단부 보강에 따른 U-플랜지 트러스 복합보의
전단 내력에 관한 실험연구
Experimental Study on the Shear Capacity of the U-Flanged Truss
Hybrid Beam With Reinforced End Zone
김 영 호* Kim, Young Ho
박 성 진** Park, Sung Jin
오 명 호*** Oh, Myoung Ho
Abstract
The U-flanged truss hybrid beam is a new composite beam made by pouring concrete into the U-flanged truss beam. In this study, an experimental study was performed to verify the shear capacity of U-flanged truss hybrid beams with the newly developed end reinforcement details. For all specimens, the maximum shear strength was determined by shear failure of concrete in the loading point The detail reinforced with stirrups at the end zone can exhibit the greatest shear strength, but the method of reinforcing the end zone using vertical steel plates, which is a relatively easy method to manufacture, is considered to be the most effective detail in terms of shear strength and ductility. Also, in the case of U-flanged truss hybrid beams reinforced with vertical steel plates at the end zone, the shear strength can be evaluated on the safety side by using the Korea Design Standard formula.
Keywords : U-flanged truss hybrid beam, Shear test, Reinforced end details, Vertical steel plates
Journal of Korean Association for Spatial Structures
Vol. 21, No. 1 (통권 83호), pp.71~78, March, 2021
1. 서론
1) 국내에서 시공되는 도심 내 상업용 및 사무용 건축물 의 바닥 구조 시스템은 구조 성능, 시공성, 경제성 등을 최대한 향상시키기 위해 전통적으로 적용해오던 바닥 공법에서 새롭게 개발된 합성보를 적용한 바닥 공법으 로 점차 변화하고 있다. 수평부재인 보의 구조적 성능을 효율적으로 향상시켜 장스팬 또는 층고 절감이 용이하도록 하거나 공기 단축 과 시공성 개선을 통하여 공사비를 절감하려는 연구가 지속적으로 수행되고 있으며, 다양한 연구 결과를 건설 현장에 활발하게 적용하고 있다. 슬래브 단변 방향의 경간이 6~8m, 장변 방향의 경간 이 12~15m인 바닥 모듈 시스템의 효율적인 시공을 위 * 정회원, 국립목포대학교 건축공학과 조교수Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National Univ. ** 정회원, 국립목포대학교 건축공학과 조교수
Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National Univ. *** 교신저자, 정회원, 국립목포대학교 건축공학과 교수
Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National Univ. Tel: 061-450-2458 Fax: 061-450-6454 E-mail: [email protected] 해서 기존의 H형강 합성보, 매립형 H형강 합성보, 춤이 깊은 딥 데크(Deep deck, 200mm 이상의 깊이를 갖는 데크) 등을 적용할 경우 강재보의 상부 플랜지에 데크를 설치하게 되므로 층고가 지나치게 증가한다. 이를 방지 하기 위해서 철선 일체형 트러스 데크의 적용을 고려할 수 있으나, 이 경우에는 적정 경간이 4m 이내이므로 작 은 보의 추가적인 설치가 필요하다. 또한 딥 데크와 노 출형 U형 합성보를 적용하면 합성보의 강재량 증가로 인해 경제성이 저하된다1). 이러한 최근의 추세에 맞는 상업시설이나 중·저층 규 모의 철근 콘크리트 건축물에서 추가적인 층고의 증가 없이 강도와 강성이 확보되면서 현장 설치 조립 등과 같 은 노무비를 획기적으로 절감할 수 있는 슬림 플로어 시 스템 개념의 새로운 복합보 개발이 필요하다. 기존 연구에서는 상부에 U형상을 가진 플랜지와 강판 두께 8mm 이상의 하부 강판을 일정한 패턴으로 절곡한 측면 래티스를 이용하여 상부 U형상 플랜지의 좌우측에 하부 강판과 용접 접합한 U-플랜지 트러스 보를 개발하 였으며, 이를 대상으로 단순 보 실험을 실시하여 구조적 우수성을 검증하였다2).
