보춤 개선형 합성보 오메가빔시스템 (Omega Beam System)의 성능 및 소개
Method and Applications of a New Type Composite Beam-Omega Beam System
윤명호(Myung-Ho Yoon) 이사｜공주대학교 건축공학과｜교수｜[email protected] 오상훈(Sang-Hoon Oh)｜부산대 건축공학과｜교수
이윤희(Yoon-Hee Lee) 학생회원｜공주대 건축공학과｜박사과정｜[email protected] 차광찬(Kwang-Chan Cha)｜(주)건우기술｜대표이사｜[email protected]
양영태(Young-Tae Yang)｜(주)건우씨엔씨｜소장｜[email protected]
1. 서론
최근 건축물의 고층화와 장스팬화가 요구됨에 따 라 시공의 경제성과 분양 면적의 극대화와 건물 사 용 효율성 등을 만족시킬 수 있는 구조 형식의 선택 이 매우 중요하게 되었다. 이러한 측면에서 철골구 조가 매우 유리한 구조형식인데 철골 구조의 바닥시 스템은 H형강 보 위에 슬래브가 올라가는 시스템이 어서 층고절감 측면에서 불리한 부분이 있고 합성 효과나 강성 효과가 떨어지는 약점이 있다.
이러한 철골구조 바닥시스템의 약점을 보완한 합 성보 공법들이 개발되어 현재 실무에서 적용되고 있 지만 아직까지는 접합부 개선 등 보완되어야 할 점 을 가지고 있다. 당사에서 수년간 상품화하여 적용 한 철골 합성보를 더욱 개량 발전시켜 철골보춤 개 선형 합성보 오메가빔 시스템(Omega Beam System)
을 생산하게 되었으며 오메가빔 시스템의 성능과 특 성에 대해서 소개하고 한다.
2. 오메가빔 시스템 (Omega Beam System)의 개요
오메가빔 시스템은 크게 합성보인 NS빔(New Structure Beam)과 오메가빔(Omega Beam)으로 나눌 수 있으 며 이 두 Beam의 융합 바닥골조 시스템이라 할 수 있다. 오메가빔은 [그림1]과 같이 단부는 합성보를 적용하고 중앙부는 Built-up 철골부재를 적용함으로 써 전체적인 강재량 절감과 층고절감 효과를 극대화 시킨 보로써 (주)NI스틸에서 특허를 취득한 제품이 다. NS빔은 [그림2]와 같이 합성보의 양 날개를 상 부플랜지까지 올려 합성효과와 단면강성을 극대화 시킨 보로서 (주)건우기술에서 특허를 취득한 제품이
다. 따라서 오메가빔 시스템이란 프로젝트의 특성에 따라 골조의 최적설계가 될 수 있도록 구조설계자가 NS빔과 오메가빔을 적절하게 선택하여 사용할 수 있도록 체계적으로 융합시킨 철골보 춤 개선형 합성 보 시스템을 말한다. 오메가빔 시스템의 철골부재는 (주)NI스틸에서 제작한다.
* 특허번호 : 제 10-2012-0038819
그림 1. 오메가빔 형상
* 특허번호 : 제 10-2012-1165207
[그림2] NS빔 형상
3. 오메가빔 단면의 형상 개발
Omega Beam의 형상은 양단부가 구속된 보의 기 본적인 역학적 검토를 통해 정의하였다. [그림3]은 양단이 고정된 Omega Beam에 집중하중 가 작용할 때의 하중도이다. 일반적으로 양단부가 구속된 보는
단부의 모멘트가 중앙부의 모멘트보다 약1.5∼2배의 값을 갖는다. 이에 따라 Omega Beam의 원리는 고 정단보의 단부에 모멘트가 집중되는 것을 이용하여 단부의 단면2차모멘트를 크게 설계함으로서 재분 배된 모멘트로 인해 처짐을 감소시킬 수 있게 된다.
