1. 서 론

국내에서 프리캐스트 콘크리트(Precast Concrete, 이하 PC)구조는 품질관리의 우수성, 시공 기간의 단축, 탄소 저감을 위한 효율적 부재 설계 등 많은 장점들로 인해 건설 산업에서 채택되는 비중이 점점 커지고 있다. 특히 지하 주차장, 물류창고 등 공기단축, 장스팬 및 고하중을 요구하는 구조물의 특성상 PC 공법은 널리 확대되고 있다. 최근에는 PC구조가 적용된 횡력 저항시스템의 내진성능파악은 학계와 실무 엔지니어링 분야에서 주요 관심사가 되고 있다[1-26].

PC 구조의 전반적인 시공과정은 공장에서 제작된 PC 부재를 현장에서 습식 또는 건식으로 조립하는 공정이기 때문에 수직 하중과 횡 하중을 전달하는 보-기둥 접합부 부분이 구조 성능의 주요 역할을 담당하게 된다. 따라서 PC 구조에서 수직 및 지진하중에 대비하기 위해서는 보-기둥 접합부 성능을 명확히 파악하고 성능 DB를 확보하여 효율적이고 안전한 구조시스템으로 설계 기법과 시공기술을 확립하는 것이 중요하다.

국내에서 특수상세를 제외하고 주로 중저층에 적용되는 지진력 저항시스템에는 보통 전단벽, 중간 모멘트골조, 보통모멘트골조, 일반규정만을 만족하는 RC 구조가 있다. 특히 중간모멘트 골조는 보-기둥 접합부의 휨 변형을 통해 지진력을 저항하므로, 내력벽이 적고 고하중, 장스팬을 가지는 PC 물류창고 및 지식산업센터 등 공장 건축물에 많이 사용된다. 중간모멘트골조가 적용된 PC 구조물의 기존 보-기둥 정착 상세는 Fig. 1의 예시와 같이 보 단부에서 강연선 또는 하부주근이 겹침이음을 통해 기둥에 정착된다. Type A는 보 하부 정착근을 정착 길이만큼 중앙부 부분까지 연장하여 콘크리트 타설 등으로 매입하여 시공을 완료하게 된다. Type B는 보 단부에 정착용 철근을 배근하기 위한 홈을 만들어 겹침 이음 길이만큼 내밀고 현장에서 배근 후 타설하게 된다. 이는 생산 또는 시공의 편의성을 위한 상세이므로 현행구조기준에서 허용하지 않는 부분이다.

국내 건축물 내진설계 기준(KDS 41 17 00 9.3)에서 철근의 이음 및 정착 상세 요구사항을 보면 보와 기둥의 소성 힌지 구간에는 겹침 이음 및 용접 이음을 허용하지 않고 있다[27, 28]. 그러므로 해당 기준을 만족시키기 위해서는 구조 시스템을 변경하거나, 단부 정착 방식을 변경해야 한다. 구조시스템을 내력벽식으로 계획할 경우 코어 벽체 또는 건물 외벽을 확대해야 한다. 하지만 코어 크기를 확대하면 활용면적이 감소되어 단위면적당 물량이 증가하게 될 것이며, 외벽을 확대하면 물류창고의 차량 출입구 계획이 어려워질 것이다. 또는, 정착 철근을 중앙부까지 연장하여 단부를 피해 중 앙부에서 이음을 진행할 경우 배근 밀집으로 인해 간격 확보가 어려워져 장스팬에서는 비합리적으로 설계가 될 것이다. 따라서 현행구조기준 만족 및 시공성을 확보하기 위해서는 기계식 이음에 대한 시스템 개발이 필요하다.

지진하중을 받는 PC 구조의 성능을 향상시키기 위한 해결책으로써 기계식 정착시스템의 한 종류로 연결 철물의 사용이 제안되고 있으며 수직 및 수평 하중에서의 연결 철물부 거동은 증가된 강성, 강도, 연성, 에너지 소산 능력 등 다양한 장점을 제공하는 것을 선행연구에서 보고하였다[29, 30].

