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문제 정의
- 본 논문에서는 새로운 단부 접합 상세로 구성된 H-beam 하부의 단부 하부 압축재와 상부 인장 철근으로 보강한 합성보(이하 BX 합성보)를 제시하고, 실험적 연구와 현장 적용 사례를 통하여 건축 현장의 기초 자료를 제공하는데 연구의 목적을 두고자 한다.
제안 방법
- 브라켓 접합 타입에서 H형강의 상부 플렌지와 웨브는 볼트 접합하고 [Fig. 5]와 같이 하부 플렌지와 단부 하부 압축재의 End plate는 볼트 접합을 적용하여 시공성을 향상시키면서 횡 강성 및 안전성을 확보하도록 하였다.
- 단부 하부 압축재가 철골보의 부모멘트 구간 내에 위치하고 소성 중립축이 압축재보다 상부에 위치하도록 하여 단부 압축재에 수직 방향 하중에 의한 압축력은 작용하고 인장력은 작용하지 않도록 설계한다. 슬래브에 상부 인장 철근을 배근하여 합성 단면으로 거동하도록 하거나 상부 철근의 직경 및 개수, 단부 압축재의 철판 두께 및 단면 높이를 조절하여 상기 소성 중립축이 단부 하부 압축재보다 상부에 위치하도록 한다.
- 본 연구를 위하여 단부 하부 압축재와 H형강을 이용한 합성보의 접합 상세에 변수를 두어 실험체를 제작하였다. BX 합성보의 구조 성능 실험을 위한 세팅 계획은 [Fig.
- 실험 중 발생 변위를 측정하기 위하여 실험체 가력 중심에 변위계를 설치하였으며, 보의 거동을 계측할 수 있도록 별도의 변위계를 설치하였다. 실험체에 적용할 하중 이력은 8.
- 전단면 브라켓 볼팅 타입의 접합 상세는 조립 시 볼트 및 플랜지 간 간섭으로 인해 겹침 이음 방식만으로는 적용이 불가능하다. 따라서 [Table 1, 2]와 같이 CT형강부와 기둥을 개선 용접 방식으로 접합한 실험체(Specimen-2), End plate와 TS 볼트 체결 방식의 실험체(Specimen-3), 연성 능력을 증대하기 위한 End plate와 강봉(또는 나사형 철근) 체결 방식의 실험체(Specimen-4)로 성능 실험을 수행하였다.Specimen-2의 경우 CT형강 웨브부 Scallop에 의한 단면 손실 영향을 평가하며, Specimen-3, 4의 경우 지진 등 수평력에 대한 성능 검증을 위하여 End plate 연결부의 TS 볼트와 강봉 체결 방식에 대한 각 변형률을 분석하여 그 결과를 바탕으로 응력-변형률 곡선, 항복 강도, 항복비, 소성 변형 능력 등 역학적 성능을 종합적으로 평가하였다.
- 거더의 부모멘트 구간에 단면 하부 CT형강 및 단면 상부 인장 철근 배근을 적용하여 최적화된 단면 설계를 구현하고 상하부를 보강함으로써 합성보 거동으로 인해 일반적인 H형강 보에 비해 중립축이 효율적으로 변화하여 횡력에 대한 휨 저항 성능을 다음과 같이 확인하였다. [Table 1, 2]와 같이 Specimen-6, Specimen-8의 경우 CT형강부의 접합부에 대한 변형 능력이 전제되어야 하고, CT형강부와 기둥 접합부의 일반적인 개선 용접이나 브라켓 볼팅 접합부의 일반적인 개선 용접 또는 브라켓 볼팅 접합 방식으로는 현장 조립 시 용접량 증가에 따른 공사 기간 및 공사비 증가, 볼팅 체결 시 간섭 문제 등이 발생한다.
- [Table 1, 2]에 나타나 있는 Specimen-7은 보와 기둥 접합부 변형 능력이 최소로 요구되는 저층부 구조물에 있어서 전단벽 시스템 및 건물 골조 방식의 구조물 또는 지하층의 탑다운 공법에 적용하기 위한 접합 상세로 계획하였다. 중립축 하부 압축 단면구간에 CT형강부의 End plate를 SRC 기둥 콘크리트에 지압을 전달하는 방식을 적용하여 시공성을 개선하였다. 따라서 각 실험체에 대하여 합성 거동에 의한 내력 증대 효과 및 접합부 변형 능력을 평가하고, 실험 결과를 바탕으로 응력-변형률 곡선, 항복 강도, 항복비, 소성 변형 능력 등 역학적 성능을 종합적으로 평가한다.
- 중립축 하부 압축 단면구간에 CT형강부의 End plate를 SRC 기둥 콘크리트에 지압을 전달하는 방식을 적용하여 시공성을 개선하였다. 따라서 각 실험체에 대하여 합성 거동에 의한 내력 증대 효과 및 접합부 변형 능력을 평가하고, 실험 결과를 바탕으로 응력-변형률 곡선, 항복 강도, 항복비, 소성 변형 능력 등 역학적 성능을 종합적으로 평가한다. 소성 모멘트 Mp는 식(1)과 같다6).
