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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.3 pp.98-105
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.3.98

Development of Composite Joint Consisting of H Section Steel and Structural Glued Laminated Timber

Ki Joe Lee1, Jae Yuel Oh2, Soon Chul Kim3, Il Seung Yang4, Hyung Soon An5
1Ph.D. Candidate, Department of Architectural Engineering, Dongshin University, Korea
2Chief of Researcher, Sejin R&S, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, Dongshin University, Korea
4Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Dongshin University, Korea
5Associate Professor, Department of Urban Planning, Dongshin University, Korea

본 논문에 대한 토의를 2018년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2018년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: An, Hyung Soon Department of Urban Planning, Dongshin University, 185, Geonjae-ro, Naju-si, Jeollanam-do, 58245, Korea. Tel: +82-61-330-3176, Fax: +82-61-330-3176, E-mail: hsan99@dsu.ac.kr
August 17, 2018 September 7, 2018 September 17, 2018

Abstract


Recently, the demand for wooden houses has increased due to the growing interest in the eco-friendly. However, there is very lack of property for wooden material for structure on research and guidance and construction details for design. In particular, demands for the development of wood structures joints to ensure seismic performance are increasing. Therefore, in this study material tests of structural glued laminated timber with other grade components were conducted and the composite joint securing seismic performance with highly constructability was developed. To evaluate the performance of the developed composite joints, an experimental study was performed on the joints under cyclic loads. Further, based on the results of the material test, the detailed finite element analysis of the joint was performed to predict the behavior of the joint. Based on the results of experiments and analysis, it is deemed that the structural performance can be obtained by the developed composite joint.



H형강과 구조용집성재로 구성된 합성 목구조 접합부 개발

이 기조1, 오 재열2, 김 순철3, 양 일승4, 안 형순5
1동신대 건축공학과 박사과정
2세진알앤에스 소장
3동신대 건축공학과 교수
4동신대 건축공학과 부교수
5동신대 도시계획학과 부교수

초록


최근 친환경에 대한 관심의 증가로 목조주택에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만, 목구조의 물성치에 대한 연구 와 설계에 대한 지침 및 시공상세는 매우 부족하고 이에 대한 연구도 미흡하여 실무자들이 구조설계 및 시공을 하는데 많은 어 려움을 겪고 있다. 특히, 내진성능이 중요시 되고 있는 현시점에서 내진성능을 확보할 수 있는 접합부의 개발이 요구된다. 따 라서, 이 연구에서는 다른등급구성집성재에 대한 휨실험과 압축실험을 수행하여 재료의 물성치에 대한 소재시험을 진행하였다. 제안된 접합부의 구조성능을 검증하기 위하여 접합부에 반복하중을 가력하는 실험을 수행하였다. 또한, 진행한 재료시험의 결 과를 사용하여 접합부에 대하여 유한요소해석을 진행하였다. 실험 및 해석결과 개발된 접합부는 충분한 구조성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.



    1. 연구배경 및 목적

    최근 사회적 이슈로 급부상한 공동주택의 사생활 침 해, 층간 소음, 층간 흡연 등의 문제와 높은 수도권의 전세값과 매매값, 교통망 확대로 인하여 교외지역에서 서울로의 접근이 이전보다 편리해졌다는 점이 ‘탈서 울화’현상에 기여하고 있다. 이러한 이유로 전원주택 으로 이주를 희망하는 인원이 증가하고 있으며, 특히 친환경에 대한 관심의 증가로 목조주택에 대한 수요 가 증가하고 있다.(Kim, H. J., 2013, Kim, Y. H., 2009) Fig. 1에는 2018년에 통계청(KOSIS)에서 발표한 연도별 목조구조물의 동수를 그래프로 나타낸 것으로 2012년부터 꾸준하게 목조구조물에 대한 수요가 증가 한 것을 확인할 수 있다.

    하지만, 목구조의 물성치에 대한 연구와 설계에 대한 지침 및 시공상세는 매우 부족하고 이에 대한 연구도 미흡하여 실무자들이 구조설계 및 시공을 하 는데 많은 어려움을 겪고 있다. 특히, 내진성능이 중 요시 되고 있는 현시점에서 내진성능을 확보할 수 있 는 접합부의 개발이 요구된다.

