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 개발되었다^1),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 었으며^3-7), 내화 성능 평가를 위한 실험 및 해석 연 구^8),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(F_y = 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(δ_max)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(P_y) 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.

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.