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서라 미
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TSC 합성보의개발 Development of TSC Composite Beam 金聖培 / 정회원, ( 주 ) 센구조연구소연구개발팀장 Kim, Sungbae / Assistant Manager, SEN Structural Engineers Co. Ltd. kandj-1@hanmail.

net 金相燮 / 정회원, 한국기술교육대건축공학과교수 Kim, Sangseup / Professor, Korea University of Technology and Education kimss@kut.ac.kr 1. 서론장스팬, 초고층건축구조에서철골조가많이적용되고있으나철골원자재비상승으로인한경제성저하, 처짐진동등의사용성에관한문제가제기되고있다.

합성보는상이한두가지이상의재료를조합하여성능을향상시키는구조재료, 부재및구조시스템을총칭하는것으로 HI Beam, itech, Slim-floor, Deep Deck 등이개발또는도입되었다. 본고에서는최근연구개발하여신기술 (418호) 로지정받은 TSC 합성보에대해소개하고자한다. 갖는다.

1 TSC 합성보의개발 Development of TSC Composite Beam 金聖培 / 정회원, ( 주 ) 센구조연구소연구개발팀장 Kim, Sungbae / Assistant Manager, SEN Structural Engineers Co. Ltd. kandj-1@hanmail.net 李昌男 / 정회원, ( 주 ) 센구조연구소대표이사 Lee, Changnam / President & CEO, SEN Structural Engineers Co. Ltd. thesen@kornet.net 金相燮 / 정회원, 한국기술교육대건축공학과교수 Kim, Sangseup / Professor, Korea University of Technology and Education kimss@kut.ac.kr 1. 서론장스팬, 초고층건축구조에서철골조가많이적용되고있으나철골원자재비상승으로인한경제성저하, 처짐진동등의사용성에관한문제가제기되고있다. 반면철근콘크리트구조는이러한단점에대한보완이가능하나공사기간증가와인건비상승, 기능인력확보등의문제가대두되고있다. 그러므로위의두가지구조시스템의장점을추출접목하는복합구조또는합성구조의연구개발이활발히진행되고있다. 합성보는상이한두가지이상의재료를조합하여성능을향상시키는구조재료, 부재및구조시스템을총칭하는것으로 HI Beam, itech, Slim-floor, Deep Deck 등이개발또는도입되었다. 본고에서는최근연구개발하여신기술 (418호) 로지정받은 TSC 합성보에대해소개하고자한다. 갖는다. 또한 TSC 보는바닥슬래브와합성보로거동하기위해상부플랜지에스터드, ㄷ형강, 또는철근등을이용한쉬어코넥터를배치하고하부에는쉬어키를설치한다. 하부쉬어키는상부와같이내력을부담하는것이아니라하부콘크리트에발생하는균열이급진전하여파단되는것을방지하기위한것이다. TSC 보의상부에는콘크리트타설시좌우웨브의벌어짐을방지하고, 상부슬래브작업의용이성등을위해폭고정용앵글을부착한다. 또한 TSC 보의하부와웨브, 상부플레이트는각부재를절단하여용접하거나, 절곡, 성형제작한다. TSC 보의종류및변화는그림 2와같다. 초기 TSC 보는보외곽에ㄱ형강이나ㄷ형강을배치하고, 철근래티스로조립한후외곽면에내화피복을겸하는영구거푸집을설치하여콘크리트를부어넣는강콘크리트보에서출발하였다 ( 특허제 호 ). 그러나국내에내화재로지정을받은영구거푸집재료가없는문제점등으로 2. TSC 합성보의개요 TSC 보의형상은그림 1과같다. TSC 보는하부와웨브, 상부플레이트로구성되고, 각플레이트는일체화되어우수한설계내력을 1 강콘크리트보 2 조립폐쇄단면강콘크리트보 콘크리트슬래브 3 용접제작 TSC 보 4 성형제작 TSC 보 상부철근 폭고정용앵글하부돌기그림 1. TSC 보의개념도 데크플레이트쉬어코넥터 TSC 부재 ( 거푸집겸용 ) 그림 2. TSC 보의종류와변화 5 BNTSC 보 67

인해 ㄱ형강이나 ㄷ형강을 필요에 따라 선별적으로 사용하고, 강판 을 내구재로 이용하여 설계하는 방법을 적용하게

그 후 ㄱ형강이나 ㄷ형강을 플레이트로 용접 제작하 는 방법을 적용하였으나, 제작 비용 절감을 위해 성형제작 TSC 보

사진 1은 상하부의 대형 롤 을 이용하여 열연강판 코일을 보 형상으로 제작하는 모습이다.

