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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.2 pp.24-30
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.2.024

Structural Behavior and Design of Space House

Sun-Hee Kim1, Ki-Bong Choi2, WonChang Choi3
1Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seoul, Korea
2Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seoul, Korea
3Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seoul, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, WonChang Department of Architectural Engineering, Gachon University, Gyeonggi-do, 13120, Korea Tel: +82-31-750-5335, Fax: +82-31-757-5837, E-mail: wchoi@gachon.ac.kr
October 18, 2018 November 21, 2018 December 5, 2018

Abstract


Space house is a unit module type of precast structure which composed of a composite panel combining FRP and urethane foam in a steel frame. In this study, we predicted the design and structural behavior of space house. Almost of steel frame occurred load resistance of the space house. Therefore, the vertical stiffener was reinforced on the rectangular steel frame structure. In addition, we confirmed the usability and safety of the structural design and the finite element analysis to ensure the safety of the structure.



스페이스 하우스의 구조적 거동 및 설계

김 선희1, 최 기봉2, 최 원창3
1가천대학교 건축공학과 조교수
2가천대학교 건축공학과 교수
3가천대학교 건축공학과 부교수

초록


스페이스 하우스는 강재 프레임에 FRP와 우레탄 폼을 결합한 합성패널로 구성된 단위모듈방식의 프리캐스트화한 구 조물이다. 이 연구는 모듈러 건축물의 한 종류인 스페이스 하우스의 설계와 구조적 거동을 예측하였다. 스페이스 하우스의 하중 저항은 대부분 강재 프레임에서 발생하기 때문에 직육면체 형태의 강재 프레임 구조물에 수직보강재를 보강하여 제작하였다. 또한, 구조물의 안전성을 확보할 수 있도록 구조 검토와 유한요소해석을 통해 구조물의 사용성과 안전성을 확인하였다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2018R1D1A1B07042595

    1. 서 론

    스페이스 하우스(space house)는 모듈러 건축물의 한 종류로 공장에서 생산된 모듈러 유닛을 현장으로 운 반하여 조립한 구조물이다. 모듈러 건축물은 대량생 산이 가능하며, 벽체의 경량화 및 제품의 프리캐스 트화로 인한 시공성, 경제성, 유지보수 측면에서 장 점을 가지고 있다. 또한, 모듈러 유닛은 신축과 해체 과정에서 다른 공법에 비해 폐자재의 발생을 줄일 수 있다.

    이러한 모듈러 건축물은 주로 국외에서 개발되어 활발히 연구가 진행되고 있으며, 국내에서는 2000년 대 이후에 철골구조 기반으로 공법이 개발되어 보급 되고 있다.

    특히, 일본의 경우 1950∼60년대에 모듈러 공법 에 대한 연구가 진행되었으며, 1990년대 중반에는 일본 고베 지진 이후 모듈러 건축물의 내진성능을 인정받아 활발한 연구가 진행되었다(Lee, 2014). 또 한, 2000년대 초반에는 영국에서 20층 규모의 고층 모듈러 시공사례가 있으며(Hong, 2014), 미국 브루클 린에서 2014년에 32층 레지던트 타워를 조립식 건축 물로 시공한 사례가 있다.

    국내에서는 모듈러 건축물의 고층화에 따른 구조 물 좌굴, 내진성능 등에 관한 연구가 활발하게 진행 되고 있다. Kim and Lee (2013)는 모듈러 하우스 활 용 유형 분석을 하였으며, 최근에는 기존 모듈러 시 스템의 주요 구조부재를 새로운 형태의 합성기둥과 합성보를 사용하여 기존 모듈러 구조물과 구조적인 성능을 향상하는 방안에 대한 연구를 하였다(Choi et al., 2017). Kwon et al. (2017)은 국내 강구조구조물에 적용할 FRP 패널의 거동을 평가하기 위한 수치 해 석 모델링을 개발하기 위한 연구를 진행하였다.

    이러한 모듈러 건축물 내부의 FRP는 콘크리트, 강재에 비해 해석 절차가 복잡하고 정형화된 설계기 준이 없는 실정이다.

