제8장 합성부재

8.1.2 합성구조의 장점

합성구조는 다음과 같은 장점을 가진다:

1. 구조적 효율성

• 강재와 콘크리트의 장점을 동시에 활용

• 동일한 하중에 대해 더 작은 단면으로 설계 가능

• 강재만 사용하는 경우보다 강성 및 강도 증가

2. 경제성

• 강재 사용량 감소로 재료비 절감

• 부재 단면 축소로 층고 절감 가능

• 시공 기간 단축

3. 시공성

• 강재가 거푸집 역할을 하여 시공 간소화

• 강재 골조 선조립 후 콘크리트 타설 가능

• 공기 단축 효과

4. 내화성능

• 콘크리트가 강재를 피복하여 내화성능 향상

• 별도의 내화피복 최소화 또는 불필요

8.1.3 합성구조의 종류

합성구조는 부재의 종류에 따라 다음과 같이 분류된다:

1. 합성보 (Composite Beam)

• 강재 보와 콘크리트 슬래브가 전단연결재로 결합

• 가장 일반적인 합성구조 형식

• 정모멘트 구간에서 콘크리트가 압축, 강재가 인장 부담

2. 합성기둥 (Composite Column)

• 강재와 콘크리트가 함께 압축력 부담

• 충전형, 피복형, 내부형 등으로 구분

• 높은 내력과 강성 확보

3. 합성슬래브 (Composite Slab)

• 데크플레이트(deck plate)와 콘크리트의 합성

• 데크플레이트가 거푸집 및 인장철근 역할

• 시공 효율성이 우수

8.2.2 전단연결재의 종류

전단연결재는 형태와 작용 메커니즘에 따라 다음과 같이 분류된다:

1. 스터드 전단연결재 (Stud Shear Connector)

• 가장 일반적으로 사용되는 형식

• 원형 단면의 강봉을 강재 플랜지에 용접

• 자동용접기로 빠른 시공 가능

2. 채널형 전단연결재 (Channel Shear Connector)

• 강재 채널을 플랜지에 용접

• 스터드보다 큰 전단강도

• 시공이 상대적으로 복잡

3. 기타 전단연결재

• 앵글형, T형, 나선형 등

• 특수한 경우에 사용

8.2.3 스터드 전단연결재

스터드 전단연결재는 원형 단면의 강봉으로 머리부(head)가 있어 콘크리트의 들림을 방지한다. 스터드는 자동용접기를 이용하여 강재 플랜지에 직접 용접되며, 시공이 간편하고 경제적이다.

스터드 전단연결재의 공칭강도:

(1) 콘크리트 파괴:
\[ Q_n = 0.5 A_{sc} \sqrt{f_{ck} E_c} \leq A_{sc} F_u \]

(2) 스터드 파괴:
\[ Q_n = A_{sc} F_u \]

여기서,
\( Q_n \): 스터드 1개의 공칭전단강도 (N)
\( A_{sc} \): 스터드의 단면적 (mm²)
\( f_{ck} \): 콘크리트 설계기준압축강도 (MPa)
\( E_c \): 콘크리트 탄성계수 (MPa)
\( F_u \): 스터드의 인장강도 (MPa, 최대 450 MPa)

데크플레이트를 사용하는 경우, 데크의 리브(rib) 방향에 따라 전단강도 감소계수를 적용해야 한다. 스터드가 데크 리브에 수직으로 배치되는 경우와 평행하게 배치되는 경우의 전단강도가 다르다.

데크플레이트가 있는 경우의 전단강도 감소:

데크 리브가 강재보에 수직인 경우:
\[ Q_n = 0.85 \times \frac{0.5 A_{sc} \sqrt{f_{ck} E_c}}{\sqrt{N_r}} \times \left(\frac{w_r}{h_r}\right)\left(\frac{H_s}{h_r} - 1\right) \leq A_{sc} F_u \]

데크 리브가 강재보에 평행한 경우:
\[ Q_n = 0.6 \times 0.5 A_{sc} \sqrt{f_{ck} E_c} \leq A_{sc} F_u \]

여기서,
\( N_r \): 리브 내 스터드 개수
\( w_r \): 데크 리브의 평균 폭 (mm)
\( h_r \): 데크 리브의 높이 (mm)
\( H_s \): 스터드 높이 (mm)

8.3.1 합성보의 거동

합성보는 강재 보와 콘크리트 슬래브가 전단연결재를 통해 일체로 거동하는 휨부재이다. 정모멘트가 작용하는 구간에서는 콘크리트 슬래브가 압축을 받고 강재 보가 인장을 받는다.

