구조내력실험
개요
조립식 경량철골 시스템의 구조적 안정성확보를 위한 구조물의 실구조 내력실험을 실시하여 경량형강부재는 물론 접합부품의 조합에 따른 전체 구조물의 내력을 실증하고, 접합부의 모멘트 접합에 의한 Portal Frame구조의 안정성 확인을 위해 접합부 조인트의 나사와 이음판의 변화에 따른 구조시스템 전체의 구조특성, 내력 및 강성에 대한 평가를 목적으로 한다. 실구조물 실험은 이론적인 구조해석에 의한 구조설계작업과 함께 중요하며 이를 통해서 하중 가력에 의한 전체 구조물 거동을 알 수 있다. 특히 기둥과 서까래와의 연결부와 서까래끼리의 연결부위에서는 실제거동이 구조물의 안정성에 미치는 영향이 크기 때문에 구조설계과정에서 산정한 이론적인 강성에 대한 실물실험을 통한 검증은 필수적이다.
실험내용
본 실험에서는 구조물을 실물크기로 제작하고 수직하중을 유압장치로 가력하여 구조물의 안정성을 검증하기 위해 다음과 같은 실증실험을 실시하였다.
- 부재간 연결부인 용마루와 처마의 강성 및 내력 평가
- 기둥과 바닥과의 앵커부위의 강성 및 내력 평가
- 주 구조 부재의 내력 및 강성 검증
- 중도리에 의한 서까래의 횡좌굴 구속능력 검토
또한 이러한 실물실험을 통하여 연결부의 거동을 확인하고 연결부위의 파괴양상을 확인하였다.
실험조건
본 실험 대상 실험체의 스팬은 7.2[m], 프레임간 간격(Bay)은 4.2[m]으로 설계되었다. 또한 실험체의 프레임간 간격은 Portal Frame구조의 경우 횡좌굴을 구속하는 역할만을 하므로 4.0[m]로 제작하였다. 실험체의 사양은 그림에 도시하였다.
실험체의 평면
실험체의 입면
구조해석 결과
해석 모델은 실험체와 동일한 크기의 2차원 좌표를 이용하여 표현하였으며, 지지점은 모두 힌지(Hinge)로 나타내었다. 실험체의 용마루와 처마는 강절(Fully Rigid)로 가정하였고 하중은 실험체의 가력상황과 같은 위치에 가력하여 실험시와 동일한 상황으로 모델링하였다.
실험체의 가력 모델링
해석결과는 그림의 모멘트 전개에서 보이는 것과 같이 골조가 외부 하중을 받으면서 생기는 두 절점(용마루와 처마)에서의 응력이 거의 동시에 소성역에 들어가는 것으로 나타나 있다. 따라서, 해석의 결과는 그림과 같이 두 절점에서 거의 동시에 소성힌지가 발생하여 파괴모드에 이르는 것으로 나타났다.
실험체 해석결과
수직하중에 의한 모멘트 전개도
실구조물실험 결과
실험체에 대한 하중가력은 중도리 위치에서 가력 장치를 연결하여 선하중을 가력하였다. 자세한 가력 상황은 그림과 같다. 하중가력은 50t, 100t, 200t급 Oil Jack을 사용하여 가력하였고, 수평변위 측정용 변위계는 양측에 2개씩 총 4개를 설치하였고 수직변위 측정용 변위계는 용마루 부위에 1개씩 총 2개를 설치하였다. 스트레인 게이지는 기둥 상부 플랜지에 2개, 보 용마루와 처마 근접부위에 2개씩 설치하였다. 하중은 10 [kg/m2] 단위로 가력하였고, 실험진행상 안전사고 방지를 위하여 구조물이 탄성한도를 넘는 변형을 일으켰다고 판단되는 수준에서 가력을 종료시켰다.
하중가력 방법
하중가력에 따른 실험체의 변형형태를 그림에 나타내었다.
실험체의 변형 모드
수직하중은 프레임의 중도리 위치에서 프레임당 6곳씩, 총 12곳을 선하중으로 가력하여 그림과 같이 변위계를 설치하여 골조의 변위를 측정하였다. 각각의 실험체의 하중변위관계는 그림과 같다. 그림과 같이 각 실험체는 모두 비교적 안정적인 거동을 하였고, 선형으로 하중과 변위가 증가하다가 일정하중 후에 약간의 기울기의 변화를 보였다.
실험체의 하중-변위곡선
수직가력에 따른 실험값과 설계수직하중과의 비교는 구조계산서에서 명시하고 있는 하중조건에서 가장 불리한 하중조합인 고정하중(D.L.)과 적설하중(S.L.) 이 동시에 작용하는 경우에 대하여 실험한 것을 비교하였다.
각각에서 사용한 하중은 구조계산서에서 명시하고 있는 하중값을 사용하였다.
| Loading | 설계치 | 실험치 |  |
 |
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|---|---|---|---|---|---|
| 하중 Ld (kg/㎡) |
하중 Ly (kg/㎡) |
하중 Lu (kg/㎡) |
|||
| 수직 | 67.2 | 196.0 | 291 | 2.92 | 4.33 |
그리고 허용 처짐량에 대해서는 위에서와 마찬가지로 설계조건과 비교검토하였다. 허용처짐량 기준은 서까래의 경우 1/250, 기둥재의 경우는 1/200로 하여 실험에 의한 처짐량과 비교검토하였다.
| Loading | 설계치 | 실험변위(mm) |  |
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|---|---|---|---|---|---|---|
수직변위  |
수평변위  /th>
| 수직변위  |
수평변위  |
|||
| 수직 | 28.8 | 20.0 | 18.2 | 5.26 | 0.632 | 0.263 |
실험수행결과 수직가력시 전체적으로 안정적인 거동을 보였다. 수직하중의 경우 실험체는 모두 설계하중 및 변위를 만족하였으며, 전체적인 건물의 강성도 이론치를 넘는 것으로 나타났다. 이론해석에서는 앞에서 전제한 바와 같이 재료의 물성, 서까래의 스팬길이, 기초의 지지조건, 절점의 구속조건 등을 이상적인 조건에서 해석한 것으로 실험값과의 차이는 여러 가지로 설명될 수 있다. 가력하중의 경우 모든 실험체가 설계하중을 초과하는 것으로 나타났다. 부재가 커짐에 따라 내력이 증가하였고 실험체가 종국상태에 이르러 실험을 종료하였다. 또한 실험체가 전체적으로 안정적인 거동을 한 것으로 판단할 수 있으며 이같은 실험을 통해 조립식 경량철골 시스템의 수직 하중에 의한 내력 및 강성이 이론적인 설계예측과 어느 정도 일치함을 알 수 있다.
