[논문]샌드위치 플레이트 시스템을 이용한 합성보의 동적 특성

류재호; 주영규; 윤성원

doi:10.9712/kass.2014.14.4.065

[국내논문] 샌드위치 플레이트 시스템을 이용한 합성보의 동적 특성
Dynamic Characteristic of Composite Beam using the Sandwich Plate System 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.14 no.4, 2014년, pp.65 - 72

류재호 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 주영규 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 윤성원 (서울과학기술대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

To improve the noise and vibration problems of the existing public parking systems, new floor system was proposed. This system consists of the Sandwich Plate System(SPS), steel beam and post-tensioned steel tendons. To verify the dynamic characteristics such as the natural frequency and damping ratio of the system, the free vibration test was performed. Test results showed that the natural frequency of the SPS composite beam was 23.8Hz and it was increased by 3.8% by installing the post-tensioned tendons. The damping ratio of the specimen with tendons was about 1.64%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 제안된 SPS 패널 및 SPS가 결합된 합성보에 대해 양단 단순지지 조건 하에서 고유진동수 및 감쇠율을 파악하기 위한 실험적 연구를 진행하였다. 이를 통해, 차후 진행될 SPS 바닥시스템의 사용성 평가를 위한 해석적 연구의 검증 자료를 마련하고자 하였으며, 또한 해석적 연구 추진 시 고려해야 하는 실제 거동 상의 특이성을 파악하고자 하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 기존에 사용되어 왔던 경량 강판 슬래브 시스템을 샌드위치 플레이트 시스템으로 변경하고자 하였다. 본 샌드위치 플레이트 시스템(Sandwich Plate System, 이하 SPS)은 영국 IE사에서 개발된 제품으로 상·하부 얇은 강판 사이에 고밀도 폴리우레탄을 충진한 형태를 띄고 있다.
본 논문에서는 제안된 SPS 패널 및 SPS가 결합된 합성보에 대해 양단 단순지지 조건 하에서 고유진동수 및 감쇠율을 파악하기 위한 실험적 연구를 진행하였다. 이를 통해, 차후 진행될 SPS 바닥시스템의 사용성 평가를 위한 해석적 연구의 검증 자료를 마련하고자 하였으며, 또한 해석적 연구 추진 시 고려해야 하는 실제 거동 상의 특이성을 파악하고자 하였다.

가설 설정

을 참조하였다. 본 기준안에서는 일방향으로 사용되는 합성 슬래브에 대해 고유진동수를 15Hz 이상으로 제한하고 있다. 실험에 사용된 SPS 패널(4.
또한 [Table 4]에 실험으로부터 계측된 고유 진동수와 식 (2)로부터 획득한 단순지점 조건 하에서의 이론 고유진동수를 비교하여 나타냈다. 이론값 산정 시, SPS 패널의 페러미터바(perimeter bar)로 사용된 ㄷ채널은 구조체 자중 산정에는 포함하였으나 단면의 관성모멘트 계산에는 생략하는 것으로 가정하였다. 또한 내부에 충진된 폴리우레탄의 무게는 플라스틱 구에 의해 절반가량 감소한 것으로 평가하였다.

제안 방법

SPS 패널 및 합성보에 대한 동적 특성을 평가하기 위해 굴절운동에 의한 진동계측을 실시하였으며, 이를 통해 고유진동수 및 감쇠율을 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
8]. 각 실험체별로 바닥 상단에서 무릎의 굽힘 운동을 통해 사람의 자중을 실험체에 전달하는 굴절운동을 수행하였으며, 이를 통해 자유진동을 발생시켜 구조물의 고유진동수와 감쇠율을 평가하였다. [Fig.
또한 SPS 합성보의 휨강도 및 강성을 증진시키기 위한 목적으로 강재보 웨브 좌우 측면, 하부플랜지 상단으로부터 20mm 떨어진 지점에 공칭직경 15.2mm인 강연선을 설치한 실험체를 별도로 제작하였다[Fig. 7]. 강연선에 도입된 장력의 크기는 강연선 하나당 약 26.
또한 주입되는 폴리우레탄의 양을 절약하기 위해 SPS 패널 제작 단계에서 상·하부 강판 사이에 [Fig. 5]에서 보이는 바와 같이 플라스틱 구를 삽입하였다.
계측 위치는 구조물의 동적 특성을 대표할 수 있는 위치를 선정하였으며, 굴절운동은 계측 위치로부터 20cm 이내에서 가진하였다. 진동 데이터에 대한 계측 조건은 0.003초마다 샘플 데이터를 기록하여 고유진동수 및 감쇠율 평가에 적합하도록 하였다.

