1. 서론
건설분야에서 합성구조 시스템은 일반 철근콘크리트 구조나 강구조에 비해 구조적 효율성, 경제성 및 시공 성 등이 뛰어나 오피스빌딩, 물류센터 및 공장, 하중전 이보 등 다양한 곳에 사용되고 있다. 강재와 콘크리트 로 구성되는 합성구조는 서로 상이한 재료임에도 불구 하고 상호보완적으로 작용하여 개별 재료의 특성을 극 대화시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 최근 건축 물의 장스팬 및 대공간에 대한 수요자의 요구가 증가함 에 따라 공사비 절감, 시공성 향상을 위해 새로운 합성 구조 시스템들이 많이 개발되고 있다.
합성보는 강재보와 철근콘크리트 슬래브가 하나의 단일부재로 거동하면서 압축력은 콘크리트 슬래브가 부담하고 인장력은 강재가 부담하는 효율적인 구조부 재이다. 그러므로 힘의 흐름에 적합한 형상제작이 가능 하여 보 춤 감소로 층고 절감이 용이하다. 또한 바닥구
조의 강성 증가로 장스팬 구조물의 시공이 가능하고, 극한하중까지 내력이 증대되는 장점이 있다. H형강의 형상은 휨에 효율적으로 저항하도록 제작되었지만, H 형강을 이용한 합성보는 정모멘트 구간에서 합성단면 의 중립축이 상부로 이동하여 콘크리트 슬래브가 압축 력을 대부분 부담하므로 상부 플랜지가 비효율적으로 사용된다. 반면 합성보는 상부와 하부플랜지의 크기 및 두께, 강도 등을 상이하게 제작하여 힘의 흐름에 적합 하도록 제작이 가능하다.
이에 본 기사에서는 최근 새로운 형상으로 개발되어 적용되고 있는 합성보에 대해 형상특징과 제작과정, 구 조특성, 적용사례 등을 중심으로 소개하고자 한다.
2. 신형상 합성보의 구성 및 형상
하이브리드 보는 휨내력에 저항하는 상⋅하부 플랜 지는 고강도 강재를 이용하고, 웨브는 일반강도를 적용
신형상 합성보의 개발 및 적용 (HyFo Composite Beam)
Development and Application of New Shape Hybrid Forming Composite Beam
김성배 (Sung-Bae KIM) ｜소장｜㈜더나은구조엔지니어링｜[email protected] 김정연 (Jung-Yeon KIM) ｜소장｜㈜더나은구조엔지니어링｜[email protected] 이원록 (Won-Rok LEE) ｜소장｜㈜더나은구조엔지니어링｜[email protected] 유중모 (Goong-Mo RYU) ｜부회장｜㈜엔아이스틸｜[email protected]
기술 및 일반기사 ｜ 김성배⋅김정연⋅이원록⋅유중모
한 보를 지칭한다. 또한 합성보는 슬래브가 압축력을 저항하고 강재가 인장력을 분단하도록 하며, 슬래브와 강재보를 시어커넥터로 일체화시킨 것이다. 신형상 합 성보는 상부 슬래브와 하부 강판을 스터드커넥터를 이 용하여 일체화시키는 노출형 합성보이다.
Fig. 1 하이포 보의 구성
신형상 합성보의 형상과 구성은 Fig. 1과 같다. 신형 상 합성보는 Fig. 1과 같이 2개의 대칭되는 Z형의 측판 과 ㄷ자 형상의 하부강판, 내부 철근으로 구성되며, 2개 의 측판과 하부강판은 고력볼트로 접합한다. 2개의 측 판과 하부강판은 모두 포밍으로 제작하며, 측판과 하부 강판의 두께는 상이하게 적용할 수 있다. 또한 필요 시 측판과 하부강판의 강도 변경이 가능하므로 하이브리 드 보라 칭한다. 하부강판의 춤은 100mm, 폭은 270mm 로 고정하고, 상부 2개의 측판 춤을 조정하여 보 춤을 다양하게 한다. 내부철근은 고강도철근을 적용하여 내 력증가와 중앙부 하단에서 발생하는 크랙을 제어한다.
두 개의 측판과 하부강판은 고력볼트로 접합하며, 고력 볼트는 부재 사이즈와 판두께 등에 영향을 받지 않도록 동일간격(M20(F10T) 400mm)으로 설치한다. 또한 고 력볼트는 좌우 두 개의 측판과 내부에 타설된 콘크리트 를 구속하는 시어키 역할을 한다.
Fig. 2는 보 춤이 작은 경우와 보 춤이 큰 경우에 대 한 적용 형상이다. 보 춤이 큰 경우 오른쪽과 같은 동일 형상으로 적용이 가능하나, 보 춤이 작은 경우 ㄷ형 하 부강판을 평판으로 적용할 수 있다. 물론 평판은 고강 도강을 적용할 수 있으며, 내부 철근을 설치할 수 있다.
