합성트러스는 북미에서 고층건물 및 장지간 건축 구조물에 널리 사용되어지고 있는 구조물의 형태로 비슷한 다른 건축 구조에 비하여 빠른 시공 속도와 낮은 경간비와 자중비의 장점이 있다. 12~18m 경간 범위에서는 가장 경쟁력이 있는 구조물의 형태로 알려져 있다. WTC 붕괴 사고 이후, 화재 시 구조물의 내화거동에 관한 연구의 필요성이 부각됨에 따라 화재와 관계된 여러 분야에서의 연구가 세계적으로 활발하게 진행 중에 있다. 본 연구에서 수행된 실험에서 화염에 직접 노출된 트러스 강재 부재의 경우 짧은 가열시간에도 불구하고, $700^{\circ}C$ 이내의 온도 분포를 보이며 콘크리트 내부에 위치한 센서의 경우는 $200^{\circ}C$ 이내의 온도 분포를 보였다. 20mm 사재의 경우, 구조물의 처짐은 3분을 전후하여 빠른 처짐 분포를 보이며 파괴되었으나, 25mm, 35mm, 45mm 사재의 경우, 구조물은 파괴되지 않았으나 모두 15분 이내에 L/20의 처짐 기준에 도달하였다.
합성트러스는 북미에서 고층건물 및 장지간 건축 구조물에 널리 사용되어지고 있는 구조물의 형태로 비슷한 다른 건축 구조에 비하여 빠른 시공 속도와 낮은 경간비와 자중비의 장점이 있다. 12~18m 경간 범위에서는 가장 경쟁력이 있는 구조물의 형태로 알려져 있다. WTC 붕괴 사고 이후, 화재 시 구조물의 내화거동에 관한 연구의 필요성이 부각됨에 따라 화재와 관계된 여러 분야에서의 연구가 세계적으로 활발하게 진행 중에 있다. 본 연구에서 수행된 실험에서 화염에 직접 노출된 트러스 강재 부재의 경우 짧은 가열시간에도 불구하고, $700^{\circ}C$ 이내의 온도 분포를 보이며 콘크리트 내부에 위치한 센서의 경우는 $200^{\circ}C$ 이내의 온도 분포를 보였다. 20mm 사재의 경우, 구조물의 처짐은 3분을 전후하여 빠른 처짐 분포를 보이며 파괴되었으나, 25mm, 35mm, 45mm 사재의 경우, 구조물은 파괴되지 않았으나 모두 15분 이내에 L/20의 처짐 기준에 도달하였다.
The composite truss has been widely used for tall buildings and long-span structures in North America. As compared with other similar structures, it has merits such as reduction of construction period, low span/depth ratio, low dead weight and so on. It has the most effective trait for structures wi...
The composite truss has been widely used for tall buildings and long-span structures in North America. As compared with other similar structures, it has merits such as reduction of construction period, low span/depth ratio, low dead weight and so on. It has the most effective trait for structures with long span of 12~18m. After collapse of WTC, the fire resistance behaviors of structures have been actively conducted under various fire conditions in several country. This study showed that the surface temperature of steel member in the composit truss beam was reached to $700^{\circ}C$ under the fire condition of a short time. Under the same condition, the temperature in concrete was within $200^{\circ}C$. The composit truss beam with 20mm bracing was collapsed by rapid deflection after about 3minutes. However, the beams with 25mm, 35mm, and 45mm bracing were not collapsed, even though those were reached to deflection standard of L/20 within 15minutes.
The composite truss has been widely used for tall buildings and long-span structures in North America. As compared with other similar structures, it has merits such as reduction of construction period, low span/depth ratio, low dead weight and so on. It has the most effective trait for structures with long span of 12~18m. After collapse of WTC, the fire resistance behaviors of structures have been actively conducted under various fire conditions in several country. This study showed that the surface temperature of steel member in the composit truss beam was reached to $700^{\circ}C$ under the fire condition of a short time. Under the same condition, the temperature in concrete was within $200^{\circ}C$. The composit truss beam with 20mm bracing was collapsed by rapid deflection after about 3minutes. However, the beams with 25mm, 35mm, and 45mm bracing were not collapsed, even though those were reached to deflection standard of L/20 within 15minutes.
