Development and Performance Tests of Precast Concrete Connections with Novel Mechanical Splice System = 자립식 기계적 이음을 적용한 프리캐스트 콘크리트 접합부의 개발 및 성능에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

탈현장화의 핵심 공법인 프리캐스트 콘크리트(PC) 공법은 품질 관리 강화, 현장 노동력 절감, 공기단축 등의 이점을 제공하면서 기존 현장 타설 콘크리트 공법의 효율적인 대안으로서 적용이 확대되고 있다.
PC 접합부에서 습식공법은 콘크리트 및 그라우트 타설을 이용한 접합으로 양생이 완료될 때까지 가설재를 존치해야 한다. 이는 후속공정의 진행에 지장을 줄 수 있으며 PC 구조의 본질적 장점을 저해한다. 건식공법은 현장 타설 없이 기계적 체결을 통해 신속한 시공이 가능하나, 높은 정밀도의 조립이 요구되며, 응력 집중과 국부 손상, 복잡한 하중전달 경로, 철근 정착 부족으로 인한 구조적 불확실성이 존재한다. 하이브리드 공법은 건식공법의 장점을 활용하면서 습식공법으로 단점을 해결한다. 하지만 접합부 구성원리가 복잡하고 숙련된 작업자가 필요하다. 또한 여전히 현장 타설이 필요하기 때문에 PC 구조의 장점을 저하시킨다.
이에 따라 구조 성능과 시공성, 노동력 절감을 동시에 충족하는 접합 시스템에 대한 요구가 증가하고 있으며 이 연구에서는 건식 접합을 이용한 자립식 기계적 이음(NMS) 시스템을 개발하였다. NMS 시스템은 주철근과 일직선으로 연결되어 압축 및 인장력을 모두 전달하며 휨모멘트를 발현한다. 간단한 현장 조립이 가능하고, 설치 시 자립성능을 확보하며, 연성 항복을 유도하는 시스템으로, 후속 시공 공정과의 간섭을 최소화하여 시공 시간과 비용 절감에 기여할 수 있다. 범용성이 뛰어나 다양한 접합부에 유연하게 적용할 수 있다. 이 연구에서는 기둥-기초 접합부, 외부 보-기둥 접합부, 모멘트 저항 골조의 접합부에 대하여 각 접합부에 의도한 설계를 반영하여 NMS의 구성요소의 특성을 조정하면서 전반적인 구조 성능을 검토하였다.
플랜트, 물류창고 등 대규모 장경간 구조의 기둥-기초 접합부에 대한 NMS 시스템의 구조성능을 확인하기 위해 횡하중가력실험을 실시하였다. 가설상태에서의 구조성능을 파악하기 위해 NMS시스템만 조립한 상태로 기둥 치수가 다른 두 실험체에 푸쉬오버하중을 가력하고, 그라우트 채움 스플라이스 슬리브가 완공된 상태에서는 기둥 치수가 다른 두 PC실험체와 일체식 RC 실험체 한개를 반복횡가력실험을 통해 내진성능을 파악하였다. 실험결과, 기둥-기초 연결용 NMS 시스템이 설치 중 자립 안정성과 완공 후 견고한 성능을 제공하는 신뢰할 수 있는 구조 솔루션임을 입증하였다. 다만, 엄격한 내진성능 허용기준에 모두 만족하지는 못했지만 동일한 치수의 일체식 RC 실험체와 유사한 성능을 나타냈다.
보-기둥 접합부에 대한 실험은 대규모 장경간 구조물의 접합 상세에 대하여 NMS 시스템을 휨모멘트를 발현하는 요소로서 단독으로 적용하여 성능을 파악하였다. 연성 항복 강도와 수동 및 유압 체결 방법, 전단 키 블록 유무 등 시공 관련 변수를 고려하였다. 총 4개의 NMS 외부 보-기둥 접합부에 대하여 반복횡하중 가력 실험을 실시하였고, 그 결과 실험체 제작에 오류가 있었음에도, 전반적으로 NMS 시스템의 연성 거동에 의해 지배되었고, 공칭 휨모멘트강도 이상을 발현하였다. 고강도 실험체의 경우 횡변위비 6.0%까지 강도저하 없이 변형성능을 나타냈다. 체결 방법과 전단 키블록의 유무는 구조성능에 큰 영향을 미치지 않았으며 비선형 단면해석을 통하여 실험결과의 주요 성능 지점들을 파악하였다.
