증의 토대를 마련하기 위해 단위 모듈을 구성하 는 유닛의 강재 기둥과 보 단면 내측에 슬래브 설 치 부분을 두고 콘크리트가 일체화되도록 하여 강 판 프레스 절곡으로 인한 제작 단가 절감과 더불어 내화 성능을 개선하는 데 초점을 맞추어 연구를 수 행하였다.

    본 연구에서는 <Fig. 1>에서 보는 바와 같이 강판 을 프레스로 절곡한 비대칭 오픈형 기둥, 슬래브 걸 침부 형상을 갖는 바닥보, C형강 천정보로 구성된 모듈에서 유닛 간 접합에 일자형 접합 철물이 사용 되었을 때 모듈의 단변 방향(폭 방향)과 장변 방향 (길이 방향)에 대한 거동을 실험적으로 조사해 보고 자 하였다. 또한 프레스 절곡형 오픈 비대칭 단면에 장변 방향으로 부족할 수 있는 강성을 개선하기 위 해 콘크리트 타설과 상․하 기둥 간 결합에 볼트를 사용한 경우를 비교 대상으로 실험을 실시하여 거 동 차이를 비교하였다. 실험 결과는 실제 엔지니어 링 설계를 위한 참고 자료로 활용될 수 있다.

    2. 모듈러 유닛 간 접합부 실험

    2.1 실험체 계획

    실험에 사용된 모든 강재는 KS D 3515 용접 구 조용 압연강재이며 강종은 SM355(Fy=355MPa)이 다. <Fig. 2 (a)>와 같이 기둥 부재로서 강판 프레스 절곡형(Press Forming, 이하 PF) PF-150×75×8mm 의 비대칭 단면이 사용되고, 모듈 상부 바닥보 부재 로 강판 프레스 절곡한 PF-200×75×4.5mm으로 비 대칭 단면이 사용된다. 하부 모듈 천정보에는 강판 으로 절곡한 200×75×6mm의 C형 강재가 사용되었 다. 3×6×3m의 모듈을 상․하 및 좌․우로 연결하기 위 해 <Fig. 2 (b)>에 나타낸 수평형 강판이 적용된 모 듈러 유닛 간 접합부를 실험 대상으로 선정하였다. 강판 절곡형 비대칭 단면이 기둥으로 사용되어 모 듈러 유닛 간 접합부는 대칭으로 결합되어 폭과 길 이 방향에 대해 유사한 모멘트-회전각 관계를 갖는 다. 그러나 연결 강판과 상․하 기둥 간 볼트 체결 유 무 및 기둥 비대칭성에 따라 모멘트-회전각 관계가 달라질 수 있다.

    프레스 절곡형(PF) 비대칭 기둥으로 PF-150×75×4.5mm 또는 PF-150×75×8mm, 프레스 절곡형 보로 PF-200×75×4.5mm가 사용된 모듈의 장변 방향과 단변 방향의 기둥-보 접합부를 대상으 로 하였다. 두께 8.0mm와 4.5mm인 프레스 절곡형 비대칭 기둥 단면 웨브의 판폭두께비는 내진 콤팩 트 단면의 한계 세장비보다 작았지만 플랜지 판폭 두께비는 내진 콤팩트 단면의 한계 세장비보다 큰 것으로 나타나 비콤팩트 단면으로 분류된다7).

    프레스 절곡형 상부 모듈 보 웨브의 판폭두께비 는 내진 콤팩트 단면의 한계 세장비보다 작았지만 플랜지의 판폭두께비는 내진 콤팩트 단면의 한계 세장비와 콤팩트 단면의 한계 세장비보다 커 비콤 팩트 단면으로 분류된다8). 이에 프레스 절곡형 단면 과 C형강 보의 국부 좌굴 발생을 억제하기 위해 일 정 간격으로 스티프너를 보강하기로 결정하였다. 그 러나 실제 상부 모듈 바닥에서는 절곡형 보 상부 플 랜지와 웨브 일부가 콘크리트 슬래브에 매립되기 때문에 국부 좌굴에 대한 저항 성능은 충분할 것으 로 판단된다.