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문제 정의
4) 본 연구는 WTC 1&2에서 사용된 구조물과 유사한 합성트러스 구조물의 내화 거동에 대한 실험적 연구를 수행하기 위한 선행연구이다.
본 실험은 표준화재 조건에서 적용모델의 거동을 재하 하중율과 사재의 크기에 대한 영향을 고려하여 실험체 비교 분석과 구조물의 화재거동 분석을 위하여 적용된 각 부재의 시간에 따른 전열 특성을 분석하는 것으로 선정하였다. 재하 하중은 4점 재하를 하여 중앙부에 균등한 하중이 전달되도록 하였으며, 보 중앙부의 처짐은 와이어 게이지를 이용하여 측정하였다.
본 연구는 표준 화재 조건하에 하중비와 사재의 크기에 따른 합성트러스의 내화거동을 평가·분석하기 위하여 수행되었다.
본 연구는 합성트러스 보에 대하여 표준화재조건에서 재하 하중비와 사재 부재의 크기에 따른 영향을 고려하여 화재 시 합성트러스 보의 내화거동을 분석하였다.
가설 설정
2) 합성트러스는 일반 합성보와 같이 압축력은 콘크리트 부분인 슬래브가 인장력은 트러스의 하현재가 지지한다. 트러스 부분인 강재의 압축력 지지는 미미하므로 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
재하실험의 경우 부재의 변형량은 허용 변형량인 D = (L2/400d)와 변형속도인 (dD/dt) = (L2/9000d)를 초과할 경우 구조적 붕괴상태로 판정하고 처짐 기준인 L/30을 초과 하지 않도록 하고 있다.7) 본 실험은 재하 실험으로 두 번째 기준에 의하여 평가 하였으며 중앙부 처짐이 L/30을 초과할 때 붕괴 상태로 판정하였다.
완전 합성 구조로서 강재 트러스와 슬래브 간에 100%의 수평전단력이 전달되도록 전단 연결재(Ø19-95mm)를 설치하였다.
본 실험은 표준화재 조건에서 적용모델의 거동을 재하 하중율과 사재의 크기에 대한 영향을 고려하여 실험체 비교 분석과 구조물의 화재거동 분석을 위하여 적용된 각 부재의 시간에 따른 전열 특성을 분석하는 것으로 선정하였다. 재하 하중은 4점 재하를 하여 중앙부에 균등한 하중이 전달되도록 하였으며, 보 중앙부의 처짐은 와이어 게이지를 이용하여 측정하였다. 온도는 상현재 · 하현재 · 사재 부재·콘크리트 부재의 온도 변화를 측정하기 위하여 40개의 열전대를 설치하였으며, 그 위치는 Figure 1과 같다.
하중비 0.4의 조건으로 사재의 크기가 다른 두 개의 시험체인 M-45-0.4와 M-25-0.4의 온도와 처짐을 분석하였다. KS F 2257-67)의 조건에 의하여 보의 3면 가열을 한 결과 열을 가장 직접적으로 받는 하현재와 사재의 온도 비교를 하였을 때 Figure 5~6에서 보는바와 같이 하현재의 온도에 비하여 사재의 온도 분포가 더 높았으며 M-45-0.