    따라서 이 연구에서는 프리캐스트 공법을 적용한 모듈러 주택을 강재로 제작한 프레임 구조에 우레탄 폼(urethane foam), RTM (resin transfer mold), FRP (fiber reinforced polymer plastic)로 제작한 합성패널을 외벽에 설치한 프리캐스트 주택의 구조적 거동을 예 측하고 구조물의 사용성과 구조적 안전성을 검토하 였다. 또한, 스페이스 하우스 내부 FRP의 구조 안전 성 검토는 기존의 허용응력설계법과 유사한 형태로 하중에 의해 발생하는 응력과 재료의 허용응력을 비 교, 검토하였다.

    2. 스페이스 하우스의 설계

    2.1 스페이스 하우스의 특징

    스페이스 하우스는 강재 프레임에 FRP와 우레탄 폼 을 결합한 합성패널로 한 개 또는 두 개의 방을 단 위모듈 방식으로 프리캐스트화한 구조물이다. 이 구 조물은 비내력벽을 이용한 두 개의 방으로 구성되어 있으며 여러 개의 스페이스 하우스를 조립하여 확장 하는 방식으로 현장에서 적용할 수 있다. Fig. 1은 스페이스 하우스의 단위 구조물의 형태이다.

    스페이스 하우스는 여러 개의 단위 구조물로 Fig. 2의 모식도와 같이 결합 가능하며 외부에는 필요에 따라 현장 타설 콘크리트를 이용하여 주차장, 승강 기 박스, 옥상 및 옥상 난간 등을 제작할 수 있다.

    스페이스 하우스의 상하층은 별도의 연결재를 이 용하여 강재프레임을 연결하는 방법으로 구성된다. 연결재는 강재 프레임 내에서 각 층의 휨모멘트 및 전단력을 전달하는 역할을 하며, 각 층마다 분리되 는 것을 방지한다.

    2.2 최대응력

    구조물의 응력(인장응력, 압축응력, 전단응력)은 식 (1)을 통해 구할 수 있으며, 휨응력은 식 (2)를 통해 구할 수 있다.

    f i = P i A i
    (1)

    F i = M i I i y i
    (2)

    여기서, fi는 구조물에 발생하는 응력이고, Pi 는 구조물에 발생하는 하중, Ai 는 구조물의 단면적, Fi 는 구조물에 발생하는 휨응력이다.

    2.3 좌굴응력

    스페이스 하우스를 구성하는 강재 프레임은 축방향 력과 휨모멘트가 함께 작용하는 보-기둥 부재이므로 축방향력과 휨모멘트의 영향을 고려해야 한다. 강구 조설계기준 및 해석에서 보-기둥 부재에 대한 구조 검토는 인장력과 휨모멘트가 재하되는 경우와 압축 력과 휨모멘트가 재하되는 경우로 구분하여 검토하 여야 한다. 인장력과 휨모멘트가 재하되는 경우 식 (3)을 적용하였고, 인장응력이 휨압축응력보다 작은 경우 식 (4)와 식 (5)를 적용하여 좌굴검토를 하였다.

    f t + f b t y + f b t z f t a
    (3)

    f t f t a + f b c y f b c g y + f b c z f b a o 1.0
    (4)

    f t + f b c y + f b c z f c a l
    (5)

    여기서, fbty는 강축에 대한 휨인장응력, fbtz는 약 축에 대한 휨인장응력, fta는 허용인장응력, fbcy는 강 축에 대한 휨압축응력, fbcz는 약축에 대한 휨압축응 력, fbogy는 국부좌굴을 고려하지 않은 허용휨압축응 력, fbao는 국부좌굴을 고려하지 않은 허용휨압축응 력의 상한값이다.

    또한, 압축력과 휨모멘트가 작용할 경우에는 좌 국에 대한 영향을 고려하여 식 (6)과 식 (7)을 통해 검토하였다.

    f c f c a z + f b c y f b a g y ( 1 f c f E y ) + f b c z f b a o ( 1 f c f E z ) 1.0
    (6)

    f c + f b c y 1 f c f E y + f b c z 1 f c f E z f c a l
    (7)

    여기서, fcaz는 약축에 대한 허용압축응력이고, fEy는 강축에 대한 오일러 좌굴응력, fEz는 약축에 대한 오일러 좌굴응력이다.

