H형강과 구조용집성재로 구성된 휨재의 접합형식에 관한 실험적 연구

H형강과 구조용집성재로 구성된 휨재의 접합형식에 관한 실험적 연구   김순철, 양일승 교수  / 동신대학교 건축학부   삶의 질 향상과 주택에 대한 다양성이 요구되면서 우리나라의 목구조 건축은 최근 급속한 대중화의 바람을 겪고 있다. 그러나 건축 재료로써 순수한 목재의 이용가치는 아직 미약하다. 이번에 소개할 연구논문 ‘H형강과 구조용집성재로 구성된 휨재의 접합형식에 관한 실험적 연구’는 특히 대형 건축 재료로써 목재가 갖는 한계를 극복하기 위해 하이브리드(Hybrid) 시스템의 필요성을 제기하고 있다. 저자인 동신대학교 건축학부 김순철, 양일승 교수 모두 건축학부에서 건축구조 또는 건축재료 분야를 담당하고 있으며, 주택용 목조건축에 대응하기 위한 시스템 연구를 목적으로 올해 4월 대한건축학회논문집에 게재한 논문을 요약 정리한 것이다.     다층공동목조주택의 꿈 하이브리드로 연다   급속한 산업화로 인한 환경오염과 천연자원의 고갈로 환경과 자원의 보전에 관한 관심이 대두되고 있다. 또 건축의 다양성과 개성을 추구하는 건축계의 요청과 조립식 또는 공업화 주택건축을 통한 공기단축으로 건축비 절감이 가능한 목조주택에 대한 관심이 집중되고 있다. 한편, 지구온난화 방지를 위한 기후변화협약(교토의정서, 1997)에 의해 각국의 CO2배출량의 삭감목표 설정 및 실천기한 준수 등의 압력이 가중되고 있으며, 특히 21세기에는 산업전반에 걸쳐 친환경적 생산기술의 확립을 필요로 하게 될 것이다. 목재는 그림 1에 나타낸  것과 같이 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 성장에 필요한 동화작용을 하며 CO2를 제거하는 기능을 갖는다. 즉, 목조건축은 이산화탄소 저장창고를 만드는 것과 같으며 산에는 다시 나무를 심어 새롭게 이산화탄소 흡수능력을 키워서 항상 공기정화기능을 높은 수준으로 유지할 수 있다. 최근 수년간 새로운 주택형태인 목조주택의 시공이 대도시 근교의 전원도시를 중심으로 증가되고 있는 추세이다. 미국이나 캐나다의 경우에는 이미 오래 전부터 목구조는 3층까지 또는 지역에 따라선 5층까지의 다층 다세대 공동주택을 설계·시공할 수 있도록 제도적인 건축법규가 마련돼 있다. 일본에서도 이미 공동주택에 관한 법이 통과되면서 지하층을 제외한 3층까지의 공동주택을 목구조로 지을 수 있도록 돼 있다. 인간에게 가장 자연친화적이고 웰빙(well being)시대에서 요구되는 건강주택의 대명사로 되어 있는 목조건축의 장점들을 단독주택뿐만 아니라 공동주택에서도 폭넓게 누릴 수 있게 된 것이다. 그러나 종래의 목재는 대형부재의 제조가 곤란하고 신뢰성이 낮은 재료라는 한계가 있기 때문에 이러한 결점을 극복하기 위한 하이브리드 시스템이 필요하다.   1. H형강과 결합된 하이브리드 구조시스템   하이브리드 구조시스템으로는 건축물의 하부층은 RC조로 하고, 상부층은 목조(입면적 하이브리드)로 하는 구조형식과 RC코어와 목구조 골조(평면적 하이브리드)의 구조형식이 보급돼 있다. 