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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.3 pp.14-22
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.3.14

The Semi-Slim Floor Composite Girder of Box-Type (AU Composite Girder)

Su-jin Go*, Kyong-soo Yom**, Do-bum Kim***, Young-hwa Kim****, Young-ho Kim*****
*ACT Partner Co., Ltd.
**HARMONY ENG Co., Ltd.
***ACT Partner Co., Ltd.
****ACT Partner Co., Ltd.
*****NTAGE Co., Ltd.

Abstract


역U형 상부 강판과 날개 달린 U형 하부 강판을 용접 조립한 박스형 세미 슬림 플로어 합성보 공법(AU 합성보)

고 수 진*, 염 경 수**, 김 도 범***, 김 영 화****, 김 영 호*****
*㈜액트파트너 대표
**㈜하모니구조엔지니어링 대표
***㈜액트파트너 신공법연구소 책임연구원, 공학박사
****㈜액트파트너 신공법연구소 선임연구원
*****㈜엔테이지 대표

초록


    1. AU 합성보 개발 배경 및 목적

    현장에서 많이 사용되고 있는 기존의 철근 콘크 리트 구조(Reinforced Concrete structure, RC 구 조)는 거푸집 공정과 철근 배근 후 콘크리트를 타설 하여 구조 부재를 형성하는 습식 공법이다. 이는 현 장에서 요구하는 다양한 형상을 즉시 구현할 수 있 고 공사비가 저렴한 장점이 있으나 현장 인력 소모 가 많아 인건비 비중이 상당히 높고 공정이 많아 안 전사고의 위험이 항상 존재한다. 또한 공기 지연, 폐기물 처리 등의 단점이 있다.

    프리캐스트 구조(Pre-Cast structure, PC 구조) 는 철근 콘크리트 구조와 부재 형성 방식은 같지만 공장에서 제작하여 현장에서 조립하는 건식 공법이 다. RC 구조의 단점은 개선되었으나 각 부재가 대 형화되면서 중량이 늘어나 양중 부하가 증가되고 안전사고 위험이 크다. 또한 보-기둥 접합부의 내진 접합부 적용이 난해하며 층고가 높은 단점이 있다. Fig. 1

    RC 구조와 PC 구조의 단점을 개선하기 위해 성 형 강판을 사용한 합성보의 사용이 증가하고 있다. 그러나 강-콘크리트 합성보는 U형 단면 내부에 콘 크리트를 채워 휨 성능을 향상시켰지만 상부가 개 방되어 운반, 양중, 시공 시 강재보의 벌어짐, 작업 안전성 및 처짐 성능 저하 등의 불안전성을 가지고 있다. 또한 U형 단면의 상부에 데크 플레이트를 거 치하기 때문에 층고 절감이 어렵다.

    최근 경제 성장과 함께 대규모 건축물의 수요가 증가하고 있다. 대규모 건축물은 고하중이며 장스 팬인 설계적 특징을 가지고 있다. 기존의 RC 구조, PC 구조, U형 합성보를 적용하는 것도 가능하지만 많은 단점을 갖고 있다. 따라서 대규모 건축물의 요 구 사항을 만족하며 건축물의 가치를 향상시키기 위해 AU 합성보를 개발하였다. AU 합성보는 시공 시 안전성 향상, 층고 절감, 현장 내 공정 감소를 통 한 공사 기간 단축과 공사비 절감을 개발 목표로 하 였다. Fig. 2

    2. AU 합성보 개요

    2.1 AU 합성보의 형상적 특징

    AU 보는 프레스 절곡 또는 롤 성형으로 제작된 역U형 상부 강판(Cap)과 날개 달린 U형 하부 강판 을 용접 조립하여 폐합된 박스 강재보로 AU 보 내 부에 콘크리트가 충전되어 합성 구조를 이룬다. U형 하부 강판의 상단에는 단면 외측으로 돌출된 날개 인 수평 플랜지가 형성되어 있으며, 수평 플랜지와 Cap을 용접하여 AU 보를 구성한다. 수평 플랜지는 AU 보 단면의 춤 내에 형성되므로 상하부 플랜지와 구별하여 이를 중간 플랜지라 한다. 중간 플랜지는 AU 보의 단면 높이 내에 양측으로 돌출되어 데크가 충분히 거치될 수 있도록 한다. U형 하부 강판은 단 일 강판을 절곡하거나 2~3개의 단위 유닛을 조립하 여 형성할 수 있다. Fig. 3

