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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.77-83
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.3.77

Experimental Study on the Flexural Capacity of AU Composite Beam After the Heating Test

Young Ho Kim*
교신저자, 정회원, 엔테이지 대표 NTAGE Tel: 070-4202-1099 Fax:02-554-7867 E-mail: steelkyh@hanmail.net
August 14, 2019 September 10, 2019 September 10, 2019

Abstract


AU(A plus U-shaped) composite beam was developed for reducing the story height in the residential buildings, and saving the cosrtuction cost of floor structures. Structural performance and economic feasibility of the composite beam have been sufficiently approved through the structural experiments and the analytical studies. Fire safety for the practical application of the composite beam has also been verified through the fire resistance tests and the heat transfer analyses. In this study 2-points bending tests were performed on the four specimens already tested for fire resistance to evaluate the residual bending strength of AU composite beam after fire accident. The same bending test was performed on the one fresh specimen having the same section and span of the specimens for practically comparative study.



가열 시험을 거친 AU 합성보의 휨 성능에 관한 실험 연구

김 영 호*

초록


    1. 서론

    고층 건물에서 층고는 건물의 경제성을 좌우하는 매우 중요한 요소이며, 기존의 층고를 효율적으로 절감하려는 공법이 지속적으로 개발되고 있다. 층고 절감 공법은 슬래브와 합성보로 구성되는 바닥 시 스템에서 콘크리트와 강재의 합성 작용을 이용하여 보의 춤을 최소화하고, 콘크리트 타설 및 바닥 철근 배근 작업을 효율화하는 방향으로 구현되고 있다. 이러한 연구 개발 방향에 의거하여 층고를 혁신적 으로 절감하며 바닥 공사비의 절감이 가능한 AU 합성보(A plus U-shaped Composite Beam) 바닥 시스템이 개발되었다1),2).

    AU 합성보 바닥 시스템은 <Fig. 1>과 같이 골이 깊은 Deep deck plate, A형 강재캡, U형 강판, 콘크 리트 등으로 구성된다. U형 강판은 합성보 휨 인장 강도의 핵심적인 요소이며, 시공 과정에서 Deep deck plate의 거치대가 된다. A형 강재캡은 콘크리 트와 강재 사이의 합성 작용이 가능하게 하는 합성 연결재이며, 동시에 휨 압축 강도에 기여한다.

    AU 합성보는 수차례의 실험 및 해석 연구를 통 하여 구조 성능, 경제성 및 시공성이 충분히 입증되 었으며3-7), 내화 성능 평가를 위한 실험 및 해석 연 구8),9)와 내화 구조 인정 시험(한국건설기술연구원 인정번호 BS16-1013-1 및 BS16-1013-2)을 통하여 화 재에 대한 안전성과 내화 성능의 검증이 이루어졌 다. 그러나 화재에 취약한 강재가 중요한 내력 요소 를 구성하고 있으므로 실무적인 적용과 보급을 위 해서는 화재에 대한 안전성과 내화 성능의 검증이 필수적이다. 화재 후 잔존 내력에 관한 실험이 수행 된 사례가 극히 드물기 때문에 화재 후 구조 내력 평가에 기초 사례 연구가 될 것으로 판단된다.

    본 연구에서는 AU 합성보의 화재 이후 잔존 휨 강도를 평가하기 위해서 내화 구조 인정 시험(비재 하 가열 시험)을 거친 4개의 내화 실험체를 대상으 로 2점 가력 휨 실험을 수행하였다. 내화 실험체와 같은 단면으로 가열 시험을 수행하지 않은 1개의 실험체에 대해서 동일한 2점 가력 휨 실험을 수행 하여 가열 시험 이전과 이후의 AU 합성보 휨 강도 를 비교 분석하였다.

    2. 실험 계획

    연구 대상의 총 5개 실험체는 120분 가열 시험을 거 친 이후 가력하는 실험체 2개(FBT-01, FBT-02), 180분 가열 시험을 거친 이후 가력하는 실험체 2개(FBT-03, FBT-04), 가열 시험을 거치지 않고 가력하는 실험체 1개(FBT-17)로 구성된다.

