Best Practice

본 연구에서 제안하는 슬림플로어 합성보는 냉간성형절곡을 통해 만들어진 사다리꼴 단면의 하부에 하부 플레이트를 용접하여 구성함으로써 제작성을 개선하고 폐단면형 보를 형성함으로써 비틀림에 대한 저항성능을 향상시키며, 하부 플레이트의 상부에 데크를 거치하도록 함으로써 건축물의 제한된 높이 이내에서 최대한의 공간을 확보할 수 있는 특징을 갖는다(Fig. 1.). 또한, 기둥과 접하는 슬림합성보의 단부는 H형강으로 볼트/용접 이음하며 H형강은 폐단면형 보에 폐단면 춤 이상을 삽입한다. 겹치는 구간에는 콘크리트 충전이 용이하도록 폐단면형 리브에 홀을 두었다(Fig. 2.).

Fig. 1. 
Proposed Slim Composite Beam Detail

Fig. 2. 
Joint Structure of column- slim composite beam

슬림플로어 합성보의 단부는 기둥과 접합에서 부모멘트가 중력하중에서 발생하며, 지진하중에서 부/정모멘트가 발생하게 된다. 이에 슬림플로어 합성보의 단부는 슬래브 존에 철근으로 보강하여 부모멘트 내력이 증가하도록 하였다. 철근은 플레이트에 플레어 용접을 하고, 그 플레이트를 기둥에 용접하도록 한다. 슬림플로어 합성보 단부에 있는 H형강의 하부플랜지 위에 데크플레이트를 얹히도록 하여 매입형 합성보의 특성을 갖도록 하였다.

슬림 합성보는 공장에서 후판 열연코일을 수차례 냉간프레스 성형한 절곡재와 일정 크기로 제단된 후판을 용접조립한다. 일부 구간에 보강된 철근은 냉간성형 절곡재의 조립 전에 선 부착된다. 상부리브와 하부 플랜지의 제작 및 용접을 통한 시험체의 제작과정은 Fig. 3.에 나타낸 바와 같다.

Fig. 3. 
Fabrication process of slim composite beam

우선 CNC Gas cutting을 통해 일련의 제작사이즈로 원판을 가공하고, 상하부 플랜지에 적용하는 철판을 절곡가공한 후 냉간성형 상부리브와 하부플랜지 조합으로 Beam 의 단면을 구성하였다. 상부 절곡부재와 하부플레이트의 접합부는 완전용입이 필요한 C.J.P(Complete Joint Penetration)구간이므로 서브머지드아크용접을 통해 완전용입용접(루트간격 3mm, 개선각 30°)을 실시하였다. 용접이 완료된 Beam의 하부플랜지 양단으로 춤이 깊은 데크를 일정간격으로 설치하고, Beam의 길이방향의 주철근을 조립 후, 온도철근을 사용하여 격자형으로 철근을 고정한다. 마지막으로 소정의 규격에 맞추어 데크를 설치한 후 콘크리트를 타설하였다.

본 연구는 슬림플로어 합성보의 휨성능을 평가하기 위하여 2개의 실험체를 계획하였다. 각 실험체의 구성은 Table 1과 같으며, 실험체 상세는 Fig. 4.에 나타내었다. 슬림플로어 합성보의 정모멘트에 대한 단면의 휨성능을 파악하기 위한 휨실험체는 두께 400mm, 길이 9,000mm, 폭 1,500mm로 제작하였으며, 15mm하부플랜지에 8mm로 냉간절곡한 부재를 용접으로 접합하고, 하부플랜지에 춤 200mm의 데크플레이트를 설치하고, 스터드볼트(2-16)를 설치(단부@100, 중간부@150)하였다. 또한, 슬래브 상부는 온도철근 D13@200으로 배근한 후 콘크리트 압축강도 27MPa을 타설하였다. M-SCB-R실험체는 M-SCB-N실험체와 동일한 조건에서 스터드볼트 옆에 2-HD25(SD500)로 보강한 실험체이다. 단, 폐단면 내에는 콘크리트가 없다.

Fig. 4. 
Specimen details of bending specimens (dimensions in mm)

슬림플로어 합성보의 휨성능을 평가하기 위하여 3,000kN급 UTM로 슬림 합성보의 중앙에서 각각 1.0m씩 떨어진 위치에 가력보를 설치하여 하중 가력을 하였다(Fig. 5.). 또한, 변위계(LVDT)는 우선 가장 큰 처짐이 발생될 것으로 예상되는 실험체 중앙부, 합성보의 중심점으로부터 좌, 우 방향으로 각각 1.0m 떨어진 곳에 변위계를 설치하였으며, 양단부에 변위계를 설치하여 철골보와 콘크리트슬래브 사이에서 발생하는 엔드슬립(end slip)을 측정하였다. 또한, 합성보의 곡률산정 및 강판의 국부좌굴 등을 파악하기 위하여 강재와 콘크리트에 스트레인 게이지를 부착하였다.