    AU 보는 Cap과 U형을 조립하여 구성된 폐합된 단면 구조를 갖기 때문에 기존의 상부가 개방된 U형 강재보에 비하여 단면 성능을 향상시킨다. 박스 단 면은 벌어짐, 비틀림, 처짐 성능이 우수하고 작업자 의 발판 기능을 수행하여 운반, 양중, 시공 시 안전 성을 개선 및 향상시킨다. 또한 박스 단면 춤 내에 외부로 돌출된 중간 플랜지는 높이 조절이 유연하 여 트러스 데크를 사용한 슬래브 공법뿐만 아니라 춤 200㎜ 이상의 Deep slab 공법 적용이 가능하다. AU 합성보와 장스팬용 바닥판을 적용하면 H형강 철골보 적용 대비 약 20%의 층고를 절감할 수 있는 효과가 있다. Fig. 4

    중간 플랜지에 데크가 거치되기 때문에 AU 강재 보의 일부가 슬래브 내에 매립되는 세미 슬림 플로 어 시스템을 구현할 수 있다. 이를 통해 기존의 타 합성보 대비 층고 절감의 효과를 얻을 수 있다. 또 한 박스 단면 내부에 충전된 콘크리트는 AU 합성보 의 휨 성능을 향상시키며 내화 피복 두께 절감에 기 여한다. 강재보에 구속된 콘크리트는 구속 효과와 함께 Cap 단면에 다수의 관통공이 있어 기계적 부 착력을 발휘한다. Fig. 5

    AU 보는 양측에 적용되는 슬래브가 서로 다른 형 식일 때 U형 강판의 측판 높이를 조절하여 양측의 슬래브를 수용할 수 있다. H형강 철골보의 경우 양 측의 높이차를 흡수할 수 없어 별도의 동바리나 설 치 부재 등이 필요하므로 공정이 추가되거나 공사 비가 증가되는 단점이 있으나 본 기술은 다양한 형 식의 슬래브를 탄력적으로 적용할 수 있는 장점이 있다. Fig. 6

    2.2 AU 합성보의 기술적 특징

    AU 보는 박스형 폐단면 구조를 갖기 때문에 강재 보의 단면 성능이 상대적으로 높다. 따라서 시공 단 계에서 데크 지지 등 작업 하중에 효과적으로 저항 이 가능하다. 이를 통해 타 합성보 대비 동바리를 절감할 수 있으며, 무동바리 조건으로 설계 시 지하 부 역타 공법에도 적용이 가능하다.

    또한 AU 강재보의 춤 내에 데크 플레이트를 거치 함으로써 층고 절감에 유리한 세미 슬림 플로어 시 스템을 실현하였으며, 슬래브 콘크리트 내에 매립 된 Cap 단면은 스터드와 같은 강재 앵커(전단 연결 재)의 기능을 동시에 수행한다. Cap 단면의 3면에 형성된 다수의 관통공은 콘크리트와의 기계적 부착 력을 유발하며, 콘크리트 다웰 작용과 관통 철근의 전단 거동으로 인해 합성 효과가 발휘된다. 이러한 합성 효과는 강재보에 설치되는 스터드를 생략할 수 있도록 해 준다. Fig. 7

    2.3 보-기둥 접합부 상세

    AU 합성보-기둥에 대한 접합부 상세는 접합부 내진 성능 실험 결과를 반영하여 AU 보의 양측 단 부가 박스형 구조를 갖고 있으며 철골 구조와 동일 하게 접합을 실시할 수 있다. 또한 간편한 보-기둥 접합 시공을 위하여 기둥에 U형 브라켓을 설치한 후 박스 단면 AU 보를 내삽입하여 단순 거치한 후 고장력 볼트나 용접하는 포켓형 접합 구조의 브라 켓 형식을 갖추고 있어 현장 시공성을 고려한 다양 한 접합부 상세를 가지고 있다. Fig. 8

    3. AU 합성보의 구조 성능

    3.1 Cap의 수평 전단 저항 성능

    AU 보는 하부 U형 단면에 Cap 모양의 상부 강판 을 덮어서 강재 앵커로서 기능하고자 하였다. Cap 의 측면에 250~300㎜ 간격으로 형성한 관통공을 통해 콘크리트의 다웰 전단 저항과 이를 관통하는 철근의 강재 전단 저항 등 합성 효과를 발휘하게 된 다. 스터드 볼트와의 성능 비교 결과, 2배 이상의 전단 강도와 함께 연성적인 거동을 나타내었다1),2).