    따라서, 이 연구에서는 다른등급구성집성재에 대 한 휨실험과 압축실험을 수행하여 재료의 물성치에 대한 소재시험을 진행하였다. 또한, Fig. 2(a)에 나타낸 것과 같이 강구조의 철골접합부를 차용하여 접합부를 구현하고, Fig. 2(b)에 나타낸 것과 같이 구조용집성재 에 슬릿(slit)을 만들고 H형강을 삽입하여 제작하는 방 식을 개발하였다.(Kim, S. C. and Yang, I. S., 2006) 제안된 접합방식은 H형강을 사용하여 넓은 지압면적 을 확보할 수 있기 때문에 국부적인 파괴가 방지되고, 내력 및 강성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상 된다. 제안된 접합부의 구조성능을 검증하기 위하여 단순보 형태로 수직하중을 가력하는 수직하중 가력실 험과 고정단 형태로 수평하중을 가력하는 수평하중 가력실험을 수행하였으며, 이를 유한요소해석결과와 비교하여 분석하였다.

    2. 소재시험

    2.1 휨실험

    구조용집성재는 규정된 강도등급에 따라 선정된 제재 목 또는 목재층재를 섬유방향이 서로 평행하게 집성⋅ 접착하여 공학적으로 특정 응력을 견딜 수 있도록 생 산된 제품이다. KS F 3021에 의하여 구조용집성재의 종류는 층재의 구성과 배치에 따라 같은등급구성집성재 와 대칭 또는 비대칭 다른등급구성집성재로 구분한다. 이 연구에서는 접합부의 실험에 앞서 구조용집성재에 대하여 휨, 압축 그리고 부분압축 실험을 수행하였다.

    실험체 제작에 사용된 구조용집성재의 종류는 대 칭 다른등급구성집성재로 9S-27B이며, KS F 3020에 제시된 침엽수기계등급구조재의 품질기준에 따라서 E11등급에 해당된다. 휨 실험체는 KS F 3021에 따라 Fig. 3(a)에 나타낸 것과 같이 실험체의 길이는 500 mm, 폭과 높이는 모두 25 mm이다. 경간의 길이는 높 이의 18배인 450 mm로 지점과 가력점의 거리는 모두 150 mm 간격이다.

    실험결과는 Table 1에 정리하여 나타내었다. 여기 서 산정된 휨 탄성계수(Eb)는 KS F 3021에 따라 으로 산정하였다. 여기서, Pe와 Δe는 각각 비례 한도 하중(N)과 비례 한도 변형(mm), L , bh는 각각 실 험체의 경간(mm), 너비(mm) 및 높이(mm)이다. 휨 강 도(fb)는 아래의 식으로 산정이 가능하다.

    E b = 7 P e L 3 36 Δ e b h 3
    (1)
    f b = P m L b h 2
    (2)

    여기서, Pm는 최대 하중(N)이다. 이렇게 산정된 휨 탄성계수의 평균과 휨 강도의 평균은 각각 15.77 GPa와 67.03 MPa로 KBC 2016에서 제시하고 있는 휨 탄성계수 8.00 GPa와 9.00 MPa보다 매우 큰 값을 가 지는 것을 확인할 수 있다.

    2.2 압축실험

    구조용집성재의 압축력에 대한 저항성능을 검증하기 위하여 중심압축실험과 부분압축실험을 수행하였다. 중심압축실험체의 길이는 Fig. 3(b)에 나타낸 것과 같 이 60 mm이고, 폭과 높이는 20 mm로 총 10개의 실 험체를 제작하였다. 실험체의 양단부에는 하중 가력시 때 발생할 수 있는 국부적인 지압파괴를 방지하기 위 하여 캡(cap)를 사용하여 보호하였다. 실험결과는 Table 2에 비례한도 응력(proportional limit strength), 압축강도 (compressive strength), 탄성계수(modulus of elasticity)로 정리하여 나타내었다. 평균 비례한도 강도, 평균 압축 강도는 각각 27.82 MPa와 42.74 MPa이었으며, 평균 탄성계수는 21.69 GPa이다.

