합성구조설계 제 7 장 합성구조요소

1. 합성구조설계제 7장 합성구조요소

2. 제 7장 합성구조요소 합성구조요소는 다양하며, 아직 개발의 여지가 넓게 남음 이 장은 합성보와 합성슬래브에 대한 설계의 개요를 나타낸다. 또한 가까운 장래에 이용할 수 있다고 생각할 수 있는 합성슬래브와 합성내진벽에 대해 거동의 기본적인 성질을 나타내며, 설계의 철학과 개념 을 기술하고 있다. 강과 콘크리트의 일체화를 꾀하는 것 에 의해 강성과 내력이 비약적으로 향상하는 것으로 주목받고 있다. 그림 수평력을 받는 원형 CFT브레이스가 설치된 골조의 실험

3. 7.1 합성보의 거동과 설계 그림6.1 데크플레이트에 타설된 철근콘크리트 슬래브와 스트더로 일체화!! 순철골보와 비교해서 휨강성은 2-3배, 내력은 1.5배 정도의 증가를 기대 가능 스터드가 충분히 배치되지 않으면 그림 6.2와 같이 슬래브와 철골보가 슬립이 발 생하여 스터드의 전단내력에 의하여 합성보의 휨내력이 지배되는 것으로 된다. -> 불완전 합성보로 부른다. 한편 스터드가 충분히 배치된 경우는 완전합성보로 부른다. 불완전합성보는 지진 을 받는 때에 슬래브의 관성력을 골조에 충분히 전달하지 못하는 문제가 있어서, ->양단단순지지의 큰 보 또는 작은 보에 한해서 허용 그림 6.1 건축의 합성보 그림 6.2 완전합성보와 불완전합성보

4. 7.1 합성보의 거동과 설계 콘크리트슬래브가 압축을 받는 방향의 휨은합성보의 정 휨이라 불리우며, 콘크리트가 압축으로 저항하기 때문에 위에서 기술한 바와 같이 큰 합성효과가 발휘되지만, 슬래브가 인장을 받는 방향의 휨은부 휨이라 부르며, 슬래브 내 철근 의 인장력이 기대 가능하지 않기 때문에 그 효과는 적다. 합성보의 휨에 대한 설계방법 (두가지) 1. 허용응력도에 근거한 설계 2. 종국내력설계(지진하중에 대한 보유수평내력의 산정) 철골의 항복과 콘크리트의 과대한 균열이 생기는 것을 피하기 위하여 : 허용응력도에 근거한 설계도 병행하여 수행할 필요가 있다. 합성보의 연직방향 전단에 대한 설계에서는 콘크리트슬래브의 불확실성을 고려해 서 전단력을 모든 철골보 웨브가 부담하는 것으로 한다. 정휨에서 중립축이 철골보 내에 위치하는 경우는 그림 6.3에서 보는 바와 같이 슬 래브의 면내전단력이 크기 때문에 이것에 대해 검증하는 것이 필요하다. 스터드에 의한 슬래브와 철골보플랜지간에 전단에 대한 확정은 합성보가 소성붕 괴한 상태에 대하여 종국내력설계를 수행한다. P83

5. 내력산정을 위한 콘크리트슬래브의 유효폭은 이하와 같이 정한다. 7.1 합성보의 거동과 설계 그림 6.3 슬래브의 전단력 a. 큰보의 부재단부 정휨에 대한 슬래브의 유효폭은 기둥의 폭으로 한다. 콘크리트압축강도는 지압효과에 의해 실린더 압축강도 이상으로 가능-. b. 스팬의 중앙에서 정휨에 대한 슬래브의 유효폭은 편측 인접보와의 보사이폭의 1/2, 외단 보의 경우 슬래브 단까지로 한다. c. 보의 재단 부휨모멘트의 경우는 콘크리트의 인장저항은 무시하지만 상기의 유효폭내의 슬래브철근은 인장에 유효한 것으로 하는 것이-