대상 데이터

SPS 합성보의 경우, H-294x200x8x12 규격의 강재(SM490) 형강을 사용하였으며, 상부플랜지 상단에 상기 언급된 SPS 패널을 좌우로 볼트 접합하여 합성보를 제작하였다.
진동계측 실험에 사용된 SPS 종류는 길이가 6,000mm, 너비가 750mm, 두께는 59mm인 규격을 사용하였다. 상·하부에 위치한 강판(SS400)의 두께는 4.

이론/모형

본 연구에서는 계측된 진동 데이터로부터 해당 시스템의 감쇠율을 계산하기 위해 대수감소법을 적용하였다.⁸⁾ 대수감소율(對數減衰率)은 감쇠 자유 진동하는 물체의 진폭(amplitude)이 감소하는 정도를 나타내는 값으로 식 (3)과 같이 n개의 주기가 지난 시점에서의 진폭의 감소비를 자연대수를 취해 구한 것이다.
한편, 바닥 진동 성능 측면에서 실험에 사용된 SPS 패널의 적정 스팬 간격을 확인하기 위해 국내 ‘합성데크 바닥구조 설계기준(안) 및 해설’9)을 참조하였다.

성능/효과

1) 실험을 통해 확인된 두께 59mm SPS 패널의 고유진동수는 이론값과 잘 일치하였으며, 일반 합성데크에 사용되는 콘크리트 슬래브(두께 135mm) 대비 고유진동수가 약 10% 감소하는 특징을 나타냈다.
본 합성보에 대한 이론 고유진동수를 구하기 위해 대입된 휨강성(EI)은 약 55320kN·m²으로실제 휨성능 실험에서 계측된 값과 거의 유사하였다.¹⁰⁾ SPS 합성보에 대한 이론 고유진동수는 29.9Hz 로 실험값보다 20% 크게 산정되었는데, 이는 SPS 합성보의 강재보와 SPS 패널 사이의 볼트 접합에 따른 합성이 진동 특성에 대해서 완전하지 않기 때문인 것으로 판단된다. 즉, SPS 패널을 강재보에 고정하기 위해 M22 볼트를 200mm 간격으로 설치하였으며, 이렇게 설치된 볼트는 연속적이지 않아 수직방향으로 발생하는 진동에 대해 SPS 패널과 강재보가 따로 거동하는 것을 유발하게 된다.
2) SPS 패널의 경우, 국내 ‘합성데크 바닥구조 설계기준(안) 및 해설’에서 제안하고 있는 15Hz 이상의 고유진동수 확보 조건을 이용하여 시공 시 적합한 스팬 간격을 간접적으로 추정할 수 있다.
3) SPS 합성보의 이론 고유진동수는 29.9Hz로 실험값에 비해 20% 높은 값을 나타냈으며, 이는 볼트 접합을 한 SPS 합성보에 대해 수직 진동 운동 특성상 완전합성으로 일체거동을 하지 못했기 때문이다. 따라서 해석적 연구 진행 시 이러한 진동 특이성을 고려한 연구가 함께 진행되어야 할 것으로 판단된다.
4) 계측된 시계열 파형으로부터 대수감소법에 의해 분석된 SPS 패널과 SPS 합성보의 감쇠율은 SPS 설계 매뉴얼에서 제시된 1% 수준의 감쇠율을 나타냈으며, 강연선이 설치된 SPS 합성보의 감쇠율은 강연선에 의한 빠른 에너지 소산으로 감쇠 성능이 약 38% 증가하는 특징을 나타냈다.
SPS 패널과 SPS 합성보의 경우, 계측된 감쇠율이 각각 1.26%와 1.17%로 거의 유사하게 나타났으며, 이는 SPS 설계 매뉴얼에서 제안하고 있는 순수 골조에 대한 감쇠비를 1%로 고려하여 설계에 반영한다는 내용과 일치하였다. 반면, 강연선을 설치한 합성보의 감쇠율은 강연선에 의한 빠른 에너지 소산으로 강연선이 없는 합성보에 비해 감쇠율이 약 38% 증가된 것으로 나타났다.
