An Experimental Study on the Fire Resistance of Composite Truss Beam

합성트러스 보의 내화성능에 관한 실험적 연구

An Experimental Study on the Fire Resistance of Composite Truss Beam

박원섭·김흥열

^†

·김형준

Won-Sup Park · Heung-Youl Kim

^†

· Hyung-Jun Kim

한국건설기술연구원

(2009. 11. 18.

접수

/2009. 12. 11.

채택

)

요 약

합성트러스는북미에서고층건물및장지간건축구조물에널리사용되어지고있는구조물의형태로비

슷한다른건축구조에비하여빠른시공속도와낮은경간비와자중비의장점이있다

. 12~18m

^경간범

위에서는가장경쟁력이있는구조물의형태로알려져있다

. WTC

^{붕괴사고이후}

,

^{화재시구조물의내}

화거동에관한연구의필요성이부각됨에따라화재와관계된여러분야에서의연구가세계적으로활발하 게진행중에있다

.

본연구에서수행된실험에서화염에직접노출된트러스강재부재의경우짧은가 열시간에도불구하고

, 700

^o

C

^{이내의온도분포를보이며콘크리트내부에위치한센서의경우는}

200

^o

C

이내의온도분포를보였다

. 20mm

^{사재의경우}

,

^{구조물의처짐은}

3

^{분을전후하여빠른처짐분포를보}

이며파괴되었으나

, 25mm, 35mm, 45mm

사재의경우

,

구조물은파괴되지않았으나모두

15

분이내에

L/20

의처짐기준에도달하였다

.

ABSTRACT

The composite truss has been widely used for tall buildings and long-span structures in North Amer- ica. As compared with other similar structures, it has merits such as reduction of construction period, low span/depth ratio, low dead weight and so on. It has the most effective trait for structures with long span of 12~18m. After collapse of WTC, the fire resistance behaviors of structures have been actively conducted under various fire conditions in several country. This study showed that the surface temperature of steel member in the composit truss beam was reached to 700

^o

C under the fire condition of a short time. Under the same condition, the temperature in concrete was within 200

^o

C. The com- posit truss beam with 20mm bracing was collapsed by rapid deflection after about 3minutes. However, the beams with 25mm, 35mm, and 45mm bracing were not collapsed, even though those were reached to deflection standard of L/20 within 15minutes.

Key words :

Composite truss, Fire resistance, Deflection, Temperature, Fracture

1. 서 론

1.1연구배경및목적

합성트러스는

1960

^{년대중반부터현재까지 북미에}

서고층건물및중·장지간구조물에매우넓게응용 되어온 구조물의형태이다

.

^{다른유사 구조물에 비하}

여낮은

Span/Depth

비율

,

빠른시공속도그리고낮은

자중비

,

사재와현재사이의공간을 통해설비시설을

설치할수있는장점을기반으로

18m

^{이상의지간거}

리에서가장경쟁력있는구조시스템으로인식되어왔 다

.

¹⁾

2001

^년

WTC(World Trade Center)

^{테러사고 이}

후

,

화재 시내화 거동에 대한추가적인 연구가 필요 함을인식하고여러분야에서화재에 대한연구를 활 발하게수행하고있다

.

⁴⁾ 본연구는

WTC 1&2

에서사 용된구조물과유사한합성트러스구조물의내화거동 에대한 실험적 연구를 수행하기위한 선행연구이다

.

†

E-mail: [email protected]

합성 건축구조물은화재시콘크리트부분에는열전 달이 작게나타나지만노출된 강재의경우 고온에의 하여고유의강성을잃게된다

.

이러한단점을 보완하 기위하여내화뿜칠재나내화도료등을이용하여화 재에노출되는부분의강성저하를줄이려는노력을하 고있다

.

본연구는표준 화재조건하에하중비와 사재의크 기에 따른 합성트러스의 내화거동을 평가·분석하기 위하여 수행되었다

.

2. 합성트러스 보 내화 실험 계획

2.1실험변수및시험체제작

합성트러스시험을위하여

4

개의시험체가

BS 5950 Part 1

의기준에의하여설계되었으며

, Span/Depth

비 율은

15

로서

(

길이

4.2m,

춤

0.28m)

실제 건물에 응용 되고 있는 장지간 합성 트러스의 비율을 고려하였다

.

