Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.21 No.3 pp.69-76
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2021.21.3.69

An Experimental Study on Flexural Performance of Precast Concrete Modular Beam Systems

Kyong Min Ro*, Chang Geun Cho**, Young Hak Lee***
*Architectural Engineering, Kyung Hee University
**School of Architecture, Chosun University
***Architectural Engineering, Kyung Hee University
* Tel: 031-201-3815 Fax: 031-204-3815 E-mail: leeyh@khu.ac.kr
August 3, 2021 August 17, 2021 August 17, 2021

Abstract


Precast concrete (PC) modules have been increased its use in modular buildings due to their better seismic performance than steel modules. The main issue of the PC module is to ensure structural performance with appropriate connection methods. This study proposed a PC modular beam system for simple construction and improved structural and splicing performance. This modular system consisted of modules with steel plates inserted, and it is easy to construct by bolted connection. The steel plates play the role of tensile rebar and stirrup, which has the advantage of structural performance. The structural performance of the proposed PC modular beam system was evaluated by flexural test on one reinforced concrete (RC) beam specimen consisting of a monolithic, and two PC specimens with the proposed PC modular beam system. The results demonstrated that the proposed PC modular beam system achieved approximately 86% of the structural performance compared to the RC monolithic specimen, with similar ductility of approximately 1.06 fold greater.



프리캐스트 콘크리트 모듈러 보 시스템의 휨 성능에 대한 실험적 연구

노 경 민*, 조 창 근**, 이 영 학***
*학생회원, 경희대학교 건축공학과, 박사과정
**정회원, 조선대학교 건축학부, 교수
***교신저자, 정회원, 경희대학교 건축공학과, 교수

초록


    1. 서론

    모듈러 공법은 공장에서 부재를 제작하고 현장에서 조립하여 구조물을 시공하는 방식으로 공사 기간을 획 기적으로 단축할 수 있으며, 경제적, 환경적인 이점이 있 어 사용이 증가하고 있다1),2) . 최근에는 모듈러 공법을 고층 건물에 적용하기 위하여 일반적으로 모듈러 구조 물에 사용되던 강재 모듈 대신 내진성능이 우수한 프리 캐스트 콘크리트(Precast Concrete, 이하 PC) 모듈을 사용하는 추세이다. PC 모듈의 구조성능은 PC 모듈의 연결부에 영향을 받기 때문에 PC 모듈 간의 연결부 상 세에 대한 연구가 다수 수행되었으며, 이러한 연구들은 수직부재와 수평부재의 일체화 거동을 통한 내진성능 확보에 초점이 맞추어져 있다3),4) .

    Psycharis et al.(2018)은 PC 벽체와 보의 연결방식 에 따른 구조성능을 평가하기 위하여 wall shoe, 강재 및 철근으로 연결된 시험체를 제작하여 반복가력실험을 수행하였으며, 실험 결과 철근 및 wall shoe로 연결한 경우 연성과 강도가 우수하였으나 횡변위가 큰 경우에 는 불리하였다3) . Hwang et al.(2017)은 강연선을 이용 한 포스트텐션 PC 모듈러 보, 기둥 부재를 제작하여 반 복가력실험을 수행하였다. 실험 결과 포스트텐션이 도입 된 PC 부재의 구조성능이 철근 콘크리트(Reinforced Concrete, 이하 RC) 부재와 유사한 것을 확인하였다4) .

    PC 모듈에서 수평 부재 간 연결이 확보되지 않으면 사용성에 문제가 발생하고 수직 부재와 수평 부재 간의 일체화 거동에도 어려움이 발생하게 된다. 따라서 수직, 수평 부재 간 연결뿐만 아니라 수평 부재간 연결방식에 대한 연구가 필수적으로 수행되어야 한다. 교량과 같은 대형 부재의 경우 수평 부재 간의 연결에 대한 선행 연 구들이 있으나5),6) , 장경간인 교량에서 사용되는 PC 부 재의 연결 상세를 모듈러 건축물에 적용하는 것은 적합 하지 않다.

    본 연구에서는 일체성 및 구조성능이 우수하고 시공 이 용이한 수평 부재 간 연결부 상세를 개발하고 이를 적용한 PC 모듈러 보 시스템을 제안하였다. 제안된 시 스템의 구조적 성능을 평가하기 위하여 RC 보 시험체 1 개와 제안된 PC 모듈러 보 시스템이 적용된 시험체 2개 를 제작하여 휨 실험을 수행하였다.