    수평형 연결 강판은 상부층 모듈과 하부층 모듈 사이 10mm 갭 공간에 삽입되어 폭 방향 보의 플랜 지를 관통시킨 F10T M16 볼트로 모듈과 모듈을 접 합하는 방식에 사용된다. 이 접합 방법은 상부층 모 듈의 바닥보에 선시공 매입된 볼트와 하부층 모듈 의 천장보가 만나는 층간대를 제외한 부분의 마감 을 공장에서 처리할 수 있어 하부 모듈 천장보와 볼 트로 결합하며, 필요시 기둥-보 접합 패널존에서 상 하 기둥 간의 연결도 가능하다.

    프레스 절곡형 기둥과 보가 비대칭 단면이고 기 둥에 편심을 두고 접합된 점을 고려하여 실험체는 대칭으로 제작되어 편심 가력에 따른 불안정성을 최소화하였다. <Table 1>과 같이 폭 방향으로는 십 자 형태의 실험체를 제작하고, 길이 방향으로는 외 팔보 형태의 실험체로 <Fig. 3>과 같이 총 3개를 제 작하였다.

    2.2 재료 시험

    2.2.1 강재 인장 강도 시험

    프레스 절곡형 기둥, 보 및 연결 강판의 재료 특 성을 알아보고자 각 3개의 인장 시험편(14B호)을 제 작하였다. 시험에 앞서 시험편의 단면적(A)을 측정 하여 시험 장치에 입력하고 연신율(Elo.) 측정용 기 준점도 표시하여 KS B 0802를 따라 강재(SM 355) 의 인장 강도 시험을 실시하였다.

    시험 결과를 통해 항복 강도는 419~443MPa, 인 장 강도는 546~559MPa로 나타났다. 파단 이후 연 신율은 30.1~34.8%, 항복비는 0.75~0.81로 나타났다. 강판을 절곡한 단면의 경우 항복 강도와 인장 강도 의 차이가 뚜렷함을 알 수 있다. 사용된 모든 강재 의 항복 강도와 인장 강도는 건축 구조 기준에 제시 된 값보다 큰 것으로 나타나 사용된 강재는 규격품 임을 확인하였다. 시험 결과는 <Table 2>에 정리하 였다.

    2.2.2 콘크리트 압축 강도 시험

    프레스 절곡형 비대칭 기둥과 보로 구성된 모듈 간 접합부의 실험체에 사용된 콘크리트 설계 기준 강도는 24MPa로 계획하였으며, 사용된 레미콘의 수에 따라 3개씩 총 12개의 공시체를 제작하였다. 콘크리트 압축 강도 시험은 KS F 2405의 시험 방법 에 따라 1,000kN 유압식 만능 시험기(U.T.M)를 사 용하여 실시하였다. KS F 2403에 따라 제작한 공시 체의 실험 당일 시험한 콘크리트 압축 강도 결과는 평균 32.0MPa로 나타났다.

    2.3 가력 및 측정 방법

    비대칭 단면으로 구성된 모듈러 골조가 횡력을 받는 상황을 고려하여 기둥 상부를 횡방향으로 변 위 점증 방식의 반복 가력하는 실험 방법을 채택하 였다. 가력 스케줄은 KBC2016 0722.2.4.8)을 따랐으 며 변위각 0.04rad(횡변위 88.8mm)까지 스케줄에 따라 반복 가력하고 111mm(0.05rad)까지 당겨 접합 부의 변형을 관찰한 후 실험을 종료하였다. 가력은 1,000kN 용량의 액츄에이터(Actuator)를 이용하여 0.03mm/sec의 속도로 변위 제어를 통해 이루어졌다.