    3. 스페이스 하우스의 구조적 거동

    3.1 스페이스 하우스의 구조적 특징

    스페이스 하우스에 적용되는 하중은 풍하중 등의 외 부하중이 합성패널에 직접 재하되어 강재 프레임에 전달된다. 일반적으로 FRP와 우레탄 폼은 강재에 비 해 강성이 작기 때문에 합성패널이 강재에 비해 큰 변형을 나타내는 반면 작은 응력이 발생한다. 따라 서 스페이스 하우스의 하중저항은 대부분 강재 프레 임에서 발생한다. 외부하중에 효과적으로 저항하기 위해서는 강재 프레임을 적절하게 배치해야 한다. 이 연구에서는 스페이스 하우스 좌우측면에 작용하 는 풍하중에 대한 하중저항성능을 향상시키기 위해 강재 프레임의 배치를 Fig. 3과 같이 제안하였다. Fig. 3의 강재 프레임은 100×100×4mm의 치수를 갖 는 box형 단면으로 구성되어 있으며, 직육면체 형태 의 강재 프레임 구조물에 수직보강재를 좌우 1개씩, 수평 보강재를 상하 3개씩 용접하여 제작하였다.

    3.2 스페이스 하우스의 구조 해석

    지상에는 주차공간을 위한 필로티(pilotis), 좌우 중앙 에 콘크리트 박스. 상부에 옥상을 콘크리트로 제작 된 스페이스 하우스는 Fig. 4와 같고 이 구조물의 구 조 해석을 수행하였다.

    3.2.1 유한요소해석

    스페이스 하우스의 유한요소해석은 범용유한요소해 석 프로그램인 MIDAS Civil 2012를 사용하였다. 해 석조건은 강재 프레임을 frame 요소, 합성패널은 plate 요소를 적용하였다. 해석에 사용한 강재 프레임 은 Fig. 4의 단면 형태를 갖는 box형 단면을 사용하 였다. 또한, 우레탄 폼은 FRP 패널에 대한 간격재 (spacer)의 역할만 수행하기 때문에 구조 검토에서 제외하였으며, FRP 패널은 얇은 박판부재(thin plate) 이므로 구조적 거동이 휨모멘트에 의해 지배되기 때 문에 전단검토는 제외하였다. 스페이스 하우스의 유 한요소해석 모델은 Fig. 5와 같다.

    유한요소해석에서 각 단위구조물 간의 연결은 강 체 연결(rigid link)로 가정하였고, 경계조건은 Fig. 6 과 같이 필로티에 설치되는 앵커와 강재프레임의 결 합부분에는 고정지지로 가정하였고, 그 외에는 단순 지지로 가정하였다.

    유한요소해석에 적용한 구성 재료의 역학적 성질 은 Table 1과 같고, 강재의 허용응력은 건축구조기준 및 해설과 강구조설계기준 및 해설, FRP의 허용응력은 ASCE (1984)를 참고하여 Table 2에 인장, 압축, 전단, 휨의 허용응력 값을 적용하였다.

    구조물의 자중은 스페이스 하우스 단위 구조물 간에 설치되는 콘크리트 슬래브의 자중을 절점하중 (nodal load)으로 치환하여 고려하였다. 풍하중은 설 계풍속 30m/s인 경우의 구조물 뒷면과 측면을 별도 로 고려하여 각각 1.354kN/m2을 적용하였고, 적설하 중은 기본지상적설하중 0.336kN/m2으로 가정하였다. 유한요소해석에 적용한 하중조합은 Table 3과 같으 며 강재 프레임의 하중분포와 FRP 패널의 하중분포 는 Fig 7, Fig. 8과 같다.

