한국화재소방학회논문자제 '22 권제 2 호, [ 논문 ] 2008 연 ], 01 Korean lnstitute 01 Fire Sci. & Eng. Vol. 22, No. 2, 2008 H 형강합성보의화재거동에관한실험적연구 Study 00 the Fire Behaviou

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혜미 곽
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1 한국화재소방학회논문자제 '22 권제 2 호, [ 논문 ] 2008 연 ], 01 Korean lnstitute 01 Fire Sci. & Eng. Vol. 22, No. 2, 2008 H 형강합성보의화재거동에관한실험적연구 Study 00 the Fire Behaviour of Coposite Bea 김성배 * 최승관 ** 한상훈 f Sung-Bae Ki*. Seng-Kwan Choi** Sang-Hoon Han t 한국건설기술연구원화재및설비연구센터, *( 주 ) 센구조연구소연구개발팀장, **University of U1ster, Lecturer in Structural Fire Engineering ( 접수 / 채택 ) 요 약 본연구는 H형강과콘크리트슬래브가전단연결재로일체화된합성보의화재시거동에관한실험적연구로, 합성율과재하율의영향을내화실험을통해평 7봐였다. 실험체는 H형강에스터드커넥터를전단연결재로사용하여제작한 6개로구성되며, 화재거동에대한전열특성을열전대를통해확인하였다. 실험은표준화재곡선에의해진행하였으며건설기술연구원화재시험실에서수행하였다. 실험결과합성율과재하율에따른합성보의내화특성을확인하였으며, 화재에의한 H형강과콘크리트, 전단연결재의열특성을확인할수있는기초자료를확보하였다. ABSTRACT This paper ais to experientally investigate the in-fire perforance of coposite beas with respect to the effects of load ratio and shear interaction. Under a Standard IS083 fire, the developent of teperature and def!εction of siply supportεd coposite beas were recorded. 1n particular, the transition of tepεrature distribution across the cross-section. The fire resistance of copositε bea was interpreted regarding the level of shear interaction. Keywords : Fire resistance, Coposite be 없 n, Shear interaction, Load ratio, Fire safety 1. 서론 급둥하는원자재가격과인건비상승은건축공사에서도공사기간단축과규격화 복합화등의변화를요구하고있다. 이러한변화는합성구조를개발하게하는원동력이되어최근다양한합성구조가적용되고있다 1-) 합성구조는기퉁과보, 슬래브로구분되며, 이중적용범위가넓은합성보에대한연구가활발히진행되고있다. 합성보는상부슬래브와하부철골이일체화되도록하여, 콘크리트슬래브와 H형강에서발생되는전단력을전단연결재를통해단일부재로거동하는구조부재이다. 전단연결재는스터드커넥터와 E 형강, 철근등이적용되었으나, 사용의편이성과내력평가의용이성둥으로스터드커넥터가주로사용되고 있다 6-8) t E-ail: hans@kict.re.kr 1980년대중반이후미국과영국, 일본동에서는사양적설계기술로는구조물의화재안전이보장될수없음을인식하여성능기반화재안전설계기술이적용되고있다. 국내에서도성능기반화재안전설계기술이도입되어철골구조의단변형상계수가한국산업규격에적용되었다 9) 또한성능설계에따라내화구조의성능을검증할수있는경우품질시험을생략하고내화구조인정이가능토록하고있으며, l 구조물성능기반화재거동해석및설계기술이연구되고있다 11) 철골보률이용한합성보는내화피복재를통해내화성능을확보하고였으나성능설계를도입하면, 현설계와는상이한적용이다수발생할것으로판단된다. 반면합성보및합성구조에대한내화성능평가는아직초기단계이다 12-1) 이에본연구에서는슬래브와철골보로구성된합성보에대해화재조건에서합성율과재하율에따른합성보와전단연결재의성능을평가하였다. 8

