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모듈단위 포스트텐션 접합부를 갖는 모듈러 건축물의 내진성능 평가

Seismic Performance Evaluation of Modular Buildings with Post-Tension Connection in Unit Module,

정담이 (Dam-I Jung, 아주대학교 일반대학원)

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초록/요약moremore
모듈러 건축의 시공단계에서는 현장으로 운송된 모듈러 유닛을 설치하고 모듈러 유닛 간 접합을 수행한다. 모듈러 공법에 보편화 또는 표준화된 접합 시스템은 미비한 상태이며, 프리팹 공법, 철골 구조 공법 등과 같이 기존의 접합에 적용되는 볼트 접합을 수행하기 위해서는 접합공간 확보를 위해 접합부위의 마감을 일부 완료할 수 없다는 단점이 있다. 국내의 건설관련 정책으로 인해 최근 크게 주목 받고 있는 “재사용“ 이점은 접합부와 마감 간 간섭으로 인해 활용도가 제한될 수 있다. 본 연구에서는 접합부의 시공성과 구조성능, 마감과의 간섭 등을...
모듈러 건축의 시공단계에서는 현장으로 운송된 모듈러 유닛을 설치하고 모듈러 유닛 간 접합을 수행한다. 모듈러 공법에 보편화 또는 표준화된 접합 시스템은 미비한 상태이며, 프리팹 공법, 철골 구조 공법 등과 같이 기존의 접합에 적용되는 볼트 접합을 수행하기 위해서는 접합공간 확보를 위해 접합부위의 마감을 일부 완료할 수 없다는 단점이 있다. 국내의 건설관련 정책으로 인해 최근 크게 주목 받고 있는 “재사용“ 이점은 접합부와 마감 간 간섭으로 인해 활용도가 제한될 수 있다. 본 연구에서는 접합부의 시공성과 구조성능, 마감과의 간섭 등을 고려한 새로운 모듈러 접합 시스템을 제안하였으며, 이는 필요에 따라 포스트텐션을 적용할 수 있고 마감과의 간섭이 없는 모듈러 유닛 간 접합 시스템이다. 본 연구에서는 새롭게 제안한 포스트텐션 접합 시스템에 대해 포스트텐션 크기와 횡력, 접합부 거동의 관계를 이론적으로 규명하고 제안한 접합 시스템의 접합부 거동 및 내진성능을 평가하였다. 제안한 접합 시스템은 포스트텐션의 크기에 따라 모듈 간 접합부의 거동이 달라질 수 있으므로 횡력과 포스트텐션, 갭오프닝 사이의 관계를 이론적으로 규명하였다. 모든 층 동시 긴장과 모듈 단위 긴장의 거동 차이를 분석하였으며, 갭오프닝의 발생 시점을 조절할 수 있는 포스트텐션 도입량 산정식을 제안하였다. 기존 시스템과 달리 제안한 접합 시스템은 상부 모듈 적층에 따라 하부 모듈의 포스트텐션이 감소할 수 있으며, 이를 고려하여 목표 횡하중에서의 포스트텐션 최소 요구량을 계산할 수 있도록 하였다. 또한, 포스트텐션 접합을 적용한 모듈러의 보-기둥 접합부의 거동을 이론적으로 규명하고, 접합부 특성에 따라 횡강성 예측식을 제안하였다. 모듈단위 포스트텐션 접합 시스템을 포함한 보-기둥 접합부의 내진성능을 평가하기 위해 횡력저항 성능 실험을 수행하였으며, 포스트텐션 크기를 변수로 2개의 실험체에 대해 반복가력 실험을 수행하였다. 실험결과 두 실험체 모두 층간변위비 2%에서 소성모멘트의 80% 대비 약 1.5배 이상의 성능을 유지하였으며, 보의 좌굴로 하중이 급감하여 실험을 종료하였다. 보 내부에 소성힌지를 유도하기 위해 보 플랜지를 덧판으로 보강하였으며, 보와 기둥 용접부의 취성파괴를 방지하는 효과를 확인하였다. 실험체는 천장보와 바닥보에 소성힌지가 발생하여 안정적인 거동을 보였고, 보의 소성변형이 전체 소성회전능력의 80% 이상을 차지하였다. 본 연구에서는 포스트텐션 접합 시스템에 대한 실무에서의 활용을 목적으로 접합 시스템별 구조설계 예제를 제안하였다. 본 연구에서 제안한 포스트텐션 산정식을 통해 기둥에 요구 포스트텐션을 적용할 경우 강접합과 유사한 거동을 확보할 수 있으며, 해석모델에서 모듈 간 접합부는 강접합으로 가정할 수 있다. 요구 포스트텐션량보다 적은 포스트텐션을 도입할 경우, 강봉(긴장재)의 신장을 고려할 수 있는 해석모델을 적용할 필요가 있다. 또한, 포스트텐션 접합부를 갖는 모듈러 건축물의 경우, 1차 설계단계에서 적용하고자하는 포스트텐션의 크기를 고려하여 기둥 규격을 여유있게 가정해야 한다.
초록/요약moremore
The construction stage of a modular structure involves installing the modular units transported to the site and connecting them. However, no generalized and standardized connection system designed for a modular construction method exists. Applying bolt connections to past connections, such as in pr...
The construction stage of a modular structure involves installing the modular units transported to the site and connecting them. However, no generalized and standardized connection system designed for a modular construction method exists. Applying bolt connections to past connections, such as in prefabricated construction, and employing steel structure methods have the disadvantage that it is not possible to complete a finish to secure sufficient space for connecting. The advantage of reusability, which has recently been gaining significant attention because of construction-related policies in Korea , may be limited in practice owing to interference between connections and finishes. In this study, a modular connection system considering the connection’s constructability, structural performance, and interference with the finish was developed. This modular unit-to-unit connection system enables post-tension to be applied as needed and does not interfere with finishes. The post-tension amount, lateral force, and connection behavior relationship were investigated theoretically, and then the connection behavior and seismic performance