    3.2.2 유한요소해석 결과

    Table 3의 하중조합에 따라 유한요소해석을 수행한 결과는 Table 4에 정리하였다. 유한요소해석 결과 강 재 프레임의 길이방향 처짐은 1.71mm, 폭방향 프레 임의 처짐은 1.87mm, 수직재의 처짐은 1.76mm가 발 생함을 알 수 있었다. FRP 합성패널에 발생하는 최 대 응력과 처짐을 Table 5에 나타내었다.

    강재 프레임과 FRP 합성패널의 응력 분포는 하 중조합(자중+군중하중+풍하중+적설하중)이 모두 재 하되었을 때 최대응력을 보였다.

    전체 구조물 중 강재 프레임의 처짐 형상은 Fig. 9에 나타내었고, FRP 합성패널의 처짐 형상은 Fig. 10과 같다.

    3.3 스페이스 하우스의 구조 검토

    (1) 응력 검토

    스페이스 하우스를 구성하는 강재 프레임은 축방향 력과 휨모멘트가 함께 작용하는 보-기둥 부재이다. 이 구조물의 구조적 안전성을 확인하기 위해 보-기 둥 부재의 축방향력과 휨모멘트의 영향을 함께 고려 해야 한다.

    강재 프레임과 FRP 합성패널에 재하되는 응력은 유한요소해석으로부터 구한 각 부재의 단면력을 통 해 구하였다. 강재 프레임의 축방향응력과 전단응력 은 식 (1)을 바탕으로 식 (8)~(10)과 같이 강재프레임 의 인장응력, 압축응력, 전단응력을 구하였고, 휨응 력은 식 (2)을 통해 식 (11)과 같이 결정하였다.

    f t = P t A s
    (8)

    f c = P c A s w
    (9)

    f υ = P υ A s
    (10)

    f b = M s I s y s
    (11)

    여기서, ft , fc, fυ는 강재 프레임에 발생하는 인 장응력, 압축응력, 전단응력이고, Pt, Pc, Pυ는 강재 프레임에 발생하는 인장력, 압축력, 전단력이며, As 는 강재 프레임의 단면적, Asw는 강재 프레임의 복 부 단면적, fb는 강재 프레임에 발생하는 휨응력, Ms 는 강재 프레임에 발생하는 휨모멘트, Is는 강재 프 레임의 단면2차모멘트, ys는 강재 프레임의 도심에서 연단까지의 거리이다.

    또한, FRP 합성패널의 면내하중과 휨모멘트는 단 위 폭에 대한 하중과 휨모멘트로 표현되기 때문에 면 내응력(in-plane stress)과 휨응력은 식 (12)과 식 (13)와 같이 결정하였다.

    f i = P if t f
    (12)

    f b f = 12 M f z f t f 3
    (13)

    여기서, fif, fbf는 각각 FRP에 발생하는 면내응력 과 휨응력이고, Pif는 FRP에 발생하는 면내력이다. tf는 FRP 패널의 두께이고, Mf은 FRP 패널에 발생 하는 휨모멘트이며, zf는 FRP 패널의 중립면(neutral surface)에서 연단까지의 거리이다.

    식 (8)~(13)을 사용하여 강재 프레임과 FRP 합성 패널에 발생하는 응력은 Table 6과 Table 7에 각각 나타내었다.

    (2) 좌굴 검토

    보-기둥 부재의 구조 검토는 전체 좌굴(global buckling) 과 국부 좌굴(local buckling)에 대한 영향을 고려해야 한다. 2.3절에서 언급한 식 (3)~(7)을 통해 스페이스 하 우스의 보-기둥 부재 구조 검토를 한 결과 Table 8과 같다. 이 값은 건축구조기준 및 해설(2016)에서 제한하 는 강재 프레임의 전체 좌굴 값 1.00MPa과 국부 좌굴 140.00MPa보다 작은 값임을 확인하였고 건축구조기준 에서 제한하고 있는 허용범위 내에 있음을 확인하였다.

    (3) 처짐 검토

    강재 프레임의 사용성 검토는 각 부재의 길이에 대 해 발생하는 최대 처짐을 기준으로 검토하였다. 처짐 검토는 건축구조기준 및 해설(2016)에서 제시하고 있 는 수직 처짐 L/300, 수평 처짐 L/500을 기준으로 제 한한다. 강재 프레임의 처짐 검토 결과는 Table 9에 정리하였고, 강재 프레임의 길이방향, 수직방향 처짐 은 건축구조기준에서 제한하는 처짐 값 0.0033mm보 다 작은 값인 0.0005mm로 허용범위 내에 있음을 확 인하였다.