또한, 목재를 구조부재로 적극 활용하기 위해서는 내화구조의 성능을 갖는 목질부재나 S조 및 RC조와 하이브리드 구조시스템을 이용함으로써 내화성, 내진성, 차음성 등의 현재 요구되어지는 설계수준, 거주수준 등을 만족시킬 필요가 있다. 기존의 목구조에서 사용되는 볼트나 드리프트 핀을 이용한 기계적 접합은 그림 2와 같이 목재 중에 접합구를 삽입하여, 준 내화성능의 확보나 외관상의 이점이 있지만, 하중을 전달하는 지압면적이 작기 때문에 접합장치가 목재 안으로 파고들어 목재에 균열을 발생시키는 약점이 있다. 본 연구는 4층 정도의 사무소건축이나 교외 형태의 호텔, 학교 등 중층목조 건축물을 실현하기 위해 목재의 내력을 충분히 발휘할 수 있는 구조형식 개발의 일환으로 부재의 상·하면에 강재를 노출시키는 하이브리드 접합법을 제안하고 검토하기로 한다. 여기서는 H형강을 이용한 이음접합 단순보의 휨 실험을 행하여, 응력성상의 파악이나 보강방법의 효과를 검토하였다. 새로운 접합법은 그림 3에 나타낸 것과 같이 H형강을 이용하여 H형강의 웨브양쪽에 목질부재를 삽입하여 구성한다. 본 접합법은 대단면 구조용집성재 등의 목질재료의 접합이나 강재나 섬유재로 보강한 목질 하이브리드 부재의 접합에 사용될 수 있다. 또 그림 4에 나타낸 것과 같이 직각으로 접합되는 보-기둥 접합부에도 이용될 수 있다.         2. 접합형식에 따른 실험체 구분과 가력   실험체는 H형강(H-300x150x6.5x9  [SS400])과 구조용집성재(150x300[9S-27B, 대칭 다른 등급])로 구성돼 있다. 구조용집성재에는 H형강의 웨브에 들어갈 수 있도록 슬리트(slit)를 설치했으며, 전체길이는 2200㎜이고, 시험구간은 2000㎜이다. 실험체는 H형강에 구조용집성재를 600㎜ 단순삽입한 실험체, H형강의 상·하 플랜지와 구조용집성재 상·하면에 에폭시를 충전한 실험체(에폭시는 구조용집성재의 가공 시 발생하는 오차로 인해 H형강에 단순 삽입시 H형강과의 틈새가 발생되는데 이를 흡수하기 위하여 사용함), H형강의 웨브와 구조용집성재사이를 볼트(16-φ)로 결합한 실험체, 구조용집성재와 H형강 플랜지와의 일체성 확보를 위해 래그스크류(16-φ13)를 체결한 실험체 등이다.   가력은 그림 6에 나타낸 것과 같이 만능시험기(1,000kN용)를 이용하고, 지지점 거리의 중앙에 집중하중을 가한다. 사용된 만능시험기는 변위제어가 가능하며 분당 1㎜씩 가력하도록 제어했다. 부재의 양단은 핀-롤러지지로 하고, 지지점 거리는 2000㎜로 한다. 가력은 이음접합의 중심으로, 재하 점에서 지지 점까지의 거리는 1000㎜로 하였다. 목재의 패임을 고려해 지지 점에 철판을 설치하였으며, 지지 점은 충분히 회전마찰이 작은 것으로 하였다. 본 연구에서는 구조용집성재에 대한 소재시험은 별도로 행하지 않았으며, KS F 3021의 구조용집성재의 허용 휨응력 및 탄성계수는 건축구조설계기준(2005)에 따른 값을 사용하였다.

