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경미 태
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1 TS 합성보와다양한기둥구조시스템을적용한합성보 - 기둥접합부의내진성능 Seismic Resistance of TS omposite eam to olumns onnections 김성배 (Sung ae KIM), ( 주 ) 센구조연구소소장, sbkim@senkuzo.com 박홍근 (Hong Gun PRK), 서울대학교건축학과교수 이철호 (heol Ho L), 김상섭 (Sang Seup KIM), 서울대학교건축학과교수 한국기술교육대학교건축공학과교수 이창남 (hang-nam L), ( 주 ) 센구조연구소대표이사 1. 서론최근 2 3 년사이일본과뉴질랜드, 칠레, 파키스탄, 아이티, 중국등에서큰지진이잇달아발생하였다. 지진으로인한인명피해와가옥, 각종시설물피해등은선진국, 후진국을가리지않으며최근일본지진은그피해규모를정확하게산정할수도없는상황이다. 이렇게국제적으로지진피해가증가할수록국내건축구조물에대한내진안전성과지진피해방지에대해서도관심이고조되고있는바, 본기사에는합성구조의내진성능확인과함께 TS 합성보와각종기둥구조시스템을적용한연구결과를중심으로합성보의내진성능평가를정리하였다. 2. 건축구조기준및진행과정 TS 합성보와이를이용한기둥보접합부의성능검증은건축구조기준및해설 (K 2009) 에기초한다. 개정된건축구조기준에의하면특수모멘트골조와중간모멘트골조의접합부는인증접합부를사용하거나, 인증접합부와상이한경우실험적근거에의한인증을요구하고있다. 그러므로 2% (0.02rad) 이상의층간변위를구조설계에적용하기위해서는접합부성능인증시험절차에의해얻어진실험결과를제시하여성능을입증하여야한다. 성능입증의근거는최소 2개의반복 가력실험을통해얻어진결과로제시하며, 연구논문또는신뢰할만한연구보고서의실험결과를이용할수있다. 이러한기준에의거, TS 합성보를다양한구조시스템의기둥과조합적용하기위해각접합부상세에대한성능검증을실시하였다. TS 합성보를이용한기둥보접합부연구는 2004년한국기술교육대학교김상섭교수와 1차공동연구를수행하였고, 2009년 11월부터서울대학교공학연구소 ( 박홍근교수, 이철호교수 ) 공동으로진행되었으며, 2010년중소기업청의산학연공동기술개발사업의지원등을받았다. 3 철근콘크리트기둥 ( 철근선조립기둥 )+TS 합성보 3.1 기둥형상철근콘크리트기둥과 TS 합성보의조합은철근콘크리트기둥과철골보를조합하여적용한구조시스템 (RS 구조 ) 이다. RS(Reinforced oncrete olumns and Steel eams) 구조는미국과일본에서활발하게연구가진행된것으로중저층건축물의내진성능확보를위한상세로개발되었으며, 이미국내에서도그림 1과같은접합부상세가개발되어건축물에적용중이다. 철근콘크리트기둥에철골보를설치하기위해서기둥은그림 2와같이공장제작후철골보브라켓을설치한후현장에서보 30 한국강구조학회지 2011 년 4 월

를이음하거나, 기둥을프리캐스트콘크리트로제작후현장설치한다. 그렇지않은경우한개층의기둥을제작 설치및콘크리트타설후보를관통형으로설치하는방법등이적용된다. 국내에서적용된공법은주로세번째방법이다. 철골보설치는건식공법이긴하지만기둥콘크리트를슬래브와함께타설하지않으면공정이지연될수있다.

이에본연구에서는철근콘크리트기둥이콘크리트타설전에도시공하중을분담할수있는방안을제시한다. 본방안의요점은철근콘크리트기둥의주근이시공하중을지탱하도록주근과띠철근을공장에서미리용접조립한다는데있다. 국내에서는철근용접이일반화되지않았으나미국용접협회 (WS 1.4) 에는철근용접에대한관리기준이제시되어있다.

반면연신율은용접용철근을사용하지않으면관리규격이미달하는경우가발생한다. 그림 4는철근선조립기둥의형상과현장설치적용예이다. 이고, 그림 8은동일실험체의실험종료후파괴양상이다.

