하상수
(Sang-Su Ha)
1*
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키워드
U-형 복합보, 층고, 장경간, 일체서, 구조성능, 휨성능, 연성
Key words
U-shape composite beam, Story-height, Long-span, Structural integrity, Structural performance, Flexural performance, Ductility
1. 서 론
철근콘크리트(RC) 슬래브와 U-형 강판으로 이루어진 복합 보는 콘크리트와 강재의 재료적 특성을 극대화함으로써 철근 콘크리트구조 및 강구조의 장점을
모두 갖춘 합리적인 시스 템이라 할 수 있다. 따라서 강구조와 같이 장경간이 가능하고, 공장제작으로 품질 확보 및 공기단축이 가능하다. 건축법제 해설(Jang et al., 2019) 제 83조 및 건축법시행령 118조 규정 에 따라 건물높이가 8m 이하이고, 외벽이 없는 철골조 주차장 은 건축물이 아닌 공작물로 분류되어 있다.
공작물 주차장을 건축하는 것은 건폐율, 용적율, 조경설치 등 건축법 의무조항 에서 배제되기 때문에 일반 건축물을 건축하는 것보다 훨씬 경제적인 비용으로
건축할 수 있다. 따라서 복합보를 공작물 주차장용으로 적용할 때, 가장 최우선적으로 고려되어야 하 는 것이 낮은 층고와 장경간이다. 층고는 전체 주차장
높이가 8m인 점을 고려하여 2.6m 정도 되어야 하며, 경간은 가능한 장경간으로 계획하여야 최대한 경제적인 효과를 볼 수 있다. 이러한 관점에서
복합보의 연구는 대부분 층고를 절감시키는 동시에 장경간을 확보하는 방향으로 연구가 진행돼 오고 있 다. 그러나 복합보를 장경간으로 계획하면 복합보에
큰 힘이 발생하기 때문에 복합보는 발생된 힘보다 더 큰 저항성능을 확보하여야 한다. 복합보의 저항성능을 높이기 위해 복합보 의 춤을 높이는 방법이
있으나, 오히려 복합보의 춤을 낮게 해 야 하기 때문에 복합보의 저항성능을 확보하기 위한 많은 시 간과 노력이 요구될 뿐만 아니라 RC 구조와 강구조
및 기타 철물 등 이 혼합되어 있기 때문에 일체성을 확보하기 위한 많 은 연구가 요구된다. 국내에서 개발된 TSC 합성보(KIm et al., 2016)는
U형의 강판 안에 콘크리트를 타설하고, 상부플랜지 에 용접한 쉬어케넥터로 슬래브를 연결한 합성보로 시공성이 우수하고 장경간이면서 우수한 구조성능을
실험을 통해 검증 하여 현장에 적용되고 있다. Choi et al. (2017)등은 U자형 와 이드 합성보를 대상으로 휨 및 전단거동 실험을 통해
휨 및 전 단성능을 검증하였으며, 콘크리트와 강재 사이의 일체성을 확보를 위한 전단연결재가 필요하다는 연구결과를 보여주고 있다. 기존에 개발되어 현장에
적용되고 있는 대부분의 복합 보들은 춤이 낮고 장경간으로 설계되어 최대한의 주차공간을 확보하고 시공성이 우수하다는 특징을 가지고 있으며, 춤이 낮고
장경간임에도 불구하고 구조적 성능이 우수할 뿐만 아 니라 안정성 및 품질이 우수하다는 특징을 가지고 있다. 본 연 구에서는 공작물 주차장용으로 사용하기
위한 층고 절감형 장경간 U-형 복합보를 개발하였으며, 개발된 복합보를 구성 하고 있는 요소들이 구조적 성능에 어떠한 영향을 미치는지 파악하고자 하였다.
이를 위해 복합보의 파괴 양상, U-형 강재 의 높이, 하중방향에 따라 복합보의 구조성능에 미치는 영향 을 파악하기 위한 실험적 연구를 진행하였다.
2. 실험계획
2.1 적용 대상 건물
본 연구는 공작물 주차장용으로 사용하기 위한 목적으로 복합보를 개발하였으며, 개발된 복합보의 구조성능을 파악하 기 위한 실험적 연구를 진행하였다.
