1. 서 론
건축물 강구조설계기준(KDS 41 31 00: 2019)에 따르면,
“합성부재는 압연형강, 용접형강 또는 강관이 구조용콘크리 트와 함께 거동하도록 구성된 합성부재와 철근콘크리트 슬래 브와 이를 지지하는 강재보가 서로 연결되어 보와 슬래브가 함께 휨에 저항하도록 구성된 강재보에 적용한다”고 되어 있 다. 여기서 철근콘크리트 슬래브를 지지하는 강재보는 주로 H 형강을 의미한다. U-형 복합보는 철근콘크리트구조 (RC구 조)로 된 슬래브 부분과 슬래브를 지지해 주는 보로 구성되어 있는 점은 합성구조와 유사하지만, U-형 복합보에서는 철근 콘크리트 슬래브를 지지하는 보가 일반 H 형강이 아닌 다른 형태로 되어 있다. 본 연구에 사용된 U-형 복합보의 양 단부는
H 형강으로 되어 있고 중앙부에는 얇은 강판(t=6)을 이용하여 U자 형태로 제작된 철물이 일체화되어 있다. U-형 복합보는 높이 8미터 이하의 철골 조립식 주차장에 적용하기 위한 목적 으로 ㈜신안에스엔지와 이앤알구조컨설턴트(주)의 공동연구 의 결과로 개발되었다. 건축법제해설(Jang et al., 2019) 제 83 조 및 건축법시행령 118조 [옹벽 등 공작물에의 준용] 8항에 높이 8m 이하의 철골 조립식 주차장(바닥면이 조립식이 아닌 것을 포함한다)은 축조할 때 신고하여야 하는 공작물로 분류 되기 때문에 건축허가 신청식 보다 간편하고 경제적인 비용 으로 건축할 수 있다. U-형 복합보는 철근콘크리트구조와 철 골구조의 장점을 극대화함으로써 층고절감과 동시에 장경간 구조가 가능하다. 그러나 2종 이상의 이질재료를 사용하고 혼 합구조로 되어 있기 때문에 구조성능을 확보하기 위한 일체 성 확보가 중요하다. Choi et al.(2017)등은 U자형 합성보의 휨 및 전단성능을 검증하기 위한 실험을 실시하였으며 실험을 통해 일체성 확보를 위해 콘크리트와 강재 사이에 전단연결 재가 필요하다는 결론을 내렸다. Kim et al.(2016)등은 국내에 서 개발된 TSC 합성보를 대상으로 연구를 진행하였으며 연구
Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 5, October 2020, pp.111-118
https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.5.111 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
U-형 복합보의 춤 변화에 따른 구조성능에 관한 실험적 연구
하상수1*
An Experimental study on the Structural Performance by the Depth Variation of Capacity of U-shaped composite Beam
Sang-Su Ha1*
Abstract:
The U-shaped composite beam used in this study consist of a reinforced concrete structure, a beam steel structure supporting the slab, a reinforced concrete structure, and a U-shaped steel plate. The U-shaped composite beam was developed for the purpose of using it as a parking lot because it is highly constructible and has low floor height and long span. For the improvement of constructivity, the U-shaped composite beam ends are planned with standardized H-shaped steel and connected directly to the columns, and the middle of the U-shaped composite beam consists of U-shaped steel plates folded in U-shaped form using thin steel plates (t=6) instead of H-shaped steel. In the middle of the composite beam, where U-shaped steel plates are located, the depth of U-shaped beam may be planned to be small so as to satisfy the height limit of the parking lot. It is important to grasp the structural performance according to the change of depth because low beam depth is advantageous for the reduction of the floor height, but it is a inhibitor to the structural behaviors of U-shaped composite beam. In addition, since U-shaped composite beams are a mixture of steel frame structures, reinforced concrete structures and U-shaped steel plates, securing unity has a great influence on securing structural performance. Therefore, in this study, a structural experiment was conducted to understand the structural performance according to the depth change for U-shaped composite beam. A total of three specimens were planned, including two specimens that changed the depth using a criteria specimen planned for a general parking lot. The results of the experiment showed that the specimens who planned the depth greatly had better structural performance such as yield strength, maximum strength, and energy than the standard specimen.Keywords:
U-shaped composite beam, Depth, Unity, Structural performance1정회원, 강남대학교 부동산건설학부(건축공학과), 교수
*Corresponding author: [email protected]
Division of Real Estate and Construction Engineering(Department of Architectural Engineering), professor, Address : 40, Gangnam-ro, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, 16979, Korea)
∙본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution
결과 시공성이 우수하면서 장경간이 가능한 우수한 구조성능 을 실험을 통해 확인하였으며 현장에 적용되고 있다. U-형 복 합보를 철골 조립식 주차장에 효율적으로 적용하기 위해서는 8m의 높이 규정을 만족하고 가능한 장경간이 되도록 설계되 어야 한다. 주차장 용도로 사용되는 복합보 연구는 춤을 최소 화하고 동시에 장경간을 확보하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 춤이 작고 장경간으로 계획하는 것은 작은 하중으로도 휨변형이 크게 발생되기 때문에 저항성능을 높이기 위한 노 력이 필요하다. 본 연구의 목적은 주차장 용도로 개발된 춤이 작고 장경간이 가능한 U-형 복합보의 구조성능을 파악하고 개발된 U-형 복합보를 현장에 적용하기 위한 기초자료를 제 공하기 위한 것이다.