상현재와 하현재는

CT

형강

(75 × 100 × 6 × 9),

사재는

double L

형강

(45 × 45 × 6, 35 × 35 × 6, 25 × 25 × 5, 20 × 20 × 5)

으로 설계 하였으며

, 6mm

필렛 용접

(E51

electrode)

을사용하여부재를연결하였고

,

강종은모두

SS400(P

y

= 245N/mm

²

)

을사용하였다

.

슬래브는

60mm

의

Topping

과

75mm

의

Rib

로구성되었으며

,

바닥강판 위에 일반콘크리트

(f

c

= 24N/mm

²

)

를 타설했으며

,

균열 제어용와이어메쉬

(Ø6-100mm)

를토핑부에포함하였다

.

완전합성구조로서강재트러스와슬래브간에

100%

의수평전단력이 전달되도록전단 연결재

(Ø19-95mm)

를설치하였다

.

재하하중비는

0.4~0.7

의비율로 실험 변수를 선정하였다

.

본실험은표준화재조건에서적용모델의거동을재 하하중율과사재의 크기에대한 영향을고려하여실

험체 비교 분석과 구조물의 화재거동 분석을 위하여 적용된 각부재의시간에 따른전열특성을 분석하는 것으로 선정하였다

.

재하 하중은

4

점재하를 하여 중 앙부에 균등한 하중이 전달되도록 하였으며

,

^{보 중앙}

부의처짐은와이어게이지를이용하여측정하였다

.

온 도는 상현재·하현재·사재 부재·콘크리트 부재의 온도변화를측정하기위하여

40

개의열전대를설치하 였으며

,

그위치는

Figure 1

과같다

.

편의상시험체의중앙부하현재

#1, 2&3

사재

#10, 11&12

^상현재

#22&23

^을

Group 1, L/4

^{지점하현재의}

#4, 5&6

사재의

#13, 14&15

상현재의

#24&25

를

Group

Figure 1.

Thermocouple location.

Table 1.

Test Specimen Detail Specimen Max.Moment (Load) Load

(R.L) Brace Member M-45-0.4

315.4kN

·

m (300.4kN)

120.2kN

(0.4) L-45 × 45 × 6

M-35-0.7 210.4kN

(0.7) L-35 × 35 × 6

M-25-0.4 120.2kN

(0.4) L-25 × 25 × 5

M-20-0.7 210.4kN

(0.7) L-20 × 20 × 5

Table 2.

Sensor name of Structural Member Structural

Member Sensor name

Top chord Web member Bottom chord

M45-T-G1: Specimen name-Structural Member-location

Structural member:

T

op Chord

W

eb member (Bracing),

^B

ottom Chord Location: Group 1, 2, 3

Figure 2.

Shape of 4 points loading.

2,

단부하현재

#7, 8&9

사재의

#16, 17&18 #19, 20&21

상현재의

#26&27

^을

Group 3

^{이라고정의하였다}

. Table

2

는시험체의센서명칭에 대하여요약한것이다

.

본실험은

KS F 2257-6

^{의표준화재조건에 의하여}

재하 후

3

면가열을 하였으며한국건설기술연구원 방 내화실험동에서실시하였다

. Table 1

은시험체의사재 별최대모멘트

,

재하하중과 하중비를나타낸다

.

2.2합성트러스의모멘트성능

한계상태설계에서합성트러스의 모멘트성능은 보 에적용되는계수모멘트이상이되어야한다

.

²⁾ 합성트 러스는일반합성보와같이압축력은콘크리트부분인 슬래브가인장력은트러스의하현재가지지한다

.

트러 스부분인 강재의압축력 지지는 미미하므로없는것 으로가정하였다

.

SS400

강재의 설계 강도

p

y

= 245N/mm

²

,

콘크리트 압축력은

f

^c

= 24N/mm

²이다

.

Table 1

의합성트러스모멘트성능은

BS5950 Part 1

에의하여다음식으로 계산하였다

.

