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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.4 pp.53-60
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.4.53

Experimental Evaluation of Shear Bonding Performance of Wood-Steel Composite Members

Keum-Sung Park*, Sang-Sup Lee**, Myong-Keun Kwak***
**Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
***Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
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
September 10, 2019 September 30, 2019 October 1, 2019

Abstract


In this study, an experimental study was carried out to evaluate the bond shear performance according to the shear connector between the glue-laminated timber and steel interface. Ten block shear specimens were fabricated according to the configuration of the adhesive surface of wood and steel. In addition, four test specimens were produced according to the main variable shape of the wood-concrete shear connector. As a result of the block shear test, the shear strength of the steel-wood adhesive is shown to have a shear performance greater than the wood-wood shear strength. As a result of the push-out test according to the shape of the shear connector, the shear strength increased linearly with the attachment area. The complete composite behavior between the glued-laminated timber and the steel can be secured.



목재-강재 합성 부재의 전단 부착 성능에 대한 실험적 평가

박 금 성*, 이 상 섭**, 곽 명 근***
**정회원, 한국건설기술연구원 연구위원, 공학박사
***정회원, 한국건설기술연구원 수석연구원

초록


    1. 서론

    정부는 파리 신기후 협정에 근거하여 국가 온실 가스 로드맵을 세우고 기업을 상대로 탄소배출권을 할당하고 있다. 건설 업계에서도 탄소배출권의 부족 량이 갈수록 심화될 것으로 예상된다. 이에 따라 탄 소배출권을 확보할 수 있는 국내 목재의 소비가 경 제적인 측면에서 점점 더 부각되고 있다.

    철과 콘크리트의 생산 과정에서 배출되는 온실가 스는 전세계 온실가스 배출량의 3% 및 5%를 차지 한다. 반면 목재는 성장 과정에서 광합성 활동을 통 해 대기 중의 이산화탄소를 끊임없이 빨아들이므로 거대한 온실가스 저장소 역할을 수행한다.

    친환경 건축 재료로서 장점을 지닌 구조용 집성 재는 목재의 자연적 결점을 제거하고 함수율을 엄 격히 통제함으로서 일반 목재의 1.5배 이상의 강도 를 유지하며, 중량 대비 강도가 우수하다. 또한 치 수의 정밀도가 높고, 장기간 열악한 기후에서도 갈 라짐, 비틀림, 변형 등의 결점이 거의 없으며, 별도 의 내장 공사가 필요 없을 뿐만 아니라 노출된 아름 다운 건축미를 나타낼 수 있는 외장재로서의 기능 도 뛰어나다1).

    목재는 대표적인 건축 구조 재료인 철근 콘크리트 및 강재에 비해 낮은 강도와 취성적 파괴 거동을 나 타낸다. 따라서 목재를 건축물의 구조재로 사용하기 위해서는 취성 파괴 및 강도 향상이 선결되어야 한다.

    강재 또는 콘크리트와 목재의 합성화 구현이 어렵 기 때문에 과도한 공사비가 발생할 뿐만 아니라 현 장에서 목재가 별도의 공정으로 시공되어 공기 단축 에 한계가 있다. 또한 고층화나 장스팬을 구현하기 위해서 별도의 접합부와 다량의 보강재가 필요하다.

    건축용 합성 바닥판은 인장력이 우수한 강재와 압축력이 우수한 콘크리트를 합성재로 사용하는 것 이 대표적이다. 목재는 콘크리트 및 강재에 비해 낮 은 강도와 취성적 파괴 거동을 나타내며 휨 부재로 사용 시 압축력에 비해 인장력에 취약하기 때문에 건축물의 합성 바닥판으로 적용할 경우 강재-콘크 리트 합성 바닥판에 비해 합성 효과가 현저히 떨어 진다2).

    목재와 콘크리트를 합성 부재로 사용하기 위해서 는 목재의 인장 저항 성능을 향상시켜 합성효과를 극대화하여야 하며, 그 다음 목재와 콘크리트 간 완 전 합성이 가능하도록 전단 연결재를 설치해야 한 다. 이를 합성 바닥판에 적용할 경우 목재의 부족한 인장 강도를 향상시켜 콘크리트 합성 효과가 극대 화될 것으로 기대되기 때문이다.

