KR100986521B1 - 합성보 유효구간의 극대화 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철골보와 슬래브(4)를 일체화시켜 슬래브를 보의 일부로 편입시키는 합성보의 효용성을 극대화 하는 공법에 관한 것이다. 보는 단부 접합상태에 따라 단순보, 고정보 및 부분고정보로 분류하며, 합성보는 단면의 상단부가 압축력, 하단부가 인장력을 받는 보 길이의 중앙부에서만 도움이 되고 반대로 상단부가 인장력, 하단부가 압축력을 받는 보 길이의 양단부에서는 합성효력이 없다. 일반적으로는 단순보, 즉 보 양단에 기둥이 없고 큰 보에 걸치는 작은 보에서만 도움이 되므로 기둥과 보로 이루어지는 골조, 이른바 '라멘조'에서는 장점으로 작용하지 않는 아쉬움이 있다.

따라서 위 기둥에 접합되는 주보(Main Girder)에서도 합성보의 효용성 또는 활용도를 극대화하는 공법이 본 발명의 '합성보 유효구간의 극대화 공법'이다. 구조전문가의 일상 중 '모멘트 분배'는 업무 중 큰 부분에 속한다. 즉 골조에 하중이 작용할 때 어느 부위에 어떤 크기의 휨모멘트가 유발되는가를 추적해서 각 부위의 단면 크기와 안전 여부를 확인하고 보강하는 작업이다. 만약 모멘트 분배 결과 특정부위에 큰 응력이 집중하면 보강에 어려움을 겪기도 하고 때로는 골조 전체를 재구성하거나 구조재료 또는 공법을 근본적으로 바꾸기도 한다. 이때 대부분의 경우 합성설계가 가능한 보 중앙부는 단면 여유가 많음에도 불구하고 과대한 단부 휨모멘트에 안전하도록 설계해야 하는 어려움이 있음을 경험한다.

본 발명에서는 기둥과 보가 이루는 골조에서 보의 특정부위에 인위적 힌지 (Hinge, (2))를 조성하여 그 부위의 휨모멘트 값이 0이 되도록 하여 모멘트 분배의 간략화를 조장하고 그로 인하여 보 중앙부의 휨모멘트가 증가해도 내력에 여유가 있는 합성보의 효용성을 극대화하는 것이다. 보의 특정부위를 힌지화 하는 방법으로는 상부 플랜지를 기계적으로 절단하되 만약의 경우 보의 변형이 심하여 핀 부위(힌지, 변곡점)에서 찢어짐이 발생하는 것을 방지하기 위하여 국부응력 발생을 완화시키는 구멍 뚫기 방식을 채택한다.

Description

합성보 유효구간의 극대화 공법{Effective Area Maximization Device of Composite Girders}

본 발명은 보의 정모멘트 구간 즉 일반 바닥보에서는 보 길이의 중앙부에서 슬래브(4)를 철골보와 일체화한 합성보(슬래브를 단지 바닥판으로만 취급하는 대신 보 일부로도 역할)의 유효구간을 확대하는 공법에 관한 것이다(도 4).

건축을 전공으로 하는 기술자들까지도 철골구조는 철근콘크리트 구조에 비하여 보의 높이를 많이 낮출 수 있는 것으로 잘못 알고 있는 경향이 있다. 철근콘크리트 보는 도 3a에서 보는 바와 같이 보의 단부에서도 비록 T형보의 역할을 하지 못하여 직사각형 보로 취급할 수밖에 없기는 해도 보의 높이를 슬래브까지 포함시킬 수 있는 효율성을 보이고 있다. 그러나 도 3b에서 보 중앙에서는 슬래브(4)와 철골보를 전단연결재(Shear Connector(3))를 매개체로 합성화 함으로 효율성을 높일 수 있으나, 단부에서는 철골보 단면만 유효한 것으로 설계하는 경향이 있다. 한편 도 4의 TSC 보(1)는 중앙 단면에 초점을 맞춰 단면 형태를 제작한 것이어서 단부에서는 상대적으로 부모멘트에 저항하는 능력이 부족한 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 단부 상단에 철근(5)을 배근하여 보강하게 되는데 다행히도 일반 H형강과 달리 단면의 상부가 열려 있어서 슬래브내에 철근을 배근하는 것이 자연스럽 다. 따라서 TSC 보(1)는 단부에서도 철근콘크리트 보와 같이 슬래브(4)를 포함한 직사각형 단면의 보로 취급하여 설계 할 수 있다.