    모든 실험체는 동일한 단면(AU-450☓300)과 길 이(4,700mm)로 제작하였다. 가열 시험을 거치는 실 험체에서 외부에 노출되는 강재 부분에는 내화 피 복재(하이코크 ET-Ⅲ, 성현케미칼)를 시공하였으며, 가력 실험 수행 전 내화 피복재를 제거하였다. 실험 체의 세부적인 단면 구성은 <Fig. 2>에 나타내었으 며, 실험체의 전체적인 개요는 <Table 1>과 같다.

    설계 기준 압축 강도 24MPa의 일반 중량 콘크리 트가 실험체 제작에 사용되었으며, 5개의 공시체에 서 재령 28일의 평균 압축 강도는 27.1MPa로 나타 났다. 실험체 제작에 이용된 강판(SS235)과 철근(Fy = 400MPa)의 시험편을 규격별로 3개씩 제작하여 인장 강도 시험을 수행하였다. 강판의 경우 항복 강 도 309MPa, 인장 강도 440MPa, 탄성 계수 208MPa 및 연신률 27.6%를 나타내었다. 철근의 경우 항복 강도 433MPa, 인장 강도 588MPa, 탄성 계수 206MPa 및 연신률 24.8%를 나타내었다.

    3. 내화 구조 인정 시험

    한국표준협회(KSA 2014)의 관련 규정을 바탕으 로 AU 합성보의 내화 구조 인정 시험(비재하 가열 시험)을 실시하였다. 내화 구조 성능 기준은 KS F 2257-6의 부속서 2에서 제시되는 강재 온도(각 단면 에서 측정한 강재의 평균 온도가 538°C 이하, 모든 측정점에서 최고 온도가 649°C 이하)를 채택하였다.

    실험체의 가열 온도는 KS F 2257-1에서 제시하는 가열 곡선을 따르도록 조절하였다. 내화 피복 두께 가 15mm인 FBT-01과 FBT-02 실험체는 가열 시간 120분을 적용하였고, 내화 피복 두께가 20mm인 FBT-03과 FBT-04 실험체는 가열 시간 180분을 적용하 였다. 온도 측정을 위한 열전대 설치 단면은 <Fig. 3> 과 같이 부재 길이 방향으로 스팬 중앙 단면(2단면) 과 스팬 중앙에서 가열로 끝부분으로부터 500mm 지점간의 중앙 단면(1단면, 3단면)이며, <Fig. 4>와 같이 각 단면에서 하부 강판과 측면 강판에 총 4개 의 열전대를 설치하였다. 가열 시험이 끝난 직후의 실험체를 <Fig. 5>에 나타내었다.

    FBT-01 실험체는 각 단면에서 측정한 강재 평균 온도의 최대값이 294.7°C, 296.5°C, 279.0°C로 기준 값인 538°C 이하이며, 모든 측정점에서의 최고 온 도가 338.7°C로 기준값인 649°C 이하로 나타났다. FBT-02 실험체는 각 단면에서 측정한 강재 평균 온 도의 최대값이 306.5°C, 305.7°C, 273.7°C이고, 모든 측정점에서의 최고 온도가 349.5°C이다. 따라서 FBT-01과 FBT-02 실험체는 120분의 내화 성능 기준 을 만족한다.

    FBT-03은 각 단면에서 측정한 강재 평균 온도의 최대값이 327.9°C, 311.0°C, 304.0°C이며, 모든 측정 점에서의 최고 온도가 375.6°C이다. FBT-04는 각 단 면에서 측정한 강재 평균 온도의 최대값이 331.8°C, 332.2°C, 327.9°C이며, 모든 측정점에서의 최고 온 도가 388.2°C이다. 따라서 FBT-03과 FBT-04 실험체 는 180분의 내화 성능 기준을 만족한다.

    4. 가력 실험

    4.1 가력 실험 계획

    가력 실험은 최대 용량 3,000kN의 UTM을 이용 하여 수행하였다. 실험체의 양단부는 단순 지지점으 로 처리하였으며, 가력보를 이용하여 실험체 스팬의 3등분점 두 곳을 가력점으로 설정하였다. 가력 방법 은 변위 제어 방식을 적용하여 0.05mm/sec의 속도 로 단조 가력하였다. 실험체 세팅 현황을 <Fig. 6> 에 나타내었다.