Huang et al.[29]은 제안된 PC 보-기둥 접합부를 통해 내진 성능은 일체형 접합부보다 강도, 강성, 변형, 에너지 소산 능력이 우수한 것으로 나타났으며, 지진 피해 후 접합부 부분을 교체할 수 있는 장점이 있다는 것을 보고 하였다. Kim et al.[30]는 기계적 이음 장치로 설계된 실험체를 통해 RC 실험체와 동등한 정착성능을 보유한 것으로 나타났으며 현행 설계기준의 설계철학인 강기둥-약보 시스템에 적절히 부합하는 것으로 판단하였다.

따라서 본 연구에서는 중간모멘트 골조 대상으로 건축물 내진설계기준을 만족시킬 수 있는 새로운 강박스 커넥터(Steel Box Connector, 이하 SBC)시스템을 개발하고 인발 실험체 4개와 휨 실험체 3개를 제작하여 실험을 통해 SBC 접합 시스템의 구조적 거동을 분석하고 성능을 평가하였다. 또한, 해석 시뮬레이션을 진행하여 하중 가력 성능, 변위 및 변형 성능, 응력 집중, 국부적 파괴 형상 등 실험결과와의 비교를 통해 유한요소해석의 신뢰성을 검증하였다.

2. 기술개발 배경

본 연구는 중간모멘트 골조가 적용된 PC구조물의 기존 보-기둥 정착 상세를 현행구조기준에 만족시키고, 돌출부 삭제로 인해 PC 생산을 단순화하여, 현장 설치가 용이한 접합 방식으로 시공성을 확보할 수 있는 새로운 건식 기계식 접합(SBC)를 개발하였다. 본 연구에서 제안된 건식 기계식 접합(SBC)는 PC 보-기둥 접합부의 소성 힌지 구간에 보 하부근의 겹침 이음을 적용하지 않고 정착이 가능하므로 중간모멘트 골조에 대한 내진구조기준을 만족시킬 수 있다. 또한, SBC는 공장에서 PC 보에 선 매립 후 현장에서 조립식 체결을 통해 성능구현이 가능하므로 생산성 향상, 공사 기간 단축, 현장 용접 최소화, 인건비 절약 등 많은 이점을 가지고 있으며 PC 조립과정에서 큰 사고로 발생 할 수 있는 부재 탈락 등의 문제점에 대해서도 별도의 지지대 없이 건식 볼트 접합으로 시공 전과 후의 구조적 안정성을 확보할 수 있다. Fig. 2는 개발된 SBC 시스템에 대한 상세를 나타내었다. 너트체결용 커넥터는 몸통 내부 의 오프닝을 따라 강봉을 배치하고 너트를 체결시켜 접합하는 방식으로써 볼트의 지압접합과 유사한 원리로 인장에 저항하도록 개발되었다. 또한, 나사 긴결용 커넥터는 나사 가공된 커넥터에 나사산이 있는 철근을 끼워 정착시킨 접합 방식으로써 별도의 돌출된 정착 철근이 필요하지 않도록 설계되었다.

3. 실험계획

SBC 시스템의 휨 성능 및 PC 보 접합부의 일체성을 검증하기 위해 인장 및 휨 실험으로 구분하여 실험체 제작하였다. 인장 실험체는 체결상태와 SBC의 볼트 접합면 두께에 따라 총 4개의 실험체를 계획하였다. 또한, 휨 실험체는 SBC의 볼트 접합면 두께에 따라 총 2개의 실험체를 계획하였으며, 현장 타설로 기계식 슬리브 이음을 한 일반 PC 접합 실험체 1개를 제작하여 SBC 유무에 따른 휨 내력 성능을 비교하였다. 각 실험체에 대한 세부 사항은 Table 1에 나타내었다.

3.1 실험체 상세

SBC는 PC 보-기둥 접합부에서 철근 요소를 연결해주는 기계식 이음 장치로써 SBC, 연결 주근, 너트로 구성되어있다. SBC가 적용된 인발 및 휨 실험체에 대한 대표군과 대조군의 상세는 Fig. 3에 나타내었다. 또한, 각 실험체에 대한 설계강도는 Table 2에 제시하였다. 너트체결용 커넥터는 Semalloy 835인 D26 강봉을 사용하였으며, 주물 제작 후 열처리를 한 SCW550을 적용하였다. 또한, 강봉과 너트체결용 커넥터가 접합될 수 있도록 내외부에 F10T 너트를 2개씩 배치하였다.