2 접합부상세및실험결과그림 5는철근콘크리트기둥 ( 철근선조립기둥 ) 과 TS 보를조합한기둥보접합부상세이다. 기둥은 800 800(mm) 이고, 보는 450 270 6(mm), 550 270 8(mm) 두종류이다.

2 를이음하거나, 기둥을프리캐스트콘크리트로제작후현장설치한다. 그렇지않은경우한개층의기둥을제작 설치및콘크리트타설후보를관통형으로설치하는방법등이적용된다. 국내에서적용된공법은주로세번째방법이다. 철골보설치는건식공법이긴하지만기둥콘크리트를슬래브와함께타설하지않으면공정이지연될수있다. 또한보설치후슬래브공사를시행하는과정에서보와기둥이시공하중을지지해야하는데, 기둥이양생되기전에는보하부에별도의서포트를설치하여야한다. 그렇지않으면기둥을선타설하거나프리캐스트콘크리트기둥을사용해야한다. 프리캐스트콘크리트기둥은양중및운반이용이하지않다. 이에본연구에서는철근콘크리트기둥이콘크리트타설전에도시공하중을분담할수있는방안을제시한다. 본방안의요점은철근콘크리트기둥의주근이시공하중을지탱하도록주근과띠철근을공장에서미리용접조립한다는데있다. 국내에서는철근용접이일반화되지않았으나미국용접협회 (WS 1.4) 에는철근용접에대한관리기준이제시되어있다. 본연구에서는상기관리기준 ( 탄소당량과예열온도관계 ) 에적합하도록고강도의용접용철근을사용하였으며, 고강도용접용철근 (S 500W) 의용접부성능을그림 3과같이사전검토하였다. 그림 3에서보면철근에용접을하는경우항복강도와인장강도로대표되는강도특성은큰영향을받지않는다. 반면연신율은용접용철근을사용하지않으면관리규격이미달하는경우가발생한다. 그림 4는철근선조립기둥의형상과현장설치적용예이다. 이고, 그림 8은동일실험체의실험종료후파괴양상이다. 실험결과철근콘크리트기둥과 TS 보를적용한기둥보접합부는 4% 의층간변위각과 4% 의층간변위각에서보소성모멘트의 80% 이상을확보하였다. (a) over plate 형 (b) 고리후프형그림 1. RS 구조개발접합부예그림 2. 기둥설치방법의예 3.2 접합부상세및실험결과그림 5는철근콘크리트기둥 ( 철근선조립기둥 ) 과 TS 보를조합한기둥보접합부상세이다. 기둥은 (mm) 이고, 보는 (mm), (mm) 두종류이다. 기둥지점간높이는 2,500mm 이고보전체길이는 6,760mm ( 기둥포함 ), 슬래브폭은 1,690mm 의내부기둥십자형실험체이다. 실험은현대기술연구소에서수행되었으며, 가력방법은그림 6과같다. 철근선조립기둥 ( 일명 PR 기둥, Pre- abricated Reinforced oncrete olumn) 과 TS 보접합은보관통형타입이며, 관통보가브라켓이되고브라켓에 TS 보를이음하였다. 기둥에접합되는보하부는대각방향으로철근을보강하여콘크리트지압파괴를방지하였다. 그림 7은보춤이 550mm 인경우의하중층간변위각관계 그림 3. 용접량과강도 ( 좌 ) 및연신율 ( 우 ) 관계 그림 4. 철근선조립기둥제작및설치전경 KSS pr

20 32 13@150 2500 mm 2980 mm 16@150 스터드 상부철근 4 25 교차보 450mm 춤 TS TS 보 TS 브라켓 TS 와기둥철근용접접합부 4 16 ( 상부대각철근 ) 4 22 ( 하부대각철근 ) 횡지지 10 25 10@200 스터드 평면 1690 mm 6760 mm 20 32 800 13@150 단면 800 교차보 TS 보

