T형 강재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 부분 매립형 합성보의 구조적 성능에 관한 연구

Abstract

최근 건설시장은 건축물의 고층화와 대형화에 따른 층고절감 및 장스팬화 등의 건축적 요구와 함께 급변하는 원자재의 가격 등락과 중장기적 상승세, 건설 현장의 환경 개선을 위한 노력 등으로 인해 다양한 공법들이 연구개발 되고 있다. 그러나 주류를 이루고 있는 철근콘크리트조 혹은 철골조에 비해 공사비의 증가, 가설공사와 접합방법의 난이도 등으로 인한 시공성 저하, 새로운 시스템에 대한 관리자와 작업자의 숙련도 부족 등으로 실제 적용 범위는 제한적이며 지속적인 개선과 검증이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 새로운 복합구조시스템의 개발을 통해 15m 이상의 장스팬인 경우 일반적인 H형강 합성보에 비해 층고 및 강재량을 절감하면서 동일한 시공성을 확보할 수 있는 대안을 제시하여 건축PC복합화 공법의 적용범위를 확대하고자 한다. 반 허니컴 형태의 T형 강재와 프리텐션된 프리스트레스트 콘크리트를 조합하여 새롭게 제안된 합성보(이하 TPS복합보라 칭함; Tra-combined Prefab System)는 공장제작을 통해 규격화된 단면 형태와 고품질 확보로 구조성능은 물론 공사비 절감 및 공기 단축을 이룰 수 있으며 기존 PC보의 양중 문제와 접합부 성능을 개선하여 시공성 및 안전성을 확보하고 휨강성 증대로 처짐, 진동 등의 사용성을 향상시킨 구조 형식이다. TPS복합보의 거동에 관한 이론해석 및 주요변수에 따른 실험결과로 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. T형 강재 Web의 반 허니컴 개구부 형상에 따라 프리스트 레스 도입부터 설계하중 재하 단계까지 하중에 의한 변형량이 다소 차이를 보였으나 T형 강재의 수직, 수평 국부좌굴과 전단에 대한 내력을 충분히 확보한 경우에는 항복 하중 이후 휨 파괴까지 유사한 거동이 예상된다.

2. 프리스트레싱에 의한 초기 Camber량과 설계하중에 의한 최종 처짐량 산정 시에는 반드시 Open Web Section의 개구부 형상에 따른 T형 강재의 2차 변형 및 콘크리트의 탄성수축에 의한 P-△효과를 고려하여야 한다.

3. 시공 또는 완공단계의 하중에 대한 T형강재의 국부좌굴에 대한 이론식은 등분포 재하실험에 의한 비교 결과 측정치와 유사한 거동을 확인하였다. 특히, 취약 구간에 대하여 Web 부분에 Angle을 용접하여 보강한 경우 T형 강재의 국부좌굴 에 대한 내력 증가와 응력 분산 효과를 확인하였으며 항복 하중 이후까지 전단 파괴 혹은 국부적인 좌굴 없이 충분한 연성 능력을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 합성단면에 대한 유효 프리스트레스 응력을 소성단계까지 전단면에 충분히 전달하기 위해서는 하부Flange가 있는 단부 구간에 PC강연선의 소요 정착길이 이상 전단연결재를 집중 배치하여야 한다.

5. 단면 설계 시 인장 측 고강도 콘크리트 및 프리스트레스 도입으로 인한 압축 측 슬래브 콘크리트의 취성파괴 방지를 고려하여야 하며 완전 합성이 될 수 있도록 수평 전단내력을 확보하여야 한다.

6. 약 15m이상의 장스팬 구조에서는 일반 H형강 합성보에 비해 층고 및 공사비 절감이 가능할 것으로 예상되며 처짐, 진동 등의 사용성 또한 향상될 것으로 판단된다. 특히, 설계 조건에 의해 대형강(Rolled beam)의 내력을 초과하여 Built-up 부재로 제작하여야 하는 경우 경제성을 극대화 할 수 있을 것 으로 판단된다.

향후 과제로 UTM을 사용한 2점 가력시험으로 항복하중 이후의 파괴 양상을 확인하고 Solid Web Section구간의 프리스트 레스트 콘크리트와 T형 강재의 전단연결재(Stud) 상호간 응력 흐름 및 전단력에 의한 국부모멘트 발생 시 T형강재(상현재)와 PC(하현재)의 강성비에 따른 분담율을 검증하여야 할 것이다.