1. 서 론

최근 국내 건설산업은 건설 근로자의 노령화 및 부족과 급격한 노임상승, 중대 산업재해 등으로 다양한 어려움에 직면해 있다. 이로 인한 건설현장 중 심의 시공방식에서 벗어난 탈현장 공장생산(Off site construction, OSC) 기반 건축시스템이 주목되고 있고 이와 같은 추세는 건축물 폐기물 및 탄소 배출 감소, 품질향상에 적합한 프리캐스트 콘크리트(Precast concrete, PC) 건설 시장이 부각되고 있다[1]. PC 구조물은 기둥-기둥 이음부와 보- 기둥 접합부에 이음이 필수적이며 이음 상세는 건축물에 구조적으로 영향 을 미쳐 안전성과 밀접한 관련이 있다[2]. 일반적으로 기둥과 보 부재는 프 리캐스트 콘크리트로 제작하고 보-기둥 접합부 패널존에는 현장에서 콘크 리트를 타설하는 부분적 습식공법이 적용되고 있으며 기둥-기둥 이음부에 는 우수한 내진성능을 발현할 수 있는 스플라이스 슬리브(splice sleeves) 를 적용하고 있다[3, 4]. 다만, 스플라이스 슬리브는 그라우트가 목표 강도 를 발현하기 위해 양생기간이 필수적으로 요구되며 가설재가 설치 및 해체 를 위한 현장 작업이 동반되어 PC 공법의 이점인 공기단축 효과가 매우 떨 어지는 측면이 지적되고 있다. 최근 연구에서는 철근의 일체성을 확보하는 동시에 공사기간의 단축이 가능하고, 인장력 및 압축력이 모두 전달 가능한 기계적이음 상세에 대한 연구가 지속적으로 진행중에 있다[5].

이 연구에서는 건식 기계적이음을 갖는 PC 모멘트골조의 시공성 및 구 조성능이 확보된 PC 기둥-기둥 이음부와 보-기둥 접합부와 시스템을 개발 한 기존 연구를 기반으로 현장타설(Cast-in-place)방식으로 제작된 철근콘 크리트(reinforced concrete, RC) 모멘트골조와 동등성 평가를 수행하였 다. 현행실무에서는 시공 중 횡하중에 의한 전도방지 및 구조적 안전성을 확 보하기 위해 부재 각 모서리에 강한 건식 철근이음을 사용하는 것을 권장하 고 있으며, 이에 따라서 기둥-기둥 이음부 각 모서리 주철근은 기계적이음 을 적용하였으며 그 외의 주철근에는 그라우트 방식의 스플라이스 슬리브 를 사용하여 시공성과 경제성을 함께 도모하고자 하였다. 또한, 보-기둥 접 합부에서는 PC 기둥을 수평방향으로 관통하는 보의 모든 길이방향 철근은 기계적이음을 사용하여 현장타설 콘크리트 사용을 최소화한 건식 PC공법 을 실현하고자 하였다. 이 연구에서는 PC 보-기둥 접합부에서 부재사이를 연결하는 기계적이음의 성능이 PC 구조시스템의 동등성에 영향을 미치는 가장 중요한 영향 인자임을 바탕으로 일체식 철근콘크리트 모멘트골조와 동등성이 확보된 건식 기계적이음을 갖는 PC 모멘트 골조와 비동등성 PC 모멘트 골조의 내진성능을 동적해석을 통해 분석 및 평가하고자 한다.