왼쪽의 보 춤이 작은 경우에 대한 형상은 오른쪽과 달 리 ㄷ형 하부강판의 수평부가 중첩되지 않아 경제성 확
보가 용이 할 것으로 판단된다.
Fig. 2 소형과 중형 하이포 보의 구성
Fig. 3과 같이 신형상 하이브리드 합성보 내부에는 비구조재인 상부앵글과 하부앵글을 설치한다. 상부앵 글은 작업 중 발판으로 사용하고, 하부앵글은 형태유지 를 위해 이용된다. 신형상 합성보는 철골과 같이 기둥 을 설치하고 기둥에 보를 접합하며, 보 상부에 데크플 레이트 등을 설치한다. 데크플레이트 설치가 완료되면, 데크플레이트 철근과 보 상부근을 설치한 후 일체로 콘 크리트를 타설한다. 합성보 내부의 콘크리트는 단부의 경우 내력에 기여하나, 중앙부는 인장측에 해당하므로 내력산정에서 제외된다. 반면 합성보 내부의 콘크리트 는 진동 및 처짐의 사용성과 내화성능을 크게 향상시킨 다. 이러한 특성을 갖는 신형상 합성보는 하이브리드 보와 포밍에 의한 냉간가공 제작특성을 조합하여 Hybrid Forming Composite Beam(이하 HyFo Beam, 하이포 합성보 등)이라 칭한다. 하이포 합성보는 더나 은구조에서 설계 및 엔지니어링을 지원하며, 제작은 엔 아이스틸에서 실시하고 있다.
Fig. 3 하이포 합성보의 형상
3. 구조성능 평가
(1) 보 휨성능
합성보의 휨성능 형가는 3차에 걸쳐 수행하였다. 1차 실험은 보 춤 300, 500(mm)에 대해 하이포 합성보의 구조적 거동을 평가하기 위해 수행하였다. 2차 실험은 보 춤 600, 800(mm)에 대해 보 춤이 큰 경우 휨 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행하였다. 마지막으로 3차 실험은 Fig. 2의 좌측에 있는 소형 하이포 보를 대 상으로 ㄷ자 하부강판을 평판으로 제작하여 휨성능에 미치는 영향을 실험하였다.
1차 실험의 실험변수는 역학적 거동에 영향을 미칠 것으로 예측되는 보 춤과 측판 및 하부강판의 두께, 볼 트간격, 하부철근 직경의 크기, 하부철근 위치 등을 대
상으로 실시하였다. 1차 실험의 경우 Z형 측판과 ㄷ자 하부강판의 접합을 고력볼트로 실시하는데, 볼트간격 을 주요변수로 실험하였다. 실험결과를 기초로 두 강판 의 접합은 고력볼트 M20(F10T) 400mm 간격을 적용하 고 있다.
2차 실험의 변수는 보 춤과 측판의 두께, ㄷ자 하부 강판의 강도를 변수로 고강도강의 적용성을 검토하였 다. 고강도강의 강도()는 440, 650(MPa) 이다. 3차 실험은 ㄷ자 하부강판을 평판으로 적용하여 보 춤이 작 은 하이포 보의 경쟁력 확보를 위해 수행하였다. 주요 실험변수는 보 춤과 측판의 두께, 하부강판의 강도, 내 부철근 유⋅무 등이다. 하부가 평판인 경우 양단부에 고정하는 고력볼트가 시어키 역할을 수행할 것으로 예 측되어 내부철근의 유⋅무와 스터드 커넥터 등을 비교 Fig. 4 실험체 설치 전경(좌: 보춤 500mm(1차 실험), 우: 보춤 800mm(2차 실험))
Fig. 5 하중 변위곡선(좌: 보춤 500mm(1차 실험), 우: 보춤 600mm(2차 실험))
기술 및 일반기사 ｜ 김성배⋅김정연⋅이원록⋅유중모
실험체로 제작하여 수행하였다.
Fig. 4는 하이포 합성보의 실험체 설치현황이다. 실 험체의 전체 길이는 6,000mm이고, 가력지점간 거리는 5,600mm이며, 슬래브는 1,000×150 또는 1,500×200 (mm, 폭×두께)이다. 가력은 10MN 용량의 만능시험기 (UTM)를 이용하여 2점 가력 하였으며, 실험은 포항산 업과학연구원(RIST)에서 수행하였다.
Fig. 5는 보 춤이 500mm와 600mm인 경우 하중 변 위곡선이다. 실험결과를 건축구조기준(KBC 2009)의 합성보 내력평가식으로 평가하였다. 실험결과 부재내 력은 설계기준강도의 1.1∼1.3배 이상을 확보하는 것으 로 확인되어 건축구조기준의 합성보 내력평가식을 적 용할 수 있는 것으로 평가되었다.