3 mm 2980 mm 스터드 상부철근 4 25 교차보 450mm 춤 TS TS 보 TS 브라켓 TS 와기둥철근용접접합부 4 16 ( 상부대각철근 ) 4 22 ( 하부대각철근 ) 횡지지 @200 스터드 평면 1690 mm 6760 mm @150 단면 800 교차보 TS 보 10@ 슬래브철근 6 10 단면 플랜지철근 4 25 각보의스터드개수 = 58 6mm 두께 U 형강재보 메탈데크 스터드 그림 5. 접합부상세 그림 6. 가력방법 그림 7. 하중 - 층간변위각관계 그림 8. 실험종료후파괴양상 32 한국강구조학회지 2011 년 4 월

4. 프리캐스트콘크리트기둥 ( 중공원심성형기둥 ) +TS 합성보 4.1 기둥형상 철근콘크리트기둥과철골보접합은 RS 구조시스템의일종으로전장에서설명하였다.

이를해결하기위한대안으로 PH 파일 (High Strength Pre-Stressed oncrete Pile) 제작과정을활용한원심성형기둥을개발하여적용하였다.

원심성형기둥은 PH 파일과기본적으로동일한공정으로제조하되내부에강선대신긴장작업을생략한고강도대구경철근을적용하여큰압축력과휨모멘트에저항하도록하였다. 그림 9는원심성형기둥의생산과정이다.

PH 파일자체를기둥으로활용하기위해검토한결과 PH 파일에부착한밴드플레이트와콘크리트의부착강도는밴드플레이트두께에따라증가하였으며, 내부에철근으로전단키를삽입하는경우부착강도는허용부착응력에비해평균약 10배증대되었다.

또한당해실험의경우고강도콘크리트구현이어려우므로원형기둥내부에도콘크리트를타설하였으며, 이러한접합상세적용은특수모멘트골조의보기둥접합부모멘트비를반영하였기때문이다. 실험결과는그림 13과같고, 그림 14는접합부의파괴양상이다.

4 4. 프리캐스트콘크리트기둥 ( 중공원심성형기둥 ) +TS 합성보 4.1 기둥형상 철근콘크리트기둥과철골보접합은 RS 구조시스템의일종으로전장에서설명하였다. 동일하게철근콘크리트기둥을프리캐스트로공장제작하여여기에브라켓타입의보를설치후현장설치하는방법의또다른예를검토하였다. 프리캐스트콘크리트구조는공장제작에의한품질확보와생산성증대등의장점이있지만매우무겁기때문에운반 설치에어려움이있다. 이를해결하기위한대안으로 PH 파일 (High Strength Pre-Stressed oncrete Pile) 제작과정을활용한원심성형기둥을개발하여적용하였다. PH 파일은내부에강선을삽입하여긴장후 40G 이상의높은회전력으로원심성형하고, 증기양생으로고강도콘크리트 (80MPa 이상 ) 구현과생산출하일정이단축된다. 원심성형기둥은 PH 파일과기본적으로동일한공정으로제조하되내부에강선대신긴장작업을생략한고강도대구경철근을적용하여큰압축력과휨모멘트에저항하도록하였다. 그림 9는원심성형기둥의생산과정이다. 원심성형기둥에철골보를접합하기위해서는기둥외부에철골보설치를위한밴드플레이트부착이필수적이다. 이를위해밴드플레이트와콘크리트의부착강도확인및부착력증대방안에대해검토하였다. 그림 10은밴드플레이트와 PH 기둥의부착강도실험을위한실험체형상과실험결과이다. PH 파일자체를기둥으로활용하기위해검토한결과 PH 파일에부착한밴드플레이트와콘크리트의부착강도는밴드플레이트두께에따라증가하였으며, 내부에철근으로전단키를삽입하는경우부착강도는허용부착응력에비해평균약 10배증대되었다. 그러므로밴드플레이트두께를일정한수준으로확보한다면보에작용하는전단력은밴드플레이트의부착강도로충분히저항하는것으로확인되었다. 12mm 이고, 외다이아프램은 6mm 의강판을적용하였으며, 상부철근연속을위해내부에 12mm 의강판을추가하였다. 또한당해실험의경우고강도콘크리트구현이어려우므로원형기둥내부에도콘크리트를타설하였으며, 이러한접합상세적용은특수모멘트골조의보기둥접합부모멘트비를반영하였기때문이다. 실험결과는그림 13과같고, 그림 14는접합부의파괴양상이다. 실험결과원심성형기둥과 TS 보접합부는 4% 이상의층간변위각을확보하는것으로확인되었으며, 원심성형기둥외부에설치된강관과외다이아프램강판등의상호작용에의해보에발생되는모멘트를충분히전달하는것으로평가되었다. (a) 철근망제작 (b) 콘크리트투입 (c) 원심성형 (d) 증기양생그림 9. 원심성형기둥제작과정 4.2 접합부상세및실험결과 원심성형콘크리트기둥 ( 일명 R 기둥, entrifugal Reinforcement oncrete olumn) 과 TS 보접합부를반영한기둥보접합부실험을수행하였다. 기둥보접합부상세는그림 12와같으며, 가력방법은그림 6과동일하다. 본실험의경우기둥직경은 800mm 이고기둥에배근된철근은 을사용하였다. 기둥보접합부는기둥외부에설치된강관은 그림 10. 원심성형기둥과접합부예 KSS pr