    <Fig. 4>와 같이 기둥의 하단 지점은 힌지와 볼트 로 연결하였고, 보의 양단(또는 일단)은 이동단으로 지지된 조건을 유지하였다. 상부층 모듈의 바닥보와 하부층 모듈의 천장보가 이동단에 동시에 지지되도 록 강재로 제작한 캡이 사용되었다. 변위계(DT)를 이용하여 주요 위치에서 변위를 측정하였으며, 게이 지를 이용하여 접합부 주변의 변형률을 측정하였다.

    3. 실험 결과 비교 및 분석

    3.1 실험 결과

    <Table 3>에 실험 결과를 정리하고 <Fig. 5>에 주요 상황을 나타내었다. <Fig. 5>와 같이 단변 방 향으로 접합되고 기둥 내부에 콘크리트가 타설되지 않고 상하 기둥 간 볼트로 접합된 SNCB의 경우 하 부 힌지 고정단 베이스 블럭의 전단 슬립으로 인해 하중 가력 헤드에서 과도한 비틀림이 발생하여 실 험 안전상 0.03rad까지 가력 스케줄을 따랐다. 나머 지 실험체는 고정 베이스 블록을 강하게 체결하여 전단 슬립이 발생하지 않도록 작업한 후 가력 스케 줄에 맞춰 실험이 진행되었다.

    단변 방향으로 접합된 SNCB 실험체는 대칭으로 제작되어 전체적인 변형 현상은 비교적 뚜렷하게 나타나지 않았다. 0.03rad 변형에서 모듈 상부 보의 상부 플랜지에서 국부 좌굴 현상이 보였으며 최종적 으로 접합부에서 용접부에 균열 파괴가 발생하였다.

    장변 방향으로 접합된 LCNB와 LNCNB 실험체 의 경우에도 대칭으로 제작되어 초기에 전체적인 변형은 크게 보이지 않았으며, 0.03rad 변형에서 접 합된 보에서 좌굴 변형 현상이 나타났다. 모든 실험 체의 최대 하중은 모듈 상부 바닥보의 상부 플랜지 에 소성 힌지가 발생하여 결정되는 것으로 관찰되 었다. 기둥 합성 여부와 관계없이 최종적으로 접합 된 용접부가 균열 파괴되는 현상이 동일하게 나타 났다.

    3.2 모듈 간 접합부의 휨 모멘트 강도 비교

    접합부는 기둥과 보가 용접된 부분으로 이 위치 에서 작용하는 휨 모멘트를 우선 평가해야 한다. <Fig. 6>에 나타낸 것과 같이 단변 방향의 십자형 실험체를 대상으로 부재를 선 요소로 가정하여 힘 의 평형 조건을 이용하여 식 (1)의 반력(Ra)을 우선 계산하고, 보의 이동단 지점과 접합부 사이의 거리 (Lb)를 반영하여 식 (2)를 통해 접합부에 작용하는 휨 모멘트(Mb1) 강도를 계산한다. 외팔보형 실험체 도 동일한 방법으로 계산할 수 있다.

    R a = P H / L
    (1)

    M b 1 = R a · L b = P · H / L · L b
    (2)

    이와 같이 계산된 값은 상․하 보에 동시에 작용하 는 휨 모멘트로 상․하 보의 합성 효과에 따라 보 단 면의 소성 휨 모멘트(Mp)의 단순 누가한 값보다 상 회할 가능성도 있다. 그러나 본 연구에서 사용한 실 험체는 상․하 보 사이에 연결 강판 외 어떠한 접합 도 하지 않았기 때문에 상부 보 소성 휨 모멘트의 2배와 하부 보 소성 휨 모멘트 2배를 합한 값과 비 교하는 것이 타당하다. PF-200×75×4.5mm인 상부 보의 재료 시험을 통해 얻은 평균 항복 강도 443N/mm2를 적용한 소성 휨 모멘트는 45.9kN․m 로 계산되었다. 하부 C형강 보는 재료 시험을 통해 얻은 평균 항복 강도 432N/mm2를 적용한 소성 휨 모멘트가 40.8kN․m로 계산되었다.