6. 정휨, 부휨으로도 합성보로서 종국휨내력은 전소성모멘트로서 부재의 횡좌굴을 고려할 필요는 없다. 단지, 철골보의 폭두께비가 큰 경우는 내력의 저하가 필요하다. 정산에 의하지 않는 경우는 완전합성보의 전소성모멘트는 의해 산정 불완전합성보는 문헌1)을 참조하라. 1. C <= wPy 인 경우 (소성중입축이 철골보 웨브내에 있는 때) 7.1 합성보의 거동과 설계 2. wPy < C < Py 인 경우 (소성중립축이 철골보 플랜지내에 있는 때) #. 정휨모멘트: 3. C > Py 인 경우 (소성중립축이 슬래브 두께 내에 있는 경우)

7. 1. T <= wPy 인 경우 (소성중립축이 철골보 웨브내에 있는 때) 7.1 합성보의 거동과 설계 2. gPy < T <= Py 인 경우 (소성중립축이 철골보플랜지내에 있는 경우) 여기서 cMp는 합성보의 전소성모멘트, Mp는 철골보의 전소성모멘트, Py는 철골보의 항복내력, wPy는 철골보웨브부분의 항복내력을 나타낸다. C는 콘크리트슬래브의 유효압축내력이고, 산정단면이 스팬중앙인 경우는 C1,재단인 경우는C2로 한다. T는 슬래브유효폭내에 전슬래브철근의 항복축력, ar은 슬래브하단으로부터 슬래브철근까지의 거리이다. #. 부휨모멘트: 여기서, be는 슬래브의 유효폭, k는 H형단면에서는 2Fc,원형 및 정방형 중공단면에서는 1.3 Fc,콘크리트를 충전한 중공단면의 경우는 2Fc로 하는 것이 좋다. 여기서 Fc는 콘크리트실린더 압축강도이다. hr은 데크플레이트 골의 높이이고, 동일두께의 콘크리트슬래브를 철골보에 직접 올려눃는 구법은 0으로한다. 그 외에 기호는 그림 6.4에 나타내고 있다.

8. 그림 6.4 각부의 치수 다음의 완전합성보의 스터드의 배치는 아래와 같다. 7.1 합성보의 거동과 설계 * 정휨의 전소성점(소성힌지점)과 0모멘트점(반곡점)의 구간에 배치되는 스터드의 수 n1: * 휨의 전소성모멘트점과 0모멘트구간에 배치되는 스터드의 수 n2: 식 6.8 여기서, qs는 스터드 한 개당 전단내력이다. 또한 보의 각 구간에 위에 따라 산정된 스터드의 총수는 전스팬내에 균등의 배치하는 것이 좋다. 스터드 한 개당 전단내력 qs는 아래와 같다. ----->Next

9. * 데크플레이트가 철골보상에 절단된 스터드가 철골보플랜지에 직접 용접되는 경우 및 균등한 두께의 콘크리트슬래브를 철골보에 직접 올려 놓는 경우: 7.1 합성보의 거동과 설계 여기서, sca는 스터드의 축부단면적(직경은 13mm 이상 22mm이하로 한다), Ec는 콘크리트의 영계수, 490MPa이상 880MPa이하로 한다. * 데크플레이트의 골방향 철골보에 대해 직교하여, 스터드가 데크플레이트를 관통하여 용접하는 경우 qs: 여기서, bd는 데크플레이트 골폭의 평균폭,Hd는 데크플레이트의 전체 높이,nd는 한 골에 가운데 스터드의 개수이고, 3개를 초과하는 경우에는 3개로 한다. * 완전합성보의 정휨에 대한 휨압축측 및 휨인장측의 단면계수 cZc, cZt: cIn은 등가 철골단면에 관한 단면2차모멘트, xn은 중립축위치를 나타낸다. 위식의 cZc, cZt는 각각 등가 콘크리트단면 및 등가 철골단면에 대한 단면계수이다. cIn과 Xn은 아래와 같다.

10. * 중립축이 슬래브내에 있는 경우 7.1 합성보의 거동과 설계 * 중립축이 슬래브외에 있는 경우 단,*** 완전합성보의 부휨에 대해서는 슬래브 철근의 영향을 부시하며, 철골단면만이 탄성이면 좋은 것으로 한다. 이 경우 슬래브철근은 항복할 가능성이 있지만 강성에 주는 영향은 적기 때문에 그다지 문제는 없다.