(2) 기둥 보 접합부 내진성능
하이포 합성보와 기둥 접합부의 실물크기 내진성능 을 평가하였다. 실험체는 적용이 용이한 접합부상세를 토대로 하였다. 실험체 형상은 하이포 합성보와 SRC기 둥, 각형기둥(ACT기둥) 이며, 3개의 실험체를 제작하 였다. 실험은 포항산업과학연구원에서 수행하였다. 보 의 순길이는 2,880mm이며, 엑츄에이터의 가력점에서 기둥 중심까지의 길이는 3,280mm, 기둥 상하부의 지점 간 거리는 2,500mm이다. 슬래브 폭은 2,000mm이고, 슬래브 두께는 150mm이다.
합성보는 기둥 강축방향으로 설치하여 가력하였으
며, 기둥과 보 접합부는 접합을 위한 최소 폭(약 200 mm)으로 브라켓을 제작하여 철골 기둥에 접합하였다.
브라켓의 상하부 플랜지는 합성보 보다 판 두께를 증가 시켰고, 웨브는 합성보와 동일두께를 적용하였다. 기둥 브라켓과 보 접합부는 고장력볼트인 F10T M22로 볼트 접합 하였다. 보 상부에는 25mm(SD400) 철근을 배근 하였다.
Fig. 6∼7은 SRC 기둥이고 보 춤이 500mm인 경우, 실험전경과 모멘트 회전각 곡선이다. 실험결과 보 춤이 300mm인 HF3-S-6 실험체는 층간변위각이 0.03rad으 로 합성중간모멘트골조(IMF)의 내진성능을 확보하였 다. 또한 보 춤이 500mm인 HF5-S-8, HF5-A-8 실험체 의 경우, 부휨모멘트 작용시 층간변위각 0.04rad 이상 의 연성능력을 나타내어 합성중간모멘트골조의 내진성 능을 확보하였다. 그러나 정휨모멘트의 경우 0.02rad 으로 변형능력이 저하되었다. 이것은 하부강판을 볼트 체결하지 않아서 내력 및 변형능력이 크게 저감하였기 때문이며, 하부에 볼트를 추가하면 내진성능이 향상될 것으로 판단된다. 실험결과를 반영하여 ㄷ자 하부강판 에도 고력볼트를 추가 설치하고 있다.
(3) 합성보 내화성능
합성구조는 콘크리트와 강재가 조합되어 기존 H형강 에 비해 휨성능이 향상되고, 내화성능이 우수하다. 하이 포 합성보의 내화성능평가 및 내화구조인정을 건설기술 Fig. 6 보-기둥 접합부 실험 전경 Fig. 7 모멘트 회전각 곡선(HF5-S-8 실험체)
연구원(일산)과 방재시험연구원에서 실시하였다.
내화성능시험에 대한 판정기준은 재하가열시험과 비 재하가열시험으로 구분되나, 내화구조인정은 비재하가 열시험으로 한다. Fig. 8은 2개 시험체의 비재하가열시 험 결과 평균온도 300.7℃, 314.3℃이고, 최고온도 351.
6℃, 382.8℃이다. 각 시험체의 단면별 평균온도 차이가 크지 않았으며, 내화구조 인정기준을 충분히 만족하였 다. Fig. 9는 내화페인트에 대한 비재하가열시험 후 파괴 양상이다. 시험에 적용한 내화페인트는 2시간 3.65mm 로 내화구조인정을 받았으며, 1.5mm 두께로 2시간 내화
성능시험을 하였다. 시험결과 평균온도는 438.3℃, 최고 온도 546.8℃로 충분한 내화성능이 확보되었다.
합성보는 내부에 콘크리트가 강재를 둘러싸고 있어 H형강으로 인정을 받은 제품에 비해 내화성능이 상당 히 향상된다. 하이포 합성보도 내화성능이 우수하여, 뿜칠재의 경우 3시간 21mm, 2시간 16mm, 내화페인트 의 경우 2시간 1.35mm로 내화구조인정을 받았다. Fig.
10은 내화페인트 두께절감에 의한 일위대가 비교이다.
피복두께 감소로 도장 횟수, 비용 등이 약 40% 이하로 절감된다.