of the proposed connection system were evaluated. The lateral force, post-tension, and gap opening relationships were theoretically investigated because the module connection behavior of the proposed connection system can be changed according to the post-tension amount. The behavioral differences between the simultaneous tension on all layers and the module-level tension were analyzed. A formula for calculating the amount of post-tension introduction that controls the gap opening timing was derived. In the proposed connection system, unlike previous systems, the post-tension of the lower module may be reduced according to the stacking of the upper module. Considering this, the minimum post-tension required at the target lateral load can be calculated. Furthermore, the behavior of the modular beam–column connection to which the post-tension connection is applied was theoretically investigated, and a lateral stiffness prediction equation was obtained according to the connection characteristics. The lateral force resistance performance was tested to evaluate the seismic performance of the beam–column connection, including the modular post-tension connection system. A repeated loading test was performed on two specimens with the amount of post-tension as a variable. Both specimens maintained a performance of approximately 1.5 times or more compared with 80% of the plastic moment at a 2% interstory ratio , and the load decreased sharply owing to the buckling of the beam, which terminated the test. The beam flange was reinforced with an extra plate to induce a plastic hinge inside the beam, which prevented brittle fractures in the beam and column welds. The specimen showed stable behavior with plastic hinges on the ceiling and floor beams. The plastic deformation of the beams accounted for more than 80% of the total plastic rotation capacity. A structural design example was used for each connection system for practical application of the post-tension connection system. A behavior similar to that of a rigid connection can be obtained when the required post-tension is applied to a column through the proposed post-tension formula. The analysis model assumes that the connections between modules are rigid. It is necessary to apply an analysis model that can consider the elongation of a steel bar (tension member) when introducing a post-tension that is less than the required amount. Moreover, in a modular building with post-tension connections, a column size should be assumed with a wide margin to consider the post-tension amount applied in the first design stage.
목차moremore
제1장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 방법 및 범위 5
...
제1장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 방법 및 범위 5
제2장 이론적 고찰 8
2.1 모듈러 공법의 정의 및 분류 8
2.2 모듈러 건축 접합 시스템의 정의 및 분류 15
2.3 모듈러 건축 접합 시스템의 선행 연구 고찰 22
2.4 소결 40
제3장 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템 제안 42
3.1 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템 소개 42
3.2 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템의 개념 설계 절차 50
3.3 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템의 접합 부재 설계 82
3.4 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템의 토크계수 제안 97
3.5 소결 109
제4장 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템의 내진성능에 관한 실험적 연구 110
4.1 실험 개요 110
4.2. 실험체 설계 110
4.3. 실험 방법 및 장치 122
4.4. 재료 인장 시험 124
4.5. 실험 결과 127
4.6. 예측식 검증 145
4.7. 소결 150
제5장 모듈 단위 포스트텐션 접합 시스템의 구조 설계 예제 153
5.1 볼트 접합 시스템 153
5.2 용접 접합 시스템 165
5.3 모듈단위 포스트텐션 접합 시스템 171
5.4 해석 결과 비교 187
5.5 소결 190
제6장 결 론 192
참고 문헌 195
Abstract 200