합성보는 철골보 만으로 내력을 발휘하도록 설계하는 것보다 강재 중량이 20∼30％ 절감된다. 그러나 보는 작은보(Beam)와 큰 보(Girder)로 분류하는데 위 큰 보와 작은보는 단순히 그 치수의 크기로 구분하는 것이 아니라 보 양단의 지지조건에 따라 벽체나 큰 보에 접합되는 보를 작은보라 하고 보의 양단에 휨모멘트를 구속하는 기둥이 있을 때 이를 큰 보라고 부른다. 큰 보는 기둥의 강성이 크면 클수록 단부 휨모멘트가 커지게 되는데 그 분배되는 휨모멘트의 크기는 접합부에서 보와 기둥의 강비 차이에 따라 다르다. 강비는 단면 2차모멘트(I)를 길이로 나눈 값인데 보의 길이가 길어짐에 따라 강비가 작아지는 반면 일반적으로 기둥 높이는 보 길이에 비하여 짧으며 또한 다층 건물에는 보의 단부에 기둥이 위 아래 있으므로 보의 단부 고정 상태가 커지는 경향이 있다. 즉 도 2b에서와 같이 단부가 완전 고정일 경우 단부 휨모멘트는 중앙 휨모멘트의 2배가 된다. 단부 휨모멘트와 중앙 휨모멘트는 보 길이의 l/4지점(변곡점)에서 바뀌게 되는데 그 점이 가상 핀(힌지)로 작용한다. 즉 보의 단면이 좌단에서 우단까지 균일함에도 불구하고 보 길이의 l/4지점에 힌지가 있는 것과 동등한 효과를 발휘한다. 만약 힌지의 위치를 인위적으로 l/4보다 적게 외곽으로 이동시킨다면 힌지에서는 휨모멘트 값이 0이어야 하므로 도 1a와 같은 휨모멘트로 변화한다.

도 2a에서 보의 내력이 M ₀값 이상으로 균일하면 모멘트 분배로 얻는 단부 휨 모멘트가 어떤 값이든 그 보는 안전하다. 즉 단순보로도 안전한 보는 단부 지지조건을 어떻게 변화시킨다해도 구조 안전상태로 문제가 없다는 뜻이다. 예를 들어 도 1c와 같이 작은보 B ₁, B ₂가 큰 보 G ₁, G ₂, G ₃에 얹혀 있을 때 B ₁과 B ₂가 휨모멘트 M ₀에도 견디는 것이면 B ₁과 B ₂가 만나는 G ₂에서 구태여 핀으로 상세 처리를 하지 않는다고 해서 불안해지는 일은 없다. G ₂ 상부에 균열이 발생할 것이라고 걱정하기는 하나 그것이 구조 안전상에는 별 문제가 없는 균열이므로 균열 분산책으로 철망을 추가하거나 오히려 사전에 균열을 만들어 주는 방법을 활용해도 된다. 위 원리는 도 1a, 도 1b, 도 1d 및 도 1e에 표시한 인위적 힌지(2)에서도 마찬가지 원리가 성립된다. 이 같은 원리는 설계 단계에서 각 부재 접합을 핀(힌지)으로 가정하에 계산한 트러스의 각 부재를 용접하는 것 또는 철골보의 단부 접합을 핀으로 계산한 후 시공을 여러 개의 볼트를 사용하여 고정도를 높인 효과(부분강접)를 발휘하는 것에서도 흔히 발견할 수 있다.