    구조용집성재에 국부적인 하중이 작용할 때의 지 압강도를 측정하기 위하여 부분압축실험을 Fig. 3(c)와 같이 수행하였다. 실험체의 길이는 150 mm이며, 수직 집성재의 폭과 높이는 각각 25 mm와 50 mm이다. 실 험결과는 Table 3에 정리하여 나타내었으며, 평균 비 례한도 강도, 평균 압축강도는 각각 3.44 MPa와 5.10 MPa이었으며, 평균 탄성계수는 0.25 GPa이다.

    2.3 강재

    수직하중 실험체와 수평하중 실험체 제작에는 각각 SS400강종의 H-200×100×6.5×9와 H-200×100×5.5×8을 사용하였다. 두 형강의 플랜지와 웨브에 대하여 각각 3개씩의 시편을 제작하여 인장실험을 수행하였다. Table 4에는 시편들의 인장실험결과의 평균값을 정리 하여 나타내었다. 사용된 모든 강재의 항복강도는 설 계강도보다 큰 것을 확인하였다.

    3. 부재실험

    3.1 수직하중 가력실험

    실험체는 Fig. 2(b)에서 설명한 것과 같이 구조용집성 재에 슬릿을 설치하여 H형강을 삽입하는 방식으로 제 작하였다. 실험체 제작에 사용된 구조용집성목재는 대 칭 다른등급구성집성재(9S-27B)이며, H형강은 H-300× 150×6.5×9(SS400강종)이다. Fig. 4(a)에 나타낸 것과 같이 실험체의 전체길이는 2,200 mm, 실험경간은 2,000 mm이며, 폭과 높이는 각각 150 mm와 300 mm 이다. 구조용집성재와 H형강의 겹침길이는 600 mm이 며, 구조용집성재의 상부와 하부면에 약 1∼2 mm의 두께의 에폭시를 도포하여 H형강과의 일체성을 확보 하였다.(Kim, S. C. et al., 2007)

    실험체에 하중은 Fig. 4(b)에 나타낸 것과 같이 1,000 kN용량의 UTM(Universal testing machine)을 사 용하여 실험체에 중앙부(지점에서 1,000 mm 떨어진 지점)에 도입하였다. 분당 1 mm의 속도로 변위제어를 통하여 반복하중을 가력하였으며, 가력점에서 발생할 수 있는 지압적인 파괴를 방지하기 위하여 가력점에 는 철판을 설치하였다. 목표변위는 2.5 mm(1/400 rad.), 5.0 mm(1/200 rad.), 10.0 mm(1/100 rad.), 16.7 mm(1/60 rad.), 25.0 mm(1/40 rad.), 33.3 mm(1/30 rad.), 50.0 mm(1/20 rad.), 66.7 mm(1/15 rad.), 100.0 mm(1/10 rad.)의 순서로 설정하여 가력하였다. 모든 변위는 가력점과 위치의 실험체 하부에 설치한 LVDT 를 사용하여 측정하였다.

    실험체는 Fig. 5(a)에 나타낸 것과 같이 변위 6.25 mm(1/160 rad.)까지는 일정한 강성을 가지고 탄성적인 거동하였다. 이후 H형강과 겹친 부분 옆에서 구조용 집성재 하부에서 수평전단균열이 발생하여 일시적으 로 하중이 감소하였다. 하중이 증가하면서 강성이 서 서히 감소하였으며, 변위 20 mm(1/50 rad.)에서 수평 전단파괴가 일어나면서 하중이 급격하게 저하되었다. 최종적인 파괴형상은 Fig. 5(b)에 나타내었으며, H형강 과 겹친 부분의 옆에서 다수의 균열이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 구조용집성목의 인장측(하부)에서 접착증과 층재 사이에서 수평전단균열이 발생하여 부 착력이 급격하게 저하되면서 파괴된 것을 확인할 수 있다.

