장경간 건축구조를 위한 하이브리드 OCB보의 개발
Development of Hybrid OCB Beam for the Long-span Building Structures
이두성
1 ․ 김상연2 ․ 김태균3Doo-Sung Lee1, Sang-Yeon Kim2 and Tae-Kyun Kim3
(Received July 16, 2015 / Revised August 29, 2015 / Accepted August 29, 2015)
요 약
최근 국내의 건축구조는 공간활용을 극대화할 수 있도록 계획되고 있다. 공간활용의 장점을 실현하기 위하여 하이브리드 OCB(Optimized Composite Beam)보를 개발하였다. 본 논문에서 개발된 건축용 OCB보는 부모멘트 구간에서는 노출강연선으로 보강된 H형강으로 구성되고 정모멘트 영역에서는 프리텐션 방식의 PSC 구조로 구성된다. 본 연구에선 유한요소법을 이용하여 건축용 OCB보의 휨성능을 조사하였다.
15m, 20m, 30m 길이의 OCB모형을 구성하여 재료 및 기하학적 비선형 정적해석을 수행하였다. 해석결과로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.
1)해석모델의 초기균열은 사용하중이상에서 모두 발생되었다. 2)사용하중단계에서 처짐은 건축구조설계기준에 제시된 허용처짐량 이내로 만 족하였다. 3)유한요소모델의 파괴 시 극한하중은 모두 단면의 설계공칭강도 이상에서 발생되었다. 해석결과로부터 건축용 OCB보의 구조적인 신뢰성이 입증되었다.
주제어 : OCB보, 장경간, 건축용보, 합성구조, 유한요소법
ABSTRACT
The building structure in Korea is planned to maximize the use of space in recent. The hybrid OCB(Optimized Composite Beam) beam is developed to take advantage of using the space. The OCB beam is composed of the steel H-beam section reinforced by open strands in negative moment zone and the pretensioned PSC concrete section in positive zone. Flexural behavior of typical architectural hybrid OCB beam section was investigated by F.E.M. The 15m, 20m, 30m OCB models were tested on nonlinear material and geometry under static loading system. Following results are obtained from the analysis; 1)The OCB beam develop initial flexural cracking over full service loading. 2)Overall deflections of OCB beam under the service loads are less than those of the allowable limits in KCI Code(2012). 3)The ultimate load capacity get over the nominal strength of the OCB main section. The OCB beam is verified of structural reliability from the finite element analysis.
Key words : OCB Beam, Long-Span, Architectural Beam, Hybrid Structure, Finite Element Analysis Method
http://lhi.lh.or.kr
1) (주)홍지 기술연구소 연구소장(주저자: [email protected])
2) 한국토지주택공사 토지주택연구원 수석연구원(교신저자: [email protected]) 3) (주)홍지 대표이사
1. 서 론
1950년대 이후 공장건물, 곡물창고 및 정유시설 등에 대한 공간구조를 일부 사용하기 시작한 후 국민경제의 발전과 생 활의 질적 향상에 따라 대규모의 전시, 유통, 레저 및 체육시 설 등 대공간 구조물에 대한 필요성이 그 어느 때보다 높아 지고 있다(인하대학교, 2006). 많은 인원을 일시에 수용함과 동시에 내부공간에서 이용객의 시선차단이 없는 대규모 위락
시설, 집회시설, 경기장 등과 같은 구조물과 자유롭고 이상적 인 생산라인의 배치가 가능할 뿐만 아니라 필요시 기존의 생 산라인의 신속한 변경이 가능한 내부에 기둥이 없는 공장건 물과 차량의 증가로 인해 발생되는 주차난을 해소하기 위한 주차장(그림 1) 등과 같은 무주대공간(無柱大空間) 구조물의 건설이 많이 요구되고 있다(김상연 등, 2008).