2 H 형강합성보의화재거동에관한실험적연구 합성보의설계휩강도 2. 실험계획 합성보는강재부재와철근콘크리트부재가하나의 단일부재로거동하는구조부재로강재보가노출된노 출형합성보와매입된매입형합성보로구분된다. 노출 형합성보는단면의상부가압축단이되는정모멘트의 휩재에주로사용되며, 본연구의합성보도노출형합 성보이다. 합성보는강재보와슬래브가완전한합성작용을하 는완전합성보와강재보와슬래브사이에미끄러짐이 발생하는불완전합성보로구분된다. 일반적으로설계 는완전합성보를기준으로하고있으나, 과다설계가되 는경우일부불완전합성보로설계하기도한다. 합성 율산정을위한총수평전단력 (V s ) 은식 (1) 과같다 Vs1 = FyAs V s2 = 0.8fckbetc 여기서, Vs1 : 강재보에의한수평전단력 Vs2 : 콘크리트에의한수평전단력 Fy As fck b e ι : 강재의항복강도 강재보의단면적 콘크리트압축강도 콘크리트슬래브의유효폭 : 콘크리트슬래브의유효두께 스터드커넥터설치는식 (1a) (1b) (1) 에서산정한수평전단 력중최소치를스터드커넥터의내력 (V sn ) 으로나누어 그개수 (N) 를최대정모벤트점과모멘트 0 점사이에 둥간격으로배열한다. 이때스터드커넥터의내력과 개수산정은다음식과같다. V sn = 0.RqA sc 파파츠 AscFu N= 과 Vsn 여기서, Rq: 감소계수명데크에서 Rq= 1.0) Asc: 스터드커넥터의축단면적 Ec: 콘크리트의탄성계수 fck < 29. (N/ 2 ) : Ec = 70 때 ; Fu 스터드커넥터의인장강도 합성단면의소성중립축위치에따라소성중립축이슬 래브에있는경우 (Ce = Py, 식 ()), 플랜지에있는경우 (Pyw< Ce< Py, 식 ()), 웨브에있는경우 ( Ce 츠 Pyw, (6)) 등세가지로구분된다. (.. 0.P.,,_ M. = 1 0.d+h.+L- _ y IP., \ l ι 0.8f ck bl y Mn = 0.(d-tf)Py+(hr+0.tc+0.tf)Ce Mn = Mps+(0.d+hr+0.tc+0.tf)Ce 여기서, C e Py Pyw M ps LVsn d tf h r 슬래브유효압축력으로다음중최소값 Ce = AsFy, Ce = 0.8fckbetc' Ce = LVsn 강재보의항복축력 강재보웨브단변의항복축력 강재보의소성모멘트 시어커넥터의공칭전단강도합 강재보의춤 강재보의플랜지두께 데크플레이트골의춤 식 () () (6) 식 (1)- 식 (6) 에의해산정한수평전단력과공칭휩강 도를기준으로합성율과재하하중산정및실험체계 획을하였다 6) 2.2 실험계획 실험계획은단순지지합성보의합성율 (80, 1, %) 과재하율 (, 3, 60, 70%) 의영향에의한열특성을 평가하기위해실험체를계획하였다. 재하율은공칭휩 강도를기준으로가력한하중비이다. 일반적으로건축 물에적용되는합성보는합성율이 0% 를초과하여 전단연결재를설치하는경우는없으며, 화재조건의하 중율을고려하면합성율의영향은더 저하될것이나 (2) 합성율의영향을평가하기위해완전합성율을기준으 로합성율이 0% 를초과하는경우도포함하였다. (3) 실험체는동일단면으로설계된단순지지조건의평 슬래브합성보이다. 실험체는 H-2X 17X7X 11 이 며, 스터드커넥터의간격은각각 200,, 11 이 다. 콘크리트의압축강도 (fcù 는 23. MPa 이고, H 형강의 항복강도 (Fy ) 는 316MPa 의 SS00 강종을적용하였다. Table 1 은실험체일람표이고, Figure 1 은실험체형 상이다. 실험체는슬래브폭 600, 두께 1 이 다. Table 2-Table 는실험체에사용된콘크리트와철 골, 스터드커넥터의소재특성이다 스터드커넥터는 정모벤트구간에서완전합성시설계휩강도 ($tmn) 는검사증명서 (Mill sheet) 의값을적용하였다. J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 22, No. 2, 2008

86 김성배 최승관 한상훈 Table 1. Specien paraetεrs Nalε Stud spacing () Coposite ratio (%) Load ratio (%) 200-1 200 80 200-2 200 80 60-1 1-2 1 60 11-1 11-2 11 11 3 70 800 j 펴따 00 200 j800 1 800 1 Fi 밍 Ire 2.