건축법상 철골조립식으 로 높이 8m 이하로 계획하면 공작물에 해당되기 때문에 일반 건축물을 신축할 때보다 허가절차 및 요구되는 서류가 대폭 감소되기
때문에 복합보를 공작물 주차장에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Fig. 1은 일반적인 공작물 주 차장의 입면을 나타낸 것이다. Fig. 1에 보는 바와 같이 층고는 약 2.66m, 경간은 17m 정도가 요구된다. Fig. 2는 Fig. 1의 바 닥의 단면을 자세히 나타낸 것이며, 양 단부에는 H형강이 기 둥에 강접합되며, 중앙부에는 U-형 복합보로 이루어져 있고, 차량이 통과하여 중앙부의
춤이 낮게 계획되어 있다.
Fig. 2
RC Slab and Composite Beam
2.2 실험체 계획
하중에 의한 모멘트의 크기는 거리의 제곱과 비례하여 증 가되므로 장경간일수록 모멘트가 큰 폭으로 증가한다. 따라 서 장경간 구조물은 장경간이 아닌
구조물에 비해 안전성을 확보하기 위한 많은 노력과 경제적 비용을 감수하여야 한다.
본 연구는 춤이 낮고, 장경간이 가능한 U형 복합보의 구조 적 성능을 파악하기 위하여 실험적 연구를 진행하였으며, 계 획된 실험체 일람은 Table
1과 같다. Table 1에 나타난 바와 같 이 총 4개의 실험체를 계획하였으며, U-형 보 단면, 하중방향 을 주요 변수로 하였다. 1번 실험체(CB-P-200-400)는
U-형 보 의 깊이와 폭이 각각 200mm, 400mm 이고, U-형 보가 인장력 을 받도록 계획한 실험체로서, 본 연구에서 기준실험체로 설 정하였다.
기준실험체의 단면크기 및 형상은 Fig. 3에 나타내 었으며, Fig. 3에서 보는 바와 같이 양 단부는 높이 400mm인 H형강(H-400x200x8x13)과 두께 150mm인 RC 슬래브로 되 어 있으며, 중앙부는 두께
4.5mm 및 6mm 강판으로 ㄷ 형과 U 형으로 절곡하여 사각형 거푸집을 형성하여 그 안에 철근 배 근 및 콘크리트 타설이 가능하도록 계획하였다.
결과적으로 양 단부에서의 보 전체 높이가 550mm이고, 중앙부분은 350mm로 계획하였다. 이는 층고가 약 2.66m(Fig. 1 참조)로 계획됨에 따라 주차장에서 차량이 통과하는 부분을 고려한 것이다. 2번 실험체(CB-NP-200-400)는 기준실험체와 동일한 실험체로서
실험시 기준실험체와 비교하여 반대방향의 하중 이 작용 되도록 계획된 실험체로서, U-형 보가 압축력을 받도 록 계획한 것이다. 3번 실험체(CB-P-400-300)는
U-형 보의 깊 이와 폭이 각각 400mm, 300mm 로 변화시킨 실험체로서 높이 에 따른 휨 성능의 차이를 확인하기 위한 실험체이다. Fig.
4에 서 보는 바와 같이 단부와 중앙부의 보 높이가 550mm로 동일 하며, 중앙부 보 높이가 높아짐에 따라 중앙부에 배근되는 트 러스 근 높이를 394mm로
계획하였다. 그리고, 4번 실험체 (CB-N-400-300)는 3번 실험체와 동일하며, 3번 실험체와 비 교하여 반대방향의 하중이 작용 되도록 계획된
실험체로서, U 자형 보가 압축력을 받도록 계획한 것이다. Table 2는 실험 체 제작에 사용된 강재(철판 및 철근)의 재료시험 결과를 표로 정리하여 나타났으며, 콘크리트 28일 압축강도는 30.3MPa로 나타났다.
