• 저자: 엄태성, 임종진, 문성환, 윤성환, 정재철
• Abstract :This study investigated the flexural behavior of prestressed concrete-encased steel composite beams (PSC composite beam) with hollow core. The PSC composite section consisted of the precast composite element, made of a steel section (H or box section) and U-shaped concrete encasement, and the cast-in-place concrete slab. By prestressing strands at the bottom of the precast element, the cracking resistance was enhanced. In addition, a void was formed in the web to reduce the beam weight. Six full-scale PSC composite beams were tested under positive bending and their flexural behaviors before and after casting the cast-in-place slab were investigated. The test results have shown that the initial strains of the steel section and reinforcing bars that occurred at the prestressing stage agreed well with the predictions by the existing PSC design theory. During the subsequent flexural testing, all beams were failed by concrete crushing at the compression end or slab. The stiffness and strength of the PSC composite beams agreed well with the effective stiffness and plastic moment strength for encased composite members, respectively, calculated in accordance with AISC 360-16. At the interface across the cast-in-place slab, relative slip did not occur and the interface shear resistance was contributed by both the vertical stirrups of the precast concrete encasement and headed studs of the steel element engaged or embedded within the slab.

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• 싱가포르 적용 TSC 합성보의 유로코드(Eurocode) 기반 설계법(Design Method according to Eurocode for TSC Composite Beams applied to Singapore)

• 저자: 김종찬, 김대경, 김정현, 정재욱, 이승환, 이창남

• 국내 건설시장의 신규 프로젝트 물량이 지속적으로 줄어듦에 따라 건설업계의 해외 건설시장으로의 진출이 확대되고 있다. 이에 따라 국내 구조설계 기술자들에게 해외 구조기준을 활할 수 있는 능력이 요구되고 있다. 하지만 미국의 구조기준 (ACI 318, AISC 360)을 기반으로 제정된 국내 건축구조기준(이하 KBC 2016)에 익숙한 국내 구조기술자들은 유럽의 구조기준인 유로코드(Eurocode) 등 해외 구조기준에 대한 숙련도가 낮아 해외 건설 프로젝트 실무에 어려움을 겪고 있다. 한편 강구조 및 철근콘크리트 구조의 장점을 살리고 단점을 상호보완하기 위하여 다양한 강-콘크리트 합성구조를 개발하여 건설 프로젝트에 적용하고 있다. 이 중 TSC(Thin Steel-plate Composite) 합성보는 실험연구를 통하여 구조성능 및 내화성능을 검증하였고 다수의 특허를 등록하였다. 이를 기반으로 현재까지 다양한 건설 프로젝트에 적용되고 있다. 최근 싱가포르의 도시개발공사인 JTC(Jurong Town Corporation)가 공공발주한 대형 물류창고 프로젝트에 TSC 합성보 공법이 제안 및 채택되었다. 싱가포르는 국가 건축 구조설계 시 표준기준으로 유로코드를 채택하고 있어 TSC합성보의 구조설계를 위하여 유로코드에 따른 설계방법을 정립하게 되었다. 이에 본 기사에서는 유로코드에 의한 TSC 합성보의 설계방법을 다루었다. 먼저 TSC합성보의 소개 및 기존 실험연구에 의한 구조성능과 내화성능검증 결과를 제시하였고, TSC 합성보의 KBC 2016과 유로코드의 주요 규정을 정리하여 제시하였다. 두 기준을 이용한 TSC 합성보 구조설계의 큰 틀은 유사하였으나 강도감소계수, 강재단면 및 합성단면의 분류 체계 및 판폭두께비 계산식, 합성 단면의 휨강도 산정식 등에서 서로 다른 점을 확인하였다.

