R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717TBIP-C111803-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술사업화지원 | |||||
| 연구과제명 | 폭 1m 이상/고하중에 최적인 내부보강 조립식 합성메가기둥 구조시스템개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-04-27 ~ 2018-02-26 | |||||
| 연구책임자 | 염경수 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
13명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 395,000,000 원 기업 : 291,334,000 원 계 : 686,334,000 원 |
총연구비 | 정부 : 832,000,000 원 기업 : 582,668,000 원 계 : 1,414,668,000 원 |
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| 연구기관명 | (주)액트파트너 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
최근 도시의 사무실 및 상업용 건물은 한정된 부지의 효율적인 이용을 위하여 고층화 되고 있다. 건축물의 고층화는 구조계획 측면에서 공간의 효율성을 요구할 뿐 아니라 주요 구조부재로 인성, 고강도의 부재를 요구하고 있다. 초고층 건축은 용도의 다양화, 복합화, 의장의 기대감으로부터 종래의 구조적 제약 조건을 극복하고 장스팬 구조 및 공간의 효과적 이용을 가능하게 하는 구조형식이 요구되고 있다. 기존 콘크리트충전 각형강관(Concrete Filled Steel Tube, CFT)구조는 폐단면 부재로써 휨모멘트를 부담하는 강관이 외측에 있고, 축력을 부담하는 콘크리트가 내측에 있어 강관이 내부 콘크리트를 구속하는 한편 콘크리트가 강관의 국부좌굴을 막아주는 효과에 의하여 강도와 에너지 흡수 능력이 다른 구조시스템에 비해 우수하다. 이러한 CFT기둥의 구조적인 특성으로 인하여 고층건물뿐만 아니라 저층건물 및 대공간 구조에서도 사용빈도가 늘어나는 추세이다. 그러나 기존 CFT기둥은 강관의 두께와 상관없이 4개의 판을 모서리면에서 용접하여 제작해야 하므로 특수장비의 필요로 인해 대량생산을 위한 제작성이 떨어지게 된다. 또한, 이질재료간의 거동이 일체화되기 힘든 이유로 콘크리트와 강관은 소요강도를 내기 전에 부착면이 먼저 탈락하는 거동을 하게 된다. 따라서, 철판을 절곡하는 방식으로 응력집중 위치의 용접을 피해 제작성을 높이고 절곡한 리브에 의해 합성효과를 높일 수 있는 합성기둥 개발이 필요하며, 개발된 합성기둥의 실용화 및 사용화를 위한 연구가 필요하다. 그리고, 최근 세계경제의 흐름은 신자유화의 물결을 타고 주요 선진국의 무역규제 완화 요구에 따른 시장개방 등으로 치열한 생존경쟁을 발이고 있다. 따라서 IT/물류 산업경쟁력을 확보하여, 무한경쟁력을 확보하기 위해서 최적입지 선정/확보와 최적화건설을 통한 건설비용과 공기를 적절히 관리하여야 한다. IT/물류 산업용건물의 골조형식을 구성하는 구조형식으로 일반 철골(Steel)구조가 가장 널리 사용되어 왔으나, 근래 들어 철골철근콘크리트(SRC)구조와 프리캐스트(Precast Concrete, PC)구조가 채택되어 적용되고 있으나 고가의 공사비와 공사의 복잡함 등으로 새로운 공법의 등장을 기대하고 있는 실정이다. 최근 국내에도 경기활성화와 고용창출 등의 목적으로 100층 이상 규모의 초고층건물이 등장하고 있다. 100층 규모의 초고층건물의 구조시스템으로는 8개의 외곽 메가컬럼과 내부코아 그를 묶어주는 아웃리거 적용이 일반화되어 가는 추세이다. 그러나, 잠실롯데 123층 초고층건물에 메가컬럼의 시공중에 발생했던 콘크리트기둥의 균열문제와 철근/거푸집 설치와 스팬드럴 철골트러스의 연결 등의 난해함으로 상당한 공기가 지연된 상황을 겪은 바 있다. 삼성동 현대자동차사옥의 건설을 앞 둔 상황에서 국내 건설현장에 적합한 경제성과 시공성이 개선된 대형 메가컬럼의 개발이 시급한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 고하중을 받는 IT/물류 산업용건물과 초고층건물에 최적인 합성메가기둥을 제안/개발하기 위하여, 구조성능 극대화를 위한 상세결정과 구속효과와 변형성능의 발현 등의 구조메카니즘을 구조성능 해석/실험을 수행하여 확인검증 하고자 한다. 또한, 합성기둥의 장점인 기둥 내에 잠재되어 있는 내화성능을 해석적/실험적으로 추출하여 무내화피복 내지 내화피복 최소화의 과정과 절차를 제시하고자 한다. 