장스팬 구축을 위한 U형 반슬림플로어 합성구조시스템의 거동 및 설계

Abstract

최근 국내외적으로 대공간 및 높은 공간활용도가 요구되는 건축물의 수요가 증대되고 있으 나, 원자재 가격 및 노무비 상승 등으로 인해 건설 현장의 어려움이 야기되고 있다. 이에 구조 안전성 확보 뿐 아니라 공기절감과 공사비의 감축을 위해 최적 구조부재 설계와 고효율 구조시 스템에 대한 관심이 증가됨에 따라 다양한 공법이 개발되어 건설현장에서 적용되고 있다. 강재와 콘크리트 재료의 장점을 접목한 합성부재 공법은 기존 재래식 공법의 단점을 보완하 여, 신뢰성과 가격경쟁력을 확보할 수 있다. 이러한 점에 주목하여 국내에서는 재래식 노출형 합성보의 성능과 시공성을 개선한 U형 콘크리트 채움 합성보 공법에 대해 가장 활발하게 연구 하고 있으며 세계적으로 선도하고 있다. U형으로 가공된 강판은 영구적인 콘크리트 거푸집의 기능을 하는 동시에 휨재 역할을 동시에 수행하므로, 휨 강도뿐만 아니라 우수한 강성을 확보 하게 한다. 그러나 현재 널리 사용되는 U형 합성보 공법들은 단일두께의 강판을 사용하므로 단 면효율이 다소 떨어지고, 합성보 양단부에 작용하는 큰 부모멘트에 저항하기 위해 두꺼운 보강 철근을 배근함에 따른 시공성 저하문제가 제기되고 있다. 딥데크(Deep Deck)와 혼용할 시에는 건물의 층고가 증가되는 문제 또한 존재한다. 따라서 구조성능과 시공성을 향상시키면서 층고 또한 절감할 수 있는 장스팬 합성보 공법에 대해 연구가 필요하다. 이 연구에서는 철골조 자주식 주차장을 대상으로 다양한 기둥경간 모듈에 대응 가능한 층고 절감형 합성구조시스템을 개발하였다. 제안한 주차장 바닥 구조는 U형 반슬림플로어 합성보와 딥데크로 구성되며, CFT 기둥에는 외다이아프램 역할을 하는 브라켓을 설치하여 U형 강재보와 단순 볼트이음만으로도 보-기둥 접합이 가능토록 하였다. U형 반슬림플로어 합성보는 U형 강 재 내부에 충진되는 콘크리트와 단부 T-bar, U형 단면내부의 철근을 이용하여 휨강도 및 사용 성을 확보한다. U형 강판은 Z형 측면강판 2개와 하부강판으로 제작되며, 하부판은 제작과정에 서 Pre-Camber 도입을 통해 시공처짐을 최소화시켜 최대 15 m 의 장스팬을 구현할 수 있다. Z형 측면강판의 플랜지는 딥데크의 받침대로 활용되어 층고절감을 가능케 한다. 제안한 딥데크와 U형 합성보는 휨실험을 통해 성능을 검증하였으며, U형 합성보-CFT 기둥 의 외다이아프램 접합부는 반복가력 실험을 통해 내진성능을 확인하였다. 딥데크는 합성 전후 의 성능을 평가하였다. 모래재하시험을 통해 데크플레이트만으로도 경간 5.5 m의 시공하중을 무지주로 지지가능함을 확인하였으며, 콘크리트 합성 후에는 경간 8 m를 지지할 수 있음을 확 인하였다. 완전합성으로 설계한 U형 합성보는 보의 길이와 강재앵커의 종류를 변수로 정모멘트 가력을 하였으며, 추가적으로 유한요소해석을 수행하여 그 성능을 입증하였다. 실험변수와 무 관하게 현행 설계기준의 소성응력분포법에 따라 제안한 합성보를 설계할 수 있음을 확인하였 다. 반복가력한 보-기둥 접합부 실험체는 강재앵커로 사용한 Z바의 웨브 천공 유무를 변수로 하였으며, 정모멘트 가력에 대해 약 3 % rad, 부모멘트 가력에 대해 약 4 % rad의 회전 성능 을 갖는 것을 확인하여 보통모멘트 골조로 설계가능함을 입증하였다. 제안한 합성보에 대한 비 선형 해석모델 구축을 위해 실험결과의 이력거동을 바탕으로 매개변수를 도출하였으며, 집중소 성힌지 모델을 제안하였다. 장스팬 철골 건물에 U형 반슬림플로어 합성구조시스템을 적용할 경우 내진성능을 검증하기 위해 제안한 접합부 비선형 거동모델링을 적용하여 비선형 정적 및 동적 해석을 수행하였다. 허용 층간변형각, 성능수준별 중력 하중저항능력, 소성힌지 분포 등 결과분석을 통해 현행 설 계기준에서 제시하고 있는 내진Ⅱ등급 최소성능목표인 재현주기 2,400년 지진에 대한 붕괴방 지, 재현주기 1,000년 지진에 대한 인명보호 내진성능을 검증하였다.