산업사회의 발달에 힘입어 최근 장경간 건축물에 대한 수
요가 늘고 있지만, 장경간 골조분야에 대한 국내의 기술수준
(a) 일반적인 양단고정보의 휨모멘트도 (b) OCB보의 휨모멘트도 그림 3. 외력에 대한 부재력의 비교
⇨
그림 1. 장경간 구조를 활용한 주차공간
그림 2. 건축용 OCB보의 구성
은 아직 미약한 상태이다. 대부분이 학술적인 연구에 주종을
두고 설계 및 시공에 관련된 기술개발은 미미한 실정이다.
또한 건축분야 기술자들의 제한적 시선에 의해 개발된 기술 의 현장적용에도 어려움을 겪고 있는 실정이다. 또한 국내 건설시장의 개방화추세에 대비하고 국제 경쟁력을 확보하기 위하여, 장경간 건축물에 관한 기술개발 및 자립화는 매우 시급하다.
본 연구에서는 고강도콘크리트, 고강도강선 및 강판과 같은 건설재료를 효과적으로 활용한 장경간 무주시스템을 구성할 수 있는 필수요소인 15~30m의 장경간 건축보를 개 발하여 구조적인 성능을 수치해석법을 이용하여 입증하고자 한다.
2. 건축용 OCB보의 개념
본 연구에서 개발하고자 하는 장경간 건축구조용 OCB (Optimized Composite Beam)보는 형강과 PS콘크리트가 혼합 된 하이브리드 구조로 정모멘트 구간과 부모멘트 구간의 역 학적인 거동에 따라 콘크리트와 강재빔, 그리고 PS강재를 이 용하여 외력에 대해 최적으로 대응하는 합성빔 공법이다.
OCB보는 그림 2와 같이 건축구조에서 바닥슬래브를 지지하 는 보를 슬래브 콘크리트와 일체성 확보에 유리한 콘크리트 와 철골기둥과 접합이 용이한 강재를 조합하여 구성하고, 부 모멘트 구간에는 강재를 배치하고 그 강재에는 미리 프리스 트레스를 도입함으로써 정모멘트 구간과 부모멘트 구간에서 의 보의 내력과 강성을 경제적이고 효율적으로 활용할 수 있 는 하이브리드 합성빔구조라고 할 수 있다. 이것은 기존에 개 발된 PSC보나 SRC합성보 등 여러 가지 유형의 합성보에 비 하여 단면을 최적화하여 활용할 수 있다는 점에서 유리하다.
OCB보의 역학적인 기본 개념은 그림 3(a)와 같이 일반적 인 연속보의 휨모멘트 분포에 대해 정모멘트 구간에는 제작 단계에서 프리텐션 프리스트레스를 도입하여 외력에 의해서 발생되는 휨모멘트에 대해 저항하고, 부모멘트가 발생되는 기둥부에서는 휨강성이 우수하고 연결성능이 우수한 강재를
배치하고 여기에 더하여 강재의 상단에 노출강연선을 배치하
여 프리스트레스를 도입하여, 외력에 의한 부모멘트를 상세
할 수 있는 구조로 제작되어 그림 3(b)와 같이 외력에 의한
휨모멘트를 확연히 감소시켜 장경간 구조에 적합하도록 개
발하였다. 또한 강재량을 최소화하고 제작비용을 최소화하
여 경제성 측면에서도 경쟁력을 갖도록 한 개발된 건축용 빔
이다.
(a) fixed crack model (b) rotating crack model (a) Theorefeldt(압축모델)
(b) Constant(인장모델) 그림 4. Total Strain Crack 모델 그림 5. The nonlinear model of concrete material
본 연구에서 개발하고자 하는 건축용 OCB보는 공장이나
현장제작장에서 사전제작 후에 현장으로 운반하고, 크레인을 이용하여 인양한 후에 현장볼트이음을 실시한 다음, 단부 상 단의 PS강연선을 기둥부에 정착 후에 프리스트레스를 도입 하여 가설을 완료하기 때문에 일반적인 현장타설 RC구조공 법에 비해 공사기간을 1/3이상 단축가능하다. 또한 고강도 콘 크리트를 사용함에 따라서 품질과 내구성이 우수하다. 적용 성에 있어서는 장경간 대공간 연출이 가능하여 공간활용이 자유로워 건축계획단계에서 사용자로 하여금 공간에 대한 만 족도를 높여줄 수 있다. 그리고 일반적인 강구조에 비해 층고 를 낮출수 있어 다층건물의 층수 추가 또한 용이하다.