2. 실험계획
2.1 적용 대상 건물
본 연구에 사용된 U-형 복합보가 적용되는 주차장 대상건 물의 입면을 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 주차공간 및 통로구간을 고려하면 주차장 폭은 최소 17m 경 간이 필요하며, 높이는 8m로 제한되기 때문에 3개 층까지 가 능하다. 3층으로 계획된 층고는 2660mm에 불과하기 때문에 슬래브 두께 및 슬래브를 지지하는 보의 춤을 가능한 작게 계 획하여야 한다. U-형 복합보의 단부는 주차공간으로 계획하 고, 중간부분은 통로로 하여 U-형보의 단부와 중앙부분의 춤 을 서로 달리 계획하여 효율성 및 안전성이 확보되도록 하였다.
Fig. 1 Elevation of Target Building
2.2 실험체 계획
Fig. 2(a)는 U-형 복합보 타설 전 강재 부분을 나타낸 것이 고, (b)는 타설 후 강재 부분의 형상을 구간별 단면을 보여준
것이다. 그림에서와 같이 단부는 H형강(H-400x200x8x13)으 로 되어 있고, 중앙부(A-A section)에는 6mm 강판으로 U형태 로 제작한 철물이 위치하고 있다. C-C section은 단부의 H형 강과 중앙부의 U 형 철물이 서로 접합되기 때문에 이 부분에 서의 시공성 및 구조성능 확보가 중요하다. 콘크리트 타설 후 복합보의 단부는 철근콘크리트구조의 슬래브와 철골구조의 H 형강보로 이루어진 합성보로 설계가 가능하지만, 중앙부분 은 철근콘크리트 구조의 T형보 인장측 표면을 강판으로 둘러 싸인 복잡한 형태로 되어 있기 때문에 설계하는데 많은 어려 움이 따른다.
(a) Before concrete placement
(b) After concrete placement Fig. 2 U-shaped composite beam
이에 본 연구에서는 단부 부분의 H 형강은 동일하게 계획 하고 중앙부분에 단면형태를 변화시킨 3개의 실험체와 하중 방향을 변화시킨 2개의 실험체를 포함하여 총 5개의 실험체 를 계획하였다. 계획된 실험체 일람은 Table 1과 같다. Table 1 에 나타난 바와 같이 1번 실험체(U400-6-F-PM)는 기준실험 체로서 U-형 보의 춤과 폭이 각각 200mm, 400mm 이고, 2번 실험체(U300-6-F-PM)는 1번 실험체와 비교하여 U-형 보의 춤은 400mm로 2배 증가되고, 폭은 300mm로 25% 감소시킨 실험체이다. 3번 실험체(U250-6-F-PM)는 폭을 300mm에서 250mm로 더 감소시킨 것을 제외하고는 2번 실험체와 동일하 다. 4번 실험체는 1번 실험체와 동일하고 5번 실험체는 2번 실
No. Specimen Direction Slab Thick ness (mm)
U shaped Steel Plate(mm)
Truss Bar(mm)
Depth Width Upper Bottom lattice Height 1 U400-6-F-PM Positive 150 200 400 D10 D8 D5 187 2 U300-6-F-PM Positive 150 400 300 D10 D8 D5 394 3 U250-6-F-PM Positive 150 400 250 D10 D8 D5 394 4 U400-6-F-NM Negative 150 200 400 D10 D8 D5 187 5 U300-6-F-NM Negative 150 400 300 D10 D8 D5 394
Table 1 Specimen Lists
험체와 동일하나 역방향 하중을 가하기 위해 실험체를 거꾸 로 설치한 실험체이다.