2. PC 접합부의 기계적이음 및 동등성

PC 모멘트골조는 RC 모멘트골조와 달리 기계적이음을 적용하여 PC 구조물을 시공하며 기계적이음 상세는 볼트 체결식(건식 이음)과 그라우트 주입방식(습식 이음), 하이브리드 방식(반건식)으로 구분할 수 있다. 기계 적이음의 성능은 PC 구조물이 일체식 RC 구조물과 동등성 확보 및 횡력 거 동에 가장 주요한 요소로 여겨지고 있다. 즉, PC 구조물의 적절한 강도 및 연성 확보 그리고 높은 에너지소산 능력을 발휘하기 위해 기계적이음된 철 근의 연속성 및 기계적이음 성능 확보가 필수적이다. KDS 14 20 80 4.1.6절 [6]에서는 기계적이음의 항복 및 인장강도에 따라 기계적이음의 유형을 분 류하고 있으며 이 연구에서는 유형 2 기계적이음 성능을 파악하기 위해 모 재 철근과 제안된 기계적이음에 대하여 일방향 인장 시험을 수행한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. KS D 0249[7]에서는 지진 및 변형의 영향을 받는 기 계적이음의 안전성을 평가하는 고응력 반복가력시험을 명시하고 있다. 시 험 방식은 Fig. 2과 같이 상한하중(0.95σ_y)과 하한하중(0.02σ_y )을 30회 반 복 재하 후 판정기준을 아래와 같이 항목을 만족하여야하며, Fig. 3에는 제 안된 건식 기계적이음의 고응력 반복 가력 실험 결과를 예시하였다.

참고로 추후 제정될 건축물 프리캐스트 설계기준(KDS 41 20 10, 신규 제정 예정)에서는 실험 및 해석적 동등성 평가방법이 공식적으로 설계기준 에 도입 될 예정이다. 그러나 현행 내진설계기준(KDS 14 20 62[8])에서는 아직 프리캐스트 보-기둥 접합부에 대한 동등성 평가방법이 아직 규정되지 않은 실정이며, 이는 일반적인 철근콘크리트 접합부와 동일한 방법으로 설 계하도록 규정하고 있음을 의미한다. 즉, PC 모멘트골조의 내진설계를 위 해서는 일체식으로 제작된 철근콘크리트 모멘트골조에서 요구되는 안전성 및 사용성에 관한 성능을 확보여부(즉, 동등성)를 ACI 374.1-05(2005)[9] 를 통해 평가해야 될 것으로 판단된다. 다만, 평가 기준은 특수모멘트골조 에 대해서만 한정적으로 제시하고 있으며 중간모멘트골조는 해당되지 않 는다. ACI 374.1-05에서는 실험적으로 동등성 확보여부를 평가하도록 아 래와 같이 허용 기준을 명시하고 있다.

이 연구에서는 선행 연구의 PC 보-기둥 접합부 실험 결과를 분석하였으 며 일체식으로 제작된 실험체와 거동 메커니즘을 파악하고, 동등성 확보 여 부를 분석하였다. 선행 연구의 결과를 토대로 대상 PC 모멘트골조를 선정 하여 현행설계기준에 따라 내진설계를 수행하였으며 비선형 시간이력해석 을 통해 동등성 및 비동등성 PC 모멘트골조 구조물의 내진거동을 평가하였 고 이를 바탕으로 현행설계기준에서 규정하고 있는 동등성 설계의 중요성 을 검토하였다.