3. 건축용 OCB보의 유한요소해석
3.1 해석프로그램의 개요
본 논문에서 개발하고자 하는 건축용 OCB보의 구조적인 신뢰성을 확보하기 위한 3차원 수치해석연구에서는 국내의 midasIT에서 개발한 범용유한요소 해석프로그램인 MIDAS FEA V3.6가 사용되었다. MIDAS FEA는 다양하고 복잡한 토목․건축구조물의 형상을 손쉽게 모델링하고 비선형 상세해 석을 빠른 시간 내에 완성할 수 있도록 개발되었다. 특히 콘 크리트 구조물과 관련하여 철근콘크리트 및 PSC 구조의 파 괴거동의 문제를 해결할 수 있는 것으로 알려져 있다.
3.2 비선형 재료모델
비선형 해석은 구조물의 비선형 거동을 고려하는 해석으 로 재료적 비선형 해석과 기하학적 비선형 해석, 그리고 두 가지를 함께 고려하는 해석 등으로 나눌 수 있다. 구조물의 생성에서 파괴에 이르기까지 겪어야 하는 콘크리트의 균열, 철근의 항복 및 콘크리트의 압축파괴 등의 현상에 따라 구조 물의 거동특성이 급변하는 철근콘크리트 구조물 등에서는 일 반적으로 재료적 비선형 해석이 요구되며, 단면의 크기에 비 하여 길이가 긴 장주 또는 얇은 판으로 구성된 강구조물 등 에서는 기하학적 비선형 해석이 요구된다. 한편, 대상으로 하
는 건축용 OCB보는 사용하중이 작용하는 경우에는 콘크리 트에 균열이 발생하지 않아서 탄성해석으로 충분하지만 계수 하중이 작용하거나 파괴하중이 작용하는 경우에는 콘크리트 의 균열, 강재의 항복, 콘크리트의 압축파괴 등의 현상이 나 타나게 되므로 재료적 비선형 해석이 필요하다.
3.2.1 콘크리트의 비선형 구성모델
콘크리트의 재료적인 비선형거동을 적절하게 나타내기 위 해서는 적합한 소성모델이 필요하다. MIDAS FEA에서는 콘 크리트 구조물의 비선형재료 모델로 Total Strain Crack 모델 을 사용한다(midasIT, 2014). 압축균열모델은 Thorenfeldt 모 델을 인장균열모델은 Constant 모델을 사용한다.
3.2.2 균열의 구성모델
Total Strain Crack에서는 균열 축을 취급하는 방법에 따라 그림 4와 같이 fixed crack model 및 rotating crack model로 구분되는 두 가지 방법을 제공한다. 전자는 균열축이 한번 결 정되면 변화하지 않는 것으로 가정하는 방법이며, 후자는 주 변형률의 변화에 따라 균열방향이 계속해서 회전한다고 가정 하는 방법이다.
① 압축모델
압축응력하의 콘크리트는 등방성 응력이 증가하고 이에 따 라 강도(strength)와 연성(ductility)이 증가하게 된다. 이러한 등방성 응력의 영향을 반영하기 위해 압축응력-변형률의 관 계는 이러한 함수인자들인 Peak Stress(fcf)와 Peak Strain(ep) 들은 파괴를 일으키는 파괴함수로부터 결정된다. 압축부의 기본함수는 fp와 ep들로 표현되며, 기정의된 곡선이나 사용자 가 직접 정의한 곡선들을 활용할 수 있다. 본 해석에선 그림 5(a)와 같이 Thorenfeldt 경화곡선을 적용하였다.