기준실험체(1번 실험체) 및 2번 실험체의 형상 및 배근 상황을 Fig. 3 및 Fig. 4에 각각 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 두 실험체 모두 양 단부는 높이 400mm인 H형강(H-400x200x8x13) 과 150mm인 RC 슬래브로 되어 있고, 중앙부에서의 춤은 기준실 험체는 350mm, 2번 실험체는 550mm로 계획되어 있다.
Fig. 3 Details of U400-6-F-PM specimen(No.1)
Fig. 4 Details of U400-6-F-PM specimen(No.2)
실험체 제작에 사용된 강재(철판 및 철근)의 응력도-변형률 곡선 Fig.5∼Fig. 6에 나타내었으며, Table 2는 재료시험 결과 를 표로 정리하여 나타났으며, 콘크리트 28일 압축강도는 30.3MPa로 나타났다.
fy
(MPa) εy Es
(GPa)
μ*
(%) PL(4.5t) 434.6 0.0020 212.4 31.04
PL(6t) 476.3 0.0022 212.3 32.64
D10 442.8 0.0025 174.4 17.15
D13 439.3 0.0025 173.5 17.28
D19 445.0 0.0025 178.1 18.68
* Elongation percentage Table 2 Material Properties
Fig. 5 Stress-Strain curve of U shaped steel plate(t=6)
Fig. 6 Stress-Strain curve of reinforcement (D19)
2.3 실험체 설치 상황
Fig. 7과 같이 U-형 복합보 중앙부 위치에 철근(슬래브 및 트러스 근), 강재, 콘크리트 표면 등에 스트레인 게이지를 부 착하였다. Fig. 8은 하중가력에 따른 변위계의 위치를 나타낸 그림이며, Fig. 9는 실험체 설치상황을 나타낸 것이다.
(a) Front View
(b) Sectional View
Fig. 7 Installation Location of Wire Strain Gauge
Fig. 8 Installation Location of Displacement Transducer
Fig. 9 Test set-up
3. 실험 결과
3.1 실험체 균열 및 최종파괴 상황
정가력으로 가력한 실험체(No.1∼No.3)의 인장 콘크리트 초기균열은 콘크리트가 U형 강판 속에 존재하기 때문에 육안 으로 확인할 수 없었다. 압축부분의 콘크리트 균열은 하중이 증가할수록 플랜지 아래(콘크리트 하부면)에서 압축연단 방 향으로 진행하였다. 최대하중에 도달했을 때 U형 강판은 인 장을 받아 연성거동을 보이고 상부 콘크리트는 지지점에서 압괴가 발생되었다. Fig.10(a)에서 보는 바와 같이 U형 강판의 유효깊이 400mm인 No.1 실험체는 콘크리트와 강재가 만나 는 부분에서 분리되는 현상은 나타나지 않았으나, 유효깊이 가 상대적으로 큰 No.2 실험체는 콘크리트가 분리되는 현상 이 발생하였고, No.3 실험체에서는 U형 강판에서 국부적인 좌굴현상 나타났다. Fig.10(b)는 콘크리트 바닥이 인장을 받 도록 설치한 실험체로서 초기균열은 인장을 받는 콘크리트 에서 발생하였으며, 하중이 증가함에 균열이 다수 발생하고 균열폭도 증가하였다. 최대하중에 도달해서는 인장철근이 보 일 정도로 균열폭이 크게 발생하였으며, U형 강판은 중앙부 분과 가력점 근처에 국부좌굴이 극명하게 발생하였다.
3.2 하중-변위 곡선
각 실험체의 하중-변위 곡선을 Fig. 11에 나타내었으며, 그 래프 안에 항복하중(
), 항복변위(
), 최대하중(
), 최대변 위(
), 콘크리트 압축변형률(
), U형 강판 항복변형률(
)을 같이 나타내었다. 항복하중은 인장측의 U형 강판( Fig. 11(a)∼(c)) 또는 플랜지 인장철근(Fig. 11(d)∼(e))이 항복변형률에 도달될 때의 하중으로 정의하였다. U형 강판 및 플랜지 인장 철근의 항복변형률은 각각 0.002244, 0.002614으로 인장시 험결과로부터 구한 값이다(Fig. 5 및 Fig. 6 참조).