나사 긴결용 커넥터는 SCW550을 사용하였으며 나사산이 있는 UHD25 철근이 결합될 수 있도록 제작하였다. 또한, 인발 실험체의 하부를 고정단으로 구속시킬 수 있도록 플레이트는 SN355를 사용하였으며 사이즈는 PL-300×300×30 t 1개, PL-200×300×40 t 1개, PL-150×80×40 t 2개로 한 실험체당 4개의 플레이트를 적용하였다. 체결상태에 따른 인발 실험의 설계 강도를 비교해본 결과 너트체결용 커넥터의 항복 및 파단 하중이 각각 24%, 15% 높게 계산되었다. 이는 강봉이 철근보다 인장성능이 우수한 것으로 판단하였다.

휨 실험체는 하부철근에 SBC를 배치하여 UHD25 철근과 D26 강봉으로 인해 PC 보가 일체화될 수 있도록 제작하였다. 또한, 갈고리정착을 위해 UHD16 철근을 4개 사용하였으며, 사인장 균열 및 전단파괴가 발생하지 않도록 띠철근을 150 mm 간격으로 배치하고 재질은 HD10 철근을 적용하였다. 대조군 실험체는 갈고리정착을 위해 UHD16 철근을 4개 사용하였으며, UHD25 철근을 하부에 4개 적용하여 기계식 슬리브 이음을 통해 PC 보가 일체화 거동을 할 수 있도록 제작하였다. 또한, 띠철근을 150 mm 간격 으로 HD10 철근을 사용하여 갑작스러운 취성파괴를 방지하고자 설계하였다. SBC 유무에 따른 휨 실험체에 대한 설계 강도를 비교해본 결과 대조군 실험체의 전단강도는 SBC가 있는 PC보 실험체와 똑같지만, 휨강도 측면에서는 약 44% 높게 계산되었다.

3.2 제작 및 재료강도

Fig. 4는 실험체 제작과정을 보여준다. SBC 시스템의 인발 성능을 검증 하기 위한 너트체결용 커넥터 실험체는 박스커넥터에 강봉을 배치하여 너트체결로 고정시켰으며, 나사 긴결용 커넥터 실험체는 나사 가공된 박스커 넥터에 나사산이 있는 UHD25 철근을 끼워 결합하였다. 휨 성능을 검증하기 위해 제작된 SBC PC 보 실험체는 보 철근을 배근한 후 나사 가공된 박스 커넥터를 UHD25 하부철근에 끼워 1차 타설을 진행하였다. 그 후 박스커넥터 몸통 내부에 있는 오프닝을 따라 D26 강봉을 배치하고 내, 외부에 F10T너트를 체결하여 보 하부근을 일체화시킴으로써 2차 타설을 진행하였다.

Table 3은 콘크리트와 철근의 재료 강도를 보여준다. 재령일 14일 기준으로 1차, 2차 타설에 사용된 콘크리트의 압축강도는 각각 55.7 및 52.5 Mpa로 나타났으며 실제 공시체 강도는 설계기준 압축강도인 40 MPa보다 높게 나온 것으로 확인되었다. 또한, 하부 휨 철근에 사용된 UHD 25철근의 항복강도는 720 MPa, D26 강봉의 항복강도는 835 MPa로 나타났다.

3.3 가력 및 계측

Fig. 5은 인발 및 휨 실험을 위한 실험체 설치 및 경계조건의 모습을 보여 준다. 인발 실험체는 하부를 고정단으로 구속시킬 수 있도록 인발 실험기기에 고정시켜 당기는 가력 방식을 적용하였으며, 휨 실험체는 하부를 양 끝 단부에 핀 형태로 구속시켜 보 상단부에 힘을 가력하는 방식으로 진행하였다. 인발 실험체는 SBC의 구조적 성능을 평가하기 위해 초기 가력 속도를 0.5 mm/분으로 가력하였으며, 휨 실험체는 SBC가 들어간 보의 구조적 성능을 평가하기 위해 휨 실험체가 항복 했을때 예상 변위를 1.34 mm로 계획하였다.