    FRP 패널의 면내응력과 휨응력의 합성응력을 Table 2에서 제시한 허용응력과 비교하여 Table 10에 정리하였다. 또한, FRP 패널의 사용성 검토는 강재 프레임과 동일한 기준을 적용하여 바닥판 및 천장의 수직 변화와 벽면의 수평변위를 검토하였다. Table 11은 FRP 패널의 처짐 값이다.

    4. 결 론

    이 연구에서는 스페이스 하우스의 특징을 조사하고 구조물의 안전성을 확보할 수 있도록 구조 검토와 구조 해석을 통해 구조물의 사용성과 안전성을 확인 하였다.

    강재 프레임의 사용성을 검토하기 위해 건축구조 기준에서 제시하고 있는 수직, 수평 처짐을 기준으로 강재 프레임의 사용성을 검토한 결과, 길이방향 프레 임은 0.0005mm, 폭방향 프레임은 0.0005mm, 수직재 는 0.0007mm의 변위가 생겼다. 각각의 변위는 건축 구조기준에서 제시하고 있는 0.0033mm와 0.0022mm 보다 작은 값으로 강재 프레임과 수직재는 설계기준 값 내에 있음을 확인하였다.

    FRP 패널의 안전성과 사용성을 검토하기 위해 FRP 합성패널의 면내응력(in-plane stress)과 휨응력식 을 제안하였다. 그 결과 FRP 패널의 내외벽 인장, 압축 값이 설계기준에서 제시하는 155.85MPa, 103.90 MPa보다 작은 0.80MPa (인장-외벽), 0.10 (인장-내벽) 과 22.10MPa (압축-외벽), 13.12MPa (압축-내벽)의 값 을 보였다. 또한, FRP 패널의 사용성 측면에서 수직 방향으로 0.0005mm, 수평방향으로 0.0009mm의 변위 를 보였다. 두 변위 모두 기준에서 제시하는 0.0033 mm, 0.0022mm보다 작은 값으로 설계기준 값 내의 변위를 보임을 확인하였다. 따라서 2칸-3층으로 구성 되어 있는 스페이스 하우스의 구조 검토 결과 강재 프레임과 FRP 패널은 구조적 안전성과 사용성을 확 보하고 있음을 확인하였다.

    감사의 글

    이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2018R1D1A1B 07042595).

    Figure

    KOSACS-10-2-24_F1.gif
    Unit Structure
    KOSACS-10-2-24_F2.gif
    Space House Schematic View
    KOSACS-10-2-24_F3.gif
    Steel Frame
    KOSACS-10-2-24_F4.gif
    Space House
    KOSACS-10-2-24_F5.gif
    The Finite Element Analysis Modeling
    KOSACS-10-2-24_F6.gif
    Boundary Condition
    KOSACS-10-2-24_F7.gif
    Load Distribution of Steel Frame (LC3)
    KOSACS-10-2-24_F8.gif
    Load Distribution of FRP Panel (LC3)
    KOSACS-10-2-24_F9.gif
    Steel Frame Deformation
    KOSACS-10-2-24_F10.gif
    FRP Panel Deformation

    Table

    Mechanical Properties
    Allowable Stress
    Load Combination
    Results of FEA
    Results of Finite Element Analysis (FRP Panel)
    Results of Max. Stress for Theoretical Equation
    Results of FRP Panel for Theoretical Equation
    Beam-column Member of Buckling
    Deformation of Beam-column Members
    Safety of FRP Panel
    Usability of FRP Panel

    Reference

    1. Choi, Y. H. , Lee, H. C. , and Kim, J. K.(2017), “Seismic Performance Assessment of a Modular System with Composite Section”, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 21, No. 2, pp. 69-77 (in Korean). doi:10.11112/jksmi.2017.21.2.069
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