성형보(출원번호 102004-0050934), 병목형 상부 플랜지 TSC 보, 강콘크리트 바닥보를 가설 스트럿으로

또한 압축측 플랜지는 단면이 적재하중이 큰 건축물 장스팬으로 처짐 및 진동에 대한 사용성이 문제가 되는 경우 층고절감이

성과를 중심으로 간략히 감소되어 단면 이용의 효율성이 증대하고, 내부에는 콘크리트로 채 우므로 소음과 처짐 및 진동에

2 인해 ㄱ형강이나 ㄷ형강을 필요에 따라 선별적으로 사용하고, 강판 을 내구재로 이용하여 설계하는 방법을 적용하게 되었다(특허 제 호). 그 후 ㄱ형강이나 ㄷ형강을 플레이트로 용접 제작하 는 방법을 적용하였으나, 제작 비용 절감을 위해 성형제작 TSC 보 를 개발하게 되었다. 또한 BNTSC 보(소형 TSC 보)는 일반 소형 구조물에 적용이 적합한 TSC 보이다. 사진 1은 상하부의 대형 롤 을 이용하여 열연강판 코일을 보 형상으로 제작하는 모습이다. TSC 보에 대한 지적 소유권은 상기의 특허 외에 성형강판 콘크리 트 보(출원번호 )와 W자 성형보(출원번호 ), 병목형 상부 플랜지 TSC 보, 강콘크리트 바닥보를 가설 스트럿으로 겸용하는 지하골조 부분하향공법(출원번호 10사진 1. 성형 TSC 보의 제작과정 ) 등이 있다. 사진 2는 TSC 보를 이용한 건축물이다. TSC 보는 외피 플레이트가 철근 또는 강재역할을 하므로 단면의 효율성이 높고, 휨 강성이 증가된다. 또한 압축측 플랜지는 단면이 적재하중이 큰 건축물 장스팬으로 처짐 및 진동에 대한 사용성이 문제가 되는 경우 층고절감이 요구되는 건축물 철골 구조와 철근콘크리트 구조가 혼합된 건축물의 하중 전이층 이하에 TSC 보의 특성을 지금까지 연구 성과를 중심으로 간략히 감소되어 단면 이용의 효율성이 증대하고, 내부에는 콘크리트로 채 우므로 소음과 처짐 및 진동에 대한 사용성이 우수하다. 내화피복 면적은 H형강 철골보에 비해 감소하고 내화효과가 증대되는 등의 설명하고자 한다. 잇점을 갖고 있어 다음 구조물에 적용이 가능하다. (a) 서니 S 빌딩 (d) K 타워 Ⅰ 사진 2. 적용 현장 조감도 (b) K 타워 Ⅲ (e) 대치동 C 아파트 68 (c) 부천 춘의동 T 파크 (f) S 고등학교 기념관

TSC 합성보의연구개발 용접제작합성보 보휨실험 실험결과평가분석 TSC 보의성능평가및기존합성보와비교성형제작합성보 -01 사용성평가 PUSH-OUT 실험 보휨실험기둥보접합부실험신축중인 3 개현장 실험결과평가분석 TSC 보성능확인및사용성검토성형제작합성보 -02 기둥 - 보접합부실대실험 보휨실험 TSC 보제작성확인및내진성능평가 사진 3. 실험체셋팅상황 그림 3.