⁽⁶⁾

R

c

= 0.45f

cu

B

e

x

c

(1)

여기서

, R

c

:

데크위의콘크리트압축강도 여기서

, f

^cu

:

콘크리트의

28

일압축강도 여기서

, B

e

:

콘크리트슬래브의유효너비 여기서

, D

^s

:

슬래브 전체깊이

여기서

, D

p

:

데크의 깊이

R

^s

= A

^b

p

^y

(2)

여기서

, R

^s

:

강재의강도 여기서

, A

b

:

하현재의 전단면적 여기서

, p

^y

:

강재의 설계강도

콘크리트의중립축깊이는 다음과같다

.

(3)

합성트러스의모멘트는

R

^s

< R

^{c인경우다음식과같다}

. M

^c

= R

^s

× [D

^t

+ D

^s−

x

^b−

0.5x

^c

] (4)

여기서

, D

^t

:

강재트러스의전체깊이 여기서

, x

b

:

트러스 하현재의중립축 거리

3. 재료실험 및 실험 평가

합성트러스의재료적성질을알기위하여

KS B 0802

시험방법에 의한금속재료 인장시험을실시하였으 며강재의재료적성질은

Table 3, 4

와같다

.

3.1형강에따른하중-처짐곡선

인장시험결과ㄱ

-

형강의항복강도는

48.68kN

으로

측정되었으며

,

^{극한 강도는}

73.15kN

^{으로 측정되었고}

,

최대변형은

22.2mm

로측정되었다

. CT-

형강의항복강

도는

84.11kN

으로측정되었으며

,

극한강도는

121.94kN

으로측정되었고

,

최대변형은

20.57mm

로측정되었다

. x

c

= D

( s −

D

p)

R

s

R

c

---

Table 3.

Tensile Test of Steel

실험체 표점 길이 너비

(mm) (mm)

^{두께 단면적}

(mm

²

)

^항복강도

(N)

^항복응력

(Mpa)

^인장강도

(N)

^인장응력

(Mpa)

^변형길이

(mm)

^연신율

(%)

ㄱ

Steel 103.00 27.86 6 167.13 48678.72 291.26 73149.35 437.67 22.20 21.55 CT Steel 95.40 31.33 6/9 249.03 84112.51 337.76 121941.96 489.66 20.57 20.57

Table 4.

Mechanical Property of Universal Structural Steel

실험체

항복응력

(MPa)

인장응력

(N)

연신율

(%)

강판두께

(mm)

강재두께

(mm)

5

^이하

5~16 16~50 40

^이상

16

^이하

16~40 40

^초과

SS 400 245

^이상

235

^이상

215

^이상

400~510 21

^이상

17

^이상

21

^이상

23

^이상

Figure 3.

Composite truss specimen section.

ㄱ

-

^형강은

CT-

^{형강항복강도의약}

57.87%,

^인장강도

의약

59.99%

의강도차이를나타내었으며

,

변형은

CT-

형강의

113.12%

^{로측정되었다}

.

3.2형강에따른 응력-변형도곡선

인장 시험 결과 ㄱ

-

형강의 항복응력은

291MPa, CT-

^형강은

338MPa

^{로나타났으며}

,

^{인장응력은ㄱ}

-

^형

강은

438MPa, CT-

형강은

490MPa

로 나타났다

.

재 료의 연성을 나타내는 연신율도 모두 기준에 적합 한 것으로나타났다

.

ㄱ

-

형강은

CT-

형강 항복응력의

약

86.23%,

인장강도의 약

89.38%

의 응력 차이를

나타내었으며

,

연신율은

CT-

형강의

104.77%

로측정 되었다

.

3.3 KS기준과비교

항복응력과 인장응력을

KS

기준과 비교하였을 때 ㄱ

-

형강과

CT

형강 모두 적합하며

,

재료의 연성을 나타내는 연신율도 모두 기준에 적합한 것으로 나타 났다

.

3.4실험평가

KS

규준의 내화 성능 평가는

ISO 834

를기준으로

하는

KS F 2257

의 건축구조부재의 내화시험방법에

의한다

.

⁷⁾ 비재하실험의경우는 온도를기준으로평균 온도

538

^o

C

와최대온도

649

^o

C

를 넘지않아야 한다고 규정되어 있다

.