그리고, 장스팬과 초고층건물에 적합한 다양한 합성/철골보에 적용 가능한 접합부를 해석적/실험적으로 검증하고 도출하여 골조시스템을 완성하고자 한다. [최종목표] 건설현장에서 사용되는 IT/물류산업용 건물과 초고층건물에 사용되는 기둥은 대체로 폭 1미터 이상의 대형기둥으로서 고(高)하중을 받는 것을 특징으로 하고 있다. 또한 반도체 등 첨단산업용 공장건물은 높은 층고로 인해 거푸집 작업과 내화피복 등의 도포 등이 난해한 편이다. 초고층건물의 메가기두의 경우도 이와 유사한 상황이다. 따라서, 이번 연구를 통하여 기존 현장에서 적용한 철골기둥과 SRC기둥 공사의 최대 난점인 거푸집 공사를 제거하고, 더불어 경제성까지 확보할 수 있는 조립식 합성메가기둥을 제시/제안하고 합성구조시스템을 완성하여 상용화/사업화 하고자 한다.. 세부적으로 “폭 1미터이상/고하중에 최적인 내부보강 조립식 합성메가기둥 구조시스템 개발”의 개별적인 목표는 아래와 같다. 1. 단면형상 결정과 내부 바인딩프레임 구성 확정 ？ 구조성능의 극대화와 제작성/시공성 감안 2. 해석적/실험적 구조성능검증 ？ 구속효과와 변형성능 발현 3. 합성메가기둥 내력식과 설계절차서 작성 ？ 현장적용을 설계법 제시와 인증 4. 해석적/실험적 내화성능검증 ？ 무 내화피복과 내화피복 절감방안 제시 5. 화재시 합성메가기둥 내화성능 확인절차 제시 ？ 비재하실험을 통한 잔존강도 예측과 무내화피복과 내화피복절감 방안 제안 6. 합성메가기둥과 철골/합성 보의 접합부 개발과 성능검증 7. 합성메가기둥의 효율적인 생산체제와 제작공정 확보 ？ 제작 Mock-up시행 8. 합성메가기둥의 현장 시공성 확보 ？ 현장설치 Mock-up시행 9. 제작사(엔아이스틸) 제작성 제고 - 샘플 제작과 현장 시범적용 10. 현장적용의 활성화와 제품품질확보를 위한 피드백 11. 현장적용의 확대와 사업 활성화 [연구내용 및 범위] 본 연구인 “폭 1미터 이상/고하중에 최적인 내부보강 조립식 합성메가기둥 구조시스템 개발”의 연구 내용과 범위는 아래와 같다. 2차년에 걸쳐 단계별 연구가 진행되어 연구 성과를 도출하고자 한다. o 합성메가기둥의 단명형상과 구성요소결정 1) 기둥단면 너비와 재하하중에 따른 모서리부와 변부의 조립요소 (Elements) 너비와 두께 결정 2) 구속효과와 변형성능 극대화를 위한 Binding Frame 크기와 간격 제안 3) 보와의 접합을 위한 내부다이아프램의 두께와 크기 결정 O 합성메가기둥의 구조성능 검증과 설계법 제안 1) 구속효과와 변형성능의 충분한 발현을 위한 이론적 연계성분석 2) 단면구성과 상세 조정에 따른 해석적/실험적 구조내력 평가 3) 연구결과 분석을 통한 최적의 구성요소 확정 4) 합성메가기둥의 구조내력식 제안과 설계법 제시 O 합성메가기둥의 내화성능 확보와 무내화피복 구현 1) 합성메가기둥의 크기별 화재후 잔존내력의 해석적 분석 2) 내화성능실험과 분석을 통한 내화피복 최소화 3) 비재하가열실험과 해석적분석을 통한 무내화피복 가능성 구현 4) 현장적용을 위한 내화성능 확보 규모도출을 위한 절차 수립 O 합성메가기둥 구조시스템 완성을 위한 기둥-보 접합부 성능검증 1) 합성메가기둥과의 조합에 최적인 보(Girder) 도출과 접합형식 확정 2) 기둥-보 접합부의 형식별 실험적/해석적 성능검증 3) 기둥-보 접합부의 형식별 설계식 제안 O 합성메가기둥의 생산/제작 시스템 확보 방안마련 ？ 제품생산성 제고와 품질확보 1) 모서리부의 냉간성형의 가공성 점검과 제작성 제고 2) 변부 스트립플레이트와 모서리부의 구성품의 조립가공성 타진 3) 완성체 기둥의 제작에 직진성과 칫수의 정밀도 점검 4) 기둥과 골조의 제작시방서 작성 O 합성메가기둥의 설치/시공성 확보 1) 기둥의 시공성 확인을 위한 시공 Mock-up 실시 2) 기둥-보 설치/시공 매뉴얼 작성 이러한 각항목/단계별 연구를 통해 실제 현장 시공성이 우수하고 공기 절감이 가능한 기술을 개발하여, IT/물류 산업용 건물과 초고층건물에 최적인 합성메가기둥의 제품화 및 실용화를 이루어 현재 건설사업이 요구하는 경쟁력있고 안전한 기술을 확보하고자 한다. · 물류 산업용 건물에 적합한 대형 합성기둥 개발 · 무 가설지주 장스팬 골조시스템의 설계 및 시공 지침 · 골조시스템 사업화 및 기술기여로 건설시장 활성화 · 내화성능 확보 및 설계법 제안 |
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| 색인어 | 한글 | 합성메가기둥 | 내부 보강형 | 구조시스템 | 조립형식 | 구속효과 |
| 영문 | Composite Mega Column | Inner Reinforced | Structural System | Built-up Type | Confinement Effective | |
| 최종보고서 | 2-1.최종보고서_최종.pdf | |||||