3 TSC 합성보의연구개발 용접제작합성보 보휨실험 실험결과평가분석 TSC 보의성능평가및기존합성보와비교성형제작합성보 -01 사용성평가 PUSH-OUT 실험 보휨실험기둥보접합부실험신축중인 3 개현장 실험결과평가분석 TSC 보성능확인및사용성검토성형제작합성보 -02 기둥 - 보접합부실대실험 보휨실험 TSC 보제작성확인및내진성능평가 사진 3. 실험체셋팅상황 그림 3. 구조성능평가실험흐름도 3. 구조성능평가 TSC 합성보연구개발을위한성능평가실험은보휨실험과사용성평가, 기둥보접합부실험등으로나누어진행하였다. 그림 3 은 TSC 합성보개발을위해진행된실험흐름도이다. 보휨실험은용접제작과성형제작으로나누어 3회에걸쳐진행하였고, 신축중인건축물에대한사용성평가와기둥보접합부실험을실시하였다. 1) 용접제작보휨실험용접제작보휨실험은 TSC 보의성능을평가하기위해쉬어코넥터의배치방식, 하부강판의두께, 쉬어키의유 무, 측면강판과하부강판의용접방법등을변수로 10 개의실험체를제작하였다. 실험체의단면형상은그림 4와같고, 실험체의크기및가력은모두사진 3과동일하다. 실험결과하부플레이트의두께가두꺼울수록내력및강성이증가하나, 변형능력은현격히감소하였다. 이것은상부쉬어코넥터가부분합성으로설계되어충분한내력및변형능력을확보하지못하고조기에수평전단파괴가일어나내력이저하되었기때문이다. 이 때의하중변위곡선은그림 5, 파괴양상은사진 4와같다. 또한상부쉬어코넥터가없거나전산볼트를사용한경우내력및변형능력이기준실험체에비해크게저감하였고, 하부에쉬어키가없는시험체는최대내력이후급격히파단되어연성적인거동을하지못했다. 용접제작보휨실험결과 TSC 보의변형능력차이는합성율과밀접한관계가있는것으로평가되어상부쉬어코넥터를완전합성으로설계하면, TSC 보의변형능력은충분히확보될것으로판단된다. 또한하부쉬어키는초기강성에큰영향을미치지않으나보하부의콘크리트휨균열을분산시켜조기파단을방지하고, 구조물의변형능력을확보하는데필요한것으로확인되었다. 2) 성형제작보휨실험성형제작보휨실험은상부쉬어코넥터와하부쉬어키의대체공법및배치간격, 제작방법의특성등에대해완전합성으로설계제작하였다. 실험체는벤딩기를이용하여제작하였고, 하부플레이트의내력보강은철근과플레이트, 포스트텐션등으로하였고, 상부쉬어코넥터는스터드를기본으로철근과ㄷ형강, 앵글등을이용하여제작성을개선하는방법등을연구하였다. 또한쉬어코넥터의전단내력평가를위해스터드를기준으로철근과ㄷ형강등의내력평가를위해 Push-out 시험도하였다. 사진 6은쉬어코넥터의 그림 4. 용접제작보실험체형상 그림 5. 하부인장부두께의영향 69

사진 4. 용접제작보실험체파괴양상 사진 5. 성형제작보실험체파괴양상 전단내력시험전경이다. 성형제작보휨실험결과는그림 6, 7과같고, 실험체파괴양상은사진 5와같다.

또한하부인장부보강은철근을이용하여도동일한내력확보가가능하고, 하부쉬어키의배치도최대 600mm 까지내력및변형능력의변화가없으며, 쉬어코넥터는스터드와철근, ㄷ형강모두적용이가능함을확인하였다.

측정건축물은서울시역삼동에위치한지하 3층, 지상 12 층규모의 L빌딩과서울시구로동에위치한지하 1층, 지상 15 층의 K타워, 서울시강북구미아동에위치한지하 1층, 지상 5층의 S고등학교기념관등이다.