재하실험의 경우부재의 변형량은허 용변형량인

D = (L

²

/400d)

와변형속도인

(dD/dt) = (L

²

/

9000d)

를초과할경우구조적붕괴상태로판정하고처

짐기준인

L/30

을초과하지않도록하고있다

.

⁷⁾본실 험은재하실험으로두번째기준에의하여평가하였

으며중앙부처짐이

L/30

을초과할때붕괴상태로판

정하였다

.

4. 실험결과 및 분석

4.1하중비(0.4)조건에따른화재거동분석

하중비

0.4

의조건으로 사재의크기가다른두개의 시험체인

M-45-0.4

와

M-25-0.4

의온도와 처짐을 분석 하였다

. KS F 2257-6

⁷⁾의조건에 의하여 보의

3

면가 열을한결과열을가장직접적으로받는하현재와사

재의온도비교를하였을때

Figure 5~6

^{에서보는바와}

같이하현재의온도에 비하여사재의 온도분포가 더

높았으며

M-45-0.4

^{시험체의 경우}

,

^{사재의 온도 상승}

이시험체의내화거동에영향이있는것으로판단되었다

.

M-25-0.4

시험체의사재와하현재의온도분포를비

교한 결과

M-45-0.4

시험체와 달리 하현재의 온도가

더높았으며 사재의크기가 작은경우 하현재의온도 상승이 시험체의화재거동에영향을 준것으로 판단 된다

. Figure 9

의처짐비교에서

M-45-0.4

시험체의내 화시간은

12

분이었으며처짐은

124.2mm, M-25-0.4

시 험체의 경우내화시간은

12

분으로 처짐은

131.5mm

로 나타났다

.

사재의부재크기가내화시간에영향을적 Figure 4.

Stress-strain curve.

Figure 5.

M-45-0.4 bottom chord temperature.

Figure 6.

M-45-0.4 brace temperature.

게미치는것으로 나타났다

.

화재의영향이 가장 직접적으로나타나는하현재의 경우 두시험체 모두

4

^{분이내에서}

400

^o

C

^{이하의 분}

포를보였으며

4

분이후부터강재의내력저하가나타 난 것으로 판단된다

.

^{시험체 중앙부의사재에 설치된}

10~12

번열전대 센서의온도가 다른열전대에비하여

높은 것으로 나타났으며 이는 부재의 중앙부 처짐에

영향을준것으로판단된다

. Figure 10~11

^{의온도에따}

른실험체의처짐비교에서하중비

0.4

에서비슷한경 향을보였다

.

사재온도에대한처짐을비교하였을때

M-45-0.4

는

680.93

^o

C, M-25-0.4

^는

661.3

^o

C

^{에 도달한 이후 급격한}

처짐이 발생하였다

.

하중비

0.4

에서부재의크기 변화 는합성트러스의내화거동에영향이적은것으로판단 된다

.

4.2하중비(0.7)조건에따른화재 거동분석 하중비

0.7

^조건의

M-35-0.7

^과

M-20-0.7

^{의시험체비}

교에서

Figure 12~13

은하현재와사재부재의온도분

포를나타낸다

. M-20-0.7

^{시험체의경우시험시간}

4

^분

경과후

L/30

의처짐기준에도달하고급격한처짐양

상을 보였다

. 20mm, 25mm

사재를 사용한 시험체의

경우

,

양단부의사재에좌굴이 발생하였다

.

M-20-0.7

시험체는재하 지점의 콘크리트와데크의

박리가다른시험체와비교하여심각하였고단부의사 Figure 7.

M-25-0.4 bottom chord temperature.

_{Figure 10.}

M-45-0.4 brace member temp.-deflection.

Figure 11.

M-25-0.4 brace member temp.-deflection.

Figure 8.

M-25-0.4 brace temperature.

Figure 9.

Deflection of R.L 0.4 specimen.

재 좌굴도 더 많이 나타났다

.