2.3 실험체 제작 및 설치
실험체 제작은 강재 부분과 RC 슬래브 부분으로 나누어 진 행되었다. 강재 부분은 H 형강(H-400x200x8x13)을 양단부에 배치하고, 중앙부에는
두께 6mm인 철판을 ㄷ자 및 U자로 절 곡하여 속이 빈 U자형 형태로 제작하고 Fig. 5(a)와 같이 조립 하여 제작하였다. RC 슬래브와 강재 보의 부착성능을 향상시 키기 위하여 H 형강의 상부플랜지에 두께 4.5mm인 철판을 ㄷ 자로 절곡한
철물 또는 스터드 볼트를 설치하였다(Fig. 3, 4 참 조). 강재 제작 부분이 완성되면 RC 슬래브 제작을 위한 거푸 집을 설치하고 철근을 배근한 후 콘크리트를 타설하였다. Fig. 6은 U-형 복합보 중앙부 위치에 철근(슬래브 및 트러스 근) , 강재, 콘크리트 표면 등에 부착한 스트레인 게이지의 부착위 치를 보여주고 있으며,
하중가력에 따른 실험체 중앙부의 변 위 및 측면의 변위를 측정하기 위해 Fig. 7과 같이 변위계를 설 치하였다. Fig. 8은 실험체 설치 상황을 나타낸 것이다. 그림 에서 보는 바와 같이 지점간 거리는 4.5m이며, 중앙부에서 순 수 휨 모멘트가 발생되도록 2점 가력하였다.
Fig. 5
Specimen Production Process
Fig. 6
Installation Location of Wire Strain Gauge
Fig. 7
Installation Location of Displacement Transducer
3. 실험 결과
3.1 실험체 균열 및 최종파괴 상황
기준실험체(BC-P-200-400)에서 인장부분의 콘크리트 초 기균열은 콘크리트가 U-형 강재 속에 존재하기 때문에 육안 으로 확인할 수 없었으며,
압축부분의 RC 슬래브 중앙부에서 수직균열 발생하고, 슬래브 위에 설치한 하중지점에서 콘크 리트가 압괴되어 최종파괴 되었다(Fig. 9(a) 참조). Fig. 9(b)는 기준실험체와 같은 실험체를 거꾸로 하여 하중을 가력한 실 험체(BC-P-200-400)의 최종파괴 상황을 나타낸 것이다. Fig. 9(b)에 보는 바와 같이 강재 부분에서는 U-형강에서 상부면 판좌굴, H 형강에서는 웨브 판좌굴, 그리고 엔드플레이트에 서 좌굴되었으며, 인장부분의 RC
슬래브에서는 균열폭이 큰 균열이 발생하면서 최종 파괴되었다. CB-P-400-300 실험체 의 인장부분에서의 콘크리트 균열은 확인되지 않았으며, 최
종파괴는 Fig. 9(c)에서 보는 바와 같이 콘크리트 압축파괴를 포함하여 슬래브 하부의 U-형 강판에서 좌굴되었으며, 단부 에서는 슬립현상도 동시에 나타나면서 최종파괴 되었다.
Fig. 9(d)는 CB-N-400-300 실험체의 최종파괴 상황을 보여주고 있 으며, 그림에서 보는 바와 같이 U-형 강판이 좌굴되고, RC 슬 래브 측면에서는
균열폭이 큰 수직균열이 발생되었다.
Fig. 9
Concrete Crack and Final Failure
3.2 하중-변위 곡선
Fig. 10은 각 실험체의 하중-변위 곡선을 비교하여 나타낸 것 이다. 그림에서 보는 바와 같이 기준실험체인 CB-P-200-400 실 험체에 비해 U-형 보의
춤을 증가시킨 CB-P-400-300 실험체 의 구조적 성능이 매우 우수하다는 것을 알 수 있으며, 정가력 실험체들(CB-P-200-400, CB-P-400-300)에
비해 부가력 실험 체들(CB-N-200-400, CB-N-400-300)은 낮은 강도를 가지나 연성거동에는 우수한 결과를 보여주었다.
