H형강 보-기둥 접합부를 갖는 모듈러 시스템의 내진성능평가

2.1 실험개요 및 계획

모듈러 유닛 간 접합 시 생길 수 있는 접합부 형태를 분석한 결과 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 외각부분에서 기둥에 보가 강축 및 약축 방향으로 접하는 2가지 형태(①, ②)와 내부에서 2개의 기둥에 보가 각각 강축 및 약축 방향으로 접하는 2가지 형태(③, ④)로, 총 4가지의 접합부 형태가 확인되었고, 접합부 형태에 따라 실험체를 실물 크기로 제작하였다. 브라켓 형태로는 Fig. 2와 같이 전동공구의 접근성을 위해 웨브를 천공한 H형 브라켓 형태와 ㄱ형 형태의 브라켓으로 설계하였고, 현행 건축구조기준(KBC 2016)^[7]에서 제시하고 있는 중간모멘트골조(IMF)의 요구사항을 만족하는 것을 목표로 실험연구를 수행하였다.

Fig. 1.

Structure plan

Fig. 2.

Bracket type

2.2 실험체 설계

모듈러 유닛 간 접합 시 생길 수 있는 형태에 따라 크게 외부 강축접합 실험체(E-S-H), 외부 약축접합 실험체(E-W-H)와 내부 강축접합 실험체(I-S-H), 내부 약축접합 실험체(I-​W-H)로 구성하였다. 실험 결과, 브라켓 상부 보에서 소성힌지가 발현될 것을 기대하였지만, 강기둥-약보 개념을 만족하지 못한 결과를 나타내어, 보가 아닌 기둥에서 응력이 집중되는 현상이 발생하였다. 이를 보완하기 위해 먼저 강기둥-약보 개념을 도입하여 기둥에는 SHN490강재와 보에는 SHN400강재를 사용하였고 브라켓 타입을 ㄱ형 브라켓으로 교체하여 내부 강축 접합(I-S-L)실험체와 내부 약축접합 실험체(I-W-L)를 추가로 제작하였다. 접합부의 구조성능 및 시공성을 높이기 위해 유닛 간 접합부 사이에 연결플레이트를 삽입하고 M20 TS볼트를 이용하여 접합부를 체결하였다. 각 실험체 상세 도면을 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.

Detail of specimens

Table 1.

Test specimens

2.3 가력 및 계측 계획

본 실험에서는 외부 접합부 실험체는 T자형, 내부 접합부 실험체는 +자형으로 제작하였다. 현행 건축구조기준(KBC ​2016)^[7]과 AISC Seismic Provisions 10^[8]의 실험 방법에 준하여 T자형 외부 접합부 실험체의 기둥은 양단이 회전단인 형태로 설치하였고, +자형 내부 접합부 실험체는 기둥은 회전단, 보는 이동단 형태로 설치하였다. Fig. 4에는 크게 T자형 외부 접합부와 +자형 내부 접합부 실험체의 설치현황을 나타내었다. 용량 1,000 kN, 스트로크 300 mm인 액츄에이터를 이용하여 변위제어 방식으로 실험체를 가력하였고, Fig. 5와 같이 가력 계획은 현행 건축구조기준^[5],[6]에서 제시하고 있는 재하이력에 따라 실험체의 층간변위각을 제어하면서 층간변위 0.375 %, 0.5 %, 0.75 %는 6주기씩, 1 %는 4주기, 1.5 %, 2 %, 3 %, 4 %는 2주기씩 반복 가력하여 실험을 진행하였고, 층간변위 5 % 이상에서는 2주기씩 반복 가력하였다.

Fig. 4.

Test set-up

Fig. 5.

Loading protocol

각 실험체의 변형률과 항복 상태, 소성화 여부를 판단하기 위해 실험체의 보 플랜지, 보 웨브, 기둥 플랜지, 브라켓 등에 스트레인게이지를 부착하였고 실험체의 회전각과 슬립 등을 관찰하기 위해 LVDT를 설치하였다. 실험체 접합부 부분에서의 변형, 항복상태, 소성화 진행 등을 눈으로 쉽게 관찰하기 위하여 실험체에 석회칠(white-washed)을 하였고 실험체가 면외 방향으로 좌굴하는 것을 방지하기 위하여 기둥과 보의 중심선이 만나는 부분에서 가력 지점까지의 1/2이 되는 곳에 가이드 프레임을 설치하였다.

2.4 재료시험 결과

H형 브라켓을 갖는 실험체 제작 이후, ㄱ형 브라켓을 갖는 실험체를 추가로 제작하여 H형 브라켓을 갖는 실험체와 ㄱ형 브라켓을 갖는 실험체에 대한 재료시험을 나누어 진행하였다. 인장시편은 KS D 0801^[9]에 따라 제작하였고 만능재료시험기(universal test machine, UTM)를 사용하여 인장시험을 진행하였다. 재료시험결과를 Table 2와 Fig. 6에 나타내었다.

