GIR 보-기둥 접합부를 갖는 대단면목조 모멘트저항골조의 내진설계계수 도출 = Seismic Design Coefficients for Mass Timber Moment-Resisting Frame with Glued-in Rod (GIR) Beam-Column Joints

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 탄소 저감 및 친환경 건축에 대한 관심 증가로 대단면목재를 활용한 고층 목조 건축물에 대한 관심이 증가하고 있다. 목재는 철근콘크리트, 강재 등의 재 료 대비 부재 생산 시 발생하는 탄소량이 매우 낮다. 또한 무게 대비 강도를 뜻하는 비강도가 타 재료와 비교하여 높다는 장점을 가지고 있어 일본, 미국, 유럽 등에서는 법 제정 및 기준 개정을 통하여 20 층 이상의 목조 건축물을 적극적으로 축조하고 있다. 하지만 국내에서는 여전히 제한적인 범주로만 적용되고 있으며 관련된 연구 또한 제한적으로 수행되고 있다. 중고층 목조 건축물의 횡력 설계를 위해서는 대단면목재를 활용한 접합부의 이력 거동 산정 및 반응수정계수 등의 설계계수가 요구되나 해당 연 구는 미비한 실정이다.
목재는 취성적인 거동을 나타내기 때문에 접합부의 변형을 목재가 아닌 부재간 연 결 요소에 집중시키는 것이 일반적이다. 따라서 연구가 진행중인 대단면목조의 접합부 는 철물을 사용하여 구성하게 된다. 이 중 Glued-in rod(GIR) 접합부는 하중전달 매커 니즘이 명확하고 외부로 드러나는 철물이 없다는 장점이 있다. 대부분의 선행 연구에 서 GIR 접합부의 강도 또는 강성을 추정하기 위한 연구는 강봉(Rod)의 인발거동에 기 반하여 도출하도록 하였다. 이 경우 강봉의 뽑힘파괴, 다중 강봉에 의한 블록전단파괴 등 제한적인 범위에서 접합부의 파괴모드만을 반영할 수 있으며 목재의 재료적 특성 과 접착제를 사용하여 이종재료를 부착하는 접합부의 특성에 따른 다양한 파괴모드를 반영할 수 없다.
이에 대해 레이어드 해석 기반으로 GIR 접합부의 이력거동을 추정할 수 있는 단면 해석 모델을 작성하였으며 해석모델의 적정성을 검토하기 위하여 GIR 대단면목조 보- 기둥 접합부의 실험을 수행하고 이를 해석모델과 비교 검증하는 과정을 진행하였다. 대부분의 실험체에서 최외단 강봉에 의한 구조용집성재 층재간 접착면에서 접착제의
- viii -인장파괴가 발생하였다. 따라서 관련된 문헌을 참고하여 예상 파괴강도를 도출하고 GIR 접합부에서 발생할 수 있는 다양한 파괴모드를 반영하여 단면의 배근에 따른 접 합부의 취성거동 또는 연성거동을 추정하였다. 또한 접합부의 연성을 추정하기 위하여 선행실험에서 수행된 59개의 데이터를 바탕으로 선형 회귀분석을 실시하고 접합부의 거동을 예측할 수 있는 예측식을 제안하였다.
반응수정계수 도출을 위한 대표 골조 모델은 국내외에서 준공된 목조건축물의 데이 터를 기반으로 용도·규모·층수 등을 고려해 선정하였다. 선정된 대표 모델은 각각 중 력과 횡력에 대한 설계를 수행하였다. 중력 설계의 경우 AWC의 한계상태설계법을 적 용하여 수행하였으며 이후 초기 반응수정계수를 3.0으로 가정하여 설계 응답스펙트럼 법에 따라 등가정적해석을 수행하고 횡력 설계를 진행하였다.
비선형 정적해석은 OpenSees 기반의 매크로 모델을 이용하여 수행하였다. 기둥은 항복 즉시 강도가 감소하는 취성적인 거동을 가정하였으며 접합부는 제안된 단면해석 모델 및 예측식을 통해 도출된 3 선형 이력모델을 반영하였다. 해석 결과를 바탕으로 설계초과강도, 재료초과강도, 시스템초과강도로 구성된 초과강도계수와 연성계수를 산 정한 결과, 초과강도계수는 2.5, 연성계수는 1.6으로 나타났으며 최종 반응수정계수는 4.0으로 도출되었다.
마지막으로 역량스펙트럼법(ATC-40)을 통해 반응수정계수의 적정성을 검증하였다. 대표 골조인 TMRF1, TMRF2는 설계수준 지진과 최대수준 지진에서 각각 즉시거주 (IO), 인명안전(LS)의 성능을 만족하여 본 연구에서 제시한 반응수정계수가 GIR 접합 부 적용 대단면목조 골조의 내진설계에 대해 보수적인 결과를 도출하는 것으로 확인 된다. 본 연구에서 반응수정계수의 도출을 위하여 사용된 방법론 및 도출 결과는 추후 중고층 대단면목조의 내진설계를 위한 내진설계계수의 도출에 있어 기초자료로 활용 될 수 있는 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구내용 및 방법 5
• 2. 대단면목조 구조물의 보-기둥 접합부 7
• 2.1 접합부 유형 분류 기준 7
• 2.2 접합부 유형 분석 14
• 2.3 소결 23
• 3. Glued-in rod 상세를 가지는 대단면목조 보-기둥 접합부의 구조거동 24
• 3.1 GIR 접합부 상세 및 구조거동 24
• 3.2 접합부 단면해석 모델 28
• 3.2.1 레이어드해석 기반의 단면해석 모델 제안 28
• 3.2.2 제안된 단면해석 모델의 검증 37
• 3.3 접합부 이력거동 모델 44
• 3.3.1 경험식 제안 44
• 3.3.2 제안된 경험식의 검증 51
• 3.4 소결 53
• 4. GIR 보-기둥 접합부를 갖는 대단면목조 모멘트저항골조 대표모델 54
• 4.1 대표모델 선정 54
• 4.2 골조에 대한 구조설계 59
• 4.2.1 중력하중 60
• 4.2.2 지진하중 64
• 4.3 소결 67
• 5. GIR 보-기둥 접합부를 갖는 대단면목조 모멘트저항골조의 내진설계계수 69
• 5.1 모멘트저항골조 해석모델 69
• 5.2 비선형 정적해석 기반의 내진설계계수 도출 71
• 5.2.1 방법론 71
• 5.2.2 내진설계계수 도출 결과 75
• 5.3 역량스펙트럼법에 의한 내진설계계수 검증 86
• 5.3.1 내진설계계수를 적용한 예제건축물 내진설계 86
• 5.3.2 내진성능평가 및 결과분석 87
• 5.4 소결 92
• 6. 결론 93
• 부록 96
• 부록 A. CD-3S3 골조에 대한 중력설계 절차 96
• 부록 B. CD-3S3 골조에 대한 내진설계 절차 100
• 부록 C. CD골조에 대한 연성거동 접합부 설계 결과 103
• 참고문헌 106
• Abstract 112