    가력점 하부와 실험체 스팬 중앙부에 수직 변위 계를 설치하여 하중 가력에 따른 처짐량을 계측하 였으며, 실험체 단부에 수평 변위계를 설치하여 콘 크리트와 강재 사이의 슬립량을 계측하였다.

    4.2 최대 하중 및 파괴 모드

    FBT-01 실험체는 약 690kN에서 슬래브 콘크리트 에 균열 발생이 시작되었고, 860kN 이후 상부 콘크 리트의 압괴가 시작되었다. 최대 하중은 866kN으로 계측되었고, 이후 변위 증가와 함께 강재와 콘크리 트 경계면에서의 박리 및 상부 콘크리트의 압괴가 진행되어 최종 파괴에 도달하였다<Fig. 7>. FBT-02 실험체는 약 700kN에서 슬래브 상부면에 균열이 발생하기 시작하였다. 최대 하중은 871kN으로 계측 되었고, 실험체 스팬 중앙부의 콘크리트 압괴가 현 저하게 진행되면서 최종 파괴에 도달하였다

    FBT-03 실험체는 약 600kN에서 슬래브 측면에 균열이 발생하기 시작하였고, 약 755kN에서 강재와 콘크리트의 경계면에서 박리가 관찰되었다. <Fig. 8> 과 같이 840kN에서 가력점 근처의 슬래브 콘크리 트가 압괴되기 시작하였으며, 최대 하중은 849kN으 로 계측되었다. FBT-04 실험체는 약 460kN에서 슬 래브 측면에 균열이 발생하기 시작하였고, 약 860kN 에서 상부 콘크리트의 압괴가 시작되었다. 최대 하 중은 867kN으로 계측되었다.

    FBT-17 실험체는 약 790kN에서 슬래브 하부면에 균열이 발생하기 시작하였고, <Fig. 9>와 같이 약 910kN에서 슬래브 상부면의 콘크리트 압괴가 시작 되었다. 최대 하중은 920kN으로 계측되었으며, 콘 크리트의 압괴가 현저하게 진행되어 최종 파괴에 도달하였다.

    <Table 2>에서 각 실험체의 최대 하중(Pu)을 비 교하였다. 120분 가열 시험을 거친 FBT-01과 FBT-02의 평균 최대 하중은 가열 시험을 거치지 않 은 FBT-17 최대 하중의 95%이며, 180분 가열 시험 을 거친 FBT-03과 FBT-04의 평균 최대 하중은 FBT-17 최대 하중의 93%이다. 약 5~7%의 휨 강도 감소가 관찰된 것이며, 이는 고온에 노출되었던 콘크 리트의 압축 강도 감소를 원인으로 볼 수 있다.

    가열 시험에서 콘크리트의 온도가 300°C 이상으 로 상승하는 부분은 합성보 하부와 슬래브 하부이 다9). 이 중에서 합성보 하부 콘크리트는 인장 영역 에 해당하므로 휨 강도 감소에 별다른 영향을 미치 지 않는 것으로 볼 수 있다. 슬래브 하부 콘크리트 는 중립축이 위치하거나 중립축에 근접한 영역이므 로 휨 강도 감소에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 이 러한 압축 영역은 상당히 작은 부분이며, AU 합성 보의 휨 강도 감소는 크지 않을 것으로 판단된다.

    4.3 하중-변위 관계

    <Fig. 10>에 전체 실험체의 하중-변위 관계를 나 타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 가열 시험을 거친 실험체들은 가열 시험을 거치지 않은 FBT-17 실험 체에 비해서 최대 하중 이후의 연성적인 거동이 상 당히 감소한다. 가열 시험을 통해서 온도가 상승된 콘크리트에서는 내부의 수분이나 잉여수가 외부로 유출되고, 이는 콘크리트의 급격한 수축 변형과 내 부 균열을 유발한다. 이러한 콘크리트의 열 변형이 합성보의 연성적인 거동을 저해하는 요인이 되는 것으로 판단된다.