    3.2 강재보의 휨 성능

    AU 합성보의 시공 단계에서의 휨 성능을 평가하 기 위해 AU 강재보를 대상으로 휨 실험을 수행하였 다. 실험 결과, 가상으로 모듈 설계한 실험체는 시 공 하중에 대해 매우 안정적인 휨 성능을 발휘하였 다. 또한 내부에 콘크리트가 충전된 실험체는 순수 강재보 대비 1.7배의 휨 성능을 나타내었다3).

    3.3 합성보의 휨 성능

    콘크리트 슬래브를 갖는 AU 합성보를 대상으로 수행한 휨 실험 결과는 항복 하중과 최대 하중으로 구분하여 평가하였다. 설계 강도와의 평가는 건축 구조기준(KBC2016)4)의 합성보 설계 방법에 따라 설계 강도를 산정하였으며, 실험체의 재료 강도를 반영하여 평가하였다.

    모든 실험체는 콘크리트 슬래브가 압괴 변형도에 도달하여 최대 내력에 도달하였으며, 설계 기준 강 도 대비 높은 휨 강도를 발휘하였다. 딥데크를 적용 한 실험체 중 단일 U형 강판을 사용한 실험체는 설 계 강도 대비 7% 이상의 강도를 나타내었으며, U형 단면 하부에 고강도 강판으로 조립 제작한 실험체 는 설계 강도 대비 30% 이상의 휨 강도를 발휘하였 다. 트러스 데크를 적용한 실험체 중 단일 U형 강판 을 사용한 실험체는 설계 강도 대비 12% 이상의 강 도를 나타내었으며, U형 단면 하부에 고강도 강판 으로 조립 제작한 실험체는 설계 강도 대비 19% 이 상의 휨 강도를 발휘하였다5).

    3.4 보-기둥 접합부 내진 성능

    AU 합성보의 박스 브라켓 접합 상세에 대한 내진 성능을 검증하였다. 실험체는 CFT 기둥의 상하부에 수직 외다이아프램을 부착하고 박스형 브라켓과 볼 트로 이음하였다. 딥데크를 사용한 실험체는 Cap 상부 플랜지에 외다이아프램과 연결되는 보 강판을 부착하여 부모멘트 성능을 향상시켰으며, 슬래브에 매립된 인장 철근이 부모멘트에 함께 저항한다.

    각 실험체는 변위 제어 방법으로 초당 0.01㎜의 속도로 반복 가력하였으며, 측정은 실험체가 과도 한 파괴에 이르렀다고 판단될 때까지 진행하였다. 모멘트-회전각 관계를 <Fig. 9>에 나타내었다. 최 대 모멘트는 항복 모멘트 대비 10% 이상의 높은 내 력을 발휘하였으며, 최대 모멘트의 80% 내력 저하 점을 유효 내력으로 산정 시 0.04rad 이상의 회전 성능을 발휘하였다. 항복 변위와의 비율로 산정하 는 연성도는 부모멘트역에서 4.5 및 5.1, 정모멘트 역에서 6.3 및 6.8로 높게 나타났다. AU 합성보의 하부 U형 부재도 안정적인 이력 거동을 보였다6). Fig. 10

    4. AU 합성보의 내화 성능

    AU 합성보의 내화 성능을 평가하기 위하여 한국 산업표준 KS F 2257-1(건축부재의 내화시험 방법 – 일반 요구사항)과 KS F 2257-6(건축부재의 내화 시험 방법 – 보의 성능조건)에 따라 재하 가열 시험 과 비재하 가열 시험으로 평가하였다. 비재하 가열 시험에서 AU 합성보는 20㎜ 두께의 무기 뿜칠재에 대해 3시간 내화 성능을 만족하였다. 기존 인정 뿜 칠 재품의 두께를 절감하여 16㎜ 뿜칠 두께에 대해 2시간 내화 성능, 21㎜ 뿜칠 두께에 대해 3시간 내 화 성능을 만족하였으며, 한국건설기술연구원으로 부터 내화 구조로 인정받았다. 일반 H형강의 경우 2시간에 대해 25~33㎜의 두께, 3시간에 대해 35~ 44㎜의 두께가 필요한 것과 비교하여 매우 우수한 내화 성능을 발휘하였다. Fig. 11

