볼트조립형 U형 합성보와 포밍앵글 선조립 기둥의 설계 및 구조성능평가

국문 초록 (Abstract)

현재 건설현장에서는 공사기간과 공사비용 뿐 아니라 안전사고를 줄이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 선조립 합성구조는 현장에서 작업이 주로 이루어지는 비계공사, 철근작업, 고소작업 등을 최소화하여 안전사고의 위험을 줄이기 위해 개발된 구조시스템이다. 여기서 합성구조란 건축구조시스템 중 SRC(철골 철근 콘크리트) 구조에 해당하지만 단면이 기존과는 다른 변형된 형태의 좁은 의미를 말한다.
합성구조 다양한 장점으로 인해 다양한 형태의 합성구조가 연구 및 개발되고 있고, 많은 합성구조로 건설된 건축물들이 준공되어 사용되고 있다. 하지만 지금까지는 합성구조를 설계하는데 있어 기존의 건축구조기준으로는 안전성 판단의 근거가 불명확했고, 새로운 형태의 합성구조에 대한 검증 및 인증시스템도 명확하지 않았다. 또한 학회 및 관련단체의 적용방식 및 기준이 다르기 때문에 건축물에 합성구조를 적용함에 있어 많은 혼선이 있었다.
최근에“건축물 강-콘크리트 합성구조설계기준(KDS 41 40 10: 2022)”이 기준에 추가되면서 합성구조의 검증 절차에 대한 명확한 기준을 제시하였다. 이에 본 연구에서는 기준에서 제시하는 합성구조의 검증 절차(KDS 41 40 10, 4.5.2 검증 절차)에 따라 볼트조립형 U형 합성보(CG 합성보)와 포밍앵글 선조립기둥(FAC 기둥)으로 이루어진 합성골조에 대해 구조성능 평가 및 기준적합 여부를 검토하고 설계방법을 제시하였다.
CG 합성보는 볼트조립형 U형 합성보로 보 내부에 콘크리트가 충진되어 진동 및 처짐에 우수하지만, H형강 노출형 합성보와는 다른 설계 시 검토사항들이 있다. CG 합성보의 구조성능 확인을 위해 정⋅부 휨강도 실험, 전단강도 실험, 그리고 빔-거더 접합부 휨강도 실험을 수행하였다. 강재의 판폭두께비에 따라 약간의 다른 특성을 보였지만, 현 기준에서 요구하는 강도 이상의 성능과 파괴시까지 매우 높은 연성능력을 보유하고 있음을 확인하였다. 특히, 기준에서 요구하는 전단강도보다 약 2.0배의 강도를 가지고 있었으며, 그 외 설계 시 고려사항들을 파악하였다.
FAC 기둥 실험은 P-M 상관도를 기준으로, 휨이 없는 중심 압축강도실험, 압축력이 없는 순수 휨강도실험, 그리고 3단계의 축력작용하에서 횡하중 반복가력실험을 수행하였다. 압축강도실험과 휨강도 실험에서는 현행 건축구조기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었고, 특히 휨강도 실험에서는 매우 우수한 연성능력을 확인할 수 있었다. 횡하중 반복가력실험에서는 축력비가 작을수록 매우 우수한 연성능력을 보였으며, 축력이 높아질수록 취성적 파괴양상을 보였다. 모든 실험에 대해 H형강 SRC 기둥과 비교 실험을 진행하였는데, FAC 기둥은 H형강 SRC 기둥과 동일한 강재량을 사용하더라도 압축강도와 휨강도가 증가하였으며, 연성능력도 많이 증가하였다.
CG 합성보와 FAC 기둥으로 이루어진 합성골조의 내진접합부 성능검증을 위해, 내부 접합부와 외부 접합부로 나눠서 내진성능검증을 진행하였고, 두 접합부 모두 건축구조기준에서 제시하는 합성특수모멘트골조의 성능을 만족하는 것을 확인하였다.
결론적으로, CG 합성보와 FAC 기둥은 현행 건축물 구조설계기준(KDS 41 30 20 건축물 강합성구조 설계기준 & KDS 41 40 10 건축물 강-콘크리트합성구조 설계기준)에 따른 성능평가 및 구조설계가 가능함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• List of Tables ⅴ
• List of Figures ⅷ
• List of Symbols xv
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 배경 및 공법소개 1
• 1.2 선행 연구 16
• 1.3 연구 목적 및 내용 27
• Ⅱ. CG 합성보 연구 34
• 2.1 해석 및 설계 34
• 2.2 정모멘트 휨성능 평가 57
• 2.3 부모멘트 휨성능 평가 79
• 2.4 전단성능 평가 103
• 2.5 빔-거더 접합부 성능 평가 124
• Ⅲ. FAC 합성기둥 연구 137
• 3.1 해석 및 설계 137
• 3.2 압축성능 평가 143
• 3.3 휨성능 평가 163
• 3.4 내진성능 평가 191
• Ⅳ. 내진접합부 연구 216
• 4.1 내부 접합부 내진성능 평가 216
• 4.2 외부 접합부 내진성능 평가 234
• Ⅴ. 결 론 249
• 참고문헌 252
• Abstract 254
• 감사의 글 257