    본 연구에서는 목재-강재 간 접촉면에서의 부착 성능을 평가하였다. 아울러 대표적인 형태의 전단 연결재의 전단 시험을 통하여 전단 성능을 평가하 고, 집성재인 목재와 이종 재료 간의 합성력 확보 여부를 파악하여 향후 합성 바닥판으로의 사용 가 능성을 판단하고자 하였다3).

    2. 기존 연구 개발 현황

    공학용 목재인 집성재 보의 일반적인 파단은 상 부에 하중이 가해질 때 인장 응력을 받는 하단부에 서 일어난다. 이러한 결점을 보완하기 위하여 집성 재에 다른 재료를 보강한 복합 집성재의 연구가 이 루어졌다. 집성재의 보강재는 재료에 따라 FRP 보강 재와 금속 재료인 비 FRP 보강재로 분류할 수 있다.

    1960~1970년대에는 금속 재료가 보강 재료로 사 용되었다. Mark(1961)는 목재의 압축면과 인장면에 알루미늄 시트 접착이 미치는 영향에 대해 연구하 였고, Sliker(1962)는 집성재의 적층면 사이에 알루 미늄 시트를 접착하였다. Lantos(1970)는 집성재에 철근으로 보강하였으며, Stern et al.(1973)은 강판 (Steel-plate)이 집성재 보강에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. FRP가 보편적으로 사용되기 전 까지는 보강재로써 금속 재료가 주로 연구되었다4).

    최근 친환경 건축 자재인 목재를 대형 고층 건축 물에 적용하기 위해 콘크리트와 합성한 TCC (Timber-Concrete Composite, 이하 TCC)에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다5),6). TCC 구조는 목 재와 콘크리트의 장점을 활용하여 장스팬 구조를 가능하게 하며 시공 기간을 단축할 수 있는 이점을 가지고 있다. TCC를 활용한 바닥 구조 시스템의 구 조 거동 및 면내 강성 평가를 위해 많은 선행 연구 가 수행되었다7). 특히 목재-콘크리트 바닥 시스템의 경우 강성이 매우 커서 구조 해석 시 바닥 시스템을 단자 유도 또는 Rigid한 시스템으로 가정할 수 있다 고 밝혀졌다. 이 경우 효과적인 내진 성능 확보를 위해서 콘크리트-목재, 목재-목재의 힘의 전달이 중 요하며 이를 연결하는 접합 상세의 역할이 매우 중 요하다. 기존의 연구 실험 결과를 바탕으로 목재-콘 크리트 합성 다이아프램에 사용되는 접합부의 강성 및 내력을 평가하기 위해 실제 9층 목구조물의 접 합 상세를 설계하고 유한 요소 해석 프로그램으로 접합부의 성능을 평가하기도 하였다8).

    3. 블록 전단 성능 시험

    3.1 시험 개요

    재료의 복합화에 있어 가장 문제시되는 것은 서 로 다른 재질의 이종 재료를 접착하는 것이다. 이종 재료 간 접착 강도는 크게 기계적 강도와 환경적 강 도 2가지로 구분할 수 있다. 기계적 강도는 접착한 물건에 기계적 힘을 가하였을 때의 파괴에 대한 저 항력이다. 환경적 강도는 물, 비, 습기, 일광, 자외선, 고온, 저온 등 특정 환경에 놓였을 때의 파괴에 대 한 저항력이다. 목재 접착제의 경우 목재 내 존재하 는 공극이나 관공 등에 접착제가 침투하여 결합력 을 가질 수 있도록 수용성 접착제가 일반적으로 사 용된다.