굴절운동에 의한 자유진동 실험 결과 SPS 패널 자체의 고유진동수는 약 6.84Hz를 나타냈으며, 이 값은 이론값 6.41Hz와 거의 유사하였다. 이를 통해 식 (2)를 활용한 SPS 패널 자체의 고유진동수 평가가 가능함을 확인할 수 있다.
휨을 받는 보의 경우, 보의 질량과 강성 그리고 외부하중 조건에 따라 특정 위치에서의 시간에 따른 응답을 운동미분방정식으로 나타낼 수 있다. 그리고 주어진 방정식에 하중 및 경계조건을 대입하여 정리함으로써 보의 n차 모드에 대한 진동수를 산정할 수 있는 계산식를 얻을 수 있다.⁷⁾
이를 통해 식 (2)를 활용한 SPS 패널 자체의 고유진동수 평가가 가능함을 확인할 수 있다. 그리고 해당 값은 기존 합성데크에 사용되는 일반 콘크리트 슬래브(두께 135mm, 설계공칭강도 24MPa)의 동일한 경계조건에서 예상되는 고유진동수(이론값) 7.58Hz와 비교하여 약 10% 가량 작은 것으로 나타났다. 이는 SPS 시스템 특성상 강재를 사용하였으나 바닥의 두께가 60mm 내외로 줄어들어 바닥재의 휨강성이 감소했기 때문이다.
마지막으로, 강연선에 의해 보강된 실험체의 경우, 고유진동수가 24.7Hz로 계측되었으며, 강연선이 설치되지 않은 합성보보다 약 3.8% 가량 진동수가 상승된 것으로 나타났다. 이는 강연선 보강으로 인해 합성보 단면의 강성이 추가로 증가되었기 때문인 것으로 판단된다.
17%로 거의 유사하게 나타났으며, 이는 SPS 설계 매뉴얼에서 제안하고 있는 순수 골조에 대한 감쇠비를 1%로 고려하여 설계에 반영한다는 내용과 일치하였다. 반면, 강연선을 설치한 합성보의 감쇠율은 강연선에 의한 빠른 에너지 소산으로 강연선이 없는 합성보에 비해 감쇠율이 약 38% 증가된 것으로 나타났다. 이는 설치된 강연선이 마치 Self-Centering 기둥-보 접합부의 거동과 유사하게 보의 상하 진동을 빠르게 제어하여 제자리로 돌아올 수 있게 기능을 발현했기 때문으로 판단된다.
특히 바닥재로는 경량의 시트(sheet) 강판을 절곡한 형태나, 상·하부 강판 사이에 ㄷ형강(channel)을 삽입한 단위 패널(unit panel)이 많이 사용되고 있다. 본 바닥재는 강재보 위에 설치되어 슬래브를 형성함으로써 바닥판의 경량화를 도모할 수 있으며, 이를 통해 보, 기둥 및 기초의 구조 물량을 절감할 수 있는 효과를 거둘 수 있다[Fig. 1].
본 합성보에 대한 이론 고유진동수를 구하기 위해 대입된 휨강성(EI)은 약 55320kN·m2으로실제 휨성능 실험에서 계측된 값과 거의 유사하였다.
제안된 SPS 시스템은 기존 강구조 시스템과 결합되어 공용주차장은 물론 주거용 건물 및 오피스에도 확대 적용될 수 있는 신개념 바닥시스템이라 할 수 있다. 그러나 새로운 바닥 시스템이 이처럼 널리 확대 적용되기 위해서는 해당 시스템에 대한 내력 평가뿐만 아니라 사용성을 고려한 동적 특성에 대한 평가도 진행되어야만 한다.