또한 단부의 단면2차모멘트를 증가시키면 모멘 트의 재분배로 중앙부의 단면2차모멘트는 감소 하여 단면적 이 감소하게 되며 필요한 내력만큼 만 설계하여 불필요한 재료 사용을 줄이고 층고를 절감하는 것이다. 이는 단부 단면과 중앙부 단면의 단차이로 설비 배관 공간을 형성함으로써 층고절감 효과를 얻을 수 있고,
의 길이 변화에 따른 단부 의 단면2차모멘트와 중앙부의 단면2차모멘트 의 조정으로 물량 감소 효과도 얻을 수 있다.그림 3. Omega Beam의 에 의한 하중도
[그림4]는 하중 가 작용할 때 에 의한 처 짐의 변화이다. 성능의 기준은 일반 형태를 가진 H 형강의 단면2차모멘트와 중앙부 처짐량을 1.0으로 하였으며, 단부의 단면2차모멘트비를 1.2, 1.3, 1.5로, 중앙부의 단면2차모멘트비를 0.6, 0.7, 0.8 로 변화시키며 그 경향을 알아보았다. 집중하중을 받을 때 1.5:0.8의 단면2차모멘트비를 가지는 단면이 일정한 단면을 가지는 단면보다 작은 처짐을 보인다.
그림 4. 하중 가 작용할 때 처짐의 변화
[그림5]는 등분포 하중
가 작용할 때 에 의한 처짐의 변화로 일정한 단면에 하중
가 작용 했을 때의 처짐을 1로 놓고 비교하면 단면2차모멘트 비는 과 , 일 때 일정한 단 면2차모멘트를 갖는 단면보다 낮은 처짐을 보이 고 있다.그림 5. 하중 가 작용할 때 처짐의 변화
일반적으로 Bracket 부분인 단부의
값은 Span의 ∼ 로 사용하며, 단부의 단면2차모멘트 와 중앙부의 단면2차모멘트의 비는 이 변단면의 형상이 적절하다. 그러나 처짐의 감소 뿐 아니라 물량 감소 효과를 얻기 위해서는 자세한 검 토가 요구된다. Omega Beam은 부분매입형의 합성 형태뿐만 아니라 상하비대칭형 H형강 시스템을 병 행하여 압축은 콘크리트가 인장은 강재가 부담하는
합성보의 응력분담 방식을 더욱 효율화하였다. 압축 력의 대부분을 슬래브에서 부담하기 때문에 철골 상 부플랜지의 부담이 적으므로 상부플랜지의 크기를 줄이고 철골이 주로 부담하는 하부플랜지의 인장응 력에 대한 저항에 집중하기 위하여 하부플랜지의 크 기를 키운 상하비대칭형의 H형강을 사용하였다.
Omega Beam은 중앙부와 단부의 치수가 다른 변 단면 시스템을 채택한 합성보이다. 그러나 중앙부 부재의 크기를 최소화하고 단부 부모멘트에 대하여 내력을 보강한다는 점에서 기존의 변단면 시스템과 유사한 맥락이지만 이를 상하비대칭형 H형강, 부분 매입형 합성 시스템과 결합시켜 층고절감효과를 더 욱 배가시키도록 발전시켰으며, 중앙부와 단부의 단 면을 분리하여 설계함으로써 단면성능의 효율을 더욱 최적화하였다. 이러한 특징을 바탕으로 한 Omega Beam은 우수한 층고절감효과를 통하여 경제성, 사 용성을 확보함과 동시에 시공과정에서도 특수한 공 법이나 기술을 요하지 않으며, 오히려 Stud Bolt 설 치와 같은 공정이 필요가 없기 때문에 시공성 측면 에서도 분명한 이점이 있다. Omega Beam의 개념적 인 형상은 [그림6]과 같다.
End Beam Center Beam End Beam (a) 순철골단면 형상
End Beam Center Beam End Beam Con’c Slab
(b) 합성단면 형상
그림 6. Omega Beam 개념도
4. NS빔 단면의 형상 개발
NS빔은 층고절감보다는 강재량 절감이 더욱 요구 되는 프로젝트에 효과적으로 적용하기 위해 개발된
합성보로 [그림7]과 같이 합성보의 양 날개를 상부 플랜지까지 올려 단면 강성을 극대화시켜 강재량을 더욱 절감시켰으며 Deck Plate의 시공성을 향상시킨 시스템이다.