<Table 1> Test specimens list Specimens
ID Upper chord Lattice Lower plate
Reinforcement of end zone
End bar Bottom bar Stirrup End plate CTS-11 CTS-ER-BR-X ∩-180☓60☓6 2-R16@400 PL-350☓8 R29(4EA) R29(4EA) - -CTS-12 CTS-ER-BR-S ∩-180☓60☓6 2-R16@400 PL-350☓8 R29(4EA) R29(4EA) D10@150 -CTS-13 CTS-X-X-EPV2-450 ∩-180☓60☓6 2-R16@400 PL-350☓8 - - - PL-6(450) CTS-14 CTS-X-X-EPV2-525 ∩-180☓60☓6 2-R16@400 PL-350☓8 - - - PL-6(525)
<Fig. 1> U-flanged truss hybrid beam U-플랜지 트러스 보는 공장에서 선조립되어 현장으 로 반입된 후 기둥에 크레인을 이용하여 설치되며, 데크 설치 후 콘크리트를 타설하여 <Fig. 1>과 같이 U-플랜 지 트러스 복합보의 시공을 완료한다. 앞서 수행된 U-플랜지 트러스 보의 단순 보 실험 결 과, 부재 내력은 래티스의 좌굴에 의해 결정되어 단부에 서 보강이 필요한 것으로 분석되었다. 이에 <Fig. 1>과 같이 수직 강판을 이용한 단부 보강 상세를 제안하여 U-플랜지 트러스 보의 단부 보강 효과가 우수함을 검증 하였다3). 따라서 U-플랜지 트러스 복합보에 대해서도 전단 성능을 검증할 필요가 있다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 단부 보강 상세에 대한 U-플랜지 트러스 복합보 의 전단 성능을 검증하기 위해서 실험적인 연구를 수행 하였다. 실험체의 단면 구성은 ∩형 성형강판(180☓60☓6t)을 상부 플랜지로 한 상현재를 구성하고, 측면에 강봉 래티 스(R16)를 좌우로 2열 배치한 후 하부 플랜지(PL-8t)를 거푸집 기능과 인장재 역할을 하도록 구성하였다. 주요 변수는 <Table 1>에서 보는 바와 같이 시공하중 에 의해 압축력을 받는 상현재는 동일하며, 단부 부분의 보강 상세에 따른 U-플랜지 트러스 복합보의 전단 성능 을 평가하고자 높이(h) 400mm, 폭(b) 350mm, 길이(L) 4,800mm의 실험체를 계획하였다. CTS-11 실험체는 단부 부분에 지름 29mm의 강봉 2개를 양쪽에 경사지게 설치하여 보강하였고, 하부 강판 위에 지름 29mm의 강봉 2개를 추가로 설치하여 보강한 실험체이다. CTS-12 실험체는 CTS-11 실험체와 동일 하지만 D10@150으로 단부 부근에 스터럽을 추가로 설 치하여 보강한 실험체이다. CTS-11 실험체와 CTS-12 실험체의 래티스는 400mm 간격으로 12개를 설치하였 다. CTS-13 실험체는 지름 29mm 강봉 대신 수직 강판 6mm를 2개 설치하여 단부 래티스를 보강한 실험체이 다. 이때 수직 강판의 길이는 450mm로 하였다. 아울러 단부에 수직 강판으로 보강하여 단부 사재를 생략하였 다. CTS-13 실험체의 래티스는 400mm 간격으로 10개 를 설치하였다. CTS-14 실험체와 CTS-15 실험체는 CTS-13 실험체 와 동일하게 수직 강판으로 보강하였지만 수직 강판의
(a) CTS-11 (b) CTS-12 (c) CTS-13
(d) CTS-14 (e) CTS-15
(f) Detail of specimen CTS-13