    2. PC 모듈러 보 시스템 상세 제안

    종래의 PC 모듈러 부재는 주로 <Fig. 1>과 같이 모듈 간 전단 저항 성능을 확보하기 위하여 전단키를 사용하 며, 모듈 간 분절된 철근은 스플라이스 슬리브 또는 겹 침 이음으로 연결한다. 이후 에폭시 또는 무수축 모르타 르를 주입하여 모듈을 완전히 연결시킨다.

    본 연구에서는 주로 사용되는 PC 모듈러 부재 대비 연결부 상세가 간단하고 시공이 용이하며 일체성이 우 수한 PC 모듈러 보 시스템을 제안하였다. 제안 시스템 의 상세는 <Fig. 2>와 같다.

    제안된 PC 모듈러 보 시스템은 <Fig. 3>과 같은 I자 형 강재와 U자형 강재를 삽입한 모듈로 구성된다. 전단 저항 성능을 향상시키기 위하여 각 강재의 양단에는 전 단 스터드가 부착되며, 이는 PC 모듈 내부로 삽입된다.

    현장으로 운반된 PC 모듈은 I자형 강재와 U자형 강 재를 연결하고, 철근을 겹침 이음 한 후 두 모듈 사이에 무수축 모르타르를 주입하여 시공된다. I자형 강재는 U 자형 강재에 끼워지고 이후 볼트로 체결되기 때문에 일 체성이 우수하다. 또한, 강재가 위에서 아래로 삽입되는 방식이기 때문에 PC 모듈을 양중한 상태에서도 즉시 작 업이 가능하여 시공이 용이하다. 모듈 사이에 주입되는 무수축 모르타르는 에폭시 접착제에 비해 저렴하고 유 동성이 좋기 때문에 연결부를 빈틈없이 채울 수 있고, 시공 비용을 절약할 수 있다.

    3. 실험 개요

    3.1. 시험체 상세

    본 연구에서는 일체성과 구조성능이 우수한 PC 모듈 러 보의 연결 상세를 제안하였다. 일체화된 부재인 기존 RC 보와 제안 상세가 적용된 PC 모듈러 보의 구조성능 이 유사하다면, 본 연구에서 제안된 PC 모듈러 보 시스 템의 일체화 거동을 보장할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 따라 일체화된 부재인 RC 보 시험체 1개와 PC 모 듈러 보 시험체 2개를 제작하여 휨 실험을 수행하고 구 조성능을 평가하였다. PC 모듈러 보 시험체의 경우 연 결부 길이가 구조성능에 미치는 영향을 분석하기 위하 여 이를 변수로 설정하였다. RC 보 시험체는 MRC(Monolithic Reinforced Concrete), PC 모듈러 부 재에서 연결부 길이가 500mm인 시험체는 PC-1, 1000mm인 시험체는 PC-2로 명명하였다. 시험체 제작 에 사용된 재료의 물성은 국내 재료시험 기준인 KS F 2405(2017)7) , KS L 5105(2017)8) , KS B 0802(2013)9)에 명시된 시험방법으로 측정하였으며, 재료 물성치는 <Table 1>에 나타내었다. 모든 시험체의 치수는 폭 300mm, 높이 350mm, 총 길이 4500mm로 동일하며, 휨 파괴 이전에 전단파괴 되는 것을 방지하기 위하여 지 름 10mm의 스터럽을 150mm 간격으로 배치하였다. 시 험체 상세는 <Fig. 4>와 같다. <Fig. 4>는 시험체의 왼쪽 부분을 나타낸 것으로 모든 시험체는 대칭이다. <Fig. 5>는 PC 모듈러 보의 제작 과정이다. 먼저 공장에서 생산된 PC 모듈러 보를 현장으로 운반하고 U자형 강재 에 I자형 강재를 삽입한 후, 볼트를 체결하고 철근은 겹 침 이음으로 연결한다. 이후 연결부에 무수축 모르타르 를 주입하고 압축 강도 시험을 수행하기 위한 공시체를 제작한다. 공시체의 압축강도 시험결과 무수축 모르타르 의 압축강도가 설계 압축강도인 60MPa에 도달하면 거 푸집을 제거한다.

    3.2 실험 방법

    휨실험을 수행하기 위하여 시험체를 <Fig. 6>과 같이 세팅하였다. 시험체는 양단에서 200mm 떨어진 지점에 서 단순지지 하였고, 중앙부에서 양단으로 300mm 떨어 진 곳에서 2점 가력하였다. 하중은 변위 제어 방식으로 5000KN 용량의 유압식 만능시험기(UTM)를 사용하여 2mm/min의 속도로 재하하였다.