3 86 김성배 최승관 한상훈 Table 1. Specien paraetεrs Nalε Stud spacing () Coposite ratio (%) Load ratio (%) j 펴따 j Fi 밍 Ire 2. Plan view of test sεt up. -"'" i. i ~~ ' 흘 l 암 212) 힐휴등 600 Figure 1. Cross section of specien (unit:). Table 2. Materia1 properties of concretε Slup W/C S/a Unit weight (c) (%) (%) (k밍) Figure 3. Photo of test set up Table 3. Material properties of steel Yield strength Tensile Strlεngth Elongation (MPa) (MPa) (%) Table. Properties of stud connector Yield strength Tensilε strength Elongation (MPa) (MPa) (%) Figure. Detail of therocouple. 2.3 실험방법각실험체는화재에노출된합성보부재의휩강도에영향을미치는합성율과재하율을변수로표준화재곡선으로가열실험을수행하고거동을측정하였다. 실험체의셋팅과가력상황은 Figure 2-Figure 3 과같 다. 가력은두개의오일잭을이용하여 점가력하였고, 처짐은변위계를이용하여중앙에서측정하였다. 합성보의온도분포는열전대를부착하여측정하였다. 열전대설치위치는 Figure 와갇이부재길이의중앙부와 U 두군데에설치하였다. 실험시하중지지력판정기준은 KS F 27에의해허용변형량 (D=L 2μ d) 과허용변형속도 (dd/dt= L 2 / 9000d) 를모두초과시시험하중에견디는시간으로하며, U을초과한이후에적용한다 16) 또한본연구에서는보의중앙처짐이 U20에도달하면실험을종료하였다. 3. 실험결과 Table 는실험결과를정리한것이다. 각실험체별로 한국화재소방학희논문자제 '22 권제 2 호 ; 2008 년

4 2s) 때H 형강합성보의화재거동에관한실험적연구 87 Table. Suary of test r,ε:sults Allowable Allowable sπa def1ection over rate over Fire Nae tje tle reslstance t1e Tie Def1ection Tie Strain rate (rnin) (in) () (in) (/in) A1wable def1ection : D = L 2 / 아얘 = (d=22). Allowable strain rate : dd/dt = U/9000d = 8.0 /rnin. Miniu base: Ll = : 2s) c ι, "'~'..,. -, /, / uæ /,, "-_'1'/ '"..IIIeÞ"'tþ/~ 20 3J o o 끼 rre (rrin) Figure. Mid span dεf1ection speciens) : 2s) 때때c -iq@-}φ((ee) o % --- /.r / T.. 11 웅 against tie (11 Sεnes / ; i uæ 허용변형량과허용변형속도를초과하는시간과그때 의변형량및변형속도를정리하였다. Figure -Figure 7 은합성율을기초로구분한스터드커넥터의간격별 실험체의시간변형그래프이다. 그래프에는보중앙처 짐이 Ll20 에달하는경우를표기하였다 실험결과합성율이 80% 이고스터드커넥터의간격 이 200 인실험체 (200-1, 200-2) 의경우, 변형량이 변형속도보다내화시간이다소길다. 또한재능 F 율이 % 와 60% 를비교하면재하율에의한내화시간은 2 분의차이를보이고있어재하율에의한대화시간의 영향은거의없는것으로판단된다. 합성율이 1% 이고스터드커넥터의간격이 200 인실험체 (-1, -2) 의경우, 스터드간격이 200 인실험체와내화시간과변형량둥거의동일한양상 을보인다. 합성율이 % 이고스터드커넥터의간격이 200 인실험체 (1 1-1, 11-2) 의경우, 재하율이 3% 인실험체는다른시리즈의설험체보다내화성능이다소증 : : uæ (EE) 뼈c -E /// φ -φi;// 2XH ($ ] 1 끼 rre (n 매 n) a -~2XJ-2 Figure 7. Mid span def1ection against tie (200 Series speclεns). 3J o 꺼 rre (rrin) z 3J Figure 6. Mid span def1ection against tiε speciens ). ( Series Fi 밍 ue 8. Specien beforε test. J. of Korean lnstitute of Fire Sci. & Eng., Vol. 22, No. 2, 2008