- 0kN/m2를 고려하였으며 대표적으로 적용하고 있는 철골 구조와 비교하였다. 이때 동일하게 적용된 SRC 기둥과 데크 플레이트 슬래브를 제외한 철골보, BX 철골 합성보, 철골빔, PX 합성보를 대상으로 비교하였다. 검토 결과, BX 합성보를 사용한 구조물의 공사비는 일반 철골 구조 대비 81.
- 따라서 [Table 1, 2]와 같이 CT형강부와 기둥을 개선 용접 방식으로 접합한 실험체(Specimen-2), End plate와 TS 볼트 체결 방식의 실험체(Specimen-3), 연성 능력을 증대하기 위한 End plate와 강봉(또는 나사형 철근) 체결 방식의 실험체(Specimen-4)로 성능 실험을 수행하였다.Specimen-2의 경우 CT형강 웨브부 Scallop에 의한 단면 손실 영향을 평가하며, Specimen-3, 4의 경우 지진 등 수평력에 대한 성능 검증을 위하여 End plate 연결부의 TS 볼트와 강봉 체결 방식에 대한 각 변형률을 분석하여 그 결과를 바탕으로 응력-변형률 곡선, 항복 강도, 항복비, 소성 변형 능력 등 역학적 성능을 종합적으로 평가하였다.
대상 데이터
- [Table 1, 2]에 나타나 있는 Specimen-5는 상부 인장 철근 또는 T형 보의 거동에 의해 사이클을 반복 가력 시 중립축이 가력 방향에 따라 단면 상하부로 변화하는 양상을 평가한다. 실험체 계획을 최적화하기 위하여 T형 보 거동의 경우 압축 구간의 현장 슬래브 유효폭을 최소화하여 800mm로 제한하여 제작하였다.
- 부산 웅동 지구에 위치한 M 물류 창고는 지하 1층 및 지상 6층, 연면적 45,000m2의 냉온 및 냉동 창고로, 냉동 창고는 10.5✕10.6m, 냉온 창고는 9.0✕15.0m의 모듈로 계획되었다. 구조 시스템으로는 SRC 기둥에 BX 합성보와 PC 합성보가 혼용되었다.
데이터처리
- 6m 모듈의 경제성을 [Table 5]와 같이 검토하였다. 적재하중은 20.0kN/m2를 고려하였으며 대표적으로 적용하고 있는 철골 구조와 비교하였다. 이때 동일하게 적용된 SRC 기둥과 데크 플레이트 슬래브를 제외한 철골보, BX 철골 합성보, 철골빔, PX 합성보를 대상으로 비교하였다.
성능/효과
- 콘크리트와 철골의 재료적 장점을 활용함으로써 스팬 10m 이상의 구조물 적용 시 보 춤을 낮게 할 수 있으며, 횡 강성의 증대로 공사비를 절감하고 접합부를 단순화 할 수 있다. 또한 일반 철골 구조 대비 강재량을 약 35%, 공사비를 약 20% 절감할 수 있으며 CO2 배출량도 저감할 수 있다. [Fig.
- 11]과 같이 –33mm 변형에서 CT형강 볼팅 접합 부위가 벌어지기 시작하였다. 최대 하중 400.79kN 발생 시 61.71mm 변형 이후 H형강과 CT형강 사이 용접 부위 20mm 지점에서 균열이 발생하면서 하중이 급격히 감소하였다.
- 지진 등 수평력에 대한 성능 검증을 위하여 End plate 연결부의 TS 볼트 체결 방식에 대한 형률을 평가한 결과, [Table 4]과 같이 실험을 통해 얻은 최대 하중 시 변위 값이 End plate 방식의 Specimen-3은 –61.71mm로 Specimen-2보다 약 1.5배 높게 나왔다.
- 25mm 변형에서 콘크리트면 기초 하부 400mm 위치에 초기 균열이 발생하였다. 최대 하중 706.77kN 발생 시 107.34mm 변형 이후 CT형강의 좌굴 발생과 콘크리트면의 균열 증가로 하중이 감소하였다.
- 5배 높게 나왔다. 따라서 단부 압축재 접합 시 용접 접합보다 TS 볼트 체결 방식을 한 Specimen-3, 4가 지진 등 수평력에 더 유리한 것으로 판단되었다. BX 합성보의 부모멘트 구간 인장 철근 및 스터드볼트에 의한 합성 효과를 검증하기 위한 성능 실험 결과, [Table 3]의 Specimen-5와 같이 모멘트 값이 831kN-m로 이론값 745kN-m보다 1.