    시험체의 변위를 측정하기 위해서 시험체 중심과 중 심에서 양단으로 300mm 떨어진 지점에 LVDT를 설치 하였다. 시험체의 변형률을 확인하기 위해 시험체 중앙 부에 위치한 콘크리트, 주근, 그리고 PC 모듈에 삽입된 강재에 변형률 게이지를 부착하였다. 게이지 부착 위치 와 LVDT 위치는 <Fig. 7>과 같다.

    4. 실험 결과 및 분석

    4.1. 균열 및 파괴 양상

    휨 실험 결과 관찰된 시험체의 균열양상을 <Fig. 8> 에 나타내었다. RC 부재인 MRC 시험체의 경우 보 중앙 부에서 휨 균열이 발생하였으며 하중이 증가함에 따라 휨 균열이 압축영역으로 진전되며 파괴되었다. 2개의 PC 모듈이 연결된 PC-1, PC-2 시험체에서는 휨 균열 이 진전되다가 연결부에서 균열이 발생하였고, 이후 균 열이 연결부 형상을 따라 압축영역으로 진전되며 파괴 되었다. 이는 연결부 형상을 따라 균열이 진전되는 일반 적인 PC 모듈러 부재의 특성이다10) . 제안된 PC 모듈러 보 시스템이 적용된 시험체는 RC 부재와 초기 균열 양 상이 유사하였으며, 하중이 증가함에 따라 PC 모듈러 보의 파괴 양상을 보였으므로 실제 PC 모듈러 건축물에 서 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

    연결부 길이가 500mm인 PC-1 시험체의 경우 변위 가 23mm이고 하중이 최대하중의 88%에 도달했을 때 균열이 발생하기 시작하였고, 연결부 길이가 1000mm인 PC-2 시험체의 경우 변위가 18mm이고 하중이 최대하 중의 93%에 도달했을 때 균열이 발생하기 시작하였다. 이는 연결부 길이가 길수록 취성적으로 거동하는 것을 의미한다. 그러나 두 시험체의 균열 및 파괴 양상은 유 사하였고, 두 시험체 모두 파괴시까지 PC 모듈 간 연결 이 분리되거나 부분적으로 파괴되지 않았다.

    4.2. 하중-변위 관계

    시험체의 하중-변위 그래프는 <Fig. 9>와 같으며, 실 험 결과를 <Table 2>에 정리하였다. Pmax는 시험체의 최대하중, δ는 최대하중에서의 처짐, M n은 실험 결과 측정된 휨모멘트를 의미한다. MRC 시험체의 최대하중 은 175.65kN이었으며, PC 모듈러 시험체인 PC-1과 PC-2의 최대하중은 각각 155.13kN과 148.9kN으로 MRC 시험체의 88%, 85%이었다. 따라서 본 연구의 제 안 시스템은 RC 부재 대비 70~85%의 성능을 보이는 일반적인 PC 모듈러 부재 대비 동등 이상의 성능을 보 유한 것으로 판단된다11) .

    또한, 제안된 시스템이 ACI 318-19(2019)12) 와 같은 현행 설계기준으로 설계가 가능한지 확인하였다. PC 보 의 휨강도를 일체화된 부재와 동일한 방식으로 산정한 Dolan의 연구를 참고하여 PC 모듈러 보시험체의 휨강 도는 RC 보 시험체와 동일하게 산정하였다13) . ACI 설 계기준에서 제시하는 RC 보의 공칭 모멘트 강도식은 다 음과 같다.

    M n , A C I = A s f y ( d a 2 )
    (1)

    이때, M n,A CI 는 ACI 설계기준에 따른 공칭 모멘트 강도, A s는 인장 철근의 단면적, d는 압축 연단으로부터 인장 철근 중심까지의 거리, a는 등가 장방형 응력블록 의 높이를 의미한다.

    실험 결과 MRC, PC-1, PC-2 시험체의 모멘트는 ACI 기준을 통해 산정된 공칭 모멘트 강도 대비 127%, 112%, 108%임을 확인하였다. 따라서 제안된 PC 모듈러 보의 설계 시 현행 설계기준을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