11. 7.2 합성슬래브의 거동과 설계 데크플레이트는 콘크리트슬래브의 거푸집으로 사용되지만 콘크리트 경화후도 철거되지 않고 드데로 남기 때문에 이것을 구조재로서 이용하는 것은 단연한_.. -문제점 : 데크플레이트와 콘크리트슬래브의 일체화방법 및 데크플레이트의 내화성 * 콘크리트와 데크플레이트의 부착력은 그다지 강하지 않아서, 이것만으로 일체화는 불가능하다. 여기서 무억인가의 기계적인 쉬어커넥터가 필요하지만 현재는 그림 6.5에서 보는 바와 같이 표면에 요철을 둔 합성슬래브용 데크플레이트가 각종 시판되고 있다. 그림 6.5 합성슬래브용 데크플레이트

12. 7.2 합성슬래브의 거동과 설계 합성슬래브는 이방성판으로 본래 그 역학적성질은 복잡하지만, 실용해법으로 아래 약산법으로 이용할 수 있다. 우선 슬래브 중앙에 정휨모멘트와 처짐은 강변방향(데크플레이트 골방향)의 한 방향슬래브로서 산정한다. 그 외에 지지단은 실상에 관계없이 단순지지단으로 본다. 종국내력설계와 통상 사용상태에 대한 허용응력도에 근거한 설계가 있다. 지지단에 생기는 부휨모멘트는 주로 콘크리트슬래브의 과도한 균열을 방지하는 목적으로 허용응력도에 근거한 설계 적용이 가능하다. 지지공(서포트)이 없이 콘크리트가 타설된 합성슬래브에 부재 단부의 휨모멘트는 적재하중만에 의한 양단고정보의 고정단 모멘트와 동일하게 보는 것이 가능하다. * 합성슬래브의 정휨에 대한 종국휨내력 cMp:

13. -----그림 6.6 합성슬래브 각부의 치수 7.2 합성슬래브의 거동과 설계 * 휨압축측과 휨인장특의 단면계수 cZc, cZt: - Xn <= t 인 경우 (중립축이 콘크리트 슬래브내에 있는 경우) 여기서, sI는 데크플레이트의 단면2차모멘트 그 외에 치수에 관한 기호는 그림 6.6을 참조 - Xn > t 인 경우 (중립축이 콘크리트슬래브 외에 있는 경우)

14. 부재 단부의 부휨에 대한 검증은 콘크리트 전담면을 유효하다고 고려한 콘크리트슬래브 상단의 휨인장응력도가 0.62 root Fc (N.mm2) 이하로 되도록 한다.; 철근의 최소직경은 6mm로서 최대간격은 150mm로 한다.; 철근의 피복두께는 20mm이상 30mm 이하로 한다. 물론 콘크리트를 타설한 경우에 데크플레이트가 탄성범위인 것과 처짐이 허용값이하인 것을 확인해야 한다. 7.3 합성슬래브의 거동과 설계 P87 하단 • 지진에 의한 에너지의 입력양과 흡수 가능하도록 에너지 용량의 발란스가 평가 가능 • 한편 건물의 에너지 용량이 지진의 입력양을 상회한다면 건물은 도괴하지 않는다 판단 • 지진의 정도가 결정되면 건물에 입력가능한 총 에너지양은 거의 결정되기 때문에 다음 • ->문제는 건물의 어느 부분에 그 에너지를 흡수된다고 할 수 있다. • 라멘가구를 브레이스재로 보강하면 설치된 브레이스보강재가 지진의 에너지를 흡수하기 • 때문에 라멘가구 본체가 거의 탄성상태로 남는 것이 가능하다. • 그 대신에 브레이스재에는 과혹한 반복거동이 강할 수 있기 때문에 그것에 견뎌서 높은 • 에너지 흡수능력을 갖는 것이 필요하다. • 이러한 요구를 만족하는 것으로 강재와 콘크리트를 조합한 합성브레이스재가 제안_

15. 7.3 합성슬래브의 거동과 설계 a) CFT브레이스 설치 골조 b) 골조의 수평하중변형관계 그림 6.7 CFT브레이스 그림 6.7에서 보는 바와 같이 원형강관으로 콘크리트를 충전한 CFT브레이스가 있다. CFT브레이스는 강관의 직경두께비와 좌굴장에 의한 에너지 흡수능력이 변한다. 예를 들어 직경두께비가 30에서는 좌굴장이 강관외경의 5배정도 이하라면 가력측의 누적소성변형배율로서 100정도, 5배를 초과하는 경우는 20정도의 능력을 갖는다. 단지 모재의 에너지 흡수능력을 실현하기 위해서 축력하에서 브레이스 재단의 접합부가 모재보다 먼저 파단하지 않는 것이 필요하다. 플랜지 이음은 이러한 요구를 만족하도록 관통거셑플레이트로 거셑플레이트이음이 1장의 경우 및 십자형으로 배치한 경우에 대해서도 거셑플레이트의 길이를 중공강관부재의 이음으로 요구된 길이 이상하면 문제없다.