Fig. 6은 인발 및 휨 실험을 위한 계측계획 모습을 보여준다. 각 인발 실험체에 대한 변형률을 분석하기 위해 강봉 및 철근에는 길이 방향의 변위를 볼수 있도록 2개의 변위계를 부착하였으며, SBC의 변형 정도를 확인하기 위해 SBC 정면부에 2개, SBC 옆면에 2개의 스트레인 게이지를 부착하였다. 휨 실험체는 변형률을 분석하기 위해 휨 파괴가 예상되는 보 하단에 집중적으로 부착하였으며 수직 변위를 측정하기 위해 보 하부 쪽에 LVDT를 3개 설치하였다.

4. 실험 결과

4.1 하중-변위 및 변형률 관계

Fig. 7은 두께에 따른 너트체결용 커넥터 실험에 대한 하중-변위 관계와 하중-변형률 관계를 보여준다. Test 1, Test 2 실험체는 하중이 가력됨에 따라 각각 변위 5, 6 mm까지 일정한 기울기를 가진 탄성 거동으로 하중의 증가에 따라 변형이 증가하다가 그 이후 변형이 급속하게 커지면서 항복과 그 이후 변형 경화의 거동을 보여주었다. 또한, SBC 두께가 25 mm일 때 461.8 kN, 20 mm일 때 488.8 kN의 최대하중 값을 보였다. 이는 SBC의 볼트 접합면의 두께 변화에 따라 구조적 성능이 달라짐을 확인하였으며 두께가 얇을수록 응력집중 현상이 커지는 것으로 판단하였다. 변형률 관계는 Test 1 실험체일 때 1, 2번 게이지에서 0.44%, 0.32%, 3, 4번 게이지에서 3.46%, 1.4%, 5, 6번 게이지에서 0.74%, 0.3%의 최대변형률이 나타났으며, Test 2 실험체일 때 1, 2번 게이지에서 0.43%, 0.5%, 3, 4번 게이지에서 3.02%, 0.11%, 5, 6번 게이지에서 0.1%, 0.35%의 최대변형률을 확인하 였다. 이를 통해 SBC 전면부는 개구부로 인해 SBC 솔리드 면보다 더 큰 변형이 발생하는 것으로 판단하였으며 SBC의 두께가 얇을수록 전면부의 하중 흐름이 균등하지 않음을 확인하였다. 또한, 5, 6번 변형률 곡선을 비교하였을 때 SBC 접합부의 개구부에서 멀리 떨어질수록 변형률이 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 8은 두께에 따른 나사 긴결용 커넥터 실험에 대한 하중-변위 관계와 하중-변형률 관계를 보여준다. Test 3, Test 4 실험체는 하중이 가력됨에 따라 각각 변위 4, 5 mm까지 일정한 기울기를 가진 탄성 거동으로 하중의 증가에 따라 변형이 증가하다가 그 이후 변형이 급속하게 커지면서 항복과 그 이후 변형 경화의 거동을 보여주었다. 또한, SBC 두께가 25 mm일 때 378.7 kN, 20 mm일 때 379.1 kN의 최대하중 값을 보였다. 이는 SBC의 두께가 얇을수록 최대하중 값이 약 0.1% 큰 것으로 나타났으므로 나사산으로 접합된 부분은 접합면의 두께에 따라 구조성능에 영향을 미치지 않는 것으로 판단하였다. 변형률 관계는 Test 3 실험체일 때 1, 2번 게이지에서 3.94%, 4.09%, 3, 4번 게이지에서 0.18%, 0.08%, 5, 6번 게이지에서 0.02%, 0.09%의 최대변형률이 나타났으며, Test 4 실험체일 때 1, 2번 게 이지에서 7%, 1.24%, 3, 4번 게이지에서 0.19%, 0.03%, 5, 6번 게이지에서 0.01%, 0.01%의 최대변형률을 확인하였다. 이를 통해 SBC 전면부는 개구부로 인해 SBC 솔리드 면보다 더 큰 변형이 발생하는 것으로 알 수 있 었으며, 5, 6번 변형률 곡선을 비교하였을 때 SBC 접합부의 개구부에서 멀리 떨어질수록 변형률이 낮은 것으로 나타났다. 또한, SBC의 두께가 얇을 수록 전면부의 하중 분배가 균등하지 않음을 확인하였으며, 접합부 면에서의 변형과 응력집중 현상은 너트체결용 커넥터 실험체가 더 큰 것으로 판단 하였다.