모멘트저항골조에 대한 실험은 한국에서 PC공법이 활발하게 적용되고 있는 옥탑구조물과 같은 소형 구조물에 대하여 진동대를 이용한 실제 지진파 가진 실험을 진행하였다. 두 개의 1층 1경간 PC 실험체의 보-기둥, 기둥-기초 연결부에 NMS 시스템을 단독으로 적용하고 변수로는 두 가지 유형의 고정너트를 적용하였다. 경주 지진파와 치치 지진파를 가진하며 전반적인 구조응답과 손상정도를 파악하였다. 실험결과, 최대지반가속도 0.79g의 강진에도 두 시스템 모두 3.0% 이상의 횡변위비에서 하중지지능력을 유지하며 붕괴되지 않았다. 두 고정 너트 유형은 감쇠비가 서로 다르게 추정되었고 강성 확보, 구조적 서비스 가능성과 변형에 의한 에너지소산능력, 시공성 간에 유리한 균형에 따라 선택지를 제공할 수 있다.
갱폼의 설치가 어렵고 고소작업의 위험성이 있는 옥탑 구조물로서의 시공성을 검토하기 위한 실증실험을 수행하였다. NMS 시스템은 부재 간의 시공 오차를 최소화하고, 가설재없이 고정되며 후속 공정을 안전하게 진행할 수 있도록 하였다. 결과적으로 현장 설치 시간이 단축되었고, 주요 작업 공정이 단일 공구로 이루어지기 때문에 공정 단순화 및 시공 인력의 숙련도에 따른 품질 편차 감소의 효과를 확인하였다.
이상의 다양한 PC 접합부 및 구조물에 대한 실험연구와 해석연구를 바탕으로 NMS 시스템은 자립성능, 구조 성능, 반복하중에 대한 연성 확보, 시공성 향상 등의 측면에서 기존 PC 접합 시스템의 구조적·시공적 한계를 효과적으로 극복할 수 있는 대안임을 입증하였다. 추가적인 설계 및 부품제작 공정 개선을 통해 고성능의 내진 시스템으로의 발전 가능성을 내포하고 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Precast concrete (PC) construction represents a key method of off-site construction (OSC) and offers notable advantages, including high-quality control, reduced on-site labor, and shorter construction timelines, making it an efficient alternative to conventional labor-intensive cast-in-place (CIP) construction.
In PC connections, wet joints rely on CIP concrete or grout, requiring temporary supports to remain in place until sufficient curing is achieved. This can hinder the progress of subsequent construction activities and undermine the fundamental advantages of the PC system. Dry joints enable rapid assembly through mechanical fastening without the need for on-site casting. However, they demand high assembly precision and often exhibit structural uncertainties due to stress concentrations, localized damage, complex load transfer mechanisms, and insufficient reinforcement anchorage. Hybrid connections combine the speed and simplicity of dry joints with the monolithic integration of wet joints to overcome some of these limitations. Nevertheless, their structural configuration is complex, requiring skilled labor, and still involves CIP operations, thereby compromising the core benefits of PC construction.
In response, there is a growing demand for connection systems that can simultaneously meet structural performance, constructability, and labor reduction requirements. This study introduces a self-supporting mechanical splice system, referred to as the novel mechanical splice (NMS) system, which is based on a dry joint mechanism. The NMS system is directly aligned with the main longitudinal reinforcement, enabling the transmission of both compressive and tensile forces to develop flexural moment resistance. It allows for simple on-site assembly and provides immediate self-support during installation. Minimizing interference with subsequent construction activities contributes to reduced construction time and cost. Owing to its high applicability, the NMS system can be flexibly applied to various parts of connection.