88 김성배 최승관 한상훈 900 B 700 ~600 p Eg :::J 허 00 @ 훌뼈 1-200 - 를 -C1 C3 C - C --C6 -C7 -C8 C9 -C1 0 Figure 9. Specien after test 가하였다. 반면재하율이 70% 인설험체는내화시간이 13 분으로급격히저하하였다.

5 88 김성배 최승관 한상훈 900 B 700 ~600 p Eg :::J 허 훌뼈 를 -C1 C3 C - C --C6 -C7 -C8 C9 -C1 0 Figure 9. Specien after test 가하였다. 반면재하율이 70% 인설험체는내화시간이 13 분으로급격히저하하였다. Figure 8-Figure 9 는실험체의가력전 후를비교 한것이다. 파괴양상은무피복 H 형강의하부강재가 열에의한내력상실로휩변형이과도하게발생하였으 며, 콘크리트슬래브의압축파괴도동반하였다.. 분석및고찰.1 위치별온도분포 Figure l-figure 11 은합성율이 % 이고, 재히율 이 3%, 스터드커넥터의간격이 11 rn 언 11-1 실 험체에부착한열전대의온도분포이다. 각번호는 Figure 에나타난열전대의번호이며, 열전대는중앙부와 11 위치에부착하여상호비교한것이다. 그림에서누 락된번호는열전대를초기부착후운반, 실험과정에 서열전대가손상되어데이터취득빛자료활용이부 적합한경우이다. 열전대의온도분포양상은철골보단변의경우, 하 p ) 잉 00 - Q그 -) 띤 E ! - S ~~88i 89i s --811! *-S12} 0 0 Fi 밍 lre bea. "." C1 1 _Jr.". a : --"-'-- r ι~...,*'"""i: -l+- ιl~ o 1 20 TIe(in) 11. Teperature distribution of at id span of 부플랜지에해당하는 (D,(2) 번까지 철골보하부플랜지에서웨브, 상부플랜 지로올라갈수록온도가저하된다. 이것은노내부의 하구위치와노출정도에의한것이다. 번열전대는보상부 플랜지의온도와비교시보상부플랜지에서콘크리 트슬래브로올라갈수록온도는약 0-0 C 정도저 하되어최대온도는 000C 를초과하지않는것으로나 타났다. 이러한온도저하는콘크리트슬래브에의해온 도가흡수되기때문으로판단된다. 칭번 열전대는 위치에따라다소상이하나약 00C 전후를나타내 어무피복으로철골보의온도가상숭하여부재내력이 상설되어도콘크리트내부의온도는약 0 0 C 전후가 되는것으로판단할수있다. 또한스터드커넥터와유 사한위치에부착한콘크리트내부의열전대온도를 비교하면, 온도차는 C 이상을보인다. 이러한양 상은스터드커넥터의경우콘크리트슬래브에묻혀 있어도 H 형강철골보에의한열전달에의해온도가상 승함을보여준다. 합성보에서열전대부착위치에의한영향은 1μ 지 점과중앙부의열전대를상호비교하면, 보위치에의 한열전대의온도분포는큰차이가없음을알수있 다. 또한합성율과재하율이상이한다른실험체도동 일한양상을나타내고있다. 이것은노내부의온도 는표준화재온도곡선에의해동일한온도로관리되므 로보위치에의한온도차는없는것으로판단할수 있다. 0 o 1 20 TIe(in) Figure. Teperature distribution at qu 따 ter of bea..2 합성율의영향 Figure 12 는각실험체의합성율에따른내화시간그 한궁화재소방학희논문 Ã/, 제 22 권제 2 호 년