    4.3. 하중-변형률 관계

    <Fig. 10>에 콘크리트, 철근, PC모듈에 삽입된 강재의 하중에 따른 변형률을 나타내었다. <Fig. 10 (a)>와 같이 MRC 시험체는 콘크리트의 변형률이 극한변형률 0.003 에 도달하였다. PC-1, PC-2 시험체의 변형률 게이지는 손상되었기 때문에 파괴시까지의 거동은 측정되지 않았 지만, 압축영역의 콘크리트가 파괴된 것으로 보아 콘크 리트가 극한변형률에 도달한 것으로 판단된다. 또한, PC-1, PC-2 시험체는 연결부의 모르타르에 하중이 가 해졌기 때문에 실험 초기에는 강성이 저하되는 구간이 있었으나 이후 거동 패턴 및 강성이 MRC 시험체와 유 사하였다. 철근의 경우 <Fig. 10 (b)>와 같이 MRC, PC-1 및 PC-2 모두 항복 변형률 0.002에 도달하였다. 이는 철근이 효과적으로 인장력을 부담한 것을 의미한 다. 따라서 PC 모듈러 부재는 일체화 거동을 한 것으로 판단된다. PC-1, PC-2 시험체의 경우 MRC 시험체에 비해 철근의 변형이 작은 것은 PC 모듈에 삽입된 강재 가 인장력을 부담하기 때문인 것으로 판단된다. PC 모 듈에 삽입된 강재는 인장력을 부담하여 <Fig. 10 (c)>와 같이 최대하중 부근에서 항복 변형률인 0.00138을 초과 하였다. 이는 PC 모듈에 삽입된 강재는 일체화 성능뿐 만 아니라 구조적인 성능도 확보할 수 있음을 보여준다.

    4.4. 변위 연성도 평가

    연성은 휨거동이 지배적인 부재에서 구조성능을 평가 하는 데 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 부재의 연성을 평가하기 위해 Sheikh & Khoury (1997)에서 제시하는 방법을 사용하였으며, 항복변위(Δyield)에 대 한 극한변위(Δmax)의 비율 값인 변위연성도로 평가한 다14) . 항복변위는 최대하중 도달 시의 변위 값, 극한변 위는 최대하중 도달 후 하중이 최대하중의 80%에 도달 하였을 때의 변위 값이다. 시험체의 변위연성도는 <Table 3>에 나타내었으며, <Fig. 11>은 MRC 시험체의 변위연성도를 1로 변환하였을 때의 변위연성도를 비교 한 그래프이다. PC-1, PC-2 시험체는 MRC 시험체 대 비 변위연성도가 각각 1.07배, 1.04배로 연성 능력이 유 사함을 확인하였다. 따라서 PC 모듈 간 일체화 거동을 한 것으로 판단된다. 연결부 길이가 1000mm인 PC-2 시험체는 연결부 길이가 500mm인 PC-1 시험체 대비 변위연성도가 1.02배로, 연성 능력에 대한 연결 길이의 영향은 미미한 것을 확인하였다.

    5. 결론

    본 연구에서는 구조성능 및 시공성이 우수하고 일체 화 거동이 가능한 PC 모듈러 보 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템의 구조적 성능을 평가하기 위해 RC 보 시험체 1개와 모듈 간 연결부 길이가 다른 2개의 PC 모 듈러 보 시험체를 제작하고 휨 실험을 수행하였다. 연구 의 주요 결론은 다음과 같다.

    • 1) MRC 시험체는 보 중앙에서 휨 균열이 발생하고 압축영역으로 진전되며 파괴되었다. 제안된 PC 모듈러 보 시스템인 PC-1, PC-2 시험체는 초기 휨 균열이 발 생한 후, 하중이 증가하면서 균열이 연결부 형상을 따라 압축영역까지 진전되다가 파괴되었다. PC 모듈 간 연결 부 길이가 길수록 취성적으로 거동하는 것을 확인하였 으나, 파괴시까지 PC 모듈 간 분리되지 않아 일체성이 확보된 것으로 판단된다. 또한 제안 시스템은 일반적인 PC 모듈러 부재의 파괴양상을 보였으므로 PC 모듈러 건축물에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

    • 2) PC 모듈러 부재인 PC-1, PC-2 시험체의 최대하 중은 RC 부재인 MRC 시험체의 최대하중 대비 각각 88%, 85%이었다. 이는 제안된 시스템이 일반적인 PC 모듈러 부재 대비 동등 이상의 성능을 보유한다는 것을 보여준다. 또한 PC-1, PC-2 시험체의 공칭 모멘트 강도 는 ACI 318-19 설계기준으로 산정된 공칭 모멘트 강도 대비 각각 112%, 108%이므로 제안된 시스템의 설계 시 현행 설계기준을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

    • 3) 변형률을 분석한 결과, 모든 시험체의 주철근이 항 복한 것을 확인하였다. 이는 PC 모듈러 시험체가 일체 화 거동하여 주철근이 인장력에 효과적으로 저항한 것 을 의미한다. PC 모듈러 보에 삽입된 강재의 변형률은 최대하중 부근에서 항복 변형률을 초과하여 응력이 연 결부를 통해 각 모듈로 효과적으로 분산됨을 확인하였 다.