- 따라서 단부 압축재 접합 시 용접 접합보다 TS 볼트 체결 방식을 한 Specimen-3, 4가 지진 등 수평력에 더 유리한 것으로 판단되었다. BX 합성보의 부모멘트 구간 인장 철근 및 스터드볼트에 의한 합성 효과를 검증하기 위한 성능 실험 결과, [Table 3]의 Specimen-5와 같이 모멘트 값이 831kN-m로 이론값 745kN-m보다 1.12배 높게 나왔다. 최대 하중 시 최대 변위는 [Table 4]의 Specimen-5가 Specimen-2보다 높게 나와 충분한 연성 능력을 나타내어 현장 적용에 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 38mm로 Specimen-1보다 높게 나와 현장에 적용할 경우 철골 이음부 물량 및 볼트량의 감소로 원가를 절감할 수 있다고 판단된다. 모든 실험체가 이론값을 상회하는 충분한 내력 비를 나타냈으며, 초기 강성과 연성율 변형 성능 등에서 현장적용에 적합한 실험 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
- 이때 동일하게 적용된 SRC 기둥과 데크 플레이트 슬래브를 제외한 철골보, BX 철골 합성보, 철골빔, PX 합성보를 대상으로 비교하였다. 검토 결과, BX 합성보를 사용한 구조물의 공사비는 일반 철골 구조 대비 81.3%인 m2당 140,923원으로 경제성이 우수한 것으로 나타났다. [Fig.
- 17]은 실제 물류 창고 사진으로 Specimen-7의 SRC 기둥과 단부 하부 압축재의 End plate 접합부 방식을 보여주고 있다. 상부에 인장 철근을 사용함으로써 합성 효과를 크게 하여 철골 물량을 감소시키고, 단부 압축재의 강접합으로 중앙부 단면 물량을 추가로 감소시킬 수 있는 효율적인 공법이라고 판단되었다. 냉동 물류 창고는 고하중이므로 일반 철골 구조로는 해결할 수 없으나 BX 합성보는 고하중, 보춤, 경제성에 대응할 수 있는 시스템임을 확인하였다.
- 상부에 인장 철근을 사용함으로써 합성 효과를 크게 하여 철골 물량을 감소시키고, 단부 압축재의 강접합으로 중앙부 단면 물량을 추가로 감소시킬 수 있는 효율적인 공법이라고 판단되었다. 냉동 물류 창고는 고하중이므로 일반 철골 구조로는 해결할 수 없으나 BX 합성보는 고하중, 보춤, 경제성에 대응할 수 있는 시스템임을 확인하였다.
- 1) 지진 등 수평력에 대한 성능 검증을 위하여 End plate 연결부의 TS 볼트 체결 방식에 대한 변형률을 평가한 결과, 실험을 통해 얻은 최대 하중 시 변위 값이 End plate 방식의 Specimen-3은 –61.71mm로 Specimen-2보다 약 1.5배 높게 나타났다.
- 5배 높게 나타났다. 따라서 단부 압축재 접합 시 용접 접합보다 TS 볼트 체결 방식을 한 Specimen-3, 4가 지진 등 수평력에 유리한 것으로 판단된다.
- 2) BX 합성보의 부모멘트 구간 인장 철근 및 스터드 볼트에 의한 합성 효과를 검증하기 위한 성능 실험 결과, Specimen-5와 같이 실험을 통해 얻은 모멘트 값이 831kN-m로 이론값 745kN-m보다 1.12배 높게 나타났고, 최대 하중 시 최대 변위는 Specimen-5가 Specimen-2보다 높게 나타나 충분한 연성 능력이 있어 현장 적용에 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 3) 상부 인장 철근과 하부 압축재의 용접이 End plate 방식인 Specimen-6과 콘크리트 End plate 방식의 Specimen-7은 각 실험체가 이론값을 상회하는 충분한 내력 비를 나타내었다. Specimen-8의 브라켓 End plate 방식은 최대 하중 시 변위가 82.
- 4) 모든 실험체가 이론값을 상회하는 충분한 내력비를 나타냈으며 초기 강성과 연성율 변형 성능 등에서 현장 적용에 적합한 실험 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
- 5) 20.0kN/m2의 고하중 물류 창고에 적용한 결과, 일반 철골 구조 대비 81.3%로 경제성이 우수하고, 보 춤도 100mm 절감할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 거더의 부모멘트 구간 단면 상부 Deck 슬래브 유효 폭 내에 인장 철근을 배근하여 합성보로 설계하는 경우 데크 플레이트의 트러스 철근 골 방향으로 인장 철근을 배치하고 스터드 볼트에 의한 합성율 및 중립축 변화를 고려하여야 한다. 따라서 유효폭 내에 배치된 인장 철근의 합성 효과를 검증하기 위한 성능 실험을 수행하여야 한다. [Table 1, 2]에 나타나 있는 Specimen-5는 상부 인장 철근 또는 T형 보의 거동에 의해 사이클을 반복 가력 시 중립축이 가력 방향에 따라 단면 상하부로 변화하는 양상을 평가한다.
- 본 실험과 현장 적용 사례 분석을 통하여 BX 합성보는 현장 적용의 기초 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
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