6 H 형강합성보의화재거동에관한실험적연구 89 g-ωqte - gg g t111l ;(드E) 꺼 ~ r, ι 1111L s --nu } - } } i ~ --. 사-~ - 때g-ιo (> ~ Coposite ratio(%) Figure 12. Relation of co뼈 site tie. ~ i - - 카경/1, ratio and frre resistance μ 00 0 응 200 φ 율 끼 e{in) -a C C :<-c1 0 -a-- -2-C 8 """"1 0-~ C9 -- l 0-:<-c1 0 -a C 8 -δ-200 감 -C 용 -C1 Figure 1. Teperature developent against (therocouple no. 8- of coposite ratio 6%s). 3 0 tje 래프이다. 합성율이 % 인 11-2 실험체의경우 Figure 에서도알수있듯이다른실험체에비해조기파단된경향을보이고있으나, 전반적으로합성율이 80-% 의경우합성율에의한내화시간의영향은적은것으로확인할수었다. 국내기준에서불완전합성보의경 우수평전단력은 0% 까지저감할수있어,6) 0% 합 성율에의한영향을추가로검토하면합성율에의한내화시간의경향을더명확히평가할수있을것으로판단된다. 외부에노출된강재의재하조건은표준화재곡선에의해진행되었으므로합성율에의한열전대의온도차는보이지않는다. 그러나스터드커넥터와콘크리트슬래브내부의열전대경우합성율에의한온도차를확인하기위해각자료를비교하였다. Figure 번열전대를재하율이 % 인경우와 60%(11-2 실험체의경 우 70%) 로구분하여내화시간에따른온도변화를나타낸것이다. 재하율이 % 인 Figure 13의경우합성율이증가할수록온도가상승하는양상을보인다. 그러나재동 } 율이 60% 인 Figure 1의경우, 그러한양상을나타내고있지않은데이는 11-2 실험체가충분한내화시간확보전실험체가조기파단되어실험이종료된영향으로판단된다..3 재하하출비의영향 Figure 1는재하하중비와내화시간과의관계이다. 공칭휩강도에대한하중비를, 60, 70% 로증가시키는경우내화시간이저하하는경향을보이고었다. 그러나 11-2 실험체가조기에파단된경향이있어재하율과내화시간의관계를명확히평가하기는다소어려운형상을보이고었다. 그러므로합성율과동일하게재하율도하중비를증7씨켜그상관성을추가로확인할필요가있을것으로판단된다 ( p ) * '" E 믿 Tie(in) ~~11-1 -C C ::1 0 녁 J C 8 """"1(H-C 9 -o- l 0-1-G1 0 -a ~8 -ò C 9 녁 ) ::1 0 Figure 13. Teperature developent against (therocouple no. 8- of coposite ratio %s). 3 0 tje 응 æ ~. rr"'t' 칭 0 l ] ; ~ L j I I <) 깅 11-1 [;, 11-2 I æ 0 0 Load ratio(%) Figure 1. Relation of load ratio and frre resistance tie. 70 1IJ J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 22, No. 2, 2008