5 그림 11. 실험체형상및실험결과 ( 밴드플레이트두께와최대하중 ) 강관 Ø 교차보 외다이어프램 강판 내부채움콘크리트 6 강판 6 하부강판 9 6 강판 강관 Ø 커플러 강판 6 하부강판 9 강판 내부채움콘크리트 접합부평면 단면 단면 그림 12. 기둥보접합부상세 4% 층간변위각에서슬래브철근좌굴 웨브와외다이어프램접합부파단 기둥콘크리트압괴 하부플랜지좌굴 TS 보웨브좌굴 그림 13. 실험결과및실험체파괴양상 34 한국강구조학회지 2011 년 4 월

6 5. 철골기둥 + TS 합성보 5.1 T자형접합부실험철골기둥과 TS 합성보의내진성능평가를위해기둥보접합부실험을수행하였다. 철근콘크리트기둥을이용한 RS 구조시스템과달리철골기둥과 TS 보접합부는기둥-보용접접합부의용접상세에크게영향을받는다. 그러므로내부기둥을형상화한십자형기둥보접합부실험체를제작하기전에용접접합부상세의영향을평가하기위해별도의 T자형접합부를제작하여먼저용접부성능평가를하였다. 실험체는그림 14와같이짧은기둥에보와슬래브가일체로이루어진형상이다. 기둥은강성이충분히크도록 H 로제작하여바닥슬래브에고정하였으며, 보는 (mm), 슬래브는 1, (mm, 폭 두께 ) 이다. 접합부상세는그림 14 에서 S1, S2, S3 로명기된, ' 와 ', G' 와같이 TS 보상부와하부에보강판을설치하였다. 각상세는보강판의폭과길이, 두께등에차이가있다. 또한 S3 실험체는기둥면에서 200mm 떨어진위치에스티로폼을삽입하여접합부를의도적으로약화시키는방안도검토하였고, S2 실험체는폭이늘어난보강판으로보강하고부분합성상세를적용하였다. 강판 12t 1100 mm 강판 15t 평면 스터드 6 16 커플러상부플랜지 보강판 2796 mm 2582 mm 스터드 16@100(S1, 상부철근 S3 H 스티로폼 450mm 춤 TS 200x120x400 하부플랜지보강판 S1, S3 S2 250 mm 커플러 10@ 보강판 2 150x100x12t 25 횡지지 G 보강판 2 250x140x12t 단면 S1, S3 단면 S2 상부플랜지보강판 150x120x6t 하부플랜지보강판 150x100x12t 상부플랜지보강판 250x120x12t 강판 12t 1500 mm G 하부플랜지보강판 250x140x12t 단면 407 mm 단면 S3 120 mm 횡좌굴방지근 : 2 10@ mm 스터드 16@100(S1, 428 mm 강판 358x175x15t H 스티로폼 200x120x U 형철근 400 mm 단면 슬래브철근 mm 270 mm 플랜지철근 4 25 횡좌굴방지근 10@100 단면 6mm 두께 U 형강재보 1500 mm 270 mm 각보의스터드개수 = 50 (S1, S3), 16 (S2) 단면 강판 200x130x12t 강판 546.5x150x12t 스터드 6 16 강판 546.5x428x12t 강판 546.5x50x20t 그림 14. 실험체상세 KSS pr

