김순철, 양일승 교수
동신대학교 건축학부
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.
정리:장민우 기자 minu@woodkorea.co.kr
(연재를 마칩니다)