U형 강판이 항복변형률에 도달했을 때 압축연단의 콘크리 트 변형률 값에 대해 U400-6-F-PM 실험체는 0.001514, U300-6-F-PM 실험체는 0.00925, U250-6-F-PM 실험체는
(a) No.1 ∼No.3 Specimens
(b) No.1 ∼No.3 Specimens Fig. 10 Concrete Crack and Final Failure
(a) U400-6-F-PM(No.1) Specimen
0.001136으로 콘크리트 극한 변형률(
) 값인 0.003보다 작 은 값을 보여주고 있다(Fig. 11 (a)∼(c) 참조). 이는 강재와 콘 크리트가 모두 탄성구간에 있음을 의미하며 이 구간의 하중- 변위 곡선은 선형임을 Fig. 11 (a)∼(c)을 통해 알 수 있다. Fig.11 (d)∼(e)는 U형 강판이 압축을 받고 콘크리트 바닥부분이 인장력을 받도록 한 실험체의 하중-변위 곡선을 보여준다.
두 실험체(No. 4, No.5)체는 콘크리트 바닥이 인장측에 있 어 초기 균열 이후 강성이 조금 감소되는 것을 그래프 상에서 확인 할 수 있다. 초기균열 이후 인장부분의 최외단 철근이 항 복할 때까지 압축연단에서의 변형률과 콘크리트 극한변형률 값 모두 선형으로 증가함을 알 수 있으며, 항복변형률에 도달 했을 때 압축측 변형률(U 형 강판의 변형률) 값은 콘크리트 극 한 변형률 값의 50% 이하 수준이어서 이 실험체들도 선형임 을 확인할 수 있다.
각 실험체의 하중-변위 곡선을 비교하여 Fig. 12에 나타내었 다. U형 강판의 폭이 400mm, 춤이 350mm인 실험체(U400-6-F- PM, U400-6-F-NM)보다 유효깊이가 550mm인 실험체(U250-6 -F-PM, U300-6-F-PM, U300-6-F-NM)가 매우 우수한 구조성능 이 나타나고 있음을 알 수 있다(Fig. 12(a) 및 (b) 참조). Fig. 12(c) 는 하중방향(정가력 No.1, 부가력 No.4)만 제외하고 나머지는 모두 동일한 실험체의 하중-변위 곡선을 비교하여 나타낸 것이 다. 그림(Fig. 12(c)참조.)에서 보는 바와 같이 정가력 실험체 (U400-6-F-PM, No.1)가 부가력(U400-6-F-NM, No.4)보다 강 성 및 최대강도가 매우 우수함을 알 수 있다. 그러나 최대강도 이후 연성거동은 부가력 실험체가 우수하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 정가력 실험체는 최대 강도 후 압축 콘크리트의 압괴에 의한 취성파괴가 발생하고, 부가력 실험체는 최대강도 후 U형 강판에 의한 연성거동으로 최종파괴 되었기 때문이다.
(b) U300-6-F-PM(No.2) Specimen
(c) U250-6-F-PM(No.3) Specimen
(d) U400-6-F-NM(No.4) Specimen
(d) U400-6-F-NM(No.4) Specimen Fig. 11 Load-Displacement Curves
(c ) Comparative Curves for No.1 and No.4 Specimen
Fig. 12 Comparison of Load-Displacement Curves for Specimens
3.3 변형률 분포
Fig. 7에 나타낸 강판, 철근, 콘크리트 등에 부착한 변형률 게이지에 대한 변형률 분포를 하중단계별로 Fig. 13에 나타내 었다. Fig. 13(a)∼(c) 그림에서 보는 바와 같이, 정가력 실험체 들(No.1∼No.3)의 인장측 변형률은 하중과 비례하여 변형률 값이 증가하고 있음을 알 수 있으며 모두 항복 변형률을 초과 하였다. 그러나 압축연단에서의 콘크리트 변형률은 모두 극 한변형률 값에는 미치지 못하였다.
중립축 위치는 기준실험체(No.1)는 100mm∼130mm로 철 근콘크리트 슬래브 내에 존재하며, 춤이 상대적으로 큰 실험
No. Specimen
Pcr Py δy Pu δu
Mtest Mtheo.
Mtest / Mtheo.