그림 7. NS빔 3D 형성
NS빔의 기둥 Bracket 부분과의 접합은 [그림8]과 같이 일반 H형강 보 접합형식과 동일한 고장력 볼 트 접합 방식으로 할 수 있도록 하였으며, 고장력 볼트 접합 작업 이후 합성보를 위한 콘크리트 타설 이 가능하도록 접합부를 개선 개발하였다.
그림 8. NS빔 접합부 상세도
NS빔의 단면은 구조 설계자의 요구에 따라 다양 한 철판 두께 선택이 가능하며 이에 따른 부재 단면 설계는 자동으로 설계가 가능하도록 프로그램화 되 어 있다. ([그림9] 참조)
그림 9. NS빔의 다양한 단면 설계
5. 오메가빔 및 NS빔의 실험과 결과
Omega Beam과 NS빔의 실험을 통하여 다음 사항 을 검토하고자 한다.
첫째는 일반 압연 H형강보와 Omega Beam의 휨 거동의 차이를 확인하기 위함이다. 휨거동을 확인하 기 위한 실험체는 일반 압연 H형강을 사용한
(H-400x200x13x8)와
(OMB-500x200x350x6x 11.8x7.8x350x50x3.1),
(OMB-500x200x350x6x 11.8x7.8x500x50x3.1)이 다. 의 경우 역학적 검토와 단면성능프로 그램을 이용하여 비교실험체의 단면2차모멘트에 대 한 단부의 단면2차모멘트와 중앙부의 단면2차모 멘트의 비는 로, 는 에서 Wing plate를 상부 플랜지까지 높 여 비교적 층고절감효과는 적지만 단면 성능비
를 로 설계하였다.
둘째는 상부 플랜지의 부분 매입형 Omega Beam 과 노출형 합성보의 콘크리트와의 합성 효과와 합성
보의 전단 연결재(Shear Connector)유무로 인해 콘크 리트와의 전단부착응력에 따른 불완전 합성과 완전 합성의 거동차이를 확인하고자 한다. 실험체는
에 Stud Bolt를 설치한 후 콘크리트를 타설한 노출형 합성보 , 순철골보
에 콘크리트를 타설한 부분매입형 합성보 ,
와는 같은 단면성능의 합성보이지만 전 단 Slip의 영향을 검토하기 위해 Stud Bolt를 설치한
, 순철골보 에 Stud Bolt를 설치한 후 콘크리트를 타설하여 단부는 매입형 합성 보이고 중앙부는 노출형 합성보인 로 형 상을 계획하였다.
모든 실험체의 Span은 9,000mm이고, 보 단부의 Bracket 길이인 값은 Span의 로 1,125mm이다.
합성보 단면의 슬래브의 폭, 너비와 춤을 각각 2400mm, 8700mm와 200mm이며 슬래브 배근은 HD10-SD400 철근을 가로 세로 100mm×100mm 간 격으로 상하부 배근하였다. 실험체는 양단 고정된 보를 2점 가력하여 4,500mm 중앙부가 순수 휨을 받도록 계획하였다.
그림 10. 실험체의 형상과 치수
표 1. 순철골 단면에 대한 비교 단면 제원
실험체의 형상과 대략적인 치수는 [그림10]과 같 고 오메가빔 시스템의 실험체 단면은 순철골 실험체 (GNB)와 비교하여 단면적에 대한 중량비가 1을 넘 지 않는 단면으로 계획하였다. ([표1] 참조)
실험 결과를 무차원화하여 비교한 결과는 [그림 11]과 [표2]와 같다. 순철골 단면을 무차원화 하여 비교할 시 와 는 유사한 이력 거동을 보이며, 보다는 와
의 무차원화 초기강성은 약 1.7배, 무차 원화 최대하중은 약 1.4배 높게 나타났다. 콘크리트 합성단면을 비교할 시 와
는 유사한 거동을 보이며, 보다
와 의 무차원화 초기강성은 약 1.4배와 무차원화 최대하중은 약 1.5배로 높게 나타났고,
는 무차원화 초기 강성이 2.4배, 무차원 화 최대하중이 1.7배로 다른 실험체에 비해 비교적 높게 나타났다.