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• TSC 합성구조의 개발

– 저자 : 김성배, 김상모, 이창남, 김상섭

합성보 또는 합성구조는 상이한 두 가지 이상의 재료가 복합적으로 조합하여 성능을 향상시킨 구조재료, 부재 및 구조시스템을 총칭하는 명칭으로 CFT(Concrete Filled Tube), RCS(Reinforced Concrete Steel)와 영국의 강구조학회에서 개발한 Slimfloor 등도합성구조의 일종이다. 국내에서도 iTECH 등이 발표 되었으며, 본 고에서는 TSC 합성구조에 대해 소개하고자 한다.
최근 인건비 상승과 공기단축을 통한 공사비 절감을 위해 철골조가 많이 적용되고 있고, 사용공간의 자유도를 높이는 방법으로 강재를 활용한 골조-전단벽식 구조형식도 연구검토 되고 있다. 그러나 강구조 건축물은 원자재비 상승과 층고 증가에 따른 경제성 저하,처짐 진동 등의 사용성에 민감한 부분이 노출되고 있다. 이러한 부분을 상호보완 시키는 방법으로 복합구조인 T형 합성보를 연구 중 이다.
T형 합성보(이하 TSC라 칭함 ; T type Steel Composite beam)는 기둥이나 보의 외곽에 ㄱ형강이나 ㄷ형강을 배치하고, 철근 래티스로 조립한 후 외곽 면에 내화피복을 겸하는 영구거푸집을 설치하여 콘크리트를 부어 넣는 강콘크리트 구조에서 출발하였다(특허 제 0343960호). 그러나 현장에 적용하는 단계에서 국내에 아직 내화재로 지정을 받은 영구거푸집 재료가 없고, 대형 구조물에는 철근 래티스만으로 시공하중에 대응하는데 문제가 있음을 발견하였다. 그로 인해 내화거푸집 대용으로 영구거푸집을 강판으로 제작하여 ㄱ형강이나 ㄷ형강을 필요에 따라 선별적으로 사용하고, 강판을 내구재로 이용하여 설계하는 방법을 적용하게 되었다(출원번호 10-2001-0004409).
보의 형상은 그림 1과 같다. TSC 보는 하부와 웨브, 상부 플레이트로 구성되고, 각 플레이트는 일체화되어 적정한 설계내력을 갖는다. 또한 TSC는 합성보로 거동하기 위해 상부에 스터드, ㄷ형강, 또는 철근 등을 이용한 쉬어 코넥터가 배치되고 하부에는 쉬어키가 설치된다. 하부의 쉬어키는 상부와 같이 내력을 부담하는 것이 아니라 하부 콘크리트에 발생하는 균열이 급진전하여 파단 되는 것을 방지하기 위한 것이다. TSC 보의 상단에는 콘크리트 타설 시 웨브의 벌어짐을 방지하고, 상부 슬래브 작업의 용이성 등을 위해 폭 고정용으로 관통볼트 또는 형강을 부착한다. 또한 하부와 웨브, 상부 플레이트의 제작은 각 부재를 절단하여 용접하거나, 볼트접합 또는 벤딩기를 이용하여 절곡, 성형 등으로 TSC 보가 완성된다. 사진 1∼6은 이러한 방법으로 설계 시공한 TSC 보 적용 예이다. 각각의 예는 TSC 보를 구조물 전체에 사용하였거나, 일부 구간만 설계된 곳도 있다. 또한 일부 현장은 공사가 완료되었고 현재 시공 중인 곳도 있다. 이하에 TSC 보 특성을 지금까지의 연구 성과를 중심으로 간략히 설명하고자 한다.

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• TSC 합성보의 개발 및 시공사례

– 저자 : 김성배, 김상모, 이창남

TSC는 1999년부터 연구 개발을 시작하여 현재 까지 지속적으로 성능항상을 하고 있으며， 점차적으로 현장 적용도늘리고 있다 TSC는 Type Steel Composite beam 또는 The SEN steel Composite beam으로 칭하고 있는 합성구조로서 합성보는 두 가지 이상의 구조재료를 복합적으로 조합하여 성능을 향상시킨 부재 및 구조시스템으로 국내에서 개발 중인 iTECH와 영국 강구조학회에서 개발한 Slimflor 등이 있다. 이하에 지금 까지 연구한 TSC 합성보의 특성과 적용 예를 중심으로 간략히 소개하고자 한다

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• 강판 거푸집 합성보의 개발

– 저자 : 김성배, 김상모, 이창남, 김상섭

건축물의 구조는 철골조와 철근콘크리트조가 가장 일반적으로 적용되고 있다. 오랜 기간 많은 연구자들의 연구 성과를 중심으로 시공성, 적용성 등이 우수한 구조 시스템이다. 그러나 상기의 두 시스템은 각각의 장단점을 갖고 있어 상호 보완적인 관계를 유지하고 있다.
상기 시스템은 일부 단점을 갖고 있으나, 두 시스템이 갖는 장점을 추출 적용하고자 하는 노력으로 합성구조 또는 복합구조에 대한 개발과 연구가 진행되고 있다. 최근 복합구조에 대한 우수한 연구결과가 국내외에 발표되고 있고, 당사에서도 강판 거푸집을 활용한 복합구조인 T형 합성보 (이하 TSC라 칭함; T type Steel Composite beam)를 연구 개발 중에 있다. 본 고에서는 지금까지 연구 결과를 중심으로 TSC의 특성에 대해 설명하고자 한다.

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• 상부 개방형 강판을 이용한 T형 합성보(TSC 보) 공법

– 저자 : (주)센구조연구소

상부 개방형 강판을 이용한 T형 합성보 공법은 1999년부터 연구 개발을 시작하여 여러 차례의 실험과 건축물에 적용했으며 2004년 8월에는 건설교통부로 부터 신기술 418호로 지정받았다. 상기 공법은 TSC 보 또는 TSC 합성보로 더 많이 소개되었다.

TSC 합성보는 (주)센구조연구소에서 개발한 형상으로 The SEN steel Concrete beam 또는 T type Composite beam의 약자이다. 합성보 또는 합성구조는 두 가지 이상의 구조재료를 조합하여 성능을 향상시킨 부재 및 구조시스템이다. 국내에서도 HI Beam, iTECH, Slim floor, Deep Deck 등이 개발되었고 신기술로도 지정되었다. 본 고에서는 신기술 418호로 지정된 공법의 개요와 특성, 적용 예 등을 간략히 소개하고자 한다.