    에폭시 수지 접착제는 금속, 유리, 목재를 비롯한 다양한 재료에 사용이 가능한 접착제이다. 폴리아미 드는 실온 경화가 가능하고 사용하기 쉬운 장점이 있지만 상대적으로 경화율이 에틸렌디아민보다 낮 다. 폴리아미드 경화제를 사용하는 에폭시 수지 접 착제는 상온 경화가 가능하지만 경화 온도를 높이 면 접착 강도가 향상된다. 이에 본 연구에서는 폴리 우레탄 계열 접착제를 사용하였다4).

    먼저 목재와 강판이 부착제로 결합된 접촉면에 대한 부착 강도 평가를 위한 기초 연구를 수행하였 다. 접착제의 부착 강도는 단위 면적당 부착 강도와 부착 면적의 곱으로 산정한다. 본 실험에서 사용한 폴리우레탄 계열 접착제의 단위 면적당 부착 강도 는 금속과 목재의 부착 강도 값으로 제조사에서 제 공하는 수치인 2.16MPa을 사용하였다.

    3.2 시험체 계획

    목재와 이종 재료인 강판을 활용하여 집성재 보 를 구성하는 경우 목재와 강판의 전단 부착 성능을 평가하기 위하여 KS F 30219) 구조용 집성재의 블록 전단 시험 방법에 따라 시험편을 제작하여 시험을 실시하였다.

    목재와 이종 재료인 강판의 부착을 위한 접착제 는 <Table 1>과 같이 H사의 폴리우레탄 계열 접착 제를 사용하였고, 제조사의 자체 시험에 의한 금속 과 목재 간 부착 강도는 표에서 볼 수 있듯이 2.16MPa(313 psi)로 조사되었다.

    시험체의 주요 변수로는 강판 중앙에 원형 홀을 갖는 시험편 5개와 원형 홀이 없는 시험편 5개로 총 10개의 시험편을 제작하였다. 시험체 형상과 상세는 <Fig. 1>과 같다.

    3.3 시험 결과

    블록 전단 시험에 의한 전단 강도 계산식은 식 (1) 과 같다.

    S h e a r s t r e n g t h ( N / m m 2 ) = F a i l u r e l o a d o f t e s t p i e c e ( N ) A d h e s i v e a r e a ( m m 2 )
    (1)

    시험을 통해 목재와 이종 재료인 강재 간 전단 부 착 강도는 <Table 2>에서 보는 바와 같이 홀이 있 는 경우 평균 3.18MPa, 홀이 없는 경우 평균 5.23MPa로 홀이 없을 때 전단 강도가 더 우수하였 다. 또한 접착제 제조사에 의해 제시된 2.16MPa를 훨씬 상회하는 부착 성능을 확보하는 것으로 나타 났다.

    <Table 2>와 같이 강판 중앙에 원형 홀을 생성한 이유는 원형의 홀을 통하여 접착제를 더 많이 주입 함으로써 부착 성능의 향상을 기대하였기 때문이다. 시험 결과는 더 낮은 전단 강도를 가지고 있어 강판 과 목재의 표면 부착만으로도 충분한 전단 부착 강 도 확보가 가능한 것으로 나타났다. Fig. 2

    KS F 30219) 구조용 집성재의 전단 강도 합격 기 준은 <Table 3>과 같다. 강재-목재 간 접착제의 전 단 강도는 수종군 D에 해당하며, 목재-목재 간 전단 강도에 준하는 전단 성능을 갖는 것으로 나타나 구 조용 집성재와 강판 간 완전 합성 거동을 확보할 수 있는 것으로 파악되었다.

    4. 전단 연결재 푸쉬 아웃(Push-Out) 실험

    4.1 실험 개요

    합성 바닥판의 구조적 성능은 전단 연결재의 성 능에 의해 좌우되기 때문에 목재-콘크리트 합성 바 닥판의 거동을 평가하기 위해서는 목재와 콘크리트 를 연결하는 전단 연결재의 전단 부착 성능을 파악 하는 것이 필요하다.

    전단 연결재의 성능을 평가하기 위하여 <Fig. 3> 과 같이 푸쉬 아웃 실험체를 계획하여 제작하였다. 실험체는 단면적 200☓300, 길이 300mm의 콘크리 트 블럭을 중심으로 양 측면에 단면적 150☓150, 길 이 350mm의 집성재를 전단 연결재로 연결하였고, 콘크리트 강도는 24MPa를 사용하였다.