<Fig. 3> Experimental plan of U-flanged hybrid beam 길이를 각각 525mm 및 625mm로 길게 하여 보강한 실 험체이다. CTS-14 실험체의 래티스는 400mm 간격으 로 10개를 설치하였지만, CTS-15 실험체의 경우 수직 강판의 길이가 길어짐을 고려하여 수직 강판과 래티스 의 간섭을 피하기 위해 래티스를 400mm 간격으로 9개 설치하였다. 이러한 단면 상세는 <Fig. 2>에 나타내었다. 2.2 가력 방법 및 측정 방법 U-플랜지 트러스 복합보의 전단성능을 평가하기 위 해 <Fig. 3>에 나타낸 바와 같이 양단을 단순지지하고 단부에서 600mm 떨어진 지점에서 1점 가력을 실시하 였다. 실험체는 <Fig. 2>와 같이 계획하였으며, 하중재하 는 0.03mm/s의 변위 제어 방식으로 하였다. 일반적으로 전단성능평가의 경우 가력점과 지점 간 경간/춤의 비를 2~2.5 전후에서 좌우대칭으로 3점 또는 4점 가력 평가를 실시한다. 본 연구에서는 비대칭 가력 방식을 선정하여 일측 단부에서 전단성능을 평가하되 타측에는 휨거동을 유도하여 휨 변형과 함께 내력을 만 족하면서 전단거동의 구현을 유도하고자 계획하였다. 하중재하에 따른 수직 방향의 변위를 측정하기 위해 <Fig. 3>에 나타낸 바와 같이 실험체 하부에 변위계를 설치하여 계측하였다. 또한 하중 재하에 따른 실험체 주 요 부위의 변형률을 측정하기 위하여 변형률 게이지를 부착하였다. 시험에 사용된 가력 장비는 1,000kN 로드셀이 설치 된 오일잭이며, 데이터 취득에는 Tokyo Sokki의 TDS-602 데이터로거와 Kyowa의 USB-70B 스위치 박 스가 사용되었다. 변위 측정 장비로는 Tokyo Sokki사와 주신산업의 LVDT(Displacement Transducer)가 사용되
<Fig. 4> Test set-up
철근과 콘크리트의 변형률을 계측할 수 있는 변형률 게이지(Strain gauge)는 일본 동경측기사 제품으로 철 근용 변형률 게이지는 Gauge length 5mm, Gauge resistance 120Ω 전기저항식 변형률 게이지를 사용하 였다. 콘크리트용 변형률 게이지는 Gauge length 60mm, Gauge resistance 120Ω 전기저항식 변형률 게 이지를 사용하였다. <Fig. 4>에 실험체의 세팅 상황을 나타내었다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 금속 재료 인장 시험 실험체에 사용된 강재의 재료 성능을 확인하기 위해 인장시험을 실시하였다. 시험편은 상현재로 사용된 6mm 성형강판과 하현재로 사용된 8mm 철판, 스터럽에 사용된 D10 철근, 래티스로 사용된 16mm 환봉, 단부 보강재로 사용된 29mm 환봉 및 6mm 철판에 대하여
(a) CTS-11 specimen (b) CTS-12 specimen
(c) CTS-13 specimen (d) CTS-14 specimen <Fig. 5> The failure mode of specimens
<Table 2> Material test results
(MPa) (MPa) (GPa)
PL-6t 447.1 569.5 207.9 PL-8t 331.7 480.0 211.4 D10 419.7 593.4 161.6 16 355.6 493.2 211.8 29 298.9 442.7 199.8 탄성계수 및 응력-변형률 곡선을 확보하기 위하여 시 험편 중앙부에 스트레인 게이지를 부착하였다. 시험편은 KS B 0801을 준용하여 각각 3개씩 제작하였고, KS B 0802에 따른 인장시험 결과의 평균값을 <Table 2>에 나타내었다. 3.2 콘크리트 압축강도 시험 콘크리트 공시체는 실험체 제작 시 현장에서 지름 100mm, 높이 200mm 몰드를 이용하여 3개 제작하였으 며, 사용된 콘크리트의 배합 강도는 27MPa이다. 응력-변형률 그래프를 확보하기 위하여 공시체 중앙부에 Strain gauge를 부착하였다. 콘크리트 압축 강도 시험 결과 평균값은 30.7MPa으로 측정되었다. 3.3 파괴 양상 3.3.1 CTS-11 실험체 CTS-11 실험체는 지름 29mm 환봉으로 양 단부의 첫 번째 래티스와 지점부를 보강한 실험체이다. 최초 균 열은 약 70kN에서 가력부 우측으로 약 400mm 이격된 위치에서 발생하였다. <Fig. 5>에 나타낸 바와 같이 콘 크리트에 전형적인 전단 균열이 발생한 이후 가력부에 서 콘크리트 전단 파괴가 발생하여 최대 하중에 도달하 였다. 최대하중은 598.0kN으로 계측되었으며, 이때의 변 위는 11.9mm이다. 3.3.2 CTS-12 실험체 CTS-12 실험체는 CTS-11 실험체와 동일하지만 실 험체의 단부에 D10@150의 스터럽을 추가로 설치하여