    3.2 수평하중 가력실험

    개발 접합부의 수평하중에 대한 저항성능을 검증하기 위하여 T자형 보 부재에 대한 실험적 연구를 수행하 였다. 제작에는 대칭다른등급구성집성재(9S-27B)와 H 형강(SS400)이 사용되었다. Fig. 6(a)에 나타낸 것과 같이 실험체의 전체 길이는 1,470 mm, 구조용집성재 의 폭과 높이는 각각 100 mm와 184 mm이다. 구조용 집성목에는 8 mm 폭의 슬릿을 두어 H형강 (H-200×100×5.5×8)을 삽입하였으며, 집성재와 H형강 의 겹침길이는 400 mm이다. 수직하중 실험체와 동일 하게 겹치는 부분의 구조용집성재 상부와 하부에 에 폭시를 도포하여 H형강과의 일체성을 확보하였다. H 형강의 단부에는 두께 30 mm의 앤드플레이트를 설치 하여 하중가력시 발생할 수 있는 국부변형을 방지하 였고, Fig. 6(b)에 나타낸 것과 같이 앤드플레이트를 프레임과 연결하여 고정단을 구현하였다.(Kim, S. C. et al., 2007)

    100 kN용량의 유압잭을 사용하여 Fig. 6(b)에 나타 낸 것과 같이 실험체 단부에서 1,325 mm 떨어진 곳 에 변위제어로 가력하였으며, 동일한 위치에 LVDT를 설치하여 변위를 측정하였다. 또한, 구조용집성재와 H 형강의 접합부에서 발생하는 변위를 측정하기 위하여 Fig. 6(b)에 나타낸 것과 같이 앤드플레이트에서 360 mm 떨어진 곳에 LVDT를 추가적으로 설치하였다. 역 반복하중(reverse cyclic loading)을 도입하였으며, 가력 이력은 ±6.63 mm(1/200 rad.), ±13.25 mm(1/100 rad.), ±22.08 mm(1/60 rad.), ±33.13 mm(1/40 rad.), ±44.17 mm(1/30 rad.), ±66.25 mm(1/20 rad.), ±88.33 mm(1/15 rad.), ±132.5 mm(1/10 rad.)이다.

    실험결과를 Fig. 7(a)에 모멘트-변형각 관계 곡선으 로 나타내었다. 변위 22.1 mm(1/60 rad.)까지 일정한 강성을 가지고 탄성적인 거동을 보였으며, 강성이 미 소하게 감소하다가 변위 23.5 mm(1/57.7 rad.)에서 최 대 모멘트에 도달한 후 H형강과 집성재 사이에 균열 이 발생하면서 하중이 급격하게 저하되었다. 최대모멘 트는 24.3 kN⋅m로 Fig. 7(a)에 초록색 점선으로 나타 낸 KBC 2016에서 제시하고 있는 허용응력(fb)를 사용 하여 산정한 모멘트 강도에 비하여 매우 큰 강도를 확보할 수 있는 것을 확인하였다. 이후, 발생한 균열 의 폭이 점차 증가하면서 하중이 점차적으로 감소하 였고 종국에 Fig. 7(b)에 나타낸 것과 같은 균열형태 로 파괴되었다.

    실험체 전체변형( δ t o t a l )은 집성재와 H형강이 겹쳐 져 있는 접합부에서 발생하는 접합부변형( δ j o i n t )과 목 재에서 발생하는 목재변형( δ t i m b e r )의 합이다. 여기서 접합부에서 발생하는 변형은 목재에서 발생하는 변형 의 3%미만으로 매우 작기 때문에 무시할 수 있다. 따 라서, 실험체의 강성은 구조용집성재의 강성과 유사하 며, 이를 Fig. 7(a)에 실험결과와 비교하여 빨간색 점 선으로 나타내었다. 탄성영역에 내에서의 초기강성을 매우 정확하게 예측하는 것을 확인할 수 있다.

    4. 유한요소해석

    4.1 유한요소해석 모델링

    실험체들의 상세거동을 평가하기 위하여 ABAQUS프 로그램을 사용하여 비선형유한요소해석(nonlinear finite element analysis)를 수행하였다. 구조용집성재와 H형 강은 3D솔리드요소(soild elements)를 사용하여 모델링 하였다. 다양한 3D솔리드요소들 중에 해석의 수렴도 및 결과의 정확도를 높이기 위해서 육면체 형태로 8 개의 노드(node)를 갖는 C3D8R요소를 사용하였 다.(Kim and Nguyen, 2010) 구조용집성재와 H형강은 에폭시를 사용하여 부착하였기 때문에 완전합성을 가 정하여 tie조건을 부여하여 모델링하였다. 수직하중 실 험체와 수평하중 실험체 모두 폭방향의 대칭성을 이 용하여 1/2만 모델링하였으며, 경계조건은 Fig. 8에 나 타낸 것과 같이 실험조건과 동일하게 하였다. 모델링 에 사용된 재료의 물성치는 재료실험을 통하여 얻은 값을 사용하였다.