    실험 결과를 자세히 분석하면 피복 두께가 15㎜ 에서 20㎜로 증가되면 120분 이내의 범위에서 평균 온도의 최대값은 292.7℃에서 229.4℃로 약 22% 감소하고, 최고 온도 역시 344.1℃에서 268.5℃로 약 22% 감소한다. 특히 뿜칠재 피복 두께에 따른 내화 성능의 향상을 명확하게 볼 수 있었으며, 두께 별 120분 및 180분 내화 인정 기준을 충분히 만족하 는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 시간 경과에 따른 온도 상승율이 매우 유사한 형태로 나타나 일관성 있는 결과임을 확인할 수 있다. Fig. 12

    내화 열 해석을 통한 해석 평가 결과, 뿜칠재 15㎜ 두께의 경우 시험 평균 온도 395.1℃가 421.5℃로 6.7% 차이, 뿜칠재 20㎜ 두께의 경우 시험 평균 온 도 292.6℃가 333.4℃로 13.9% 차이로 평가되었다. 재하 시험 조건에서의 변형은 시험에서 29.2㎜, 해 석에서 30.88㎜로 5.7%의 차이를 나타내었다7),8).

    5. AU 합성보의 진동 성능

    AU 합성보가 적용된 2개의 건물을 선정하여 바 닥 수직 진동을 계측하고 계측 자료를 바탕으로 합 성보 바닥 시스템의 동적 특성과 거주 성능을 평가 하였다. 진동 성능 평가 결과, 업무 시설에서 계측 된 평균 고유 진동수는 10.331Hz이며, 건물 2에서 계측된 평균 고유 진동수는 11.073Hz이다. 이는 최 근 개발되고 있는 합성보 바닥 시스템의 고유 진동 수와 유사한 범위에 있다. 업무 시설에서 계측된 바 닥 진동의 평균 감쇠율은 3.8%이며, 건물 2의 평균 감쇠율은 5.4%로 산정되었다. 이를 통해 바닥 진동을 감소시키는 성능이 우수한 것으로 평가할 수 있다.

    업무 시설에서 계측된 보행 하중에 의한 바닥 진 동의 최대 가속도는 3.85cm/sec2 , 3.63cm/sec2 및 3.28cm/sec2 이며, 공장 및 물류 창고에서 계측 된 보행 하중에 의한 바닥 진동의 최대 가속도는 1.65cm/sec2 , 2.10cm/sec2 및 2.03cm/sec2 이 다. AU 합성보 바닥 시스템은 일반적인 사무 공간 에 해당하는 ISO 2631-2, AIJ 거주 성능 평가 지침 및 AISC Steel Design Guide 11의 평가 곡선에 근 거한 사용성을 여유있게 만족하였다. Table. 1

    6. 경제성 비교 평가

    AU 합성보가 적용된 경기도 용인 소재 지식산업 센터 건물에 대하여 동일 부재 수, 동일 데크(Cap deck) 적용 조건으로 H-합성보와 AU 합성보를 설 계하고 공정표를 작성하여 공사 기간을 비교하였다. 그 결과, AU 합성보와 H-합성보의 골조 공사 기간 (43일 소요)은 별 차이가 없었다. 그러나 AU 합성 보는 박스형 단면 내에 열 용량이 큰 콘크리트가 충 전되어 내화 성능이 향상되므로 내화 피복 두께 (23㎜ → 16㎜, 2시간 기준)를 절감할 수 있다. 뿐 만 아니라 슬래브가 보 춤내에 형성되기 때문에 타 U형 합성보와 비교하여 강재보 노출 면적이 감소하 였고 이를 통해 내화 피복 면적(1,329㎡ → 1,189㎡) 이 줄어들었다. 이러한 효과는 내화 피복 공정에서 4일의 공사 기간 단축 효과를 나타내었다. 따라서 AU 합성보는 강재 앵커(전단연결재)의 기능을 수행 하는 스터드 부착 공정이 생략되었으나 전체 공사 기간에 큰 영향을 미치지 않았고 내화 피복 공정 단 축으로 인해 총 공사 기간은 52일 대비 48일로 약 8% 단축되었다. Table. 2, 3, 4