    연성적인 거동에 대한 차이를 정량적으로 분석하 기 위해서 최종 파괴 직전까지의 최대 변위(δmax)를 <Table 3>에서 비교하였으며, 가열 시험을 거친 실 험체들의 평균 최대 변위는 가열 시험을 거치지 않 은 FBT-17 최대 변위의 65%로 평가되었다.

    4.4 항복 하중

    실험체의 하중-변위 곡선으로부터 항복 하중(Py) 을 산정하여 비교하였다. <Fig. 11>과 같이 항복 하중 은 1/3 접선법을 이용하여 평가하였으며, <Table 4> 에 각 실험체의 항복 하중을 나타내었다.

    120분 가열 시험을 거친 FBT-01과 FBT-02의 평균 항복 하중은 가열 시험을 거치지 않은 FBT-17 항복 하중의 94%이며, 180분 가열 시험을 거친 FBT-03과 FBT-04의 평균 항복 하중은 FBT-17 항복 하중의 93%이다. 항복 강도의 약 6~7%가 감소되는 것으로 평가되었으며, 그 원인이나 감소의 폭이 휨 강도 감 소와 유사한 것으로 판단된다.

    5. 결론

    AU 합성보의 화재 이후 잔존 휨 강도를 평가하 기 위해서 내화 구조 인정 시험을 거친 4개의 내화 실험체를 대상으로 2점 가력 휨 실험을 수행하였다. 내화 실험체와 같은 단면으로 가열 시험을 수행하 지 않은 1개의 실험체에 대해서 동일한 2점 가력 휨 실험을 수행하여 가열 시험 이전과 이후의 AU 합 성보 휨 강도를 비교하였다. 본 연구를 통해서 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 1) 120분 가열 시험을 거친 시험체의 평균 최대 하중은 가열 시험을 거치지 않은 시험체 최대 하중 의 95%이며, 180분 가열 시험을 거친 시험체의 평 균 최대 하중은 가열 시험을 거치지 않은 시험체 최 대 하중의 93%이다. 휨 강도가 약 5~7% 감소하는 것으로 평가되었으며, 이는 고온에 노출되었던 콘크 리트의 압축 강도 감소를 원인으로 볼 수 있다.

    • 2) 가열 시험을 거친 실험체들은 가열 시험을 거 치지 않은 실험체에 비해서 최대 하중 이후의 연성 적인 거동이 상당히 감소한다. 연성적인 거동에 대 한 차이를 정량적으로 분석하기 위해서 최종 파괴 직전까지의 최대 변위를 비교하였으며, 가열 시험을 거친 실험체의 평균 최대 변위는 가열 시험을 거치 지 않은 실험체 최대 변위의 65%로 평가되었다.

    • 3) 120분 가열 시험을 거친 실험체의 평균 항복 하중은 가열 시험을 거치지 않은 실험체 항복 하중 의 94%이며, 180분 가열 시험을 거친 실험체의 평 균 항복 하중은 가열 시험을 거치지 않은 실험체 항 복 하중의 93%이다.

    본 연구에서는 AU 합성보의 화재 후 잔존 휨 강 도만을 대상으로 평가하였다. 추후에는 전단 강도 및 합성 효과 등에 대한 해석 및 실험적 평가와 이 를 바탕으로 합성보의 성능 기반 내화 성능 기법에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 ㈜엔아이스틸, ㈜액트파트너, ㈜쓰리디 엔지니어링의 연구비 지원을 받아 수행된 연구의 일부로 지원에 감사 드립니다.

    Figure

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    AU composite beam

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    Section of test specimens

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    Sections for thermocouples

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    Location of thermocouples

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    Specimens just after the heating test

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    Test setup

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    Failure of FBT-01

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    Failure of FBT-03

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    Failure of FBT-17

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    Load-Deflection relation

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    1/3 secant method

    Table

    List of test specimens

    Comparison of the peak loads

    Comparison of the maximum deflections

    Comparison of the yield loads

    Reference

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