16. 합성브레이스에서는 적극적으로 휨좌굴을 회피하는 연구가 가능하다. 그림 6.8a는 언본드브레이스라 불리는 합성브레이스를 소개하고, 이것은 축력만을 부담하는 심재와 심재가 횡방향으로 나가지 못하게 막는 구속재로 구성되고 있다. 이러한 언본드브레이스에서는 그림 6.8b에서 보는 바와 같이 인장과 압축에 대해 대칭의 방수형의 축방향 하중-변형 관계를 얻을 수 있다. 휨좌굴 이외에 일반적으로 국부좌굴도 구속되기 때문에 강재 그대로 에너지흡수능력을 갖는 우수한 내진요소이다. 언본드브레이스는 심재로 평강, 십자형단면, 또는 H형단면이 이용하는 외에 구속재로서 CFT부재, 철근콘크리트부재, 섬유보강콘크리트 부재 등을 이용할 수 있다. 7.3 합성슬래브의 거동과 설계 a) 언본드브레이스 b) 브레이스횡방향거동 그림 6.8 언본드브레이스

17. 강과 콘크리트의 합성내진벽도 다양하다. 우선, 그림6.9는 평강브레이스를 철근콘크리트(RC)벽에 내장하는 것으로 RC벽은 상부보 및 좌우 기둥과의 여유를 두어동시에 평강과의 부착을 절연하여 평강에 대한 보강만 으로 전념한다. 한편 일종의 언본드브레이스, 휨좌굴을 회피한 안정한 수평하중변형 관계를 얻을수_ 7.4 합성내진벽의 거동과 설계 그림6.10 a) 벽모델 b) 축방향하중변형관계 그림 6.9 평강브레이스내장 RC벽 그림 6.10은 스터드를 내측에 두어 2장의 강판 사이에 콘크리트를 충전한 샌드위치 합성벽이다.이 구법은 박판의 강판이므로 충전콘크리트와 스터드에 의해 강판의 전단좌굴이 생기기 어려우며, 좌굴이 발생하여도 내력의 열화가 적은 것이 장점

18. 하중은 강판부분만으로 작용하며, RC벽은 강판보강재이다. 이 구법의 장점은 슬릿 길이와 간격을 변화시키는 것으로 강판내진벽의 내력과 강성을 조정가능한 것, RC벽의 보강효과에 의해 박판벽에서도 벽전체의 전단좌굴을 억제시켜서 층간변형각이 +-2%에서도 방수형의 이력곡선을 나타내는 것이다. 7.4 합성내진벽의 거동과 설계 a) 벽모델, 강판콘크리트(SC)벽의 구조예 b) 축방향하중변형관계 그림 6.10 샌드위치 합성벽 a) 벽모델 b) 축방향 하중변형관계 그림 6.11 브레이스 강판내진벽 그림 6.11은 슬릿이 포함된 강판내진벽을 2장의 프리캐스트 RC벽에 두는 것이다.

19. 7.4 합성내진벽의 거동과 설계 a) 벽모델 b) 수평방향 하중변형관계(A2시험체 S=1.41) 그림 6.12 철골골조에 삽입한 RC내진벽구조 그림 6.12는 철골골조에 인입된 RC내진벽으로 그 원형은 오래전부터 이용되어 왔고, 관동대지진에서도 내진성능이 실증된 바 있다. [인용 참고문헌] 1) 일본건축학회 : 강구조한계상태설계지침 동해설, 1988 2) 일본건축학회 : 각종합성구조설계지침 동해설, 1985 3) 강구조내진설계, 1984 4) 일본건축학회 : 철근콘크리트구조계산규준 동해설, 1999 5) 와카바야시 : 합성구조의 설계, 신건축학대계, 1982