Table 2.

Tensile coupon test result

Fig. 6.

Stress-strain relationship of coupon test

3.1 실험체 거동 및 하중-변위 관계

본 연구에서는 H형강을 사용하여 보-기둥 접합부를 구성하였고 전동공구의 접근성을 위해 H형 브라켓과 ㄱ형 브라켓을 도입하여 모듈러 유닛간 접합 시 생길 수 있는 접합부 형태에 따라 실험체를 제작하여 실험을 진행하였다. Fig. 7에 각 실험체의 거동에 따른 변형모습을 나타내었다.

Fig. 7.

Experimental deformation of specimens

H형 브라켓을 갖는 외부 강축접합 실험체(E-S-H)는 층간변위 0.5 %까지는 실험체 거동에 보이는 특별한 현상은 없었다. 층간변위 0.75 %에서 브라켓 하부 플랜지에 미세한 초기변형이 발생하여 층간변위 1 %까지 기존의 현상을 유지하였다. 층간변위 1.5 %에서 패널존이 항복하였고 층간변위 2 %에 패널존이 변형경화 상태에 들어섰으며, 브라켓 플랜지 부분에서 항복이 발생하였다. 이후 층간변위 3 %까지 기존에 발생한 현상들이 심화되었고, 층간변위 4 %에서 패널존이 전소성화에 들어서면서 브라켓의 과도한 전단변형이 발생하였다.

H형 브라켓을 갖는 외부 약축접합 실험체(E-W-H)는 층간변위 1 %까지 실험체 거동에 보이는 특별한 현상은 없었다. 층간변위 1.5 %에서 브라켓 하부 플랜지 부분에 초기변형이 심화되어 항복하였고, 현 상태가 층간변위 2 %까지 심화되었다. 이후 층간변위 3 %에서 기둥 플랜지 부분에 항복이 발생하였고 하부 보와 브라켓 사이의 이격현상이 발생하였으며, 이후 층간변위 4 %에서 더욱 심화되는 현상을 보였다.

H형 브라켓을 갖는 내부 강축접합 실험체(I-S-H)는 층간변위 1 %까지 실험체 거동에 특이사항은 없었다. 층간변위 1.5 %에서 패널존의 초기항복이 발생하였고 층간변위 2 %까지 현 상황을 유지하였다. 층간변위 3 %에서 패널존의 소성화가 진행되었고, 점차 심화되어 층간변위 4 %에서 브라켓의 과도한 전단변형이 발생하였다.

H형 브라켓을 갖는 내부 약축접합 실험체(I-W-H)는 층간변위 1.5 %에서 패널존의 초기항복이 발생하여 실험체 전체적인 거동에 영향을 미쳤다. 이후 층간변위 3 %에서 패널존의 소성화가 진행되었고, 층간변위 4 %에서 하부 보와 브라켓 사이의 이격현상이 발생하였으며 브라켓의 과도한 전단변형이 관찰되었다.

ㄱ형 브라켓을 갖는 내부 강축접합 실험체(I-S-L)는 층간변위 1 %에서 브라켓과 기둥 플랜지가 접하는 부분에서 미세한 초기 변형이 관찰되었고, 이후 점차 변형이 진행되면서 층간변위 1.5 %에서 패널존의 미세 변형이 발생하였다. 층간변위 2 %에서 패널존이 항복하였고 3 %까지 현상이 심화되었다. 층간변위 4 %에서 패널존이 소성화되었고, 또한 기둥 플랜지에서 초기에 발생한 미세변형이 점차 증가하여 기둥 플랜지 부분에서도 항복이 관찰되었다.

ㄱ형 브라켓을 갖는 내부 약축접합 실험체(I-W-L)는 층간변위 1.5 %에서 보 플랜지 부분의 초기변형이 발생하였다. 층간변위 2 %에서 보와 기둥 접합부분의 기둥 플랜지 부분에서 변형이 발생하여 항복이 발생하였고, 이후 층간변위 3 %에서 변형이 더욱 심화되었다. 층간변위 4 %에서 기둥 플랜지가 소성화되었고 점차 보 플랜지 부분에서의 변형이 심화되었다. 또한 H형 기둥 안쪽에 상하부 모듈을 연결해주는 볼트가 없어 반복가력을 받으며 슬립 현상이 발생하였다.

모든 실험체에서 층간변위 4 %까지 접합부의 성능 저하 현상이 나타나지 않았고, 각 실험체의 목표 변위에 따른 최종 가력 시 접합부의 이격현상 등의 성능 저하 현상이 크게 나타났다.