4 사진 4. 용접제작보실험체파괴양상 사진 5. 성형제작보실험체파괴양상 전단내력시험전경이다. 성형제작보휨실험결과는그림 6, 7과같고, 실험체파괴양상은사진 5와같다. 1차실험에비해완전합성으로설계되어충분한변형능력이확보되었음을확인할수있다. 하부쉬어키를철근과스터드로사용하여배치한경우모두유사한하중과변형능력을보이고있어쉬어키의종류와배치간격에의한영향은적은것으로나타났다. 또한하부인장부보강은철근을이용하여도동일한내력확보가가능하고, 하부쉬어키의배치도최대 600mm 까지내력및변형능력의변화가없으며, 쉬어코넥터는스터드와철근, ㄷ형강모두적용이가능함을확인하였다. 3) 사용성평가 TSC 보는기존의철골합성보에비해폐쇄단면에콘크리트를채운효과등으로사용성이우수할것으로판단되어현재신축중인건축물에대해사용성평가를하였다. 측정건축물은서울시역삼동에위치한지하 3층, 지상 12 층규모의 L빌딩과서울시구로동에위치한지하 1층, 지상 15 층의 K타워, 서울시강북구미아동에위치한지하 1층, 지상 5층의 S고등학교기념관등이다. 실험은보행하중과뒷꿈치충격 (Heel Drop Impact) 에대해실시하였다. 최대가속도는보행하중을가진원으로측정하였고, 이를 사진 6. 쉬어코넥터의전단내력실험전경 그림 6. 하부인장부보강방법의영향 Peak Acceleration(%g) time(sec) 그림 7. 쉬어키간격과종류의영향 그림 8. S 고등학교기념관가속도응답 70

10 최대가속도 (%g) 1 AIS C ( 사무소, 주거 ) 일본 (V-5) 일본 (V-3) S 고등학교기념관 L 빌딩 K 타워 0.1 1 10 100 고유진동수 (Hz) 그림 9. 사용성평가 FFT(Fast Fourier Transfer) 변환하여바닥판의고유진동수를구하였다.

5 10 최대가속도 (%g) 1 AIS C ( 사무소, 주거 ) 일본 (V-5) 일본 (V-3) S 고등학교기념관 L 빌딩 K 타워 고유진동수 (Hz) 그림 9. 사용성평가 FFT(Fast Fourier Transfer) 변환하여바닥판의고유진동수를구하였다. 그림 8은 S고등학교기념관의보행하중에의한가속도응답이고, 그림 9는사용성평가결과이다. 수직진동평가결과 AISC 의제한치 0.5%g와일본건축학회기준의권장치 V-3 를모두만족하였다. 4) 기둥보접합부실험기둥보접합부실험은연직하중의영향을평가하기위해단조가력실험과내진성능평가를위한실대실험체의반복가력실험으로하였다. 단조가력실험체는 TSC 보를철골기둥에웨브또는플랜지만볼트접합한경우와모두볼트접합한 3개실험체로제작하였다. 실대실험체는 TSC 보를사용한 3개의실험체와기존 H형강을적용한한개의실험체로하였고 TSC 보는부모멘트영역인상부슬래브배근을변수로하였다. 그림 10 은단조가력실험체의형상이고, 사진 7. 기둥보접합부실대실험체설치전경 - 반복가력 사진 7은실대실험체의설치전경, 그림 11 은실대실험체의모멘트회전각곡선이다. TSC 보와철골기둥의볼트접합위치에따른단조가력실험체의접합부성능실험결과는 3개실험체모두동일한초기강성을가지며우수한변형능력을나타내고있다. 또한하부플랜지만볼트접합한실험체가웨브와플랜지모두볼트접합한실험체보다 10% 정도내력이적게나타났으나효율적인접합부모델로검토될수있는것으로평가확인되었다. 실대실험체에의한반복가력실험은 AISC(1997) 내진규정에서특별연성모멘트골조 (SMF), 중간연성모멘트골조 (IMF), 보통연성모멘트골조 (OMF) 의경우각각최소 0.03, 0.02, 0.01 radian의접합부소성회전각을확보할것을요구하고있다. 실험결과 TSC 보를이용한기둥 -보접합부 3개실험체모두정ㆍ부모멘트구간이 0.04 radian 까지전소성모멘트의 80% 이상을나타내어, 특별연성모멘트골조 (SMF) 의내진성능도확보가능한것으로나타났다. 5) 기타상기의각실험을통해 TSC 보의성능을일부평가하였다. 또한 TSC 보에대한지속적인연구로현재내화성능시험과 BNTSC 그림 10. 기둥보접합부실험 - 단조가력 그림 11. 실대실험체 (TSC-N-B) 의모멘트 - 회전각 71

보춤 250mm 보춤 150mm 그림 12. BNTSC 보실험체형상 보의연구를진행중이다. 그림 12 는현재연구개발중인소형 TSC 보의형상이며, 현재실험체를제작하여실험중이다. 내화성능평가는 TSC 보가강재보내부에콘크리트를충전한형상이므로내화에우수할것으로판단되어내화성능평가를준비중이다. TSC 보의내화인증획득은현행규격상불가능하므로기초자료의확보차원에서연구중이다.