Fig. 10
Comparison of Load-Displacement Curve for all Specimens
Fig. 11은 각 실험체의 하중-변위 곡선상에 항복하중(Py ), 항복 변위(δy ), 최대강도(Pu ), 최대변위(δu ) 등을 나타낸 그 래프이다. 항복하중(Py )은 U-형 강판 하단에 부착한 철근 게 이지(Fig. 6(b) 의 SG5)의 변형률이 항복변형률에 도달되었을 때의 하중으로 정의하였으며, 최대강도는(Pu )는 실험체가 받을 수 있는 가장 큰 하중으로 정의 하였다. Fig. 12는 기준 실 험체 중앙부의 철근, 트러스 근, 강재, 그리고 콘크리트 압축 연단에 부착한 변형률 값을 비교하여 나타낸 것이다. 그림에 서 보면 알
수 있듯이 슬래브 압축콘크리트는 극한변형률에 도달되고, U-형 강재의 하부는 항복점에 도달하였다. 그러나 트러스 상부근은 변형률은 거의 “0”의 값을
보여주고 있어 트 러스 상부근에 위치한 RC 슬래브 두께에 해당되는 길이를 중 립축으로 가정할 수 있다. Table 3은 각 실험체의 실험결과를 정리하여 나타낸 것이다. Table 3에서 보는 바와 같이 기준실 험체와 비교하여 춤을 증가시킨 실험체(CB-P-400-300)의 항 복하중 및 최대하중은 각각 1252.6kN, 1510.3kN으로
나타나 기준실험체와 비교하여 각각 1.66배, 1.70배 높게 나타났다. 또한, 기준실험체와 비교하여 역방향으로 하중을 가한 실험 체(CB-N-200-400)의
항복하중 및 최대하중은 각각 475kN, 603.5kN 으로 나타나 기준실험체와 비교하여 각각 0.63배, 0.68배로 나타났다. 춤을 증가시킨 실험체로서
역방향 하중을 가한 CB-N-400-300 실험체도 정가력 하중을 가한 실험체보 다 항복 및 최대강도의 비가 각각 0.72배, 0.70배 수준인 것으
로 나타났다. Mexp.는 중앙부에 발생하는 모멘트 값으로 항복하 중(Py )일 때, 지점에 발생하는 반력과 하중점 까지의 거리의 곱 으로 산정하였다. Mana.는 중립축(RC 슬래브 두께)길이를 슬래 브 두께인 150mm으로 기준으로 중앙부 각 위치에 변형률 값을 이용하여 산정하였다. 변형률 값이 항복 전
단계(∈s < ∈y ) 에서 는 탄성계수를 곱한 값을 적용하였으며, 항복 후 단계(∈s ≥ ∈y ) 에서는 항복강도(fy)를 적용하였다. 콘크리트 응력은 직사각형 응력블록(ACI-318 (2014), KBC(2016))으로 가정하여 산정하 였다. 이론값에 대한 실험값(Mexp./Mana.) 은 0.86∼1.04 수준 으로 비교적 양호한 결과를 보여주고 있다.
Fig. 12
Load-Strain Curve for Wire Strain Gauges
4. 결 론
RC 슬래브와 U-형 강판으로 이루어진 복합보의 휨 성능을 파악하기 위한 실험적 연구를 진행하였으며 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
-
1) 기준실험체의 균열은 RC 슬래브 부분에서만 육안으로 확인되었으며, U-형 강판의 하부면에서 처음 항복점에 도달하였다. 항복 이후 하중이 증가됨에 따라
U-형 강판 의 측면부, 트러스 하부근이 순차적으로 항복점에 도달 되어 최대 강도에 도달되었다. 최대강도 이후에는 RC 슬래브 연단에 콘크리트 압괴
현상이 발생되어 최종파 괴 되었다.
-
2) U-형 복합보의 춤을 증가시킨 실험체의 기준실험체에 비해 항복 및 최대 강도가 약 1.66배, 1.70배 증가하고, 변위비(δu/δy )도 약 1.70배 향상되는 것으로 나타났다.
-
3) 부가력(U-형 보 : 압축력, RC 슬래브 : 인장력)을 받도록 계획된 실험체(BC-N-200-400, BC-N-400-300)는 정가 력으로 계획된
실험체와 비교하여 항복 및 최대강도가 각각 0.63∼0.72, 0.68∼0.70배로 나타나 U-형 복합보가 압축을 받도록 계획(부모멘트 발생 부분)할
때에는 인장 성능을 향상시킬 수 있도록 RC 슬래브의 휨성능을 확보 해야 할 것으로 판단된다. 4) 부가력으로 계획된 U-형 복 합보는 정가력으로
계획된 것에 비교하여 휨 강도는 저 하되지만, 연성측면에서는 오히려 우수한 결과를 보여 주고 있어 실험결과를 근거로 강도 및 연성을 고려한 설 계시
기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
-
4) 단면 주요 위치에 부착한 변형률 값을 근거로 탄성이론 에 입각한 이론값 산정이 가능하며, 실험값 대비 이론값 이 0.86∼1.04 수준으로 비교적
양호한 결과를 보여 주 었다.
감사의 글
본 연구는 2017 학년도 강남대학교 교내연구비 지원에 의 해 수행된 결과로써 이에 감사드립니다.
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