그림 11. 전체 실험체의 무차원화 그래프
표 2. 무차원화 구조특성치
6. 적용 시공 사례
오메가빔 시스템은 현장시공 과정 및 접합부가 일 반 H형강 골조와 유사하므로 별도의 숙련공이 불필 요하며 시공성이 양호하다. 오메가빔 시스템의 공종 별 현장 시공 과정은 [사진1]과 같다.
1. 단부 Brackt 2. Center Beam
3. Bolt 접합 4. 보 설치 완료
5. 접합부 커버 설치 6. 테크 설치 및 기둥철근 배근
사진 1. 오메가빔 시스템 현장 시공 과정
오메가빔 시스템의 NS빔이 적용된 부산 KNN 방 송국의 사례는 다음과 같다.
<부산 KNN 방송국>
- 규모 : 지하 5층, 지상 28층 - 구조 : 철골철근콘크리트
- 바닥시스템 : NS빔 + Deck Plate - 위치 : 부산시 해운대구 우동
[부산KNN 방송국 전경사진]
[현장 시공 중 사진 1]
[현장 시공 중 사진 2]
사진 2. 오메가빔 시스템 적용 사례
7. 오메가빔 시스템의 장점
오메가빔 시스템은 철골보춤 개선형 합성보로 공 사비 절감과 최적설계에 적합하게 개발된 바닥보 공 법이며 다음과 같은 장점을 지닌 우수한 합성보이다.
1) 공사비 절감
① 콘크리트와 합성효과와 소요응력 만큼의 다양 한 단면제작이 가능하여 철골 물량 감소
② 내화피복면적 감소
③ 층고 절감 시 내 외장 마감공사비 및 설비공 사비 절감됨
2) 시공성 향상
① 완제품 형태로 현장에 납품되어 시공 속도 향상
② 시공과정은 일반 철골보와 동일한 볼트접합 이 므로 별도의 숙련공 불필요 → 현장관리 수월
③ 접합부 단순화 및 일반 데크플레이트 사용
3) 거주 성능 향상
① 진동 및 처짐에 유리함 → 합성보 효과
② 천장고 확장 가능 → 건물가치 증가
③ 층고 절감으로 층수 확대 → 건물 임대료 상승
4) 최적 설계 가능
① 구조 응력의 최적단면 설계 가능
② 단부의 부모멘트 일부를 철근으로 보완 설계 가능
③ 슬래브 바닥 시스템과 바닥 진동에 대처 가능
8. 맺음말
합성보는 단순 H형강 철골보와 철근콘크리트보의 장점을 유지하면서도 단점을 보완한 아주 우수한 공 법이다. 그럼에도 불구하고 합성보에 대한 인지도가 낮다는 이유로 실무에서 잘 적용되고 있지 않아 건
축주에게는 비용을 가중시키고 구조기술자에게는 구 조기술 향상의 기회를 빼앗고 있다. 따라서 (주)건우 기술과 (주)NI스틸에서 공동 개발한 철골보춤 개선 형 합성보 오메가빔 시스템(Omega Beam System)이 널리 적용되어 건축구조 공법의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다.
* 자료 제공 문의 *
(주)건우기술, (주)건우씨엔씨 전화 : 02)2028-1850,1 팩스 : 02)2028-1860
이메일 : 차광찬 [email protected] 양영태 [email protected]
![그림 4. 하중 가 작용할 때 처짐의 변화 [그림5]는 등분포 하중 가 작용할 때 에 의한 처짐의 변화로 일정한 단면에 하중 가 작용 했을 때의 처짐을 1로 놓고 비교하면 단면2차모멘트 비는 과 , 일 때 일정한 단 면2차모멘트를 갖는 단면보다 낮은 처짐을 보이 고 있다](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4755054.515738/3.918.126.425.182.390/작용할-처짐의-등분포-작용할-비교하면-차모멘트-차모멘트-단면보다.webp)