② 인장모델
Total Strain Crack 모델에서 제공하는 인장거동모델은 Elastic,
Constant, Linear, Exponential, Hordijk, Multi-linear, 그리고
488200
1.200
300
1.200
500
1.200
500 300 500 500
700200
(a) 15m 모형 (H488×300×11/18) (b) 20m 모형 (H700×300×13/24)
(c) 30m 모형 (H1000×400×18/32)
그림 6. 구조성능 검증을 위한 해석용 OCB보의 단면도
PSC Concrete
Steel H-Shape Steel H-Shape
3.226
11.548
3.226 20@200=4.000
20.000
8@200=1.600
476 700
11.774
3@200
=600 850
5@200
=1.000
5@200
=1.000
24150 200302 24 300
750 420140
그림 7. 해석모델의 정면도
사용자 정의 모델이 있다. 이들 모델들은 파괴에너지(Fracture
Energy)에 근거한 연화함수로 구현된 모델과 파괴에너지와 직접적으로 상관이 없는 인장거동을 하는 모델로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 그림 5(b)와 같이 Constant 모델을 사용 하였다.
3.3 해석대상의 구조
3.3.1 해석모델의 제원 및 물성치
본 해석에 고려된 모델은 건축구조설계기준(2009)의 고정
하중 및 활하중(10kN/㎡) 조건을 기준으로 설계된 15m, 20m,
그리고 30m OCB보이며, 그림 6은 각 모델의 단면도를 보여
주고 있다. 또한 그림 7은 해석모델의 전체적인 형상을 나타
내고 있다.
사용재료 부위 제원 탄성계수 프와송비 단위중량
콘크리트 보 fck= 50MPa 32,900MPa 0.18 25.0 kN/m3
슬래브 fck= 27MPa 27,804MPa 0.18 25.0 kN/m3
PS강연선 SWPC7C Φ15.2mm PC구간 16EA
200GPa 0.3 78.5 kN/m3
ST구간 4EA (노출강연선)
강재 기둥, 지점 SS400 200GPa 0.3 78.5 kN/m3
표 1. 해석모델 재료의 물성치
각 모델은 표 1과 같이 콘크리트 부분과 강재부분에서 재 료강도를 고려하여 설계되었다.
3.3.2 모델의 구성
MIDAS FEA를 이용한 해석에서는 건축용 OCB보의 특성 을 고려하여 제작에서부터 실제 조건과 동일하게 설정하여 해석을 실시하였다. 유한요소법은 OCB보의 형상을 갖는 요 소로 나누어 해석을 하게 되는데, 본 연구에서는 콘크리트 부 분을 유한요소로 구성하기 위하여 그림 8과 같은 8절점 solid 요소와 6절점 solid 요소를 적용하였다. 콘크리트의 파괴기준 은 Drucker-Prager의 파괴기준을 적용하였다.
(a) 8절점 Solid 요소 (b) 6절점 Solid 요소
그림 8. 해석에 사용된 solid 요소 형상
그림 9. Reinforcements in Solid Element
또한 PS강연선은 bar요소를 사용하여 모델링하였다. MIDAS FEA에서는 그림 9와 같이 bar요소를 solid요소 안에서 모델 링이 가능하기 때문에 콘크리트 속에 철근이나 강연선을 배 치하기가 용이하다. Bar 요소의 전체길이는 몇 개의 particle 로 나누어져 고려되고 location point들이 유한요소모델 안에 서 particle들의 위치를 결정한다. 프리스트레스의 긴장은 PS 강연선 끝점에 위치하는 단부로부터 시작되며, 프리스트레스 력을 부착에 의해 PS강재로부터 콘크리트에 전달하는데 필 요로 하는 길이인 전달길이를 해석 시에 고려하여 수행하였 다. 한편 PS강연선과 단부 강재의 파괴기준은 Von Mises의 항복파괴기준을 적용하여 해석이 수행되었다.