Fig. 5. 
Position of LVDTs for bending test

실험체는 SM490강종을 사용하여 제작하였으며, 제작에 사용된 강재와 콘크리트의 재료 특성은 KS B 0802와 KS F 2405에 의해 확인하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다. U리브 폐단면에 사용된 8mm의 SM490 판재는 항복강도 459MPa, 인장강도 551MPa이었으며, 하단부에 사용된 두께 15mm의 SM490 판재의 항복강도는 371MPa, 인장강도는 535MPa이었다. 또한, 합성보의 내부에 배근된 철근의 항복강도, 인장강도와 연신률은 각각 469MPa, 586MPa와 27%이다. 콘크리트의 28일 압축강도(f_c′)는 30.8MPa로 설계압축강도 27MPa을 약간 상회하였다.

슬립플로어 합성보의 내진성능을 파악하기 위해서 Fig. 10.에 나타낸 것과 같이 기둥-보 접합 실험을 수행하였다. 접합부 실험체의 CFT 기둥은 □-500×500×15(SM490) 단면을 사용하였으며, 충전된 콘크리트의 공칭압축강도는 45MPa로 계획하였다. 실험체에 사용된 각형강관은 판재를 프레스로 가공하여 2면 SAW (Submerged Arc Welding) 용접하여 제작하였으며, 강관의 폭두께비(b/t)는 31.3으로서 건축구조기준(KBC 2016)^[9]의 CFT 기둥의 단면 분류로는 조밀단면에 해당된다. 기둥의 길이는 양 단부 엔드플레이트를 포함하여 2,000mm로 제작하였으며, 기둥의 양단에 각각 길이 750mm의 단부 핀 지그를 연결하였다. 슬림플로어 합성보는 휨실험체와 동일한 조건으로 제작하였고, 전체길이는 4,800mm이며, 기둥 중심에서 가력중심까지 거리는 3,500mm로 제작하였다. 또한, 기둥단면 부위에만 콘크리트를 타설하기 위해서 1,640mm에 차단플레이트를 설치하여 보 내부의 중공상태를 형성해서 자중을 감소시켰다.

Fig. 10. 
Specimen details of column-beam joint tests (dimensions in mm)

슬림플로어 합성보의 내진성능은 3,000kN의 엑츄에이터(actuator)를 사용하고, T형 접합부의 외팔보 끝단에서 수직하중을 반복해서 재하하였다. 기둥 중심축에서부터 가력부까지의 길이는 모두 3,500mm이고, 기둥면으로부터 가결지점까지 길이는 3,250mm이다. 또한, 실험 중 합성보의 횡좌굴(lateral buckling)을 방지하기 위하서 지지대를 설치하였다 (Fig. 11.). 하중재하(loading cycle)는 건축구조기준 (KBC 2016)에 따라 보 회전각의 0.375%, 0.5%, 0.75%를 6cycle씩 반복가력한 후, 1.0%를 4cycle가력하고 1.5%, 2.0%, 3.0%, 4.0%, 5.0%, 6.0%는 2cycle 씩 가력하였다. 또한, Fig. 11.과 같이 LVDT를 설치하여, 보 가력부의 변위, 실험체 강체변형, 및 접합부 패널의 전단변형 등을 계측하였다.

Fig. 11. 
Test Set-up for column-beam joint tests

Table 4에는 실험체에 사용된 재료의 소재시험 결과를 나타낸다. B.H형강의 웨브재로 사용된 두께 12mm의 SM490 판재의 항복강도는 368MPa, 인장강도는 545MPa이고, 연신율은 24%이었다. 또한, 외다이어프램의 상부에 사용된 두께 19mm 판재(SM490)의 항복강도는 358MPa, 인장강도는 523MPa로 항복비는 68%로 나타났으며, 연신율은 26%이었다. 기둥이나 U리브 폐단면 등에 사용된 강재, 및 철근 등은 휨실험체와 동일한 소재를 사용하였다. CFT기둥 내에 충전한 콘크리트의 압축강도(f_c′)는 49.8MPa로 설계압축강도 45MPa을 약간 상회하였다.

또한, 슬림플로어 합성보에 충전한 콘크리트는 휨실험체와 동일한 재료를 사용하였다.