To evaluate the structural performance of the NMS system in column-foundation connections for large-scale long-span structures such as plant facilities and logistics warehouses, lateral loading tests were conducted. Structural stability in the temporary construction state was assessed by applying monotonic pushover loading to two specimens with different column dimensions assembled solely with the NMS system. In the completed state, where the remaining bars were connected using grout-filled splice sleeves, two precast specimens with different column sizes and one monolithic RC specimen were tested under cyclic lateral loading to investigate seismic performance. The results demonstrated that the NMS system provides reliable structural performance, ensuring self-supporting stability during installation and robust behavior after completion. Although the specimens did not fully meet the most stringent seismic acceptance criteria, their performance was comparable to that of the monolithic RC specimen with the same dimensions.
The beam-column connection tests were conducted to evaluate the structural performance of the NMS system when applied as the sole moment-resisting component in connection details for large-scale long-span structures. Key construction-related variables were considered, including ductile yield strength, manual versus hydraulic tightening methods, and the presence or absence of shear key blocks. A total of four exterior beam-column specimens incorporating the NMS system were tested under reversed cyclic lateral loading. Despite some fabrication errors in the specimens, the overall behavior was governed by the ductile performance of the NMS system, and all specimens exceeded their nominal flexural strength. In particular, the high-strength specimen demonstrated stable deformation capacity up to a drift ratio of 6.0% without significant strength degradation. The tightening method and the use of shear key blocks had negligible influence on the structural performance. Key performance points observed in the experiments were identified and interpreted through nonlinear section analysis.
Shaking table tests were conducted to investigate the seismic performance of the NMS system applied to small-scale structures such as rooftop structures, where PC construction is actively used in Korea. Two single-story, single-bay PC frame specimens were constructed with the NMS system applied solely to both the beam-column and column-foundation connections. Two different types of fixing nuts were employed as the main test variable. The specimens were subjected to ground motions from the Gyeongju and Chi-Chi earthquakes to evaluate their global structural response and damage characteristics. Test results indicated that both systems exhibited load-carrying capacity without collapse under strong ground motion with a peak ground acceleration of 0.79g, sustaining drift ratios exceeding 3.0%. The two fixing nut types exhibited different estimated damping ratios and offered varying advantages in terms of stiffness retention, serviceability, and energy dissipation through deformation. These differences suggest that the choice of fixing nuts can be made based on a balanced consideration of seismic performance and constructability.
A full-scale mock-up test was conducted to evaluate the constructability of the NMS system for rooftop structures, where gang form installation is challenging and elevated work poses safety risks. The NMS system effectively minimized alignment errors between members without temporary support and enabled safe execution of subsequent construction activities. As a result, a reduction in on-site installation time was observed. In particular, the use of a single tool for all major assembly processes contributed to process simplification and reduced quality variation caused by differences in worker skill levels.
Based on the experimental investigations conducted on various parts of PC connection and structural systems, the NMS system was proven to be a viable alternative that effectively addresses the structural and constructional limitations of conventional PC systems. It demonstrated reliable self-supporting capacity, structural integrity, ductile behavior under cyclic loading, and improved constructability. Furthermore, the system showed potential for further refinement into a hi-performance seismic solution through refinement of design and fabrication processes.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Objectives and Scope 8