해석 대상 건축용 OCB보는 변단면을 갖는 보와 강재연결 부, 기둥부, 슬래브 바닥판 부분으로 구분하여 모델링하였고, 프리텐션 방식의 프리스트레스를 1차와 2차로 나누어 도입하 였다. 건축용 OCB보의 시공단계별 모델링 형상과 Mesh 형태 를 그림 10에 나타내었다. 건축용 OCB보에 대한 정적재하 해 석을 위한 경계조건은 시공 1단계에서는 힌지-롤러지점을 적 용한 후 시공 2단계에서는 지점부에 롤러지점, 기둥부 하단에 고정지점을 적용하였으며, 하중은 고정하중(자중)과 프리스 트레싱력, 집중하중(15m, 20m 모형)이나 분포하중(30m 모형) 으로 구분하여 시공단계별로 재하하였다. 재료의 비선형 해 석을 수행하였으며, 해석은 모델이 파괴에 도달하여 수렴될 때까지 수행되었다. 해석결과는 사용하중, 계수하중, 초기균 열하중, 그리고 단면의 공칭강도와 각각 비교되었다.
4. 해석결과 분석
4.1 하중-변위 결과
본 연구에서 고려된 3가지 유한요소모델의 해석결과에서
초기균열과 사용하중단계의 처짐은 모두 건축구조 설계기준
(2009)과 콘크리트 구조기준(2012)의 설계기준을 만족하는
것으로 조사되었으며, 계수하중 및 단면의 공칭강도 이상에
서 최종파괴가 발생되어 개발하고자 하는 장경간 건축용
OCB보의 구조적인 신뢰성을 확보할 수 있었다. 그림 11은
각 시공단계별 거동을 변형도로 나타낸 그림이다. 예측가능
한 형상으로 거동하는 것을 확인할 수 있었다.
(a) 일단고정-일단힌지 경계조건 (b) 양단고정 경계조건 그림 10. 건축용 OCB보의 3D 해석모델의 구성
(a) 시공 1단계: PC 제작단계 (b)시공 2단계: 가설완료 및 노출강연선 긴장
(c)시공 3단계: 슬래브 탄성 후 공용하중 재하
그림 11. 해석모델의 시공단계별 거동
(1) 건축용 OCB보 15m 모델
유한요소해석결과에서는 그림 12(a)의 하중-변위그래프에서 나타난 것과 같이 초기균열은 사용하중(195kN) 이상인 416kN 에서 발생되었으며, 최종파괴는 770kN에서 발생하여 해석이
종료되었다. 지간 15m로 설계된 건축용 OCB보의 계수하중
은 290kN이며, 단면의 공칭강도 도달 시 재하하중은 680kN
이다.
(a) 15m OCB보 (b) 20m OCB보
(c) 30m OCB보
그림 12. 해석모델의 하중-변위 그래프
(2) 건축용 OCB보 20m 모델
유한요소해석에서는 초기균열은 그림 12(b)에 나타난 것 과 같이 490kN에서 발생되었다. 건축구조설계기준(2009)에 따라서 설계된 사용하중과 계수하중보다 각각 2.10배, 1.38배 높은 재하하중단계에서 초기균열이 발생되어 공용상에서 구 조적인 안전성을 확인할 수 있었다. 해석상에서 최종적인 파 괴는 743kN에서 수렴되었으며, 단면의 설계공칭강도인 700kN 이상에서 파괴가 발생되어 단면은 구조적으로 합리적이라고 판단할 수 있다.
(3) 건축용 OCB보 30m 모델
그림 12(c)는 30m 모델의 하중-변위 그래프이다. 초기균열
은 사용하중인 2,375kN에서 나타났으며, 파괴는 4,205kN에
서 발생하여 유한요소해석이 중지되었다. 수식을 통한 계산
으로는 계수하중은 2,520kN이며, 공칭강도 도달시 재하하중
은 3,593kN이다. 초기균열하중이 사용하중 1,800kN에 안전
율 1.3을 확보하고 있으며, 단면의 공칭강도 이상에서 최종파
괴가 발생되어 구조적인 신뢰성은 충분히 확보되었다.