우리나라에서 구조기술의 모델로 삼고 있는 나라는 일본과 미국, 유럽이다. 전통적으로 일본은 보와 기둥의 접합부를 될수록 강접하는 것을 선호하며 심하게는 철골구조의 이음과 접합을 부재내력과 일치시키는 표준 접합상세를 적용하기도 한다. 한편 미국과 유럽은 핀이나 반강접도 자유롭게 활용하는 유연성을 보이고 있어서 때로는 접합부위가 너무 약해 보이는 상세도 서슴없이 사용하는 합리성을 보이고 있다. 모멘트 분배의 맹점중의 하나는 보와 기둥의 조합으로 이루어진 골조에서 보의 단부와 중앙 휨모멘트 값이 적당했었는데 필요에 의해서 기둥 단면을 증가시킨 결과 보 단부 휨모멘트가 크게 증가하여 오히려 안전하지 못한 구조물로 둔갑하는 경우이다. 이때 커진 단부 휨모멘트에 맞춰서 보 단부의 단면을 증가시키는 대신 겔버 조인트(Gerber Joint) 기법을 활용하여 의도적으로 단부 휨모멘트 값을 줄이는 공법을 시도하는 것이다. 마찬가지로 실무현장에서 곤혹스러운 것은 앞의 단부 휨모멘트 값이 커지게 되면 보 단부뿐만아니라 기둥에도 큰 휨모멘트가 분배되어 그 값에 맞는 철근배근 등을 하다보면 '설상가상'의 어려운 상황에 빠지게 됨을 실감하게 된다. 더구나 최근들어 구조기술자들은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 Input→Output이 순식간에 이루어지므로 위 원리를 감안한 설계를 하는 것은 기대하기 어렵다.

컴퓨터 프로그램을 기계적으로 활용하여 얻은 결과치를 가감 없이 그대로 부재설계에 반영할 경우 자주 불합리한 단면을 선정하게 된다. 건축구조는 토목구조와 달리 정해진 전체 공간 내에서 최대한의 실제 사용공간을 확보하는 노력을 하는 것이 일상업무이므로 사전에 컴퓨터 프로그램 작동에 제약을 가하여 안전하면서도 합리적인 결과가 일어나게 하는 것이 바람직하다. 즉 구조설계 초기에 '가정'하는 단면 크기에 따라 분배되는 휨모멘트에 변동 폭을 제한하는 열쇠 역할을 하는 힌지를 적당한 위치에 사전 배치하는 것이다. 위 '적당한 위치'는 합성보의 내력을 가급적 효율적으로 활용할 수 있으면서 부모멘트에 저항하는 보단부 단면크기에도 무 리가 없는 곳이 된다.

보의 모멘트 분배는 도 2a에서 표시한 양단 힌지일 때의 중앙 최대 모멘트 M ₀를 단부에 얼마만큼 넘겨주는가를 찾아내는 작업이다. 도 2b와 같이 단부가 완전고정일 때는 중앙단면에서만 유효한 합성보가 제구실을 못하는 무용지물이므로 될수록 양단 부모멘트 값을 줄이되 중앙부는 합성보의 보유내력 내에 국한하도록 조절하여야 한다. 즉 중앙 합성단면의 내력을 충분히 활용할 수 있는 위치에 힌지를 조성하여 위 M ₀ 값에서 중앙단면 휨모멘트를 뺀 나머지 부모멘트를 단부 단면이 부담하게 하는 것이다. 힌지의 상세는 도 1d, 1e, 1f와 같이 보 상부 플랜지를 무력화시키기 위해 잘라내되 자르는 끝단에는 사전에 구멍을 뚫어 찢어짐을 방지한다. 슬래브에서는 위 힌지 부위에서 단부 철근보강이 끝나게 하고 최소철근만 중앙단면에까지 연장하여 균열발생을 방지한다.

