KR100887426B1 - 합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법 및 그장치 - Google Patents

합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법 및 그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하중이 재하된 상태와, 그리고 고온 가열상태의 조건에서 합성구조의 전단 연결재의 파괴모드를 찾아내기 위한 시험장치 및 그 측정방법을 제공하고자함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기위하여 하중은 콘크리트용 구조재에 재하시키고, 고온가열은 강재용 구조재에 가하는 구성이다. 가열용 전기로의 가열공간에는 강재용 구조재가 삽입되고 콘크리트용 구조재는 외기와 접해있으면서 가열공간을 밀폐시키는 구조이다.
콘크리트용 구조재는 하중이 재하된 상태이므로 그 하단이 바닥면에 의하여 지지되어있지 않고 바닥면에서 15cm정도의 높이에 떠있는 상태이다. 이에 대하여 강재용 구조재는 바닥면에 지지되어있다. 바닥면에 견고하게 지지되어있으면서 전단 연결재에 의하여 콘크리트용 구조재를 지지하고 있다.
본원 가열용 전기로는 구조가 간단하고 측정될 합성구조의 삽입이 용이한 구조로 되어있으면서 전달연결재의 슬립변위 측정이 용이하도록 구성되어있다.
합성구조, 전단 연결재, 가열용 전기로, 가열공간, H형강 구조재, 콘크리트 구조재, 세라믹 방열판

Description

합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법 및 그 장치{Method and apparatus of interface shear }
도1 기존의 푸쉬 아웃 테스트 개념을 나타낸 단면도
도2 도1의 A-A‘ 단면도
도3 본 발명의 부착-슬립 측정을 위한 개념을 나타낸 단면도
도4 본 발명의 가열용 전기로 본체 사시도
도5 본 발명의 가열용 전기로 본체의 측면도
도6 본 발명의 가열용 전기로에 합성구조가 삽입되어있는 상태도
도7 도6의 수평단면도
* 도면부호의 간단한 설명
100; 전기로 본체, 110; 전기로 벽체, 120; 가열 공간, 130; 콘크리트 시험체용 개구부, 140; 히터 카바, 150; 손잡이, 160; 히터, 170; 세라믹 방열판, 180; 세라믹
200; 합성구조, 210; H형강 구조재, 220; 전단 연결재, 230; 콘크리트 구조 재
300; 바닥면
본 발명은 합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 토목 건축분야에서의 합성구조는 구조용 강재와 철근 콘크리트의 2가지 이질재료로 이루어진 구조형태이다.
교량 및 건물에서는 구조용 강재와 철근 콘크리트를 적용하여 구성한 합성보 또는 합성 기둥을 뜻한다.
초기의 합성구조는 콘크리트로 싸여진 보로 구성되었다.
둘러싸여진 콘크리트는 보의 강도를 증진시킬 뿐 아니라 내화에도 아주 유리하다. 그러나 단면높이가 커져 고층건물인 경우 자중이 그만큼 커지는 단점이 있다.
최근에는 더 가볍고 경제적인 내화방법이 개발되면서 콘크리트로 둘러싸여진 합성보는 거의 사용되지 않는다. 그 대신 강재보가 철근 콘크리트 슬래브를 지지하는 구조형태가 많이 사용된다.
강재와 콘크리트는 서로 다른 이질재료이다. 상부하중을 강재보와 철근 콘크리트 슬래브가 지지하기위해서는 하나의 부재처럼 단일부재로 거동되어야한다.
이와 같이 서로 다른 이질 부재가 합성단면이 되어 단일부재로 거동하는 것을 합성구조라 한다.
단일부재로 거동되기 위해서는 2부재사이에 미끄러짐이 없어야한다.
2부재가 견고하게 부착되어있어야 한다. 강재와 콘크리트사이의 수평전단력을 부착력이 저항하여야하기 때문이다. 합성구조는 강재와 콘크리트의 부착력에 의하여 좌우된다.
통상 강재와 콘크리트사이의 수평전단력은 전단 연결재에 의하여 저항된다.
전단 연결재는 수평전단력을 저항함으로써 강재와 콘크리트와의 부착력을 증진시키는 역할을 하는 부재이다.
전형적인 전단 연결재는 스터드(stud)이다. 그 외에도 나선형 철근, L형강 등이 사용되고 있다.
전단 연결재는 강재보(H형강)의 상부 플랜지에 일정간격으로 용접되어있다.