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• 합성구조의 내화구조인정 -TSC 합성보 내화구조인정 사례를 중심으로-

– 저자 : 김성배, 이창남, 이준석

2년 전 모 회사에서 한국건설기술연구원(이하 건기연)에 TSC 합성보의 내화성능 및 내화구조인정 여부에 대한 질의․회신이 있은 후 TSC 합성보의 내화성능 오해로 경제적인 기회손실이 발생하였다. 엔지니어 판단으로 당연시 되었던 내화피복재에 의한 내화성능확보는 관련기관의 유권해석 혼선으로 어려움이 야기되었고, 마침내 2009년 9월 28일 TSC 합성보의 3시간, 2시간 내화구조인정을 획득하였다. 그 동안 내화구조인정을 통해 터득한 단편적인 지식들과 TSC 합성보의 내화성능을 설명하고, 앞으로 있을 합성구조의 내화구조인정 절차에 관한 제언을 하고자 한다.

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• TSC 합성보의 개발

– 저자 : 김성배, 이창남, 김상섭

장스팬, 초고층 건축구조에서 철골조가 많이 적용되고 있으나 철골 원자재비 상승으로 인한 경제성 저하, 처짐 진동 등의 사용성에 관한 문제가 제기되고 있다. 반면 철근콘크리트 구조는 이러한 단점에 대한 보완이 가능하나 공사기간 증가와 인건비 상승, 기능 인력확보 등의 문제가 대두되고 있다. 그러므로 위의 두 가지 구조 시스템의 장점을 추출 접목하는 복합구조 또는 합성구조의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 합성보는 상이한 두 가지 이상의 재료를 조합하여 성능을 향상시키는 구조재료, 부재 및 구조시스템을 총칭하는 것으로 HI Beam, iTECH, Slim-floor, Deep Deck 등이 개발 또는 도입되었다. 본 고에서는 최근 연구 개발하여 신기술(418호)로 지정받은 TSC 합성보에 대해 소개하고자 한다.

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• TSC+H형강기둥 내진접합성능 테스트

– 저자 : 박창희, 이철호, 박홍근, 이창남, 김형섭, 김성배

본 연구에서는 콘크리트채움 U형 합성보와 H형강 기둥 십자형 합성접합부의 내진상세를 제시하고, 2개의 실물대 실험체를 설계/제작하여 강구조내진기준의 표준실험절차에 따라 내진성능을 평가하였다. 주요 실험체 구성요소는 춤 450mm(실험체A) 및 550mm(실험체B) U형 강재보, 두게 165mm의 골데크플레이트 위에 타설된 콘크리트 바닥슬래브, U형보의 완전합성작용을 하기 위한 전단스터드, 부모멘트 전달을 위한 4개의 주철근 및 H형강 기둥에 정착을 위한 용접커플러 그리고 접합부 보강을 위한 보강판으로 구성된다. 순수 강재 보-기둥 접합부와 상이한 U형 합성접합부의 독특한 특성을 고려하여, 지진하중 하에서 내진성능에 결정적 영향을 미치는 보-기둥 접합부의 용접부 취성파단, 강판의 국부좌굴, 주철근의 휨좌굴, 콘크리트 압괴 등의 한계상태가 적절히 제어되도록 실험체를 설계하였다. 강구조내진 기준의 지진하중 가력프로그램에 따른 실험결과, 설계에서 의도한 바와 같이 여러 한계상태가 적절히 제어되어 실험체 A 및 B는 각각 6% 및 6.8% 라디안에 이르는 매우 뛰어난 층간변형능력을 발휘하였다. 이는 특수모멘트골조에 요구되는 4% 라디안 수준을 충분히 상회하는 만족스런 층간변형능력이다. 특히 접합부 강화전략에 의해 제안된 합성접합부 상세는 설계에서 의도한 것과 같이 소성힌지를 보강단부로서 밀어냄으로서 취약할 수 있는 보-기둥 용접접합부를 효과적으로 보호하였다. 실험체 A의 최종 파괴모드는 6.0% 층간변위에서 발생한 보강단부에 인접한 냉간성형 코너부의 점진적 저사이클피로에 의한 하부플랜지의 파단에 의해 발생하였다. 한편, 실험체 B는 8.0%의 높은 수준의 층간변위에서 발생한 볼트이음부 파단에 의해 내력을 상실하였다.

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• TSC 합성보의 거동 분석

– 저자 : 최재우, 김상모, 김영호, 김상섭, 이창남, 김규석

Composite beam have long been recognized as the most economical elements for floor systems built of a concrete slab and supporting steel sections. But general composite beam are limited to height of story and performance for construction work in the apartment building. TSC(T type Steel Concrete) beam system is developed to overcome these limites. Ten specimens are tested. During the experiment， crack pattem and deflection of beam were measured. The test result of TSC beam system is compared with the general composite beam and RC beam.