Table 3에 나타낸 실험결과에 따르면 H형 브라켓을 갖는 외부 약축접합 실험체(E-W-H)는 외부 강축접합 실험체(E-​S-H)에 비해 초기강성이 약 2.7배 높게 나타났지만 조기에 항복하였고, H형 브라켓을 갖는 내부 실험체와 ㄱ형 브라켓을 갖는 실험체들의 경우 초기강성과 초기항복점은 유사하게 나타났다.

Table 3.

Test result of specimens

Fig. 8에 각 실험체의 무차원화된 모멘트-층간변위 곡선을 나타내었다. 항복시점을 보면 H형 브라켓을 갖는 실험체들은 층간변위 1% 내외에서 항복하였고 ㄱ형 브라켓을 갖는 실험체들의 경우 층간변위 1.5 % - 2.0 % 사이에서 항복하였다. 이는 전동공구의 접근성을 위해 H형 브라켓의 웨브를 천공한 결과 이 부분이 접합부에서의 전단력에 저항하지 못하여 조기 항복이 나타난 것으로 판단된다. 또한 모든 실험체가 층간변위 2 %까지 강도저하 현상이 발생하지 않아 본 연구의 목표인 중간모멘트골조(IMF)의 요구사항을 만족한 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Normalized moment versus story drift ratio relationship of specimens

3.2 강성변화

Fig. 9에 나타낸 그래프를 보면 모든 실험체가 각 실험체의 항복 시점 이후 강성이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, E-W-H 실험체의 경우 E-S-H 실험체에 비하여 약 2배 이상의 강성이 나타났다. I-S-H 실험체의 경우 항복시점인 층간변위 1.5 % 이후 강성이 감소하는 것을 확인할 수 있고, I-W-​H 실험체의 경우 강성변화가 완만한 것을 볼 수 있다. I-S-L 실험체는 초기부터 층간변위 10 %까지 강성변화가 매우 완만한 것을 볼 수 있으며, I-W-L 실험체 또한 초기부터 층간변위 4 %까지 강성변화가 완만한 것을 볼 수 있다.

Fig. 9.

Stiffness of specimens

3.3 에너지능력 비교

각 실험체별로 층간변위에 따른 목표변위가 상이함에 따라 액츄에이터 스트로크의 한계가 발생하였고, 또한 모든 실험체의 실험상황이 달라 실험체별 가력획수에 차이가 발생하였다. 따라서 모든 실험체의 객관적인 비교를 위하여 누적소성변형배율을 도입하였다. 누적소성변형배율은 누적된 에너지에 대한 탄성에너지 비로, 구조물의 소성률과 누적소성에너지를 함께 파악할 수 있는 장점이 있다^[10]. 이에 따라 모든 실험체의 누적소성변형배율 비교를 위해 각 실험체별 층간변위 4 %와 6 %, 그리고 최대 가력까지로 나누어 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10.

Accumulated plastic deformation ratio of specimens

모든 실험체의 최대가력까지 누적소성변형배율을 비교해 보았을 때, ㄱ형 브라켓을 갖는 실험체가 H형 브라켓을 갖는 실험체들보다 다소 높은 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한 각 실험체 접합부의 강축과 약축을 서로 비교해 보았을 때, E-S-H 실험체와 E-W-H 실험체의 경우는 E-S-H 실험체의 엑츄에이터 한계와 실험 상황을 인한 가력횟수의 차이로 정확한 비교에는 한계가 있고, I-S-H 실험체와 I-W-H 실험체 비교 시, 강축접합인 I-S-H 실험체가 보다 높은 능력을 보여주는 것을 확인할 수 있고, I-S-L 실험체와 I-W-L 실험체 비교 역시 강축접합인 I-S-L 실험체가 보다 높은 능력을 가진 것으로 판단할 수 있다. 이는 내부 강축접합 실험체인 I-​S-H와 I-S-L보다 내부 약축접합 실험체인 I-W-H, I-W-L의 휨강성이 낮아 누적소성변형배율에서 다소 낮은 값을 나타내는 것으로 판단된다.

3.4 브라켓 형상에 따른 비교

H형 브라켓을 갖는 실험체는 급격한 강성저하와 브라켓의 과도한 전단변형, 하부 보와 브라켓 사이의 이격현상 등 구조적인 안전성이 부족하였다. 이에 비해 ㄱ형 브라켓을 갖는 실험체는 H형 브라켓을 갖는 실험체에서 나타난 급격한 강성저하, 브라켓의 과도한 전단변형 등이 발생하지 않았고 H형 브라켓에 비해 전동공구의 접근성 또한 우수하였다. 구조적 이점과 시공성 등을 비교해 보았을 때 ㄱ형 브라켓이 더욱 우수한 것으로 판단된다.