상부 플랜지위에 콘크리트가 타설된다. 전단 연결재는 타설된 콘크리트 속에 정착되어있다. 전단 연결재는 강재보의 상부 플랜지와 콘크리트를 일체화시키는 역할을 하고 있다. 전단 연결재에 의하여 강재보와 콘크리트는 합성단면이 되어 단일 부재로 거동되게 된다.
만약 강재와 콘크리트사이에 전달연결재가 없다면 강재와 콘크리트는 서로 분리된 상태이다. 이는 비 합성단면이므로 강재와 콘크리트는 따로따로 거동하게 된다. 제각기 거동하게 되면 강재의 중립축과 콘크리트의 중립축 2개가 존재하게 되므로 중립축이 1개인 합성단면에 비해 인장 및 압축응력이 훨씬 작아지게 되어 역학적으로 불리한 단면이다.
이와 같이 전단연결부는 강합성 구조에서 매우 중요한 설계 요소이고 전체 구조물의 거동을 좌우한다고 할 수 있다.
건축구조물이나 교량에서 많이 사용되는 합성구조(composite structure)는 합성보나 합성슬래브이다.
합성보나 합성슬래브도 전단 연결재(shear connector)에 의하여 일체화된 구조거동을 확보하고 있다.
전단연결재의 설계기준을 마련하는 시험은 push-out 시편을 이용하는 것이 일반적이다. 이를 푸쉬-아웃 테스트 (Push-out Test)라 한다. 이는 영국의 BS 5400:1979에 의하여 처음으로 제시되었다.
푸쉬-아웃 테스트에 의하여 부착응력, 부착변형(미끄러짐 변위, slip)을 측정한다.
푸쉬-아웃 테스트의 개념도는 도1과 같다.
스터드(22)가 H형강(21)과 일체로 형성되어 콘크리트(23) 내에 정착되어있는 합성구조(20)이다.
양측의 콘크리트(23)(23)는 견고한 바닥면(300)에 놓여있다. H형강(21)은 양측의 콘크리트(23)(23)에 의하여 지지되어있고 바닥면(300)과 일정 높이(d) 떨어져있다. 그 높이(d)는 5cm 정도이다. 스터드(22)가 연결된 H형강(21)과 콘크리트(23)사이의 전단 슬립변위가 안정적으로 유발되도록 하기위해서다.
하중에 따른 변위를 측정하기위하여 H형강(21)에 하중을 가한다. H형강(21)은 양측의 콘크리트(23)(23)를 지지점으로 지지되고 있다.
H형강(21)에 가해진 하중은 콘크리트(23) 부재에 정착된 스터드(22)에 전달된다.
이와 같이 푸쉬-아웃 테스트는 스터드(22)의 부착응력과 부착변형의 측정이 가능하다.
그런데 푸쉬-아웃 테스트는 상온에서의 측정이기 때문에 단순히 재하하중에 대한 스터드(22)의 변위측정에 불과하다.
그러나 화재 시의 온도는 상온과는 다르다. 급격한 온도상승으로 인하여 합 성구조의 각 구조요소의 강도가 저하될 뿐 아니라 강재에 용접된 전단 연결재가 녹는 현상이 발생하게 된다. 이는 파괴모드(failure mechanism)의 변화를 동반하게 된다. 특히 급격한 온도상승에 의한 연성으로 인하여 강재와 콘크리트사이에 부착강도가 떨어져서 전단 연결재의 슬립 변형이 크게 일어나게 되면 초고층빌딩은 순식간에 붕괴되고 만다. 붕괴되는 시간을 조금이라도 늦출 수만 있다면 인명참사를 줄일 수 있을 것이다.
고온에서의 파괴모드를 안다면 이러한 문제를 해결하는데 도움이 될 것이다.
상온에서의 파괴모드가 재하하중에 의한 것이라면 고온에서의 파괴모드는 재하하중과 고온에 의한 것이다.
이와 같이 푸쉬-아웃 테스트로서는 화재 시 수백도 심지어는 800~1000oC의 고온에서 전단 연결재의 변위에 대한 측정이 불가능하다. 푸쉬-아웃 테스트에는 단순히 재하하중만 있을 뿐, 가열수단이 없기 때문이다.
그렇다고 도1과 같은 푸쉬-아웃 테스트에다 단순히 가열수단을 추가한다고 해서 고온에서의 전단 연결재에 의한 변위 전단거동특성이 곧바로 측정될 수 있는 것도 아니다.
만약 콘크리트부재에다 직접 가열시키게 되면 폭열로 인하여 콘크리트가 파괴된다. 전단 연결재의 변위는 콘크리트부재와의 관계에서만 의미를 지닌다. 콘크리트가 파괴된 상태에서의 전단연결재의 변형변위의 측정은 무의미하기 때문이다. 이와 같이 콘크리트 부재에다 직접 가열하는 것은 피해야한다.