^{온도 분포의 비교에서}

M-20-0.7

시험체의시험시간이짧아전체적인 비교는

어려우나시험시간

4

^{분까지의온도분포는다른시험}

체와 비슷한 경향을 보였다

. M-35-0.7

시험체의 경우

하현재의온도분포가 사재에비하여

12

^{분시험경과}

후

40

^o

C

의차이가있었으며하현재의온도가시험체의

처짐에 영향을 준 것으로 판단된다

. M-20-0.7

^시험체

의경우사재의온도가하현재에비하여실험시간

4

분 에서

100

^o

C

^{의온도차이가있었으며사재의크기가작}

은경우사재의온도차이에의한시험체의거동이나 타났다

.

내화시간의비교에서

M-20-0.7

의내화시간은

3

분이

Figure 12.

M-35-0.7 bottom chord temperature.

Figure 13.

M-35-0.7 brace temperature.

Figure 14.

M-20-0.7 bottom chord temperature.

Figure 15.

M-20-0.7 brace temperature.

Figure 16.

Deflection of R.L 0.7 specimen.

Figure 17.

M-35-0.7 brace member temp.-deflection.

었으며처짐은

30mm, M-35-0.7

^{의내화시간은}

9

^분으로

처짐은

123mm

이다

. M-25-0.4

의사재부재의 경우하 중비

0.4

^에서

M-45-0.4

^{시험체와내화시간의차이가적}

었으나

20mm

사재 부재의 경우는 하중비

0.7

에서

35mm

사재부재와비교하였을 때

3

배정도의 내화시

간차이가나타났다

.

5. 결 론

본연구는 합성트러스보에대하여 표준화재조건에 서재하하중비와사재부재의크기에따른영향을고 려하여화재시합성트러스보의내화거동을분석하였다

.

1) M-45-0.4

시험체에서하현재보다사재의온도분

포가 더높았으며 사재의 온도상승이 시험체의내화 거동에 영향이 있는 것으로 판단된다

.

^{내화시간은}

12

분

,

처짐은

124.2mm

로나타났다

.

2) M-25-0.4

시험체는하현재의 온도분포가 더높

았으며 내화시간은

12

분으로

M-45-0.4

시험체와같았 으며 처짐은

131.5mm

로 나타났다

.

하중비

0.4

에서는 사재 부재크기가내화성능향상에 영향이 적은것으 로판단된다

.

3) M-35-0.7

시험체는 하현재의온도분포가사재와

비교하여시험시간

12

분경과후

40

^o

C

의차이가있었 으며하현재의온도가처짐에영향을준것으로판단된다

.

4) M-20-0.7

시험체는사재의온도에따른처짐이발

생한 것으로 판단되며 실험시간

4

분 경과 후 사재의 온도가

100

^o

C

높았다

.

하중비

0.7

조건에서

M-35-0.7

시험체와

M-20-0.7

시험체의화재실험결과내화시간

은각각

9

^분

, 3

^분으로

3

^{배정도의차이가나타났고}

,

^처

짐은

123mm, 30mm

이었다

.

4.

^하중비

0.7

^{조건에서사재부재의크기변화가내}

화성능향상이있는것으로 나타났으며

35mm

이하의 사재부재를 사용할경우 단부의사재 부재의좌굴이 발생하였다

.

향후추가연구로하부노출부분에대한피복을통 한내화성능향상을위한추가실험이필요할것으로 판단된다

.

감사의 글

본 연구는 한국건설기술연구원에서 수행하는 국가

R&D

과제인

“(06

건설핵심

C23)

비대칭

H

형강합성플 로어성능기반내화거동 고도화연구

”

과제와 관련하 여한국건설교통기술평가원의 연구비 지원에 의해수 행되었으며이에감사드립니다

.

참고문헌

1. D.L. Mullett, “Composite Floor Systems“, pp.112- 118, Blackwell Science, UK(1998).

2. S. Kravanja and S. Silih, “Optimization Based Comparison between Composite I Beams and Composite Trusses”, Journal of Constructional Steel Research, Vol.59, pp.609-625(2003).

3. Graeme Flinta, Asif Usmania, Susan Lamontb, Jose Toreroa, and Barbara Laneb, “Effect of Fire on Composite Long Span Truss Floor Systems”, Journal of Constructional Steel Research, Vol.62, pp.303-315(2006).

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7. KS F 2257-6: 2006. “

건축부재의내화시험방법

-

보의성능조건

”,

한국산업규격

.

Figure 18.

M-20-0.7 brace member temp.-deflection.