7 90 김성배 최승관 한상훈. 걸론 본연구에서는 H형강합성보에대해합성율과재하율에따른내화시간과열전대의온도분포를평가하였다특히합성율에영향을미치는스터드커넥터의온도를확인하여기초자료를제시하였으나, 합성율과재하율의범위가한정되어추가적인실험을통한충분한자료확보가필요할것으로판단된다. 본연구를통한결론은다음과갇다. 1. 합성율이 80-% 의경우, 합성율이내화시간에미치는영향은적은것으로보이며, 스터드커넥터와콘크리트슬래브에부착된열전대의온도차이는크지않은것으로판단된다. 그러나본연구에서합성율의범위가완전합성에가까운 80% 이상의범위임을고려하면, 합성율의범위를더낮춰합성율의영향을추가로검토하는것이필요할것으로판단된다. 2. 공칭휩강도를기준으로산정한하중에대해재하하중을, 60, 70% 로증가시키는경우내화시간이저감되는경향을보인다. 그러나상관관계를명확히평가하기위해서는재하율을더증가시켜확인할필요가있을것으로판단된다. 3. H형강합성보의온도분포는보중앙부와 1μ위치를비교하면위치에의한온도차이는없으나, H형강단면의온도분포는보하부플랜지에서웨브, 상부플랜지, 스터드커넥터, 콘크리트슬래브의순으로온도가저하된다. 또한스터드커넥터는콘크리트슬래브내부에묻혀있어도 H형강에의해열전달이되어온도가 30 0 C 이상으로상승한다. 그러므로스터드커넥터는온도특성에의한내력변화를추가적으로검토할필요가있다. 감사의글 이연구는한국건설기술연구원의지원 (2008 기본과제 ) 으로수행되었습니다. 참고문헌 1. 천성철, 주영광, 정광량, 김상대, 비대칭유공합성 보 itech bea 의휩성능평가 " 대한건축학회논문집구조계, Vo1.18, No., pp.67-7(2oo2). 2. 김상섭, 김상모, 겸성배, 서동기, 김규석, 단순지지 T 형합성보의휩거동에관한실험적연구 " 한국강구조학회논문집, Vol.16, No.2, pp.2-233(20q). 3. 허병욱, 배규웅, 문태섭, 매입형 ( 슬림플로어 ) 합성보의휩성능평가 - 춤이깊은데크플레이트와비대칭 H 형강철골보, 한국강구조학회논문집, Vo1.16, No.2, pp.23-(200).. ( 사 ) 한국복합화건축기술협회, "2007 년도정기총회및 1~} 기술세미나, 후분양제도에대응하기위한공기단 축복합화공법 "(2007).. 홍원기, 박선치, 이경훈, 김점한, 이호찬, 황윤하, 친 환경충고절감형합성보의시공 Process 및시공사례 ι 한국생태환경건축학회논문집 Vo 이 1.7τ N.6 (α2007).. 대한건축학회, 건설교통부고시, 건축구조설계기준 (200). 7. D.L. Mullett, Coposite Floor Systes", Blackwell Science(1998). 8. Deric J. eh1ers, Mark A. Bradford, E1eentary Behaviour of Coposite Stee1 and Concrete Structural Mebers", Butterworth-Heineann( 1999). 9. 한국표준협회, KS F 288- 단면형상계수에따른 구조용강재의내화피복두께산정방법 "(200).. 건교부, 건축물의피난 방화구조등의기준에관한 규칙 " 건설교통부령제 63 호 (2007). 11. 한국건설기술연구원, 구조물성능기반화재거동해석 및설계기술연구 (I)"(2oo7). 12. 한상훈, 최승관, 김희주, 비대칭 H 형강을사용한슬 림플로어보의내화성능에관한연구, 한국강구조학회논문집, Vo1.19, No., pp.23-26(2oo6). 13. 이승재, 강성덕, 오명호, 김명한, 김상대, SC 합성기 둥의내화성능에대한실험연구, 한국강구조학회논문집, Vo1.l9, No., pp.-3(2oo7). 1. 최승관, 김성배, 'TSC 합성보의화재시거동및전 열특성에관한실험적연구 - 철근보강과하중비에 의한내화성능의영향 " 대한건축학회논문집구조계, Vo1.2, No.1, pp.27-3(2oo8). 1. S.K. Choi, I.W. Burgess and R.J. P1ank, Perforance in Fire of 1ρng-Span Coposite Truss Systes", Engineering Structures, in press. 16. 한국표준협회, KS F 27- 구조부재의내화시험방 법 '(200). 한국화재소방학희논문자제 '22 권꺼 2 호, 2008 년

23(4) 06.fm

23(4) 06.fm w y wz, 23«4y, 2009 J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng. [ ] Vol. 23, No. 4, 2009 l f l üy w Study on Fire Performance of Stud Connectors ½ Áw z*á * Sung-Bae Kim Sang-Hoon Han* Seng-Kwan Choi* *FireSERT