하중이 재하된 상태이고 동시에 고온상태인 조건에서 전단 연결재의 변위측정은 푸쉬-아웃 테스트로서는 불가능하다.
이에 적합한 측정 장치가 필요하다. 이와 함께 측정에 필요한 측정방법이 수반되어야한다.
본 발명은 위의 조건을 충족하는 전단 연결재의 슬립변형을 측정하는 방법과 이를 위한 측정 장치에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 하중이 재하된 상태이고 동시에 고온상태인 조건에서 전단 연결재의 파괴모드를 찾아내기 위한 시험장치 및 그 측정방법을 제공하고자함에 있고, 하중이 재하된 상태에서 직접 가열은 강재용 구조재에 가해지고 콘크리트용 구조재에는 직접 가열되지 않도록 하는 시험 장치를 제공함에 다른 목적이 있으며, 전달 연결재의 슬립변형을 측정하기 위한 측정 시험장치의 구조가 간단하고 그 측정이 용이하도록 함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 구성을 도면과 함께 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전기로 본체(100)의 형상은 직육면체 형상이고 그 종방향으로는 개구되어있 으면서 횡방향으로는 3면이 밀폐된 “ㄷ” 자 형상이고 밀폐된 3면에 의하여 내부공간이 형성되어있다. 내부공간은 종방향으로 길게 형성되어있다. 다른1면은 개구되어있다.
시험을 하기위해서 전기로 본체(100)는 견고한 바닥면(300)에 내부공간이 수직방향이 되도록 설치한다. 이 상태에서 내부공간에는 합성구조(200)의 H형강 구조재(210)가 삽입되고 내부공간과 관통된 다른 1면의 개구부 밖으로는 콘크리트 구조재(230)가 위치되어 개구부를 밀폐시키고 있다. 이때 콘크리트 구조재(230)는 전기로 본체(100)의 외부에 설치되어있는 견고한 벽체에 의하여 지지되거나 유압 실린더에 의하여 지지되고 있다.
H형강 구조재(210)가 삽입된 내부공간은 가열되는 공간이고 이와 관통된 다른 1면의 개구부는 콘크리트 구조재(230)에 의하여 밀폐되면서 콘크리트 구조재(230)는 가열되지 않는다. 콘크리트 구조재(230)는 외기와 접면되어있다.
용어를 구분하기 위하여 “ㄷ” 자 형상의 밀폐된 3면을 전기로 벽체(110)라 부르기로 하고, 내부공간과 관통된 다른 1면의 개구부를 콘크리트 시험체용 개구부(130), 내부공간을 가열공간(120)이라 부르기로 한다.
전기로 벽체(110) 내에는 단열을 위하여 세라믹(180)이 충진되어있다. 가열공간(120)에는 히타(160)가 종방향으로 평행되게 설치되어있고 세라믹 방열판(170)이 히타(160)배면에 설치되어있다.
전기로 벽체(110)의 ㄷ자형 단면부에 히터 카바(140)가 설치되어있고 전기로 벽체(110)의 배면부에는 손잡이(150)가 설치되어있다.
합성구조(200)의 전단연결재(220)의 변위측정을 위한 전기로 본체(100)와 시험체의 관계에 대하여 설명하면 다음과 같다.
전기로 본체(100)는 가열공간(120)이 수직이 되도록 견고한 바닥면(3010)위에 설치된다.
가열공간(120)에는 합성구조(200)의 H형강 구조재(210)가 삽입되고 콘크리트 시험체용 개구부(130)에는 합성구조(200)의 콘크리트 구조재(230)가 설치된다.
H형강 구조재(210)는 바닥면(300)에 닿아있고 바닥면(300)이 이를 지지하고 있다.
이와는 달리 콘크리트 구조재(230)는 바닥면(300)에서 d=15cm정도 높이에 위치되어있다. 콘크리트 구조재(230)는 H형강 구조재(210)에 의하여 지지되고 있다. H형강 구조재(210)와 콘크리트 구조재(230)에 주어지는 조건이 다르기 때문이다.
즉 H형강 구조재(210)에는 가열조건이, 콘크리트 구조재(230)에는 하중재하조건이 주어진다.
이와 같이 콘크리트 구조재(230)에 하중이 재하되기 때문에 콘크리트 구조재(230)가 바닥면(300)에 닿아있어서는 안되는 이유이다.
