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포스트텐션 적용 CFT 기둥을 갖는 합성 모듈러 접합부 내진성능 평가

Seismic Performance Evaluation of Composite Modular Building Connections with Post-Tensioned CFT Columns

  • 최웅일 (CHOI WOONG IL, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

최근 건설 산업의 공업화 및 표준화 추세에 따라 모듈러 건축의 적용 범위가 주거 시설로 확대되고 건물 규모도 20층 이상의 고층 건축물로 변화하는 추세가 뚜렷하게 나타나고 있다. 그러나 모듈러 건축의 고층화는 하부 층 기둥 부재의 축력 증가와 기둥 단면 확대로 인한 사용 공간 감소 문제를 야기하며, 이를 해결하기 위해서는 단위 단면적당 높은 축압 내력과 단면 효율을 동시에 확보할 수 있는 콘크리트 충전 강관（CFT） 기둥의 도입이 필요하다. 본 연구는 CFT 기둥과 H형강 보로 구성된 합성 모듈러 관통형 접합 시스템을 제안하고, 반복가력 실험과 비선형 정적 해석을 통해 합성중간모멘트골조 수준의 내진성능 확보 가능성을 검증하는 것을 목적으로 한다. 연구 방법으로는 25층 규모의 모듈러 건축물을 대상으로 Midas Gen을 이용한 구조해석을 수행하여 KDS 14 31 80에 따라 CFT 기둥, H형강 보, 내부 다이어프램, 보-기둥 접합부 보강 상세를 설계하였다. 강관 절개 없이 내부 다이어프램을 선시공한 후 기둥 외면에 보강판을 추가 용접하는 방식과 CFT 기둥 내부에 고장력 강봉을 관통시켜 상·하부 모듈에 압축력을 도입하는 포스트텐션 적용 관통형 접합 방식을 결합하여 합성 모듈러 접합 시스템을 구성하였다. 또한 실험체의 지지 조건을 반영한 별도의 포스트텐션 산정식을 도출하여 갭오프닝 방지 및 슬립 방지 요구 포스트텐션을 산정하였다. EX-CSM-1과 EX-CSM-2의 단방향 외부 접합부 형식 부분 골조 실험체 2개에 대해 KDS 14 31 60에서 규정하는 가력절차에 따라 반복가력 실험을 수행하였다. 실험 결과, 두 실험체 모두 바닥보 항복 → 천장보 항복 → 용접부 파단의 순서로 안정적인 소성 거동을 보였으며, 기둥은 실험 종료 시까지 탄성 범위 내에서 거동하였다. 두 실험체 모두 0.03rad의 총 층간변위각에서 0.8이상의 접합부 모멘트 강도를 유지하여 KDS14 31 85 합성중간모멘트골조 기준을 만족함을 확인하였다. EN 1993-1-8 분류 체계에서 두 실험체 모두 반강접·전강도 접합부로 분류되었다. 갭오프닝은 1 mm 미만으로 유지되었고 슬립 현상은 관찰되지 않아 본 연구에서 제안된 포스트텐션 산정 방법이 갭오프닝 및 슬립 방지에 충분히 유효함을 실험적으로 검증하였다. Midas Gen을 이용한 비선형 정적 해석을 통해 합성 모듈러 관통형 접합부의 해석 모델을 개발하고 실험 결과와 비교 검증하였다. 접합부에 Elastic Link 및 Comp.only Link를 적용하여 갭오프닝 거동을 모사하였으며, FEMA 356의 성능 기반 이력곡선을 적용한 소성힌지 특성을 입력하였다. 해석 결과, 초기 강성은 실험 결과의 91~94% 수준으로 매우 유사하게 재현되었으며 전반적인 하중-층간변위 거동도 실험과 유사하게 나타나, 제안된 해석 모델이 합성 모듈러 관통형 접합 시스템의 구조적 거동을 합리적으로 재현하는 것을 확인하였다. 본 연구는 CFT 기둥과 H형강 보를 결합한 합성 모듈러 접합 시스템의 통합 설계 절차를 제시하고, 실험과 해석을 통해 그 내진성능을 입증함으로써 고층 모듈러 건축물의 구조 설계를 위한 기초 자료를 제공하는 데 의의가 있다.

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목차

제 1장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 방법 및 범위 3
1.2.1 연구의 방법 3
1.2.2 연구 범위 3
제 2장 이론적 고찰 5
2.1 모듈러 건축 공법의 분류 및 특성 5
2.2 모듈러 건축의 접합 시스템 분류 8
2.2.1 접합 시스템의 분류 체계 및 부재간 접합 방식 8
2.2.2 접합 방법 및 시공 위치에 따른 분류 10
2.3 충전형 합성 기둥의 구조적 특성 13
2.3.1 강 구조와 콘크리트 구조의 특성 비교 13
2.3.2 충전형 합성 기둥의 구조적 특성 14
2.3.3 충전형 합성 기둥 - 보 접합부의 보강 방식 14
2.4 충전형 합성 기둥의 선행 연구 고찰 17
제 3장 합성 모듈러 시스템 설계 20
3.1 합성 모듈러 부재 설계 20
3.1.1 25층 모듈러 건축물 구조해석 20
3.1.2 충전형 합성 기둥 단면 설계 24
3.1.3 H형강 보 단면 설계 29
3.1.4 최종 부재 설계 31
3.2 합성 모듈러 접합부 설계 34
3.2.1 내부 다이어프램 설계 34
3.2.2 보-기둥 접합부 설계 36
3.3 포스트텐션 적용 관통형 접합 시스템 설계 42
3.3.1 포스트텐션 적용 관통형 접합 기술의 개요 42
3.3.2 관통형 접합부 포스트텐션 메커니즘 및 파괴모드 47
3.3.3 관통형 접합부 갭오프닝 방지 요구 포스트텐션 50
3.3.4 관통형 접합부 슬립 방지 요구 포스트텐션 60
3.3.5 관통형 접합부 최종 요구 포스트텐션 64
3.4 소결 67
제 4장 합성 모듈러 관통형 접합 시스템 내진성능 실험 69
4.1 실험 개요 69
4.1.1 실험체 선정 및 구성 69
4.1.2 실험체 상세 71
4.2 실험체 기반 요구 포스트텐션 결정 75
4.3 실험 방법 및 장치 85
4.4 실험 결과 89
4.4.1 재료 시험 89
4.4.2 반복가력 실험 결과 92
4.5 소결 115
제 5장 합성 모듈러 관통형 접합 시스템 구조해석 모델 개발 118
5.1 해석 개요 118
5.2 해석 모델 118
5.3 해석 모델 검증 122
5.4 소결 125
제 6장 결론 126
참 고 문 헌 129

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