Fig. 9는 SBC 두께에 따른 휨 실험체와 대조군 실험체의 하중-변위 관계와 하중-변형률 관계를 보여준다. Test 5, Test 6 실험체는 SBC 두께가 25 mm일 때 최대하중 399.12 kN에서 변위는 26.05 mm로 나타났으며, SBC 두께가 20 mm일 때 최대하중 377.6 kN에서 변위는 25.06 mm로 나타났다. 이를 통해 SBC 볼트 접합면의 두께가 커질수록 힘을 골고루 분산 시켜 응력 집중현상을 줄일 수 있다고 판단하였다. 변형률 관계는 Test 5 실험체일 때 1, 3번 게이지에서 1.29%, 1.37%, 2, 4, 6번 게이지에서 1.19%, 1.74%, 1.28%의 최대변형률이 나타났으며, Test 6 실험체일 때 1, 3, 5번 게이지에서 1.47%, 1.39%, 1.64%, 2, 4, 6번 게이지에서 1.54%, 1.18%, 1.13%의 최대변형률을 확인하였다. 이를 통해 SBC의 볼트 접합면의 두께가 얇을수록 보 하부 철근에 가해지는 하중이 커지는 것으로 알 수 있었다.

대조군 실험체인 Test 7은 최대하중 614.66 kN에서 변위는 13.5 mm로 나타났으며, 최대하중 이후 하중이 가파르게 감소하는 것을 확인하였다. 이는 커플러가 항복강도까지 갔지만, 그 이후 커플러의 나사 부분이 깨지면서 연성능력을 확보하지 못하고 급격하게 강도가 떨어짐으로 인해 사인장 균열로 전단파괴가 발생하여 지지력을 잃게 된 것으로 판단하였다. 변형률 관계는 1, 3, 5번 게이지에서 3.27%, 2.31%, 2.98%, 2, 4, 6번 게이지에서 2.13%, 2.71%, 1.87%의 최대변형률을 확인하였다. 이는 SBC의 유무에 따라 보 하부 철근에 가해지는 하중의 크기가 달라짐을 변형률 관계을 통해 알게되었으며, SBC의 역할은 보의 취성파괴를 방지하고 에너지 소산능력을 향상시킬 것으로 판단하였다.

4.2 파괴모드

Fig. 10은 인발과 휨 실험체의 파괴모드를 보여준다. Test 1, Test 2 실험 체는 Steel 박스와 강봉이 결합되어 있는 접합부 부분에서 항복강도를 초과하여 인장으로 인한 응력집중 현상으로 인해 변형 및 파단이 발생하였다. Test 3, 4 실험체는 Steel 박스와 철근이 결합되어 있는 접합부 부분에서 응력이 발생하여 철근 부분에서 파단이 발생하였다. 이를 통해 강봉 및 철근의 직경크기에 관계없이 SBC의 형태적 특성에 따라 내력 성능이 결정되는 것 확인하였으며, SBC에서 가장 취약한 영역은 강봉과 철근이 접합되어있는 부분으로 판단하였다.

Test 5 실험체는 214 kN 지점에서 첫 번째 균열이 중립축에서 발생했으며 중립축을 따라 보 하단부까지 균열이 확산되면서 283 kN 지점에서 보 하단의 균열이 눈에 보일 정도로 선명하게 나타났다. Test 6 실험체는 300 kN지점에서 첫 번째 균열이 중립축에서 발생하였으며 최대하중 377.60 kN이 발생한 후 하중이 급격하게 감소하여 실험이 종료되었다.