합성트러스 시험을 위하여 4개의 시험체가 BS 5950 Part 1의 기준에 의하여 설계 되었으며, Span/Depth 비율은 15로서(길이 4.2m, 춤 0.28m) 실제 건물에 응용되고 있는 장지간 합성 트러스의 비율을 고려하였다. 상현재와 하현재는 CT형강(75 × 100 × 6 ×9), 사재는 double L형강(45 × 45 × 6, 35 × 35 × 6, 25 × 25 × 5,20 × 20 ×5)으로 설계 하였으며, 6mm 필렛 용접(E51 electrode)을 사용하여 부재를 연결하였고, 강종은 모두 SS400(Py = 245N/mm2)을 사용하였다.
대상 데이터
상현재와 하현재는 CT형강(75 × 100 × 6 × 9), 사재는 double L형강(45 × 45 × 6, 35 × 35 × 6, 25 × 25 × 5,20 × 20 × 5)으로 설계 하였으며, 6mm 필렛 용접(E51 electrode)을 사용하여 부재를 연결하였고, 강종은 모두 SS400(Py = 245N/mm2)을 사용하였다.
온도는 상현재 · 하현재 · 사재 부재·콘크리트 부재의 온도 변화를 측정하기 위하여 40개의 열전대를 설치하였으며, 그 위치는 Figure 1과 같다.
KS 규준의 내화 성능 평가는 ISO 834를 기준으로 하는 KS F 2257의 건축구조 부재의 내화시험방법에의한다.7) 비재하 실험의 경우는 온도를 기준으로 평균온도 538oC와 최대온도 649oC를 넘지 않아야 한다고 규정되어 있다.
본 실험은 KS F 2257-6의 표준화재 조건에 의하여 재하 후 3면 가열을 하였으며 한국건설기술연구원 방 내화 실험동에서 실시하였다. Table 1은 시험체의 사재별 최대모멘트, 재하 하중과 하중비를 나타낸다.
합성트러스의 재료적 성질을 알기 위하여 KS B 0802 시험 방법에 의한 금속 재료 인장 시험을 실시하였으며 강재의 재료적 성질은 Table 3, 4와 같다.
성능/효과
1) M-45-0.4 시험체에서 하현재보다 사재의 온도 분포가 더 높았으며 사재의 온도 상승이 시험체의 내화 거동에 영향이 있는 것으로 판단된다. 내화시간은 12분, 처짐은 124.
2) M-25-0.4 시험체는 하현재의 온도 분포가 더 높았으며 내화시간은 12분으로 M-45-0.4 시험체와 같았으며 처짐은 131.5mm로 나타났다. 하중비 0.
2) 합성트러스는 일반 합성보와 같이 압축력은 콘크리트 부분인 슬래브가 인장력은 트러스의 하현재가 지지한다. 트러스 부분인 강재의 압축력 지지는 미미하므로 없는 것으로 가정하였다.
3) M-35-0.7 시험체는 하현재의 온도 분포가 사재와 비교하여 시험시간 12분 경과 후 40oC의 차이가 있었으며 하현재의 온도가 처짐에 영향을 준 것으로 판단된다.
4) M-20-0.7 시험체는 사재의 온도에 따른 처짐이 발생한 것으로 판단되며 실험시간 4분 경과 후 사재의 온도가 100oC 높았다. 하중비 0.
4. 하중비 0.7 조건에서 사재 부재의 크기 변화가 내화성능 향상이 있는 것으로 나타났으며 35mm 이하의 사재 부재를 사용할 경우 단부의 사재 부재의 좌굴이 발생하였다.
7) 비재하 실험의 경우는 온도를 기준으로 평균온도 538oC와 최대온도 649oC를 넘지 않아야 한다고 규정되어 있다. 재하실험의 경우 부재의 변형량은 허용 변형량인 D = (L2/400d)와 변형속도인 (dD/dt) = (L2/9000d)를 초과할 경우 구조적 붕괴상태로 판정하고 처짐 기준인 L/30을 초과 하지 않도록 하고 있다.
2mm로 측정되었다. CT-형강의 항복 강도는 84.11kN으로 측정되었으며, 극한 강도는 121.94kN으로 측정되었고, 최대 변형은 20.57mm로 측정되었다.
