공간확장형 모듈러 건축시스템의 접합부 구조 거동에 관한 해석적 연구

Abstract

본 연구에서 대공간 구현이 가능한 공간확장형 모듈러 건축시스템을 제안하고, 접합부 중심의 구조 해석을 통해 해석모델과 내진성능을 평가하였다. 모듈러 건축시스템은 운송 기준과 법규에 따라 크기가 제한된다. 제한된 형태로 인해 현 수준의 모듈러 건축으로 체육관, 오피스 로비와 같은 대공간이 있어야 하는 용도에 적용하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 대공간을 구성할 수 있는 수준의 공간확장형 모듈러 건축시스템을 제안하고 시스템의 접합부 해석모델 검증과 구조 및 내진성능 평가를 위해 탄성해석, 유한요소해석, 비선형해석을 수행하였다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 공간확장형 모듈러 건축시스템은 대공간 용도에 적합하도록 높이 5m, 길이 10.5m의 모듈 사이즈로 설계되었으며 운송 기준을 맞추면서 운송부피를 확장상태 대비 50% 저감 가능하다.

2. 공간확장형 모듈러 건축시스템을 구성하는 접합부는 모듈의 수직 및 수평 연결 접합인 Inter-module connection과 모듈의 구조적 프레임을 구성하는 Intra-module connection으로 구성된다. 시스템을 구성하는 접합부는 시공성과 모듈의 마감 작업을 고려하여 접합 상세를 고안하였다.

3. 접합부 상세에 따라 Rigid, Semi-Rigid, Pin으로 해석모델을 제안하였다. Semi-Rigid 한 접합부 해석모델은 접합부 갭 오프닝을 고려한 이론식으로 이론적 회전강성 값, 366.6 km·m/rad 을 도출하였다.

4. 탄성 해석으로 공간확장형 모듈러 건축시스템을 적용한 구조물의 부재 및 건축물 설계를 진행하였다. 설계한 건축물은 현행 기준의 사용성에 따라 풍하중에 대한 변위(L/500)와 지진하중에 대한 변위(0.015h)를 검토하였으며 기준을 만족함을 확인하였다.

5. 유한요소해석으로 제안한 접합부의 해석모델을 검증하였으며 응력분포와 변형 형태를 파악하였다. 이론적 회전강성 값과 FEA의 오차율은 2%로 회전강성 값을 검증하였으며, Rigid로 가정한 해석모델 접합부는 일체형 기둥 모델에 63% 가까운 거동을 보여 Rigid 해석모델을 채택하였다.

6. 비선형해석으로 탄성해석 이후의 거동 파악과 구조물의 보유성능을 예측하였다. 접합부 해석모델 차이에 따른 구조물 내력 수준 파악과 공간확장형 시스템을 적용한 건축물의 성능점을 산정하여 내진성능을 검토하였다. 지진하중에 대한 건축물은 탄성단계에서 거동하여 안전한 상태를 나타내므로 추가적인 내진보강이 필요 없는 것으로 평가되었다.