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중고층 모듈러 건축물의 이중보 접합방식에 따른 횡력 저항 성능 및 접합부 거동에 대한 실험적 연구

Experimental Study on the Seismic Performance ofExperimental Study on the Seismic Performance of High-Rise Modular Building Frame with Double Beams

초록/요약

본 연구에서는 중고층 모듈러 건축물의 내진성능을 향상시키기 위해 모듈의 단변 방향 모멘트 프레임을 제안하고, 반복가력 실험을 통해 횡력 저항 성능을 검증하였다. 제안된 프레임에는 단위모듈 적층시 발생하는 이중보(Double beams)를 적절한 간격을 두고 체결하여 합성 작용을 유도한다면 더 큰 횡력에 저항할 수 있는 가정을 기본으로 이중보의 합성효과 아이디어가 포함되어 있으며, 모듈간 접합은 중고층 구조물 시공시 모듈과 모듈의 결합을 효율적으로 할 수 있도록 시공성을 고려하여 개발된 접합부(Block Joint)가 적용되었다. 실험은 크게 3가지 목적을 위해 수행되었다. 첫 번째는 Block Joint를 적용한 모듈러 프레임이 중간모멘트 골조의 성능을 확보하고 있는지를 실험을 통해 검증하기 위함이다. 두 번째는 이중보가 개별 거동하는 실험체와 고력볼트를 이용하여 체결함으로써 합성거동을 유도한 실험체를 통해 이중보의 합성효과에 대해서 비교 분석하기 위함이다. 마지막으로는 Block Joint에 의해 형성되는 패널존의 변형을 살펴보기 위함으로 합성거동 되는 실험체의 접합부 두께를 다르게 제작하여, 총 3개의 실험체로 실험이 진행되었다. 그러나 WCS-12t(합성거동) 실험체에서 이중보의 까다로운 실험셋팅의 문제로 인해 핀칭현상이 발생하여 실험데이터가 객관적이지 못해 강도와 강성을 제외하고는 개별적으로 거동하는 이중보와 성능을 비교 할 수 없었다. 3가지 실험체에 대한 실험결과를 근거로 하여 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다. 1. 중고층형 모듈러 건축물을 위해 현장 시공성을 고려하여 개발된 접합부(Block Joint)를 이용하여 단변방향의 모멘트 프레임 모듈러 시스템을 제안하였다. 2. 제안된 프레임과 접합부로 이뤄진 골조 시스템은 중간모멘트 골조 성능 기준(층간변위각 0.02rad)을 만족함을 검증하였다. 3. 항복강도를 기준으로 Block Joint 접합부로 형성된 패널존에서 측정된 전단변형률(0.02)은 일반 철골 보-기둥 접합부의 패널존 전단변형률(약 0.016~0.003)에 비해 상당히 크며, 이로 인해 발생한 횡변위가 탄성구간에서 전체 하중-변위 관계의 40% 이상의 영향을 차지함을 확인하였다. 4. Block Joint로 이뤄진 패널존에서 측정된 전단변형이 큰 이유는 전단력을 받아 발생하는 전단변형과 고력볼트(1열 배치)에 의해 접합되는 Block Joint에서 발생하는 슬립(미끄러짐)현상이 동시에 작용했기 때문이다. 5. 개발된 Block Joint가 적용된 모듈러 골조 시스템은 변위 연성도가 약 1.65 정도로 일반 철골 보-기둥 접합부(약3~5)에 비해 낮았다. 이는 프레임의 보에 적용된 RBS-B Connection이 충분히 소성변형 능력을 발휘하기 전에 앞서 언급한 Block Joint로 이뤄진 패널존에서(전단변형, 슬립현상으로 인한 변형) 이미 상당한 변형이 발생하여, 항복변위를 증가시킴으로 전체 프레임의 연성 능력을 떨어뜨렸기 때문이다. 6. 이중보(Double beams) 개별 거동 및 합성 거동하는 실험체의 강도 예측식의 경우, 보 단부에 발생하는 RBS-B Connection의 최대소성모멘트를 기준으로 평가하였다. 개별 거동하는 이중보는 실험결과 값이 예측 값보다 높아 강도예측식의 유효함이 검증되었지만, 합성거동을 유도한 보의 경우 예상 값보다 10% 정도 낮았다. 이는 고력볼트에 의한 접합으로는 완전한 합성작용을 발휘하는데 한계가 있음을 나타냈다.