3. 보-기둥 접합부 횡방향 반복가력실험

3.1 보-기둥 접합부 실험체 설계

Kim et al.(2023)[10]은 건식 기계적이음이 적용된 PC 보-기둥 접합부 실험체와 일체식으로 제작된 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체에 대한 실험적 연구를 수행하였으며 PC 보-기둥 접합부의 거동 및 내진성능 확보 여부를 분석하였다. 위 연구의 실험체의 건식 기계적이음 상세는 기둥-기 둥 상세와 보-기둥 접합부 상세로 구성되어 있다. 기둥-기둥 이음부 건식 상 세는 상부 및 하부 솔리드 기둥을 수직 커플러를 통해 현장 적용 시 가설재 없이도 자립이 가능한 시스템을 구현할 수 있다. 보-기둥 접합부 건식 상세 는 기계적이음 장치(더블헤드, 싱글헤드, 회전 커플러)의 나사식 체결을 통 해 철근 일체성 확보가 가능하다. 즉, 모든 기계적이음 상세는 압축력과 인 장력을 모두 전달할 수 있는 상세이다. Fig. 4는 보-기둥 접합부 실험체의 상 세를 보여주고 있다. PBC(Precast concrete Beam-column Connections) 는 건식 기계적이음 상세가 적용된 PC 보-기둥 접합부 실험체이며, CBC (Cast-in-place concrete Beam-column Connections)는 철근콘크리트 보- 기둥 접합부 실험체이다. 모든 실험체는 중간모멘트골조 상세를 갖도록 설 계 및 제작되었다. PBC 실험체의 경우 기둥-기둥 이음부에는 기계적이음 을 체결상태에서 자립이 가능하도록 기둥의 네 모서리 주근에 제안된 기계 적상세가 적용되었으며 기둥 면에 배근되어 있는 타 철근은 스플라이스 슬 리브를 통해 이음되어 있는 상세이다. 또한, 기둥을 수평방향으로 관통하는 보의 모든 길이방향 철근은 기계적이음 상세가 적용되었다. CBC 실험체는 PBC 실험체와 동등한 공칭 휨강도를 갖도록 설계하였으며 전형적인 철근 콘크리트 방식으로 설계되었다.

3.2 횡방향 반복가력 실험

Fig. 5는 보-기둥 접합부 실험 세팅 상세를 보여주고 있으며 ACI 374.2R- 13[11]에서 제시하고 있는 변위제어방식에 따라 각 목표 층간변위에서 3회 반복가력을 진행하였다. 실험동 안전상의 이유로 실험체의 최대하중에서 80% 이하의 하중으로 감소하는 시점에서 실험을 종료하였으며 이 때의 층 간변위비를 실험체의 파괴점으로 산정하였다.

3.3 횡방향 반복가력 실험 결과

3.3.1 하중-층간변위비 이력곡선 및 파괴형상

Fig. 6은 실험 결과 하중-층간변위비 이력곡선을 보여주고 있으며 PBC 및 CBC 실험체의 정/부방향 최대 강도는 각각 241.0 kN/-234.2 kN, 219.6 kN/-218.6 kN로 나타났다. 기둥-기둥 이음부와 보-기둥 접합부에 기계적 이음이 적용된 PBC 실험체의 이력곡선은 CBC 실험체 보다 연성적인 거 동을 보여주었으며 기계적이음된 일부 철근이 층간변위비 4.5%에서 파단 되었으나 급격한 강도 저하 없이 우수한 거동을 보여주었다. Table 1은 항 복강도 및 최대강도 도달, 파괴 시 층간변위비와 연성비, 초과강도를 나타 내었다. 모든 실험체는 공칭강도를 상회하는 강도를 보유한 것으로 분석되 었으며 PBC 실험체의 초과강도계수와 연성비(μ)는 CBC 실험체와 동등 이상으로 나타났다. 모든 실험체의 파괴형상은 보의 콘크리트 압괴로 인한 휨 파괴로 나타났으며 현행설계기준의 강기둥-약보 설계철학에 부합하였 다. 따라서 건식 기계적이음을 적용한 PBC 실험체는 일체식으로 제작된 CBC 실험체에 대비하여 동등성을 충분히 확보한 것으로 나타났다.

3.3.2 에너지소산능력

에너지소산능력은 PC 모멘트골조를 RC 모멘트골조에 대하여 동등성 평가를 수행하는데 중요하다. Lee and Byun(2023)[12]에서는 PC 접합부 가 RC 중간모멘트골조 접합부와 대등하게 설계되었을 경우 구조성능은 유 사하므로 PC 보-기둥 접합부의 동등성평가는 층간변위비 2.0%에서의 에 너지소산능력을 통해 수행할 수 있다고 제시하였다. 건축물 프리캐스트 설 계기준 (KDS 41 20 10, 신규 제정 예정)에서는 실험 및 해석적 동등성 평가 방법이 명시될 예정이며, 층간변위비 2.0% 2^nd cycle에서의 에너지소산비 가 1/10 이상이어야 한다. 또한, 해석적으로 보-기둥 접합부 실험체의 이력 곡선 모사 및 에너지소산능력을 분석하고자 하였다. Fig. 7은 동등성이 확 보된 구조물의 거동을 고려할 수 있는 이력 모델을 나타내었다. PBC 실험 체의 이력곡선을 모사하기 위해 kinematic hardening 이력모델을 적용하 였으며 강성 감소 계수(α₁ , α₂ )는 각각 0.4, 0.1을 적용하였다. PBC 실험체 의 이력곡선을 모사한 해석 결과를 Fig. 6(a)에 나타내었다.