    4.2 유한요소해석 결과

    수직하중이 작용하는 실험체의 해석결과를 Fig. 5(a)에 실험결과와 비교하여 나타내었다. 초기의 강성은 실험 체보다 다소 높게 나왔지만, 이후 변위 (0.003 rad.)부 터 강성이 점점 작아져서 실험결과와 비유한 강도을 가졌다. 이후 강성이 점차 낮아지다가 변위 (0.021 rad.)에서 최대강도에 도달하였다. 이후 H형강에 인접 한 부분의 집성재의 상하부 연단에서 높은 응력이 발 생하여 종국에는 변위 (0.03 rad.)에서 파괴되었다. 파 괴시 실험체의 응력분포은 Fig. 9(a)에 나타낸 것과 같 이 H형강은 완전히 탄성상태에 있고 집성재에 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있다.

    수평하중 실험체의 해석결과를 Fig. 7(a)에 실험결 과와 비교하여 나타내었다. 초기의 강성은 실험체와 유사한 수준으로 탄성적으로 거동하다가 변위 21.4 mm(0.016 rad.)에서 H형강에 근접한 집성재의 압축 및 인장측 연단에 응력이 집중되면서 하중이 급격하 기 저하되었다. 이후 하중이 서서히 저하되면서 최종 적으로 변위 79.5 mm(0.06 rad.)에서 파괴되었다. 파괴 시 실험체의 응력분포를 Fig. 9(b)에 나타내었다. 엔드 플레이트와 인접한 H형강의 플렌지에 국부적으로 항 복한 곳이 있지만, 항복모멘트에 도달하지 않아 단면 이 탄성영역에 있는 것을 확인할 수 있다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 구조용집성재(대칭 다른등급구성집성 재, 9S-27B)에 대한 소재시험을 수행하였고, 시공성이 용이하고 내진성능을 확보할 수 있는 목구조 합성 접 합부에 대한 분석을 수행하였다. 목구조 접합부에 대 한 실험적 연구와 해석적 연구를 통하여 접합부의 구 조적 성능을 검증하였고, 이를 통하여 얻은 결론은 다 음과 같다.

    • 1) 구조용집성재의 휨 실험을 통하여, KBC 2016 에서 제시하고 있는 허용응력이 집성재의 휨응력은 너무 과소평가하고 있는 것을 확인하였다.

    • 2) 구조용집성재의 압축실험 및 부분압축실험을 통하여 집성재에 비례한도강도, 압축강도 및 탄성계수 를 얻었고 이는 앞으로 구조용집성재의 연구와 설계 에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.

    • 3) 집성재의 슬릿에 H형강을 삽입하여 제작하는 목구조 합성접합부의 상⋅하부 플랜지에 에폭시를 도 포하여 시공할 경우 H형강과 집성재의 일체성을 확보 할 수 있어 설계 휨강도보다 큰 강도를 확보할 수 있 음을 확인하였다.

    • 4) 실험과 유한요소해석결과를 기반으로 판단했을 때, 개발 접합부는 H형강과 인접한 집성재에서 파괴 되는 것을 확인하였고, 이 부분을 보강한다면 더 높은 강도와 연성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

    Figure

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    Growth of Wooden Structure from Korean Statistical Information Service
    KOSACS-9-98_F2.gif
    Composite Joint Consisting H Section Steel and Structural Glued Laminated Timber
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    Test specimens
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    Vertical Loading Test
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    Vertical Test Result
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    Horizontal Loading Test
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    Horizontal Test Result
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    Boundary Condition
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    Stress Distribution at Ultimate State

    Table

    Flexural test result
    Compressive test result
    Partial compressive test result
    Tensile test result

    Reference

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