    전단 연결재의 주요 형상으로 설계에서 가장 많 이 반영하는 레그스크류 볼트 형태의 전단 연결재 를 기본 형상으로 계획하였다. 강판은 L자형으로 절 곡하는 형상에서 한쪽 방향으로 절곡한 ㄱ자형 형 상과 양방향으로 엇갈리게 T자형으로 절곡한 형상 으로 계획하였다. 또한 앵글형의 강판을 용접 조립하 여 T자형의 형상을 갖는 전단 연결재로 계획하였다.

    <Table 4>에 나타낸 바와 같이 목재에 매입되는 길이는 90mm로 동일하게 계획하였으며, 강판으로 절곡된 전단 연결재 형상에 따라 강판의 폭은 각각 50mm, 300mm로 하였다. 또한 모든 전단 연결재는 콘크리트에 매입되는 길이를 70mm로 계획하여 접 합면에서의 전단 성능이 일관성 있게 평가되도록 하였다.

    <Fig. 4>에서 보는 바와 같이 전단 연결재는 볼트 또는 절곡 강판을 2개씩 설치하였고, 콘크리트 방향 으로 70mm, 목재 방향으로 90mm 삽입하여 좌우 수평과 수직 오차로 인한 시험체 거동 영향을 최소 화하기 위해 평활도를 확보하였다.

    푸쉬 아웃 실험은 <Fig. 5>와 같이 300kN 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 하중을 가력하였다. 양 측면의 목재가 하단부에 지지된 상태에서 중앙 부 콘크리트 면에 재하판을 설치하여 연직 방향으 로 단조가력하는 방식으로 콘크리트가 분리되고 연 결부가 불안정한 상태가 될 때까지 실험을 진행하 였다.

    4.2 실험 결과

    전단 연결재 형태에 따른 전단력과 접촉면에서의 슬립 관계 곡선을 <Fig. 6>에 나타내었다.

    <Fig. 6> 및 <Fig. 7 (a)>에서 보는 바와 같이 16mm 볼트를 사용한 실험체의 최대 전단력은 72kN으로 나타났으며, 44kN에서 볼트가 항복한 이 후 접촉면에서 슬립량이 크게 증가하면서 전단력도 지속적으로 증가하는 연성적인 거동을 보였다. 볼트 전단 연결재의 항복 이후 볼트의 직접 전단이나 인 발 현상은 나타나지 않았으며, 최종 파괴 형태는 접 촉면 중심으로 콘크리트면에서 콘 파괴 양상을 보 였다.

    <Fig. 6> 및 <Fig. 7 (b)>와 같이 폭 50mm의 L형 강판을 사용한 실험체는 30kN 근처에서 강판과 목 재의 부착 탈락이 발생하였고, 최대 전단력은 39.1kN으로 모든 실험체 중 최소값을 나타내었다. 목재와 강판의 분리가 계속해서 발생하여 하중의 증가 없이 슬립량이 크게 증가하기 시작하였고 콘 크리트의 파괴는 발생하지 않았다. 이러한 전단력 저하와 불안정한 거동 현상은 강판 절곡형 전단 연 결재의 비대칭성으로 인해 매입된 강판 절곡형 단 면의 뒤틀림 때문인 것으로 생각된다.

    <Fig. 6> 및 <Fig. 7 (c)>와 같이 폭 100mm의 T형 강판을 사용한 실험체의 최대 전단력은 88.1kN으로 나타났으며, 82kN에서 목재와 강판의 분리가 발생 하였다. 최대 내력에 도달한 이후 콘크리트 파괴가 진행되어 급격한 전단 내력 저항 현상을 보였으며, 이후 하중과 슬립 현상이 지속적으로 조금씩 증가 하는 현상을 보였다. 또한 접촉면에서의 부착 파괴 가 발생한 후 양방향으로 절곡된 강판의 영향으로 매우 불안정한 거동을 보였다. 최종적으로 전단 연 결재가 볼트인 실험체와 동일하게 콘크리트 면에서 의 콘 파괴 형태를 나타내었다.