서 콘크리트 전단 파괴가 발생하여 최대 하중에 도달하 였다. 최대하중은 758.2kN으로 계측되었으며, 이때의 변 위는 61.5mm이며, 단부 보강 효과로 인해 CTS-11 실 험체에 비해 매우 연성적인 거동을 보였다. 3.3.3 CTS-13, CTS-14, CTS-15 실험체 CTS-13, CTS-14 및 CTS-15 실험체는 양단부에 래 티스를 지름 29mm 강봉 대신 수직 강판 6mm를 2개 설치하여 보강하고, 수직 강판의 길이를 각각 450mm, 525mm 및 625mm로 변수를 둔 실험체이다. 이들은 다른 실험체와 유사하게 하중의 증가에 따라 변위가 증가하였으며, 최초 균열은 77kN(CTS-13), 36kN(CTS-14) 및 74kN(CTS-15)에서 가력부 우측에 서 발생하였다. <Fig. 5>에 나타낸 바와 같이 하중이 증 가함에 따라 콘크리트 전단 균열이 발생한 후 가력부 우 측에서 콘크리트 전단 파괴가 발생하여 최대 하중에 도 달하였다. 최대하중은 각각 650.9 kN(CTS-13), 729.0kN(CTS-14), 687.0kN(CTS-15)로 계측되었다. 수 직강판이 길이가 625mm로 가장 긴 CTS-15 실험체가 수직 강판의 길이가 짧은 CTS-14 실험체에 비해 상대 적으로 최대 하중이 작게 측정되었는데 이는 실험체에 설치된 래티스의 개수가 CTS-15 실험체는 9개, CTS-14 실험체는 10개로 더 작게 설치된 결과로 판단 된다. 3.4 하중-변위관계곡선 분석 <Fig. 6>과 <Table 3>에 하중-변위 곡선 및 실험 결 과를 나타내었다. 양쪽 단부를 강봉으로 보강하는 방법 (CTS-11 실험체)과 스터럽으로 추가 보강하는 방법 (CTS-12 실험체) 및 수직 강판으로 보강하는 방법 (CTS-13, CTS-14 및 CTS-15 실험체)으로 크게 나눌 수 있는데 CTS-11 실험체가 가장 낮은 전단 내력 및 연성 능력을 가지고 있음을 알 수 있다. 발휘할 수 있으면서 제작이 간편한 방법, 즉 수직 강판 으로 단부를 보강하는 상세(CTS-13, CTS-14 및 CTS-15 실험체)가 전단내력을 증진시키는 유효한 방법 으로 판단된다. 다만 수직 강판으로 보강하더라도 래티 스는 단부까지 연속으로 설치하고 단부에 수직 강판으 로 추가 보강하는 것(CTS-14 실험체)이 U-플랜지 트러 스 복합보의 전단 내력 측면에서 가장 유효할 것으로 판 단된다. 3.5 기준식과의 내력 비교 국내 구조설계기준(KDS 41 30 00 : 2016, KDS 14 20 22 : 2016)4),5)에서 전단력과 휨모멘트가 작용할 때 콘크리트의 전단강도()는 식 (1)과 같이 산정한다. (1) 여기서, : 경량콘크리트계수, : 콘크리트 설계 기준압축강도(MPa), : 복부의 폭(mm), : 종방향 인장철근의 중심에서 압축콘크리트 연단까지의 거리(mm) 또한 U-플랜지 트러스 복합보의 래티스 부재가 전단 철근의 역할을 하므로 래티스의 전단강도()를 산정하 기 위해서 국내 구조설계기준을 적용하면 부재 축에 경 사지게 배근된 스터럽에 대해서는 식 (2)와 같이 산정할 수 있다. (2) 여기서, : 전단철근의 전체 단면적(mm 2), : 전 단철근의 설계기준항복강도(MPa), : 경사스터럽과 부 재 축의 사이각(rad), : 종방향 철근과 평행한 방향의 철근 간격(mm)
<Table 3> The test results Specimens ID CTS-11 CTS-12 CTS-13 CTS-14 CTS-15 Test (kN) 598.0 758.2 650.9 729.0 687.0 (mm) 11.9 61.5 52.7 69.8 38.3 (kN) 523.3 663.4 569.5 637.9 601.1 KDS4),5) (kN) 521.2 521.2 521.2 521.2 521.2 1.00 1.27 1.09 1.22 1.15