대조군 실험체인 Test 7은 335 kN 지점에서 중립축 균열이 발생하였다. 하지만 450 kN 지점에서 예상치 못한 사인장 균열이 발생하여 최대하중을 받은 614.66 kN 지점에서 인장철근이 파단이 되면서 전단파괴가 발생하였다. 이러한 파괴 모드가 발생한 이유는 항복강도까지는 커플러의 연성능력을 확보하였지만, 최대강도에 도달함과 동시에 커플러 나사부분이 깨짐으로써 지지력을 잃게 된 것으로 판단하였다. 이를 통해 내력 실험을 했을 때 소재실험과 달리 SBC 두께가 클수록 최대하중 값이 큰 것을 알 수 있었으며, SBC는 콘크리트와 결합을 했을 때 SBC의 두께가 두꺼울수록 콘크리트와 SBC 사이의 응력 전달이 전체적으로 분산되어 취성적 균열이나 손상 없이 우수한 구조 성능을 보여주는 것을 확인하였다.

5. 유한요소해석을 통한 성능검증

5.1 유한요소해석 개요 및 절차

본 연구에서는 개발된 SBC의 구조적 성능과 거동특성을 수치 해석적으로 평가하기 위하여, Fig. 11와 같이 SBC가 포함된 인발 실험체와 휨실험체로 구분하여 해석 모델을 구축하였다. 해석 모델은 범용 유한요소해석 프로그램인 Ansys[31]을 사용하였으며, 해석 모델의 유효성을 검증하기 위해 해석 및 실험 결과를 비교하였다.

SBC 시스템의 FEM 해석 모델 절차는 Geometry, Mesh, Material Properties, Boundary Condition, Solver Setup 순으로 진행하였다. SBC에 대한 상세 형상과 치수는 Auto Cad로 그리고 Ansys에 있는 Space Claim tool을 이용하여 SBC에 들어가는 박스커넥터, 볼트, 강봉, 철근, 콘크리트를 3D Model로 표현하였다. 또한, Mesh 작업을 통해 SBC 3D Model 형상을 작은 요소로 나누어 수치해석이 가능하도록 하였다. 모델링에 적용된 요소형상, Mesh 유형, 크기는 Table 4, Fig. 12에 나타내었다. 박스커넥터, 볼트, 강봉, 철근의 경우, 변형이 크기 때문에 정확도와 수렴성이 우수한 고차 솔리드 요소가 요구되므로 비선형 거동을 분석하는데 사용되는 SOLID186을 적용하였다. 콘크리트의 경우, 변형이 작기 때문에 솔리드 요소가 요구되므로 선형 탄성해석을 분석하는데 사용되는 SOLID65를 적용하였다. SBC해석 모델에 사용된 주요재료는 강박스와 강봉이므로 강박스는 SCW 550, 강봉은 Semalloy D26.5, 철근은 UHD25로 선정하여 모델링을 수행하였다. 모델링에 적용된 재료의 물성치는 Table 5에 나타내었다. 인발 실험체 의 경우, 경계조건은 박스커넥터 모서리에 고정 지지를 하였으며 강봉과 철근에 변위 하중을 가하였다. 휨 실험체의 경우, 경계조건은 양단 핀으로 설정하고 콘크리트 상부에 변위 하중을 가하였다. 또한, 겹침이음 및 접합부는 미끄러짐이 없고 경계면의 노드가 동일한 변위를 갖도록 구속하였다.

5.2 하중-변위곡선

Fig. 13는 각 실험체별 실제 하중-변위 거동과 유한요소해석을 통한 해석결과를 비교한 그래프를 보여주고 있으며, 파란색 점선은 시뮬레이션 결과, 검은색 더블 점선은 계산된 재료의 물성치, 빨간색 실선은 실제 실험 결과를 의미한다. 너트체결용 커넥터를 사용한 Test 1, 2 실험체의 최대하중은 각각 518.67 kN, 511.8 kN 지점에서 발생하였으며, 나사 긴결용 커넥터를 사용한 Test 3,4 실험체의 최대하중은 각각 390.8 kN, 393.9 kN 지점에 서 나타났다. 이를 통해 모든 인발 실험체에 대한 해석 모델은 실험 결과와 해석결과의 최대하중 차이가 15% 이내로 근접하게 하중-변형의 관계를 예측하는 것을 보여주었다.

