포스트 텐션 접합 방식을 적용한 모듈러 건축물의 접합부 변형 거동에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 모듈러 건축물의 접합에 사용되는 고력볼트 접합의 문제점을 해결하기 위해 포스트 텐션 접합 방식을 적용하고, 반복가력 실험을 통해 횡력저항 성능을 검증하였다. 제안된 프레임은 단방향 횡하중에 저항하기 위해 브레이스를 부분적으로 도입하여 브레이스의 형태 및 유무를 변수로 갖는다. 실험은 크게 4가지 목적을 위해 수행되었다. 첫 번째는 포스트 텐션 접합 방식이 횡력 저항성능에 영향을 미치는 정도를 실험을 통해 검증하고 이론을 통해 포스트 텐션 접합방식의 유효성을 검증하기 위함이다. 두 번째는 케이블의 긴장력으로 상부 및 하부 모듈이 고정되는 포스트 텐션 접합은 고력볼트와 같은 고정접합이 아닌 유동적인 접합의 성격을 가지므로 보-기둥 접합부의 전단변형 성능을 이론적, 실험적으로 고찰하고 전단변형에 의한 횡변위가 단방향 프레임의 전체 횡변위에 미치는 영향을 조사하기 위함이다. 세 번째는 포스트 텐션이 적용되는 케이블은 재료적 특성 상 길이방향으로 탄성 거동을 하므로, 포스트 텐션과 구조체의 강성 사이 관계를 조사하여 내부 접합부의 거동 및 변형 양상을 파악하고자 한다. 이후 기초자료를 제공하는 것에 목적이 있다. 이에 따라 실험체의 브레이스 형태 및 유무를 달리하여 실험을 수행하였으며, 구조체의 강성에 따라 내부 접합부의 변형이 받는 영향을 조사하였다. 네 번째는 포스트 텐션 접합 방식이 적용된 모듈러 건축물의 단방향 내부 접합부에 대한 해석 모델을 제안하고자 함이다. 이를 위하여 브레이스의 형태 및 개수를 변수로 갖는 3개의 실험체를 대상으로 구조 실험을 수행하였으며, 실험 결과 및 이론적 고찰을 통한 본 연구의 결론은 다음과 같다.

1. 모듈러 건축물의 현장 시공성을 고려하여 기존에 제안된 포스트 텐션 접합방식을 적용한 단변방향 프레임의 횡력저항 성능 평가를 위한 실험을 수행하였다. 2. 항복강도를 기준으로 모듈러 복합 패널존에서 측정된 전단변형률(평균 0.02)은 일반 철골 보-기둥 접합부의 패널존 전단변형률(약 0.016~0.003)에 비해 약 1.25~6.5배 크며, 이로 인해 발생한 횡변위가 탄성구간에서 전체 하중-변위 관계의 20% 이내의 영향을 차지함을 확인하였다.

3. 실험 결과, 브레이스가 있는 프레임의 복합 패널존에서 측정된 전단변형이 브레이스가 없는 프레임 보다 크다. 그러나 값이 차이가 근소하였으며 그 이유는 좌우 모듈을 연결하기 위해 도입한 연결플레이트가 독립적 거동을 하지 않고 횡하중이 커짐에 따라 변형하면서 상부 기둥의 변형에 영향을 미쳤으며, 긴장력이 작용하는 케이블의 고정구의 체결 불량 등으로 판단된다.

4. 제안한 3개의 프레임 중 브레이스가 없는 프레임의 연성도는 약 1.04로 용접부가 파단하고 일반 철골 보-기둥 접합부(3~5)보다 낮았다. 이는 포스트 텐션으로 인해 기둥에 작용하던 축력으로 인해 전단변형이 크게 발생하는 것과 반대로 보에도 큰 휨 변형이 발생하였기 때문이다. 이를 보완하기 위해 용접부를 보강하거나 부재의 단면을 감소시킬 필요가 있다. 5. 강도 예측식은 브레이스가 없는 프레임의 실험결과와 거의 일치하였다. 그러나 실험결과보다 최대 약 4배 정도 낮은 값으로 나타났으며, 이는 초기 선형적 거동에서 기둥 사이 간격이 생기거나 부재가 항복하는 등 비선형으로 거동했기 때문으로 판단된다.

6. 본 연구에서 제안한 개선된 해석 모델은 항복 하중, 최대 하중 및 초기 강성에서 실험 결과 대비 최대 2.5배 큰 결과로 나타났다. 그러나 실험 중 셋팅이 이동한 실험체를 제외하면 평균 5%의 오차를 가지므로 상세한 해석이 가능하다.