• 1.3 Organization 10
• Chapter 2. Literature Review and Novel Mechanical Splice (NMS) System 13
• 2.1 Code Provision and Specifications 13
• 2.1.1 Classification of seismic connections in PC 13
• 2.1.2 Connecting performance of mechanical splice 15
• 2.1.3 Residual slip 17
• 2.1.4 Tests for structural performance 18
• 2.2 Previous Research on PC Connection Method 22
• 2.2.1 Column-foundation or vertical connection 22
• 2.2.2 Beam-column connection 29
• 2.2.3 Summary 33
• 2.3 Concept of NMS System 37
• 2.3.1 Characteristics 37
• 2.3.2 NMS-CF 42
• 2.3.3 NMS-BC 44
• 2.3.4 NMS-MF 45
• 2.4 Residual Slip Tests for NMS System 48
• 2.4.1 Test and evaluation procedure 48
• 2.4.2 Test specimens 52
• 2.4.3 Test setup 52
• 2.4.4 Loading 52
• 2.4.5 Test results 54
• Chapter 3. Experimental Study of Column-Foundation Connections 63
• 3.1 Experimental Program 64
• 3.1.1 Design and fabrication of test specimens 64
• 3.1.2 Investigation of tightening torque value 71
• 3.1.3 Material properties 77
• 3.1.4 Test setup and instrumentation 80
• 3.1.5 Loading plan 80
• 3.2 Temporary Performance of Partially Completed Structures 83
• 3.2.1 Failure mode 83
• 3.2.2 Flexural and shear responses 84
• 3.2.3 Local strain responses 88
• 3.2.4 Evaluation of frictional shear resistance 90
• 3.2.5 Evaluation of structural safety during construction 92
• 3.3 Seismic Performance of Completed Structures 100
• 3.3.1 Damage observation 100
• 3.3.2 Flexural responses 105
• 3.3.3 Local strain responses 111
• 3.3.4 Performance evaluation according to ACI 374.1-05 113
• 3.4 Summary 117
• Chapter 4. Experimental Study and Section Analysis of Beam-Column Connections 121
• 4.1 Experimental Program 122
• 4.1.1 Design and fabrication of test specimens 122
• 4.1.2 Material properties 132
• 4.1.3 Test setup and instrumentation 133
• 4.1.4 Loading plan 134
• 4.2 Experimental Results 137
• 4.2.1 Damage observation 137
• 4.2.2 Load-displacement relationship 142
• 4.2.3 Local strain responses 154
• 4.2.4 Evaluation of frictional slip resistance 160
• 4.2.5 Anchorage strength 162
• 4.2.6 Stiffness of beam-column connection 169
• 4.2.7 Energy dissipation capacity 172
• 4.2.8 Performance evaluation according to ACI 374.1-05 173
• 4.2.9 Performance evaluation according to KDS 41 20 10 176
• 4.3 Supplementary Shear Testing of Shear Key Blocks 179
• 4.3.1 Shear key block specimen design 180
• 4.3.2 Test procedure 180
• 4.3.3 Experimental results 181
• 4.4 Section Analysis 183
• 4.5 Structural Design Guidelines for Beam-column joints 190
• 4.5.1 NMS system 190
• 4.5.2 Connection 192
• 4.5.3 Beam 193
• 4.5.4 Column 194
• 4.6 Summary 195
• Chapter 5. Shaking Table Tests and Analysis of Moment Frames for Small Buildings 199
• 5.1 Experimental Program 200
• 5.1.1 Design and variables of test specimens 200
• 5.1.2 Fabrication of test specimens 211
• 5.1.3 Material properties 216
• 5.1.4 Test setup and instrumentation 219
• 5.1.5 Excitation plan 224
• 5.2 Experimental Results 227
• 5.2.1 Results of Phase 1: Random wave 227
• 5.2.2 Results of Phase 2: Gyeongju earthquake 233
• 5.2.3 Results of Phase 3: Chi-Chi earthquake 240
• 5.2.4 Load-displacement relationship 248
• 5.2.5 Lateral stiffness of systems 251
• 5.2.6 Local strain responses 252
• 5.2.7 Energy dissipation and equivalent viscous damping 255
• 5.3 Summary 258
• Chapter 6. Field Tests and Frequency Analysis of Full-scale Precast Structure 261
• 6.1 Description of Mock-up Structure 262
• 6.2 Construction Process 263
• 6.2.1 Column erection 264
• 6.2.2 Wall installation 264
• 6.2.3 Slab installation 265
• 6.2.4 Completion of mock-up 266
• 6.3 Construction Accuracy and Practical Applicability 268
• 6.4 Impact Hammer Vibration Test 269
• 6.5 Summary 271
• Chapter 7. Conclusions and Recommendations 273
• 7.1 Summary 273
• 7.2 Recommendations for Design 278
• 7.3 Recommendations for Construction 280
• 7.4 Concluding Remarks 282
• References 283
• Appendix A: Slip Resistance 295
• Appendix B: Nonlinear Section Analysis MATLAB Code 299
• Appendix C: Supplementary Information on Shaking Table Tests 307
• 국 문 초 록 311
• Acknowledgement 315