    <Fig. 6> 및 <Fig. 7 (d)>에서 보는 바와 같이 폭 300mm의 T형 강판을 사용한 실험체의 최대 전단 력은 125.8kN으로 실험체 중 가장 높은 전단 내력 을 갖는 것으로 나타났다. 강판과 콘크리트의 부착 이 탈락하는 시점에서 최대 전단력에 도달하였고, 이후 강판 주변 콘크리트의 전단 파괴에 의해 슬립 량이 증가하면서 가력이 종료되었다. 동일한 형태의 전단 연결재 형상을 갖더라도 전단 연결재의 매입 길이에 따라 접촉면에서의 전단 성능에 많은 영향 을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

    향후 목재와 콘크리트를 결합한 합성 바닥판의 구조 성능 평가를 효율적으로 수행하기 위해서는 블록 전단 시험에서 나타난 홀 가공이 없는 평편한 강판을 이용하고, 푸쉬 아웃 실험 결과에서 나타난 전단 연결재의 안정적인 거동을 보이는 형상을 활 용하는 것이 합성 바닥판의 일체성을 확보하는데 유리할 것으로 판단된다.

    5. 소결

    목재와 이종 재료(강재, 콘크리트) 간 합성력 확 보 가능성을 확인하기 위한 목재와 강재의 블록 전 단 시험과 목재와 콘크리트 간 푸쉬 아웃 실험을 통 하여 얻은 결과는 다음과 같다.

    • 1) KS F 3021에 따른 블록 전단 시험 결과, 강재- 목재 간 접착제의 전단 강도는 목재-목재 간 전단 강도 이상의 전단 성능을 갖는 것으로 나타나 구조 용 집성재와 강재 간 완전 합성 거동의 확보가 충분 히 가능한 것으로 나타났다.

    • 2) 전단 연결재 형상에 따른 푸쉬 아웃 실험 결과, 부착 면적에 따라 전단 강도가 선형적으로 증가하 는 양상을 나타내었다.

    • 3) 전단 연결재의 화학적 부착력과 더불어 지압에 의한 기계적 부착력을 확보하는 것이 전단 연결재 의 전단 강도를 향상시키는 방안이 될 수 있을 것으 로 생각된다.

    • 4) 전단 연결재의 형상에 따라 접촉면에서의 전단 내력과 안정적 거동에 많은 영향을 주는 것을 확인 할 수 있다.

    • 5) 동일한 형태의 전단 연결재 형상을 갖더라도 전단 연결재의 매입 길이에 따라 접촉면에서의 전 단 성능에 많은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

    • 6) 향후 목재와 콘크리트 결합한 합성 바닥판의 구조 성능 평가 및 검증을 효율적으로 수행하기 위 해서는 블록 전단 시험에서 나타난 홀 가공이 없는 평편한 강판을 이용하고, 푸쉬 아웃 실험 결과에서 나타난 전단 연결재의 전단 성능을 확보하며, 안정 적인 거동을 보이는 형상을 결합하는 것이 합성 바 닥판의 일체성과 안정적인 거동을 확보하는데 유리 할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업(No. KICT 2014-078)과 국토교통과학기술진흥원의 도시 건축연구사업(No. 19AUDP-B146511-02)의 지원으 로 수행되었습니다.

    Figure

    KASS-19-4-53_F1.gif

    Block shear test of shape and dimensions

    KASS-19-4-53_F2.gif

    Block shear test

    KASS-19-4-53_F3.gif

    Shapes and dimensions of push-out test

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    Fabrication of push-out experiments

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    Push-out experiment

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    Relationship between shear force and slip

    KASS-19-4-53_F7.gif

    Final failure pattern of the push-out specimen

    Table

    Shear strength of polyurethane adhesive

    Test result of block shear

    Shear strength criteria of block shear test (KS F 3021)

    List of push-out test specimens

    Reference

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