Fig. 8 온도-시간곡선(비재하가열시험) Fig. 9 내화페인트 비재하가열시험 결과
Fig. 10 내화페인트 일위대가 비교와 내화페인트 시공 사례
기술 및 일반기사 ｜ 김성배⋅김정연⋅이원록⋅유중모
4. 신형상 합성보의 제작 및 시공실적
Fig. 11은 하이포 보의 공장 제작과정이다. 하이포 보 는 포스코나 현대제철 등에서 만드는 열연코일(hot coil)을 이용하여 포밍기로 제작한다. 포밍기에 원자재 를 설치하기 전, 열연코일을 풀어서 코일 양단부를 절 단하고(trimming), 폭에 맞춰 원하는 크기로 절단 (slitting)하는 과정을 거친다. 원하는 폭으로 절단된 코 일은 포밍기에 거치되어 14단의 포밍 단계를 거쳐 Z형 측판과 ㄷ형 하부강판을 각각 제작한다. 제작된 Z형 측 판과 ㄷ형 하부강판은 크레인으로 이송하여 펀칭기로 자동 천공 후 각각의 판재를 고력볼트로 체결한다. 고 력볼트로 조립하는 과정에서 일부 상부와 하부의 앵글 이 고정되어야 제작과정의 변형을 최소화할 수 있다.
이러한 과정이 모두 끝나면 제작상태를 최종 확인하고, 철구제작사로 전달된다.
Fig. 12는 하이포 합성보의 철구공장 제작 및 현장설 치, 보-기둥 접합부 상세 등이다. 엔아이스틸에서 제작 한 하이포 보는 2차 가공장인 철구제작사로 보내진다.
철구사는 Fig. 11의 완제품(마지막단계 형상)으로 반입 된 하이포 보에 접합을 위한 볼트구멍 천공, 보 내부⋅
외부의 연결철판 설치, 방청페인트 도장 등의 과정을
거쳐 현장에 반입한다. 현장에서는 크레인을 이용하여 기둥과 보를 순차적으로 설치하며, 기존 철골공사와 동 일한 순서로 공사가 진행된다.
기둥은 모든 종류의 구조시스템 적용이 가능하다. 그 러나 하이포 보가 철골구조이므로 기둥도 동일한 철골 을 적용한다. 기둥의 종류는 H형강 또는 각형강관 (ACT 칼럼) 등을 적용한다. 하이포 보-기둥 접합은 H 형강 기둥의 경우 브라켓을 이용하여 보 이음을 하고, ACT 기둥은 외부 다이아프램을 설치하여 보 이음을 한 다. 브라켓은 보 부재 보다 두꺼운 플레이트를 이용하 여 공장제작 하며, 웨브와 하부플랜지는 볼트접합 하고, 상부는 용접접합 한다. 상부 플랜지도 볼트접합이 가능 하나, 데크플레이트 설치의 용이성 등을 고려하여 내부 에 용접을 한다.
Fig. 13은 대표적인 하이포 합성보 적용사례이다. 현 재 다양한 프로젝트가 설계 및 시공 중이다. 하이포 합 성보는 보 춤 800mm 까지 성형제작 하고, 그 이상의 경우 플레이트로 절단 제작하여 용접한다. 일반적으로 하이포 합성보의 적용은 춤이 커야 하는 공장 및 물류 센터, 트랜스퍼 보 등에 주로 적용하고 있다. 또한 일부 공장의 강구조는 내화페인트로 마감처리 하는데 2시간 내화페인트를 적용하는 경우 하이포 보가 경제성을 확 보하는 경우도 있다.
Fig. 11 하이포 합성보 제작과정
(a) 롯데몰 수원역 (b) 고양 삼송지구 지식산업센터 (c) 광교 중심상업지역 복합시설
(d) 인천 면세점 물류창고 (e) 파이오락스 공장 (f) 호산물류창고 Fig. 13 하이포 합성보 시공 사례
Fig. 12 공장제작 및 현장설치과정, 보-기둥 접합부 상세
기술 및 일반기사 ｜ 김성배⋅김정연⋅이원록⋅유중모
하이포 합성보의 지적재산권은 내화뿜칠(2시간⋅3 시간), 내화페인트(2시간)에 대한 내화구조인정, 건축 학회 건축성능인증, 특허등록 6개 등이다.
5. 결론
이상으로 보 춤을 크게 하여 성형제작이 가능하며, 보 춤 증가로 휨성능 및 진동성능이 향상된 신형상 하이포 합성보의 개요, 구조성능, 접합부 및 시공사례 등에 대 해 소개하였다. 하이포 합성보는 보 춤이 800mm 까지 성형 제작하고, 그 이상은 빌트 업으로 제작한다. 보 춤 이 크므로 적재하중이 크거나 장경간의 물류센터, 공장 등에 효과적이며, 경제성과 시공성을 향상시킬 수 있는 공법으로 제안할 수 있다. 추가적으로 내화페인트 3시 간 내화구조인정과 진동성능평가, 보 춤이 큰 하이포 보 와 기둥 접합부 내진성능실험도 수행할 예정이다.