Table 2은 PBC 및 CBC 실험체의 KDS 41 20 10(신규 제정 예정)에 따 른 중간모멘트골조 동등성 평가 결과와 ACI 374.1-05에 따른 특수모멘트 골조 동등성 평가 결과를 나타내었다. 층간변위비 2.0% 2^nd cycle에서 PBC 및 CBC 실험체의 에너지소산비는 각각 16.2%, 25.2%로, 1/10 이상 으로 중간모멘트골조 동등성 기준을 만족하였다. 두 실험체는 중간모멘트 골조 상세를 갖도록 설계되었음에도 불구하고, ACI 374.1-05에서 제시하 고 있는 특수모멘트골조의 요구 성능(즉, 층간변위비 3.5% 3^rd cycle에서의 에너지소산비 1/8 이상)을 만족하였기 때문에 PBC 실험체는 동등성이 확 보된 것으로 판단된다.

4. PC 모멘트 골조 비선형 시간이력해석

4.1 대상 구조물 선정 및 내진설계

이 연구에서는 모멘트골조의 내진성능을 검증하기 위하여 현행설계기 준[13]에 따라 내진설계를 수행하고 구조물의 비선형 거동과 내진성능, 밑 면전단력, 층간 변위비를 분석하고자 대상 구조물을 선정하였다. 대상 구조 물은 5층 규모의 상업시설로 철근콘크리트 중간모멘트골조로 설정하였으 며 Fig. 8은 구조물의 평면 및 입면 상세를 나타내었다. 고정하중과 활하중 은 각각 4.5 kN/m², 2.5 kN/m²로 고려하였으며, 외부 벽체에 의한 클래딩 하중은 1.0 kN/m²로 선하중으로 고려하였다. 풍하중은 지표면 조도구분은 B로, 지역별 기본 풍속은 30 m/s으로 고려하였다. 등가정적해석법으로 지 진하중을 산정하였으며 이 연구에서 선정한 PC 모멘트골조는 철근콘크리 트 중간모멘트골조와 동등성을 확보하였으므로 대상 구조물의 반응수정계 수(R), 시스템 초과강도계수(Ω₀), 변위증폭계수(C_d)는 각각 5.0, 3.0, 4.5 로 설계하였다. Table 3에는 대상 구조물의 내진설계 수행한 단면의 규격 과 철근배근 상세를 나타내었다.

4.2 비선형 시간이력해석

이 연구에서는 추후 실무중심의 내진성능평가 및 성능기반내진설계 적용 을 위하여 지반운동에 따른 구조물의 변위 및 거동 메커니즘을 상용해석 프로 그램인 Midas Gen[14]을 사용하여 비선형 시간이력해석을 수행하였다. PC 모멘트골조의 동등성 확보 여부는 지반운동에 따른 구조물이 지반에너지를 충분히 소산하는지에 따라 달라진다. 따라서 이 연구에서는 부재에 발생하는 비선형 거동을 고려하고 해석을 단순화하기 위해 ASCE 41-17[15]에서 제 시하는 철근콘크리트 기둥 및 보 비선형 모델링 방법론을 적용하였으며 동 등성이 확보된 모멘트골조의 경우 3.3.2장에서 PC 보-기둥 접합부 실험체 의 에너지 소산능력을 모사할 수 있는 kinematic hardening 이력모델로 대 상 구조물을 검증하였다. 비동등성으로 설계된 구조물의 경우, 보강 철근과 콘크리트 사이의 미끄러짐을 극단적으로 고려하고자 하중 재하 후 원점으 로 돌아올 때의 에너지 소산능력을 최소화하도록 탄성 삼선형 이력곡선을 Fig. 5(b)와 같이 적용하여 대상 구조물의 비동등성 모델을 구축하였다. 비 동등성 이력곡선은 강성 감소 계수(α₁, α₂, α₃)를 각각 0.4, 0.1, 0.1로 하여 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 또한, 비선형 동적해석이 사용되는 하 중조합은 1.0 DL(고정하중)+0.25 LL(활하중)을 적용하였으며 구조체의 질 량은 집중질량으로 고정하중과 동일하게 적용하여 동적해석을 수행하였다.