 

사회의 복잡화, 다양화에 따라 건축재료 및 구조의 고성능화가 요구되어지고 있는 것이 현실이다. 동신대학교 건축학부 김순철, 양일승 교수는 이러한 사회적 요구에 부응할 수 있는 재료의 개발이 절실하며, 대안으로서 기존 재료의 하이브리드(복합) 화가 유용한 방법이라고 설명하고 있다. 아래에 연재되는 논문은 이러한 관점에서 연재하고 있는 목재와 강재의 하이브리드 구조에 관한 연구의 결론 부분을 요약 정리한 것이다.

 

 

3. 모멘트-변형각의 곡선

 

사진 2는 각 실험체의 파괴형상을 보여주고 있다.
H형강에 구조용집성재를 600㎜삽입한 실험체(사진 2(a))의 최대모멘트 및 최대모멘트 시의 변형각은 93.19kN.m, 1/33rad.이다. 1/60rad.까지는 탄성역이고, 그 이후는 항복하면서 1/33rad.부근까지 변형되어 최종적으로 횡전단파괴로 내력이 급격하게 저하됐다.

H형강 플랜지와 구조용집성재의 상·하면의 틈새 사이를 에폭시로 충전한 실험체(사진 2(b))의 최대모멘트 및 최대모멘트 시의 변형각은 94.8kN.m, 1/50rad.이다. 1/160rad.까지는 탄성역이지만, 횡전단 균열로 일시적으로 하중이 저하된다. 그 이후에 다시 내력이 상승하지만, 1/50rad.에서 횡전단 파괴로 급격하게 내력이 저하됐다. (사진 2(a))실험체에 비하여 플랜지와 구조용집성재사이의 틈새를 에폭시를 충전함으로써 강성이 높아지는 것을 알 수가 있다.

구조용집성재와 H형강의 웨브를 볼트로 체결한 (사진 2(c))실험체의 최대모멘트 및 최대모멘트 시의 변형각은 86.08kN.m, 1/37rad.이다. 1/60rad.까지는 탄성역이고, 1/55rad.에서 볼트에 의한 집성재의 압괴 등으로 하중의 저하가 발생한다. 그 이후 내력이 상승하지만, 1/37rad.에서 횡전단파괴로 내력이 급격하게 저하됐다.

H형강의 상·하 플랜지와 구조용집성재의 상·하면을 래그스크류로 체결한 (사진 2(d))실험체의 최대모멘트 및 최대모멘트 시의 변형각은 80.98kN.m, 1/67rad.이다. 1/70rad.까지는 탄성역이지만, 그 이후 횡전단 파괴로 급격하게 내력이 저하됐다.

4. 결론

 

본 연구에서는 H형강과 구조용집성재의 하이브리드에 의한 모멘트저항형 접합부 성능을 검토하기 위해 에폭시, 볼트 및 래그스크류의 영향을 평가했으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 초기강성은 H형강의 상·하 플랜지와 구조용집성재 상·하면 사이를 에폭시로 충전한 실험체가 볼트나 래그스크류를 사용한 실험체에 비하여 크게 증가했다. 이는 에폭시충전이 H형강과 구조용집성재의 일체성 확보에 가장 유효한 것을 알 수가 있다.

(2) 내력은 단면의 결손이 없는 실험체의 경우는 거의 유사한 값을 나타내고 있다. 그러나 볼트와 래그 스크류 사용에 의한 단면결손이 있는 실험체의 경우는 H형강에 600㎜단순 삽입한 실험체에 비하여 항복내력과 최대내력이 각각 0.92배, 0.87배정도로 저하됐다.

(3) 에너지 흡수능력의 경우, 동일한 변형각에서는 H형강의 상·하 플랜지와 구조용집성재 상·하면 사이의 틈새를 에폭시로 충전한 실험체가 뛰어나다. 그러나, 볼트나 래그스크류를 사용한 실험체의 경우는 단순하게 구조용집성재를 H형강에 단순 삽입한 실험체와 유사한 값을 나타냈다.

(4) 구조용집성재의 지압응력에 의해 H형강 상부플랜지 선단의 국부변형이 발생하기 때문에 플랜지두께를 고려할 필요가 있다.

이번 연구는 지난해 교육인적자원부 지방연구중심대학 육성사업의 지원으로 연구됐다. 특히 일본(건축연구소)에서는 이와 유사한 연구가 활발하게 진행 중이지만, 국내대학으로서는 처음이다.
양일승 교수는 “현 단계에서 구체적 성과를 논하는 것은 목재의 특성상 어려운 점이 있지만, 기존의 목구조 접합형식과 비교해서 목재의 내력을 충분히 발휘할 수 있는 접합부라고 생각된다”며, “아직 초보적인 단계지만, 공동주택 시스템의 개발을 위해서 앞으로 좋은 결과를 낼 수 있었으면 한다”고 작은 바람을 밝혔다.

특히 이러한 연구가 아직 초보적인 단계로 산업체와의 연계가 이뤄지지 않고 있으며, 국내의 목재관련 산업체 가운데 R&D에 투자할 정도로 여력이 있는 회사가 많지 않은 것도 현실이라고 덧붙였다.