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초록/요약

This research suggested a steel moment resisting frame of the shorter side in module unit for high-rise modular building against seismic load. The frame was assembled with Block Joint, which was invented for connection between Modules in consideration of workability on construction site. The frame was designed based on the idea that it would resist bigger lateral force if double beams, which are formed when Module units are stacked, are clamped by high tension bolt and performed as a composite beam. The experiment was conducted for three purposes. The first was to verify whether a steel moment resisting frame with Block Joint satisfies the criterion of intermediate moment frames. The second was to compare performance between separate double beams and clamped double beams. The last was to examine behavior of panel zone formed by Block Joints. The results of study are summarized as follows: 1. The Steel moment resisting frame of the shorter side in Module unit for high-rise modular building is suggested. It is assembled with Block Joints that is invented in consideration of workability for connection between Module units. 2. It is verified that the steel moment resisting frame with Block Joint satisfied the criterion of intermediate moment frames. 3. The shear deformation at panel zone formed by Block Joints was approximately twice higher than at typical steel structure panel zone. The lateral displacement caused by the shear deformation at panel zone in elastic range accounted for over 40% of the whole lateral displacement of the frame. 4. The shear deformation measured at the panel zone formed by Block Joints is very high value. That is because a shear deformation as well as a sliding behavior between Block Joints occurs at the same time. The reason of sliding behavior is that Block Joints were connected by high tension bolt in just one row because of shortage of space on Block joint. 5. Displacement ductility capacity of the steel moment resisting frame with Block Joint is 1.65 which was lower value than typical steel moment resisting frame. That is because considerable deformation already occurs at panel zone(shear deformation and sliding phenomenon) before plastic hinge is formed on RBS-B connection. This makes yield displacement increase and displacement ductility capacity decrease. 6. For strength, an experimental value of separate double beams was higher than the value from prediction equation on strength, so a validity of the equation is verified. However, an experimental value of clamped double beams was 10% lower when comparing the prediction equation. It means that there is a limit to make double beams work as a composite beam by high tension bolt connection.

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목차

제 1장 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 2

제 2장 이론적 배경 4
2.1 단위모듈 단변 방향 모멘트 프레임 & 이중보 기본개념 및 형태 4
2.2 접합방식에 따른 모듈러 프레임 내력 6
2.3 중고층화 빌딩의 구조전략 8
(1) Strong column-Weak beam(AISC) 8
(2) Reduced Beam Section Connections(AISC) 10
2.4 접합부의 기본적인 구조 거동 및 전단변형률 12

제 3장 실험적 연구 15
3.1 실험체 선정 과정 및 일반사항 15
3.2 실험체 19
(1) 실험체 설계 및 제작 19
(2) 재료의 강도 23
(3) 실험체 셋팅 24
3.3 실험방법 및 측정 26

제 4장 실험 결과 예측 30
4.1 WSS-12t 실험체 항복 강도 및 변위 예상 30
4.2 WCS-12/8t 실험체 항복 강도 및 변위 예상 32

제 5장 실험결과 및 분석 33
5.1 실험체의 거동과 파괴형상 34
(1) WSS-12t 34
(2) WCS-12t 37
(3) WCS-8t 41
5.2 실험결과 분석 44
(1) 이중보(Double beams) 강도 비교 분석 44
(2) 이중보(Double beams) 강성 비교 분석 47
(3) Block Joint로 형성된 Panel Zone의 거동 및 변형 요인 분석 49

제 6장 강도 예측식 검증 60

제 7장 결론 63

제 8장 연구의 한계 및 추후연구방향 65

제 9장 참고 문헌 66

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