4.3 입력 지진파

이 연구에서는 모멘트골조의 비선형 시간이력해석을 수행하기 위해 입력 지진파를 선정하고 이를 구조물의 지반특성 및 구조물의 특성에 따라 지반운 동의 크기를 조정하였다. ASCE 7-22[16] 13.3.1에서는 구조물의 동적 해석 을 수행하기 위하여 필요한 입력 지반운동의 요구조건을 명시하고 있다. 비 선형 시간이력해석에 필요한 최소 지반운동의 수는 3개이며, 해석 지반운동 개수가 7개 미만인 경우 모든 지반운동으로 얻은 응답 중 최댓값으로 설계를 요구하고 있다. 7개 이상의 지반운동을 통해 시간이력해석을 수행할 경우, 모 든 지반운동으로 얻은 응답의 평균을 산정하여 결정할 수 있다. Fig. 9에는 7 개의 지반운동을 보여주고 있으며 성능기반 내진설계 지침(AIK 2017)을 참 고하여 재현주기 2,400년의 유효지반가속도(설계지반가속도의 1.5배)를 기 준으로 응답스펙트럼을 작성하였으며 대상 구조물의 고유 특성에 적합하도 록 지반운동의 크기를 조정하여 Fig. 10에 나타내었다. 이 연구에서는 7개의 지반운동을 적용하여 비선형 시간이력해석을 수행하였으며 각 지반운동으 로 얻은 응답의 평균을 기준으로 해석 결과를 평가하였다.

4.4 비선형 시간이력해석 결과

Fig. 11과 Fig. 12에는 총 7개의 지반운동에 대한 시간이력해석을 수행 한 결과로 각각 동등성 및 비동등성 모멘트골조의 밑면전단력을 지반운동 시간에 따라 나타내었다. 모든 7개의 지반운동에 따라 동등성 구조물의 밑 면 전단력은 비동등성 구조물에 대비하여 61.7~79.2% 정도로 낮게 나타났 으며 이는 동등성이 확보된 구조물이 지반 운동 에너지를 충분히 소산하여 낮게 나타난 것으로 판단된다. Fig. 11은 대상 구조물의 층간변위비를 나타 내었으며 KDS 41 17 00 8.2에서 제시하고 있는 설계 요구사항인 허용층간 변위를 통해 구조물의 변위를 검증하였다. 동등성 및 비동등성 구조물의 최 대 층간변위비는 각각 1.37%, 3.60%로 나타났으며 동등성 구조물은 현행 설계기준에서 제시하는 허용층간변위비 기준을 만족하는 것으로 나타났 다. 이는 비동등성 시스템의 경우 동등성 시스템에 비해 상대적으로 구조물 에 큰 밑면전단력이 가해져 층간변위비가 높게 해석된 것으로 판단된다.

5. 결 론

이 연구에서는 건식 기계적이음이 적용된 PC 보-기둥 접합부 선행 연구 를 분석하여 RC 보-기둥 접합부와 동등성 확보여부를 검토하였으며 결과 를 토대로 대상 PC 모멘트골조를 선정하여 비선형 시간이력해석을 통해 동 등성 및 비동등성 구조물의 거동을 검토하였다. 이 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.