    앞서 서술한 방법에 따라 치환한 휨 모멘트와 층 간 변위각 관계에 모듈 상․하 보 소성 휨 모멘트의 각 2배를 표시하여 특수 모멘트 골조에서 요구되는 성능 기준으로 접합부의 성능을 비교할 수 있도록 <Fig. 7>에 나타내었다.

    단변 방향의 SNCB 실험체는 (+)방향 가력에서 0.04rad까지 반복 가력하였으나, 기둥 하단부 베이 스 블럭의 전단 슬립 변형으로 인해 가력 헤드 부분 의 비틀림이 발생하여 0.04rad에서 소성 휨 모멘트 의 80%를 유지하지 못하는 것으로 추정되었다. 이 후 (-)방향 하중 가력은 가력 장치 헤드의 불안전성 으로 인하여 종료되었다.

    장변 방향의 LNCNB와 LCNB 실험체는 연결 강 판의 형상이 동일하며, 프레스 절곡형 비대칭 기둥 에 콘크리트 타설 여부와 상․하 기둥 간의 볼트 연 결이 없는 차이가 있다. LNCNB 실험체는 0.015rad 변형까지 특이한 거동 현상이 나타나지 않았으며, 0.03rad 압축 가력 상황에서 모듈 상부 유닛 보의 압축측 플랜지면에서 국부 좌굴 현상이 나타났다. 이후 하중과 변형이 지속적으로 증가하였으며, 0.04rad 변형에서 국부 변형이 크게 나타남과 동시 에 용접부 균열 파괴와 접합면에서 약간의 벌어짐 현상이 발생하였다. 비대칭 비합성 기둥의 판폭두께 비가 다소 큰 관계로 이력 곡선의 면적인 에너지 흡 수 능력을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.

    LCNB 실험체는 0.03rad 압축 가력 상황에서 모 듈 상부 유닛 보의 압축측 플랜지면에서 국부 좌굴 현상이 나타났다. 이후 하중과 변형이 지속적으로 증가하였으며, 0.04rad 변형에서 보의 압축측 플랜 지면 국부 변형이 크게 나타남과 동시에 합성 기둥 의 콘크리트 균열 파괴와 압축측 국부 좌굴 변형이 동시에 발생하였다. 최종적으로는 용접부 균열 파괴 가 발생하였으나 접합면의 벌어짐 현상은 발생하지 않았다. 비대칭 합성 기둥의 역할로 인하여 이력 곡 선의 면적인 에너지 흡수 능력을 충분히 확보하고 있음을 확인할 수 있다.

    모듈 간 접합부의 연결 강판과 주요 변수에 따른 거동 차이를 살펴볼 때 단변 방향 SNCB의 경우 (+) 방향 가력 시 0.04rad의 첫 번째 가력 사이클에서 최대 내력의 큰 차이를 보인다. 0.03rad 부근에서 결정된 최대 내력 이후 강성의 저하 현상과 더불어 보의 압축측 플랜지면에서 국부 좌굴 현상도 보이 고 있어 이 접합부는 중간 모멘트 골조(0.02rad) 이 상의 성능을 충분히 확보하고 있는 것으로 판단된다.

    반면 장변 방향 실험체로 기둥의 합성 여부에 따 른 LNCNB와 LCNB의 경우 0.04rad에서 강성이 유 지되거나 완만하게 상승하는 상태로 최대 내력도 사이클이 종료되는 시점에서 결정되는 특징을 보이 고 있다. 또한 0.04rad까지 층간 변위각을 발휘할 수 있는 것으로 나타나 이 접합부는 특수 모멘트 골 조(0.04rad) 성능을 확보하는 것으로 판단된다.

    3.3 변형률 분포 비교

    천장보와 바닥보의 플랜지 면에 부착한 스트레인 게이지를 통해 측정된 변형률 값을 <Fig. 8>에 실험 체별로 나타내었다. 여기서 항복 변형률은 강재 인장 강도 시험 결과를 반영하여 산정하였다.