합성구조(200)의 전달연결재(220)의 변위측정에 대한 개념을 도2에 도시된 개념도에 의하여 설명하면 다음과 같다.
고온가열은 H형강 구조재(210)에만 가해지고 콘크리트 구조재(230)에는 가열되지 않는다.
그 대신 하중은 콘크리트 구조재(230)에만 재하되고 H형강 구조재(210)에는 재하되지 않는다.
전단 연결재(220)인 스터드는 콘크리트 구조재(230)에 정착되어있다. 가열구간(120)에서 H형강이 고온으로 가열되면 H형강 구조재(210)과 일체로 부착된 스터드에 전달된다.
스터드는 재하된 하중에 의하여 하중의 영향을 그대로 받으면서 동시에 가열에 의한 고온의 영향을 받고 있다.
이 상태에서 스터드의 부착-슬립변위를 측정하고자 한 것이 바로 전단 연결재(220)에 대한 변위 측정시험의 기본개념이다.
기본개념을 구현한 것이 바로 가열용 전기로 본체(100)이다.
이러한 관점에서 전단 연결재(220)의 변형측정방법을 설명하면 다음과 같다.
전단 연결재(220)가 H형강 구조재(210)에 일체로 부착되고 또 콘크리트에 정착된 합성구조(200)에 있어서
전기로 본체(100)를 가열공간(120)이 수직이 되도록 견고한 바닥면(300) 위에 설치하는 단계;
합성구조(200)의 H형강 구조재(210)를 가열공간(120)에 삽입시키되 그 하단이 바닥면(300)에 닿도록 하고, 또 콘크리트 시험체용 개구부(130)는 콘크리트 구조재(230)에 의하여 밀폐되게 하고 바닥면(300)에서 닿지 않도록 설치하는 단계;
하중을 콘크리트 구조재(230)에 재하시키면서 동시에 H형강 구조재(210)를 고온으로 가열시키는 단계; 하중재하와 고온가열의 조건에서 전단연결재(220)의 변위를 측정하는 단계; 로 이루어짐을 특징으로 하는 합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법이다.
전기로 본체는 3면이 밀폐된 “ㄷ” 자 형상의 벽체와 가열공간이 형성되어있으므로 H형강 구조재만을 고온으로 가열이 가능하고 콘크리트 구조재는 직접 가열되지 않는 구조이므로 폭열로 인한 파괴를 방지할 수 있다.
또한 전기로 본체는 고온가열과 하중재하가 동시에 이루어지는 구조이면서도 구조가 간단할 뿐 아니라 전단 연결재에 대한 변위측정이 용이하다.
이와 같이 본 발명은 하중이 재하된 조건과, 그리고 고온으로 가열된 조건을 동시에 만족시키면서 합성구조의 전단 연결재의 변위측정을 가능하도록 한 것으로 슬립변위 측정에 유용한 발명이다.

Claims (4)

  1. 전단 연결재(220)가 H형강 구조재(210)에 일체로 부착되고 또 콘크리트 구조재(230)에 정착된 합성구조에 있어서
    전기로 본체(100)를 가열공간(120)이 수직이 되도록 견고한 바닥면(300) 위에 설치하는 단계;
    합성구조(200)의 H형강 구조재(210)를 가열공간(120)에 삽입시키되 바닥면(300)에서 높이 d에 위치시키고, 또 콘크리트 시험체용 개구부(130)는 콘크리트 구조재(230)에 의하여 밀폐되는 형태로 설치하는 단계;
    콘크리트 구조재(230)에 하중을 재하시키고 동시에 H형강 구조재(210)를 고온으로 가열시키는 단계;
    하중재하와 고온가열의 조건에서 전단 연결재(220)의 변위를 측정하는 단계; 로 이루어짐을 특징으로 하는 합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법
  2. 제1항에 있어서
    콘크리트 구조재(230)는 바닥면(3000)에서 15cm높이(d)에 위치되어있으면서 H형강 구조재(210)에 의하여 지지되고 있음을 특징으로 하는 합성구조 접합면의 고온조건 부착슬립 변형 측정방법
  3. 삭제
  4. 삭제
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JP2003139731A (ja) 2001-10-31 2003-05-14 Nec San-Ei Instruments Ltd サーモグラフィ装置及びその測定方法並びに構造物調査・診断システム
KR20030091462A (ko) * 2002-05-28 2003-12-03 한국건설기술연구원 콘크리트 고온특성 실험용 이동식 가열로
KR20060108865A (ko) * 2005-04-14 2006-10-18 이중원 콘크리트의 내화시험용 전기로

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