(a) 강재부의 주응력도
(b) PSC부의 휨응력도
(c) 상부슬래브의 휨응력도
그림 13. 극한하중 단계에서 주부재의 응력분포도
부위
하중단계 강재부 PSC부 슬래브
계수하중 단계
해석 284MPa -18.438MPa -8.556MPa
-0.332MPa 2.943MPa
기준응력 320MPa 압축 50.0MPa 압축 27.0MPa
인장 3.54MPa 인장 2.59MPa
극한하중 단계
해석 320MPa -23.889MPa -13.598MPa
3.634MPa 2.858MPa
기준응력 320MPa 압축 50.0MPa 압축 27.0MPa
인장 3.54MPa 인장 2.59MPa
표 2. 응력 검토
4.2 주요 부재의 응력도
그림 13은 최종상태(파괴시)에서 응력분포도를 보여주고 있다. 강재부는 기둥연결부와 기둥의 복부판에서 응력이 부 분적으로 항복에 도달하였다. 콘크리트 PC부의 하단에서 인 장응력은 허용휨인장응력을 초과하는 것으로 조사되었으며, 표 2에 정리된 것과 같이 강재기둥부와 연결되는 OCB보 강 재부에서 일부 항복강도에 도달한 것으로 나타났다.
4.3 PSC부의 균열 및 강재부의 응력
그림 14는 30m 지간 유한요소해석모델의 균열진전도를 보 여주고 있다. 초기균열은 예상한데로 PSC 콘크리트 중앙부 에서 수직방향의 휨균열이 발생된 후에 확장되는 것으로 나 타났다. 최종적으로 콘크리트부에 휨균열이 발생되기는 하지 만 30m OCB보의 최종파괴는 부모멘트 강재부의 항복에 의 한 것으로 판단된다.
그러나 계수하중단계에서는 조사된 주요 부재의 응력 값
이 기준강도보다 충분히 낮은 상태로 조사되어 구조적인 문
제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.
(a) 초기균열발생 단계 (1,815kN)
(b) 최종파괴시 균열분포 (4,205kN)
그림 14. 30m 해석모델의 균열분포도
5. 결 론
본 연구에서는 건축용 OCB보의 구조거동을 예측하고, 분 석하기 위하여 3D F.E. 모델에 대한 비선형해석을 수행하였 다. 유한요소해석을 통해서 도출된 결과는 다음과 같다.
(1) 건축구조에서 장경간을 구축하기 위한 기존의 건축용 보에 비해 구조적으로 안정적이며 특히, 강재량을 최 소화하여 공사비가 상대적으로 저렴한 건축용 OCB보 공법을 제시하였다.
(2) 3가지 모델(15m, 20m, 30m)의 해석결과에서 초기균열 은 사용하중 이상에서 발생되는 것으로 조사되었으며, 사용하중단계에서의 처짐은 콘크리트 구조기준(2012) 의 허용활하중 처짐 기준을 모두 만족하는 것으로 조 사되어 사용성에 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
(3) 일차적으로 중앙부 콘크리트부에서 초기 휨 인장균열 이 발생한 후에 균열이 확대되면서 기둥부의 강재가 항복에 도달하여 극한상태에 도달하는 것으로 조사되 었다. 또한 극한하중이 해석모형의 계수하중 및 단면의 공칭강도 이상에서 발생되어 개발하고자 하는 장경간 건축용 OCB보의 구조적인 신뢰성을 확보할 수 있었다.
본 연구는 저층부에 사용되는 구조물을 대상으로 수행하 였으므로 접합부 처리의 단순화를 고려하여 횡하중은 고려하 지 않았다. 향후 고층부 구조물에 적용하기 위해서는 황방향 하중에 따른 OCB 합성보의 거동과 접합부 처리에 관한 추가 연구가 요구된다.
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