6 보춤 250mm 보춤 150mm 그림 12. BNTSC 보실험체형상 보의연구를진행중이다. 그림 12 는현재연구개발중인소형 TSC 보의형상이며, 현재실험체를제작하여실험중이다. 내화성능평가는 TSC 보가강재보내부에콘크리트를충전한형상이므로내화에우수할것으로판단되어내화성능평가를준비중이다. TSC 보의내화인증획득은현행규격상불가능하므로기초자료의확보차원에서연구중이다. 4. 맺음말지금까지연구개발과실무적용성과를중심으로 TSC 합성보의특성에대해설명하였다. TSC 보는최근 8월 31 일부로신기술 418호로지정되었고, 이러한일련의성과는여러사람들이협력하여이루어진것으로이기회를통해감사를드린다. TSC 보는여기서멈추지않고앞으로도계속적인연구를통해더욱발전된합성구조가되도록할계획이다. 참고문헌 1. 최재우, 김상모, 김영호, 김상섭, 이창남, 김규석, TSC 합성보의거동분석, 대한건축학회추계학술발표논문집, pp 김상모, 김규석, T 형합성보의내력평가에관한연구, 한국강구조학회논문집, pp 김도훈, 서동기, 김성배, 김상모, 이창남, TSC 합성구조바닥판의진동에대한사용성평가, 대한건축학회추계학술발표논문집, pp Suk-Han Yoon, Sung-Bae Kim, Sang-Mo Kim, Chang-Nam Lee, Sang-Seup Kim, Kyu-Suk Kim, An Experimental Study on the Bending Behaviour of the SEN Composite Beam, Seventh Pacific Structural Steel Conference, March 이지운, 김도훈, 김성배, 이창남, 김상섭, 김규석, TSC 합성보의제작방법에따른구조적거동에관한실험적연구, 대한건축학회춘계학술발표논문집, pp 표현석, 김성배, 김상모, 이창남, 김상섭, 김규석, TSC 기둥 - 보접합부의거동에관한실험적연구, 대한건축학회춘계학술발표논문집, pp 김상섭, 김상모, 김성배, 서동기, 김규석, 단순지지 T 형합성보의휨거동에관한실험적연구, 한국강구조학회논문집, pp 천성철, 주영광, 정광량, 김상대, 비대칭유공합성보 itech beam 의휨성능평가, 대한건축학회논문집 pp 허병욱, 배규웅, 문태섭, 매입형 ( 슬립플로어 ) 합성보의휨성능평가 - 춤이깊은데크플레이트와비대칭 H 형강철골보, 한국강구조학회논문집, pp 한국표준협회, KS F , 건축구조부재의내화시험방법 Ivan M. Viest, Joseph P. Colaco et. al, Composite Construction Design For Buildings, ASCE, McGraw-Hill 도서안내 건축토목분야컴퓨터프로그래밍개론 저자 : 김인한발행처 : 구미서관 (T ) 발행일 : 2004 년 12 월 22 일쪽수 : 330 쪽정가 : 18,000 원내용 : 이책은건설분야의실무자및건축 토목을전공하는학생들이컴퓨터를활용하여자신의건설업무또는건축설계업무를효과적으로수행할수있도록컴퓨터프로그래밍원리의기술및관련실습과더불어건축 토목분야의실제활용예를기술하고있다. 세부내용으로는 C 프로그램의기초와건설분야에서많이쓰이는 Auto CAD 프로그램의 Auto Lisp 프로그래밍을다루어 CAD 와연계된컴퓨터프로그래밍을익히도록하고있다. 72

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<30362DC6AFC1FD30342DB1E8BCBAB9E82E687770> TS 합성보와다양한기둥구조시스템을적용한합성보 - 기둥접합부의내진성능 Seismic Resistance of TS omposite eam to olumns onnections 김성배 (Sung ae KIM), ( 주 ) 센구조연구소소장, sbkim@senkuzo.com 박홍근 (Hong Gun PRK), 서울대학교건축학과교수 이철호 (heol Ho L), 김상섭