    <Fig. 8>에서 보는 바와 같이 접합 방향과 기둥 내부의 콘크리트 타설 유무 및 상하 기둥 간 볼트 체결 여부와 관계없이 3개의 모든 실험체에서 모듈 상․하로 결합된 보의 플랜지면에 부착한 변형 게이 지(S2, S5, S8)는 하중 방향에 관계없이 모듈 바닥보 의 상부 플랜지면과 하부 모듈 천장보의 하부 플랜 지면이 항복하였다. 그러나 접합 중간부에 위치한 게이지는 (-)방향 하중 상태에서는 항복하지 않았다. 이는 접합부의 응력이 접합 연결재를 통해 최외측 플랜지면으로 원활하게 진행되어 상․하 연단에 응력 이 집중된 요인으로 판단된다.

    따라서 모듈 조합 골조의 구조 해석에서 모듈 천 장보와 바닥보는 독립된 부재로 모델링될 필요가 있으며, 단일 부재로 해석될 경우 단면 성능은 각 단면 성능을 더한 값을 반영해야 한다.

    4. 결론

    본 연구에서는 복합 모듈러 유닛 간 접합을 위해 주요 변수에 따른 접합부의 실험을 통해 구조 성능 과 거동을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 모든 실험체에서 모듈 상부 바닥보의 상부 플 랜지면에 소성 힌지가 발생하여 모듈 간 접합부의 최대 내력이 결정되는 것으로 관찰되었다. 또한 주 요 변수에 관계없이 최종적으로 기둥-보가 접합된 용접부가 균열 파괴 되는 현상이 동일하게 나타났다.

    • 2) 장변 방향 실험체로 기둥의 합성 여부에 따른 LNCNB와 LCNB의 경우 0.04rad에서 강성이 유지 되거나 완만하게 상승하는 상태로 최대 내력이 사 이클이 종료되는 시점에서 결정되는 특징을 보이고 있다. 또한 0.04rad까지 층간 변위각을 발휘하고 있 는 것으로 나타나 이 접합부는 특수 모멘트 골조 (0.04rad) 성능을 확보하는 것으로 판단된다.

    • 3) 단변 방향 접합부 실험에서 모듈 간 접합에 수 평형 강판이 사용된 접합부의 실험 결과에서는 보 에서 소성 힌지가 형성되어 내력이 결정되었다. 또 한, 0.03rad 부근에서 결정된 최대 내력 이후 강성 저하 현상과 더불어 보의 압축측 플랜지면에서 국 부 좌굴 현상이 보이고 있어 이 접합부는 최소 중간 모멘트 골조(0.02rad) 이상의 성능을 확보하는 것으 로 생각된다.

    • 4) 장변 및 단변 방향 및 비대칭 기둥 단면의 콘 크리트 충전 여부와 상․하 기둥 간 볼트 접합 유무 에 관계없이 상․하 기둥 또는 보의 플랜지를 수평형 연결재를 이용해 볼트 접합하더라도 상․하 보의 연 단까지 응력이 원활하게 전달되는 것으로 나타났다.

    • 5) 모듈 조합 골조의 구조 해석에서 모듈 천장보 와 바닥보는 독립된 부재로 모델링될 경우 단면 성 능에 각 단면 성능을 더한 값이 반영되어야 한다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통과학기술진흥원의 주거환경연구 사업(18RERF-B082884-05)의 지원에 의해 수행되었 습니다.

    Figure

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    Experiments for joints between modules

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    Connection details of modular building system

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    Configuration of test specimens

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    Test set-up

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    Experimental photos of specimens

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    Reaction forces and bending moment diagram

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    Moment-drift angle relationship of specimens

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    Strain distribution of beams

    Table

    Descriptions of test specimens

    Material test results

    Observed strengths and failure mode of specimens

    Reference

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