<Fig. 6> The load-displacement curve of specimens
와 스터럽의 전단강도()의 합으로 식 (3)과 같이 구할 수 있다. (3) 식 (3)에 의한 실험체의 공칭전단강도()는 521.2kN이며, 이때 콘크리트 설계기준압축강도()와 래티스의 설계기준항복강도()는 재료실험에서 구한 평균값을 이용하여 산정하였다. 실험에서 구한 전단강도()의 값은 간단한 역학이 론을 이용하면 식 (4)와 같이 구할 수 있다. (4) 여기서, : 실험체의 최대하중(kN), : 양단 지 점간 거리(=4,800mm), : 가력위치에서 우측 지점까 지의 거리(=4,200mm) <Table 3>에서 보는 바와 같이 CTS-11 실험체의 전 단내력은 국내 구조설계기준에 의한 전단강도식과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 즉, U-플랜 지 트러스 복합보의 경우 국내 철근콘크리트 기준식을 사용하면 전단 내력을 평가하는데 큰 무리가 없을 것으 로 판단된다. 단부 보강을 추가로 하는 경우 전단 내력은 약 9~27% 상승한다. 그러나 연성 측면에서는 단부 보강 상 세를 가진 U-플랜지 트러스 복합보가 매우 큰 폭으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 스터럽으로 추가 보강 하는 경우 효과가 가장 좋으나 제작 측면에서는 수직 강 판을 이용하여 보강한 상세가 가장 유효한 방법으로 판 단된다.
이러한 단부 보강 상세의 효과를 사용 단계에서의 전단 내력을 검증하기 위해 콘크리트를 타설한 U-플랜지 트 러스 복합보의 전단 실험을 통해 검증하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 모든 실험체는 가력부에서 콘크리트의 전단 파괴 에 의해 최대내력이 결정되었다. 단부를 스터럽으로 추 가 보강한 상세가 가장 큰 전단내력을 발휘할 수 있으나 상대적으로 제작이 간편한 수직 강판을 이용하여 단부 를 보강하는 방법이 전단 내력 및 연성 측면에서 가장 유효한 상세로 판단된다. 2) 단부를 수직 강판으로 보강한 U-플랜지 트러스 복 합보의 경우 국내 철근콘크리트 기준식을 사용하면 전 단 내력을 안전측으로 평가할 수 있다. 감사의 글 이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.2020R1F1A1048488). References
1. Oh, M. H., Kim, Y. H., & Kim, M. H., “Experimental Study on the Flexural Capacity of the U-Flanged Truss Hybrid Beam”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.4, pp.123~130, 2018, doi: 10.9712/KASS.2018.18.4.123 2. Oh, M. H., Kim, Y. H., Kang, J. Y., & Kim,
M. H., “Experimental Study on the Structural Capacity of the U-Flanged Truss Steel Beam”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.4,
Vol.20, No.2, pp.31~38, 2020, doi: 10.9712/ KASS.2020.20.2.31
4. MOLIT, “Korea Design Standard(KDS 41 30 00 : 2016)”, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016.
5. MOLIT, “Korea Design Standard(KDS 14 20 22 : 2016)”, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016.
▪ Received : January 13, 2021 ▪ Revised : February 17, 2021 ▪ Accepted : February 17, 2021