7 그림 15는가력방법및 S1 실험체의모멘트회전각곡선이다. 실험결과모든실험체는강기둥 -약보, 강한패널존개념으로설계되어기둥과패널존은탄성상태로거동하였다. 보에서소성힌지가발생하였고, S1 과 S3 실험체는회전각 4% 이상의변형능력을나타내었다. 또한세가지상세중실험체 S1 의상세가가장단순하면서도우수한변형능력을발휘할수있음을확인하였으며, 이상세를적용하는경우 H형강기둥과 TS 보접합부의내진성능은 K 2009 및 IS 341의요구조건을만족하여특수모멘트골조로서사용될수있다고판단된다. 5.2 십자형접합부실험 5.1 절의 T자형접합부실험결과를기초로십자형접합부실험체를제작하여철골기둥과 TS 보접합부의성능을검토하였다. 실험체형상및접합부상세는그림 16과같다. 실험 체의접합부상세는 T자형실험결과로부터가장성능이우수한것으로확인된접합부상세를적용하였다. 실험체는 2개를제작하였으며, TS 보는 (mm, 실험체 ), (mm, 실험체 ) 두종류이고, H형강기둥은 H , H 이며, 슬래브는 7,360 1, (mm, 길이 폭 두께 ) 등이다. 가력방법및형상과 실험체의층간변위각모멘트곡선은그림 17과같다. 실험결과실험체 의최대층간변위각은 6% 이며, 실험체 의경우 6.8% 로특수모멘트골조에서요구되는 4% 이상의층간변위각을만족하였다. 또한 TS 보와같이폐쇄형단면을갖는경우개방형단면의 H형강에비해충분한횡강성을지니므로횡비틀림좌굴에의한내력저하가발생하지않는다는것도확인되었다. 또한 5장에서서술한철골기둥과 TS 보접합부의내진성능평가결과를기초로미국강구조학회 (IS) 에 TS 보내진접합부성능인증을추진중이다. 그림 15. 가력방법및실험결과 그림 16. 실험체형상및접합부상세 36 한국강구조학회지 2011 년 4 월

합성 기둥은 그림 22와 같이 모서리부분에 고강도, 고성능의 앵글 을 사용하여 강성을 높인 형상이며, TS 보와 합성기둥 접합 부의 개발을 마치고 실험준비 중에 있다. 그림 18. 합성기둥의 종류 그림 17. 가력 형상 및 실험결과(실험체 ) 6. 합성기둥 + TS 합성보 6.

8 6.2 앵글을 이용한 합성기둥과 TS 보 조립 압축기둥은 그림 21과 같이 다양한 종류가 연구되어 왔으나 제작에 인력이 많이 투입되어야 하는 특성상 원자재 가 격이 안정적인 시기에는 가격경쟁력을 갖기 어려워 그동안 원 활히 적용되지 못하였다. 그러나 최근 원자재 가격의 중장기적 상승 추세로 인하여 건축구조에서도 강재사용량을 가능한 한 줄이려는 여러 가지 방안들이 제안되고 있다. 인건비와 원자재 가격이 동시에 상승하는 가운데 강재 사용 량을 줄이면서도 제작이 용이한 합성기둥을 개발하였다. 합성 기둥은 그림 22와 같이 모서리부분에 고강도, 고성능의 앵글 을 사용하여 강성을 높인 형상이며, TS 보와 합성기둥 접합 부의 개발을 마치고 실험준비 중에 있다. 그림 18. 합성기둥의 종류 그림 17. 가력 형상 및 실험결과(실험체 ) 6. 합성기둥 + TS 합성보 6.1 철골 철근콘크리트 기둥과 TS 보 합성기둥과 TS 보에 대한 내진성능평가룰 수행하였다. 합 성기둥은 그림 18과 같이 철골 철근콘크리트 기둥 또는 콘크 리트 충전강관기둥이 대표적이다. TS 합성보는 지금까지 철 골 철근콘크리트 기둥에 접합하는 형태로 가장 많이 적용되어 왔는데 이는 상당부분 TS 보가 적재하중이 크거나 스팬이 긴 평면에 적용된 사례가 많기 때문이다. 그림 19는 철골 철 근콘크리트 기둥과 TS 보를 조합한 내진접합부 실험체 설치 전경이다. 기둥은 (mm)이고 내부에는 H (SS400) 철골과 16-H22 철근이 배근되어 있다. 그림 19. 실험체 설치 전경 보는 (mm)를 적용하였고, 부모멘트의 철근 배근 을 변수로 3개의 실험체를 제작하여 실험하였다. 그림 20은 슬래브와 보에 4-H22+12-H13철근을 배근한 실험체로 실험결과 5%의 회전각을 확보한 것으로 확인되었다. KSS pr