또한, Test 3, Test 4 실험체의 해석 결과값은 실제 실험 결과보다 5~10% 더 큰 값을 보여주고 있지만, 변형 측면에서는 실제 실험 결과값이 1.2배 높은 변형을 보이는 것을 확인하였다. PC 보에 SBC를 사용한 Test 5, 6 실험체의 최대하중은 390.5 kN 지점에서 발생하였으며 항복점은 325 kN 지점에서 나타났다. SBC를 사용하지 않은 Test 7 실험체는 최대하중은 652.3 kN 지점에서 발생하였으며 항복점은 621.5 kN 지점에서 나타났다. 이를 통해 모든 휨 실험체에 대한 해석 모델은 실험 결과와 해석결과의 최대하중 차이가 15% 이내로 근접하게 하중-변형을 예측하는 것을 보여주었으며, FEM 해석 모델 결과는 실제 실험 결과보다 높은 수치를 가지는 것을 확인하였다.

5.3 파괴모드

Fig. 14는 각 인발 실험체의 해석 모델에 대한 단계별 파괴과정을 나타 내었다. Test 1, 2 실험체는 너트가 인장력에 의해 당겨지면서 인장변형이 발생하였으며 너트가 이동하면서 강봉에 영향을 줌으로써 강봉에 변형이 생기기 시작하였다. 그 후, SBC의 너트체결면이 응력 집중현상에 따른 변형으로 인해 파괴가 발생하였다. 이를 통해 SBC에서 가장 취약한 영역은 SBC 너트 접합면임을 확인하였다. Test 3, 4 실험체는 철근이 인장력에 의해 당겨지면서 인장변형이 발생하였다. 그 후, 나사 홈을 만든 SBC 면이 움직임이 생기면서 철근이 파괴되었다. 이를 통해 나사 홈을 만들어 철근을 체결한 SBC 전면부 근처에서 응력집중 현상이 나타남을 확인하였다.

Fig. 15는 SBC 유무에 따른 PC 보 해석 모델의 변형 모습을 나타내었다. SBC가 설치된 Test 5, 6 실험체는 보 상단에 하중이 가력됨에 따라 보에 휨이 발생하였으며 보의 중앙부 하단에서 처짐이 발생하였다. 그 이후 SBC가 수직 하중으로 인해 변형이 발생하였으며 21.38 mm의 최대 처짐에서 파괴 되었다. Test 7 실험체는 하중이 증가함에 따라 보의 중립축에서 처짐이 발 생하였으며 14.08 mm의 최대 처짐에서 파괴가 발생하였다. 이를 통해 SBC가 없는 보에서는 일반적으로 콘크리트의 압축 및 인장 응력으로 인해 균열 및 파괴가 발생하였지만, SBC가 있는 보에서는 SBC 자체에서 좌굴 또는 항복으로 인한 파괴가 발생하였기 때문에 개발된 SBC는 에너지 소산 능력을 증가시키고 보의 취성파괴를 방지하는 것으로 판단하였다. 또한, PC 보에 SBC를 추가하면 응력을 보다 고르게 분산시켜 콘크리트 균열 또는 박리를 방지하며 연성적으로 최대하중 도달 이후에도 변위 증가로 인한 하중 지지 성능을 보여줌을 확인하였다.

6. 요약 및 결론

본 연구에서는 중간 모멘트골조 대상으로 PC 접합부의 휨 성능을 증진 시키기 위한 새로운 접합시스템인 SBC를 개발하고 인발과 휨 실험을 진행하여 SBC 접합시스템의 구조적 거동을 분석하고 구조 성능을 평가하고자 하였다. 또한, 해석 시뮬레이션을 진행하여 하중가력성능, 변위 및 변형 성능, 응력집중, 국부적 파괴 형상 등 실험 결과와의 비교를 통해 유한요소해석의 신뢰성을 검증하였다. 해당 연구에 대한 주요 결론은 다음과 같다.