    지하층에 탑다운 공사가 적용된 서울 성산동의 한 복합 시설에 대하여 H-합성보와 공사비를 비교 하였다. 트러스 데크를 적용한 H-합성보 공법과 비 교하여 AU 합성보는 단면 내부에 콘크리트가 충전 되기 때문에 콘크리트 물량이 11.7% 증가하였다. 그러나 얇은 강판을 성형한 AU 보의 단면이 작아지 기 때문에 강재 보 물량이 25.4% 감소하였다. 또한 휨 성능이 향상되어 철근 물량이 20% 감소하였고 내화 피복량이 23.8% 절감되었다. 따라서 AU 합성 보 공법은 순 공사원가 16.6%가 감소되었고, 총 공 사원가 17.2%가 감소되었다9).

    7. 결언

    본 연구에서는 역U형 상부 강판과 U형 하부 강판 을 용접 조립한 박스형 세미 슬림 플로어 합성보 (AU 합성보)의 형상적·기술적 특징에 대한 구조 성능과 경제성을 검토하였다. AU 합성보는 박스형 단면으로 높은 휨 성능을 발휘하여 시공 단계에서 현장 안전성을 개선할 수 있다. 또한 장스팬의 딥데 크를 보 춤 내에 적용하기 때문에 서브빔 생략과 층 고 절감이 가능하다.

    콘크리트와 강재의 합성 효과를 유발하는 수평 전단 저항 성능은 합성보의 구조 성능을 결정하는 중요한 요인으로 AU 합성보의 Cap은 스터드 볼트 대비 높은 성능을 발휘하여 안정적인 합성 거동을 발휘하였다. 또한 합성 단면의 휨 강도는 KBC2016 에 따른 공칭 휨 강도를 상회하였으며, 최대 휨 강 도 이후에도 완만한 내력 저하를 보이며 안정적인 휨 거동을 나타내었다. 다양한 프로젝트에 적용되 는 CFT 기둥과의 합성 접합부 내진 성능은 AU 합 성보의 연성적인 휨 성능을 바탕으로 정·부모멘트 역에서 합성 중간 모멘트 골조의 요구 성능을 모두 만족하였으며, 보-기둥 접합 상세에 대해 한국강구 조학회에서 기술인증(2017)을 받았다. 최근 이슈가 되는 화재에 대한 안전성을 검토하기 위해 16㎜와 21㎜의 내화 피복층을 갖는 AU 합성보를 대상으로 KSF에 따라 각각 2시간, 3시간 가열하였다. 시험 결과, 실험체의 각 위치에서 측정한 온도가 기준치 를 만족하였으며, 한국건설기술연구원으로부터 내 화구조인정(2016)을 받았다. Table. 4

    AU 합성보는 기존의 H형강을 활용한 합성보와 비교하여 공사비 절감과 공사 기간 단축에 우수한 경제성을 갖고 있는 것으로 분석되었다. 딥데크를 적용한 프로젝트의 경우 총 공사비를 약 8% 절감하 였고, 트러스 데크를 적용한 경우 약 17% 절감이 가 능하였다. 이와 함께 100㎜ 이상의 층고 절감 효과 와 공사 기간 단축의 장점을 바탕으로 추후 다양한 프로젝트에 적용될 예정이다.

    Figure

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    Component of AU composite beam

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    Component of AU composite beam

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    Shape of various AU composite beam

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    Flexural capacity according to construction step

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    Shape of various AU composite beam

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    Load-Displacement relationships for shear connectors

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    Load-Deflection relationships for AU steel beams

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    Failure mode and the load versus deflection relations of specimens

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    Moment-Rotation relationships

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    Temperature-Time relationships of 2 hour and 3 hour

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    Construction duration comparison

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    Model for cost comparison

    Table

    Test results about office

    Test results about factory

    Quantity comparison by materials

    Construction cost comparison by items

    Reference

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