겔버 조인트(Gerber Joint) 기법은 모멘트 분배 작업으로 통제되지 않은 휨모멘트의 변화에 대처하는 경우 활용이 가능하다. 특히 층수가 많아 기둥의 축하중이 누적되어 단면 크기가 커졌을 경우 보 단부 휨모멘트가 자동적으로 증가하여 설계상 어려움을 겪게 되는 현상을 되돌리는 효과가 있다. 즉 철골보와 슬래브(4)를 긴결한 합성보가 보의 중앙 부위에서만 유효한 것을 최대한 활용하여 결과적으로는 경제적이면서도 합리적인 단면설계가 가능하게 하는 것이다.

기둥에 보를 부착하는 방법에는 강접, 반강접 및 핀(힌지)이 있다. 그러나 반강접의 범위가 강접과 핀 사이 어느 범위에 있는지 판단하기 어려워 일반적으로 강접 아니면 핀으로 나누어 해결하는 경향이 있다. 보를 양단 핀접합으로 설계하면 핀접합의 최대 처짐량이 강접합의 5배에 달하므로 처짐량이 부담 될 뿐만 아니라 혹시 횡하중에 저항하는 골조일 경우는 핀접합으로의 설계는 불가능하기도 하다. 따라서 편의상 강접으로 선회하면 기둥의 강성크기에 따라 보단부와 기둥단면 설계에 어려움이 따르게 되므로 단부 휨모멘트 크기를 의도적으로 줄이기 위해 휨모멘트가 0이 될 수밖에 없는 '핀'을 보의 원하는 위치에 설치하는 공법이다. 구체적으로는 보의 양단을 우선 기둥에 강접하고 보의 중앙부 합성보 단면이 수용할 수 있는 값에 맞추어 마치 중앙의 단순보가 겔버 조인트에 접합된 것과 같은 방법이 되도록 하는 것이다.

즉 TSC 보(1)를 예로 들면 상부 플랜지를 톱이나 기타 절단수단으로 자르되 절단 끝단에서 균열이 확장되는 하자 발생을 방지하기 위해 절단 끝 부위에 구멍을 뚫어둔다. 슬래브(4)내에 철근을 배근하여 보의 단부상단을 보강하는 경우 단부 상단철근을 상기 핀 위치에서 절단하되 그 핀 위치에서 균열이 발생하는 것을 줄이기 위해 최소철근을 중앙 단면까지 연장시킨다.

도 1a는 강접보의 원하는 위치에 인위적으로 힌지를 설치하여 단부와 중앙부 휨모멘트 크기를 조정한 개념도,

도 1b는 도 1a의 측면도,

도 1c는 단부가 핀(힌지) 접합된 작은보의 개념도,

도 1d, 1e는 TSC 보에 인위적 힌지를 조성한 평면도와 측면도,

도 1f는 도 1d의 인위적 힌지 확대 평면도,

도 2a는 단순보의 합성보 유효구간 개념도,

도 2b는 강접보의 합성보 유효구간 개념도,

도 3a는 철근콘크리트 강접보의 개념도,

도 3b는 강합성보 강접보의 개념도,

도 4는 TSC 보의 강접보 개념도이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1 : TSC 보 2 : 인위적 힌지

3 : 전단연결재 4 : 슬래브

5 : 철근

Claims (1)

1. 양단 고정된 보에 대해 합성보의 장점을 최대한 활용하기 위한 방법에 있어서

   (a) 보 양단을 기둥에 강접합 시키는 단계 ;

   (b) 구조계산상 보 양단 l/4 이내의 적당한 위치에 보 상부 플랜지를 절단하여 휨모멘트가 '0'이 되도록 인위적 힌지(2)를 만드는 단계 ;

   (c) 상기 인위적 힌지가 휨모멘트의 변곡점 역할을 하고, 절단 부위 끝에서 찢어지지 않도록 절단부의 단부에 구멍을 뚫는 단계 ;

   (d) 보 단부의 상부 슬래브(4)에 철근을 보강하여 휨모멘트를 증가시키고, 상기 인위적 힌지(2)에서는 철근을 절단하되 최소철근만 연장하여 균열 발생을 방지하는 단계 ;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 합성보 유효구간의 극대화 공법

Images