ㄱ-형강은 CT-형강 항복 강도의 약 57.87%, 인장 강도의 약 59.99%의 강도 차이를 나타내었으며, 변형은 CT형강의 113.12%로 측정되었다.
재료의 연성을 나타내는 연신율도 모두 기준에 적합한 것으로 나타났다. ㄱ-형강은 CT-형강 항복응력의 약 86.23%, 인장강도의 약 89.38%의 응력 차이를 나타내었으며, 연신율은 CT-형강의 104.77%로 측정되었다.
5mm로 나타났다. 사재의 부재 크기가 내화 시간에 영향을 적게 미치는 것으로 나타났다.
C 이하의 분포를 보였으며 4분 이후부터 강재의 내력 저하가 나타난 것으로 판단된다. 시험체 중앙부의 사재에 설치된 10~12번 열전대 센서의 온도가 다른 열전대에 비하여 높은 것으로 나타났으며 이는 부재의 중앙부 처짐에 영향을 준 것으로 판단된다. Figure 10~11의 온도에 따른 실험체의 처짐 비교에서 하중비 0.
인장 시험 결과 ㄱ-형강의 항복 강도는 48.68kN으로 측정되었으며, 극한 강도는 73.15kN으로 측정되었고, 최대 변형은 22.2mm로 측정되었다. CT-형강의 항복 강도는 84.
인장 시험 결과 ㄱ-형강의 항복응력은 291MPa, CT-형강은 338MPa로 나타났으며, 인장응력은 ㄱ-형강은 438MPa, CT-형강은 490MPa로 나타났다. 재료의 연성을 나타내는 연신율도 모두 기준에 적합한 것으로 나타났다.
인장 시험 결과 ㄱ-형강의 항복응력은 291MPa, CT-형강은 338MPa로 나타났으며, 인장응력은 ㄱ-형강은 438MPa, CT-형강은 490MPa로 나타났다. 재료의 연성을 나타내는 연신율도 모두 기준에 적합한 것으로 나타났다. ㄱ-형강은 CT-형강 항복응력의 약 86.
항복응력과 인장응력을 KS 기준과 비교하였을 때 ㄱ-형강과 CT형강 모두 적합하며, 재료의 연성을 나타내는 연신율도 모두 기준에 적합한 것으로 나타났다.
후속연구
향후 추가 연구로 하부 노출 부분에 대한 피복을 통한 내화 성능 향상을 위한 추가 실험이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
합성 트러스의 시초는?
합성 트러스는 1960년대 중반부터 현재까지 북미에서 고층 건물 및 중·장지간 구조물에 매우넓게 응용되어온 구조물의 형태이다. 다른 유사 구조물에 비하여 낮은 Span/Depth 비율, 빠른 시공속도 그리고 낮은 자중비, 사재와 현재 사이의 공간을 통해 설비 시설을 설치할 수 있는 장점을 기반으로 18m 이상의 지간 거리에서 가장 경쟁력 있는 구조시스템으로 인식되어 왔다.
화재시 합성 건축 구조물의 단점은 무엇인가?
합성 건축 구조물은 화재 시 콘크리트 부분에는 열전달이 작게 나타나지만 노출된 강재의 경우 고온에 의하여 고유의 강성을 잃게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 내화 뿜칠재나 내화 도료 등을 이용하여 화재에 노출되는 부분의 강성저하를 줄이려는 노력을 하고 있다.
S. Kravanja and S. Silih, 'Optimization Based Comparison between Composite I Beams and Composite Trusses', Journal of Constructional Steel Research, Vol.59, pp.609-625(2003)
Graeme Flinta, Asif Usmania, Susan Lamontb, Jose Toreroa, and Barbara Laneb, 'Effect of Fire on Composite Long Span Truss Floor Systems', Journal of Constructional Steel Research, Vol.62, pp.303-315(2006)
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