적용하여접합부성능실험을수행한결과 TS 보를이용한기둥보접합부내진성능은특수모멘트골조에서요구되는 4% 층간변위각을능가하는것으로확인되었다. 그러므로 TS 보접합부는기둥형상및구조시스템에따른다양한적용이가능하며, H형강보를적용한경우와동일하게자유로운설계방법과구조시스템적용이가능하다. 그림 20. TS-N-4 실험체의모멘트회전각 그림 21. 조립압축기둥의종류 참고문헌 1.

9 적용하여접합부성능실험을수행한결과 TS 보를이용한기둥보접합부내진성능은특수모멘트골조에서요구되는 4% 층간변위각을능가하는것으로확인되었다. 그러므로 TS 보접합부는기둥형상및구조시스템에따른다양한적용이가능하며, H형강보를적용한경우와동일하게자유로운설계방법과구조시스템적용이가능하다. 그림 20. TS-N-4 실험체의모멘트회전각 그림 21. 조립압축기둥의종류 참고문헌 1. 대한건축학회, 건축구조기준및해설, 김성배, 함정태, 이창남, 김상섭 : SR 기둥 -TS 보접합부의거동에관한연구, 대한건축학회논문집구조계, 제22권 6호 pp55 62, 김성배, 김성진, 김상섭 : PH 파일에부착한밴드플레이트의부착강도에관한연구, 대한건축학회논문집구조계, 제25권 2 호, pp29 36, 김성배, 이창남, 양재근, 김상섭 : 인장시험에의한고강도철근 (500MPa) 의용접특성에관한연구, 대한건축학회논문집구조계, 제27 권 1호, pp59 67, 황현종, 박홍근, 이철호, 박창희, 이창남, 김형섭, 김성배 : 콘크리트채움 U형강재보-콘크리트기둥접합부의내진성능, 한국강구조학회논문집, 제23 권 1호, pp83 97, 박홍근, 이철호, 박창희, 황현종, 이창남, 김형섭, 김성배 : 콘크리트채움 U형강재보 -강재기둥합성내진접합부에대한주기하중실험, 한국강구조학회논문집, 논문투고 7. 박창희, 이철호, 박홍근, 황현종, 이창남, 김형섭, 김성배 : 콘크리트채움 U형합성보 -H형강기둥십자형합성접합부의내진성능, 한국강구조학회논문집, 논문투고 그림 22. 고강도앵글을이용한합성기둥과 TS 보접합부 7. 결론 이상으로 TS 합성보와다양한구조시스템의기둥을적용한접합부상세에따른내진접합부성능실험결과를정리하였다. TS 보를대상으로다양한방식과형상의여러가지기둥을 38 한국강구조학회지 2011 년 4 월

[붙임 1] 학교시설 내진성능평가 및 보강 매뉴얼 개정안_최종본( ).hwp

[붙임 1] 학교시설 내진성능평가 및 보강 매뉴얼 개정안_최종본( ).hwp 교육부 1 장일반사항 - 2 - 1 장일반사항 - 3 - 1 장일반사항 - 4 - 1 장일반사항 - 5 - 1 장일반사항 - 6 - 1 장일반사항 - 7 - 1 장일반사항 - 8 - 1 장일반사항 - 9 - 1 장일반사항 - 10 - 1 장일반사항 - 11 - 1 장일반사항 - 12 - 1 장일반사항 - 13 - 1 장일반사항 -