Corresponding to Py
Failure mode
(kN) (kN) (mm) (kN) (mm) kN.m kN.m
(x10-6)
(x10-6)
(%)
1 U400-6-F-PM - 681.8 25.6 886.6 68.1 2.66 511.4 620.0 0.82 2244 -1514 50.5 Flexural failure 2 U300-6-F-PM - 1065.2 16.8 1510.3 83.8 4.99 798.9 1064.0 0.75 2244 -925 30.8 Flexural failure 3 U250-6-F-PM - 1032.5 17.1 1538.4 93.5 5.47 774.4 1057.0 0.73 2244 -1137 37.9 Flexural failure 4 U400-6-F-NM 63.1 484.5 29.8 603.5 60.6 2.03 363.4 395.0 0.92 2614 -1435 47.8 Flexural failure 5 U300-6-F-NM 70.4 679.9 17.9 1050.9 75.7 4.23 509.9 701.0 0.73 2614 1114 37.1 Flexural failure Pcr : Initial Crack, Py : Yield strength, δy : Displacement corresponding to Py, Pu : Maximum strength, δu : Displacement corresponding to Pu Mtest =(Py/2)x1.5, Mtheo. =
×
,
:Yield strain of U shaped steel plate or tensile reinforcement bar(D10),
:compressive strain of concrete or U shaped steel plate at compression zone.
Table 3 Test Results
(a) U400-6-F-PM specimen
(b) U300-6-F-PM specimen
(c) U250-6-F-PM specimen
(d) U400-6-F-NM specimen
(e ) U300-6-F-NM Specimen
Fig. 13 Strain distribution of all specimens
체(U300-6-F-PM, U250-6-F-PM)들의 중립축은 190mm로 나 타났다. 부가력인 두 실험체(Fig. 13(d)∼(e) 참조.)의 인장측 변형률은 정가력 실험체 보다 훨씬 큰 변형률 값을 보였다.
각 실험체의 실험결과는 Table 3에 나타내었다. Table에서 보듯이 기준실험체와 비교하여 춤을 2배, 폭을 0.75배로 변화 시킨 U300-6-F-PM(No. 2) 실험체의 항복 및 최대하중이 각각 1065.2kN, 1510.3kN으로 나타나 기준실험체 보다 항복하중 은 56.2%, 최대하중은 70.3% 증가하였다. 또한, 기준실험체 를 부가력으로 가한 U400-6-F-NM실험체의 항복 하중 및 최 대하중이 각각 484.5kN, 603.5kN으로 나타나 기준실험체보 다 항복하중은 71.1%, 최대하중은 68.1% 로 나타났다.
4. 결 론
RC 슬래브와 U-형 강판으로 구성된 U-형 복합보의 휨 성 능을 파악하기 위해 U-형 복합보의 춤 변화 및 가력 방향에 따 라 총 5개의 구조실험을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻 었다.
1) 기준실험체(No. 1)의 초기 균열은 압축측 RC 슬래브 부 분에서만 육안으로 확인되었으며, U-형 강판의 하부면 에서 처음 항복점에 도달하였다. 항복 이후 하중이 증가 됨에 따라 U-형 강판의 측면부, 트러스 하부근이 순차적 으로 항복점에 도달되어 최대 강도에 도달되었다. 최대 강도 이후에는 RC 슬래브 연단에 콘크리트 압괴 현상이 발생되어 최종파괴 되었다.
2) U-형 복합보의 춤을 증가시킨 실험체들(No.2 및 No.3) 의 평균 항복강도 및 최대강도는 각각 1048.9kN, 1524.4kN으로 나타났으며, 기준실험체에 비해 항복 및 최대 강도가 각각 1.54배, 1.72배 증가하였다.
3) 부가력을 받는 실험체(U400-6-F-NM, U300-6-F-NM)는 정가력으로 계획된 실험체와 비교하여 항복 및 최대강 도가 각각 0.63∼0.72, 0.68∼0.70배로 나타나 U-형 복 합보가 압축을 받도록 계획(부모멘트 발생 부분)할 때에 는 추가적인 인장철근 및 철물 보강하여 인장성능을 향 상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
4) 부가력으로 계획된 U-형 복합보는 정가력으로 계획된
것과 비교하여 휨 강도는 저하되지만, 연성측면에서는 오히려 우수한 결과를 보여주고 있어 실험결과를 근거 로 강도 및 연성을 고려한 설계가 요구된다.
5) 실험값과 이론값의 비율은 단면 주요 위치에 부착한 변 형률 값을 근거로 산정하였으며, 실험값 대비 이론값이 0.73∼0.92 수준으로 나타났다.
감사의 글
본 연구는 2018 학년도 강남대학교 교내연구비 지원에 의 해 수행된 결과로써 이에 감사드립니다.
References