    • 4) PC-1, PC-2 시험체의 변위연성도는 MRC 시험체 대비 각각 1.07배, 1.04배였다. 따라서 제안한 PC 모듈 러 보 시스템의 시험체는 RC 부재인 MRC 시험체와 연 성능력이 유사하므로 PC 모듈 간 일체성이 우수한 것으 로 판단된다. 연결부 길이가 연성능력에 미치는 영향을 미미함을 확인하였다.

    감사의 글

    본 연구는 교과부 한국연구재단의 지원에 의해 수행된 2021년도 기초연구실사업 (NRF-2019R1A4A1028116) 결과 의 일부입니다.

    Figure

    JKASS-21-3-69_F1.gif

    Front view of typical PC modules

    JKASS-21-3-69_F2.gif

    Scheme of proposed PC modular beam system

    JKASS-21-3-69_F3.gif

    Steel plates

    JKASS-21-3-69_F4.gif

    Details of specimens(mm)

    JKASS-21-3-69_F5.gif

    Construction process of proposed PC modular beam system

    JKASS-21-3-69_F6.gif

    Test setup for flexural test

    JKASS-21-3-69_F7.gif

    Location of gauges and LVDT(mm)

    JKASS-21-3-69_F8.gif

    Crack patterns of specimens

    JKASS-21-3-69_F9.gif

    Load–displacement curves

    JKASS-21-3-69_F10.gif

    Comparison of strain gauges

    JKASS-21-3-69_F11.gif

    Comparison of normalized displacement ductility

    Table

    Details of specimens

    Test results

    Comparison of displacement ductility

    Reference

    1. Innella, F., Arashpour, M., & Bai, Y., “Lean methodologies and techniques for modular construction: Chronological and critical review”, Journal of Construction Engineering and Management, Vol.145, No.12, 2019
    2. Thai, H.T., Ngo, T., & Uy, B., “A review on modular construction for high‐rise buildings”, Structures, Vol.28, pp.1265-1290, 2020
    3. Psycharis, I.N., Kalyviotis, I.M., & Mouzakis, H.P., “Experimental investigation of the response of precast concrete cladding panels with integrated connections under monotonic and cyclic loading”, Engineering Structures, Vol.159, pp.75~88, 2018
    4. Hwang, J.H., Choi, S.H., Lee, D.H., Kim, K.S., & Woo, W.T., “Reversed Cyclic Loading Test of Post-Tensioned Precast Concrete Beam-Column Connections with 2400MPa Prestressing Strands“, Journal of The Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.33, No.12, pp.45~52, 2017
    5. Kuang, Z. & Zheng, G., “Computational and experimental mechanical modelling of a composite grouted splice sleeve connector system”, Materials, Vol.11, No.2, 2018
    6. Kim, M. S., & Lee, Y. H., “Structural behavior of spliced post-tensioned girders with precast box segments”, International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 13, No.1, pp. 1~11, 2019
    7. KS F 2405, Korea Standard, Korean Agency for Technology and Standards, 2017
    8. KS L 5105, Korea Standard, Korean Agency for Technology and Standards, 2017
    9. KS B 0802, Korea Standard, Korean Agency for Technology and Standards, 2013
    10. Kankeri, P., & Prakash, S.S., “Experimental evaluation of bonded overlay and NSM GFRP bar strengthening on flexural behavior of precast prestressed hollow core slabs”, Engineering Structures, Vol.120, pp.49~57, 2016
    11. Breccolotti, M., Gentile, S., Tommasini, M., Materazzi, A.L., BonFigli, M.F., Pasqualini, B., Colone, V., & Gianesini, M., “Beamcolumn joints in continuous RC frames: Comparison between cast‐in‐situ and precast solutions”, Engineering Structures, Vol.127, pp.129~144, 2016
    12. ACI 318‐19, ACI Committee 318, American Concrete Institute, 2019
    13. Dolan, C. W., “Flexural design of prestressed concrete beams using FRP tendons”, Prestressed Concrete Institute Journal, Vol. 46, No.2, pp.76~87, 2001
    14. Sheikh, S.A. & Khoury, S.S, “A performance ‐based approach for the design of confining in tie columns”, ACI Structural Journal, Vol.94, No.4, pp.421~431, 1997