후속연구

8mm 사이의 중간값을 나타낸다. 따라서 볼트 접합을 실시한 SPS 합성보의 동적특성은 SPS 패널의 부분합성에 따른 진동 특성을 고려하여 평가가 이루어져야 할 것으로 판단되며, 볼트 접합 간격 등 관련 변수에 따른 차이에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샌드위치 플레이트 시스템은 어떤 형태를 가지고 있는가?	이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 기존에 사용되어 왔던 경량 강판 슬래브 시스템을 샌드위치 플레이트 시스템으로 변경하고자 하였다. 본 샌드위치 플레이트 시스템(Sandwich Plate System, 이하 SPS)은 영국 IE사에서 개발된 제품으로 상·하부 얇은 강판 사이에 고밀도 폴리우레탄을 충진한 형태를 띄고 있다.1),2) 상·하부에 놓인 강판은 휨거동에 있어 구조적 효율성을 높일 수 있으며, 내부에 충진된 폴리우레탄은 두 강판 사이의 간격을 유지시켜 주는 스페이서(spacer) 역할을 함은 물론 두 재료 사이의 부착력을 통해 강재의 면외 국부 좌굴을 제어하는 역할을 한다[Fig.
	국내 공영주차장은 어떤 바닥재를 주로 사용하는가?	국내 기존 공영주차장의 경우 대부분 시공이 간편하고 공사기간을 단축할 수 있는 철골구조 시스템을 채택하고 있다. 특히 바닥재로는 경량의 시트(sheet) 강판을 절곡한 형태나, 상·하부 강판 사이에 ㄷ형강 (channel)을 삽입한 단위 패널(unit panel)이 많이 사용되고 있다. 본 바닥재는 강재보 위에 설치되어 슬래브를 형성함으로써 바닥판의 경량화를 도모할 수 있으며, 이를 통해 보, 기둥 및 기초의 구조 물량을 절감할 수 있는 효과를 거둘 수 있다[Fig.
	공영주차장에 주로 사용되는 경량의 시트 강판을 절곡한 형태나, 상·하부 강판 사이에 ㄷ형강을 삽입한 단위 패널의 단점은?	그러나 해당 기술의 경우, 바닥 강판에 형성된 다공의 개구부로 인해, 빗물 등에 노출될 경우 부식이 쉽게 발생하는 단점이 있다. 그리고 바닥재를 하부에 놓인 강재보와 스폿 용접(spot welding)을 통해 접합하기 때문에 국내와 같이 계절별 일교차가 큰 날씨에서는 강재의 수축·팽창으로 인한 용접부의 결합이 발생할 우려가 있다. 또한 장시간 차량에 의한 반복하중은 슬래브로 사용된 패널의 면외 변형을 진행시키며, 이는 차량 이동시 큰 소음을 발생시키는 주요 원인이 되어왔다.

참고문헌 (11)

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상세보기
G.C. Kim and K.M. Kim "A Study on the Characteristics of Vibration and Impact Sound at the Hollow Slab", Journal of the Architectural Institute of Korea, Structure & Construction, Vol. 23, No. 4, p.59-69, 2007
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D.E. Allen and T.M. Murray "Design criterion for vibrations due to walking", Eng. J., American Institute of Steel Construction, p.117-129, 1993
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The Small and Medium Business Administration, "4L Parking Building System", R&D project final report, 2014
M. Wolski, J.M. Ricles, and R. Sause "Experimental Study of a Self-Centering Beam-Column Connection with Bottom Flange Friction Device", Journal of Structural Engineering, Vol. 135, No. 5, p.479-488, 2009

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