합성보의 거동 단계:

1. 시공단계

• 콘크리트 경화 전: 강재 보 단독으로 하중 저항

• 거푸집 및 습윤 콘크리트 중량을 강재 보가 부담

• 시공하중에 의한 처짐 발생

2. 사용단계

• 콘크리트 경화 후: 합성단면으로 하중 저항

• 활하중 및 추가 고정하중을 합성단면이 부담

• 강재 보만의 경우보다 강성 및 강도 증가

8.3.3 휨강도

합성보의 휨강도는 소성응력분포법을 사용하여 계산한다. 소성중립축의 위치에 따라 다음과 같이 구분된다:

Case 1: 소성중립축이 콘크리트 슬래브 내에 위치

콘크리트의 압축력이 강재의 인장력보다 큰 경우이다.

소성중립축이 슬래브 내에 있는 경우:

압축력과 인장력의 평형:
\[ 0.85 f_{ck} b_{eff} a = A_s F_y \]

압축응력 블록 깊이:
\[ a = \frac{A_s F_y}{0.85 f_{ck} b_{eff}} \]

공칭휨강도:
\[ M_n = A_s F_y \left(d_s - \frac{a}{2}\right) \]

여기서,
\( b_{eff} \): 슬래브 유효폭 (mm)
\( a \): 등가 직사각형 응력블록 깊이 (mm)
\( A_s \): 강재 단면적 (mm²)
\( F_y \): 강재 항복강도 (MPa)
\( d_s \): 강재 도심에서 슬래브 상단까지 거리 (mm)

Case 2: 소성중립축이 강재 플랜지 내에 위치

콘크리트의 압축력이 강재 복부와 하부 플랜지의 인장력과 평형을 이루는 경우이다.

소성중립축이 강재 플랜지 내에 있는 경우:

콘크리트 압축력:
\[ C_c = 0.85 f_{ck} b_{eff} t_c \]

공칭휨강도:
\[ M_n = C_c \left(d_s - \frac{t_c}{2}\right) + M_{ps} \]

여기서,
\( t_c \): 슬래브 두께 (mm)
\( M_{ps} \): 강재 단면의 소성모멘트 중 콘크리트 압축력에 대응하는 부분

설계휨강도

합성보의 설계휨강도는 공칭휨강도에 강도감소계수를 곱하여 산정한다.

설계휨강도:
\[ M_c = \phi_b M_n \]

여기서,
\( \phi_b = 0.90 \): 휨부재의 강도감소계수

8.3.4 전단연결재 설계

전단연결재는 강재와 콘크리트 사이의 수평전단력을 전달해야 한다. 수평전단력의 크기는 합성단면의 압축력 또는 인장력의 크기와 같다.

완전합성과 부분합성

전단연결재의 배치 정도에 따라 완전합성과 부분합성으로 구분된다:

1. 완전합성 (Full Composite Action)

• 강재와 콘크리트가 완전히 일체로 거동

• 필요한 수평전단력을 모두 전달할 수 있는 전단연결재 배치

• 최대 휨강도 발현

2. 부분합성 (Partial Composite Action)

• 전단연결재가 완전합성에 필요한 양보다 적게 배치

• 경제적 설계 가능

• 휨강도는 완전합성보다 작음 (통상 25% 이상 확보)

완전합성에 필요한 수평전단력:

(1) 소성중립축이 슬래브 내에 있는 경우:
\[ V_h = \min(0.85 f_{ck} b_{eff} t_c, \, A_s F_y) \]

(2) 소성중립축이 강재 내에 있는 경우:
\[ V_h = 0.85 f_{ck} b_{eff} t_c \]

여기서,
\( V_h \): 완전합성에 필요한 수평전단력 (N)

전단연결재 개수 산정

필요한 전단연결재 개수:

완전합성:
\[ N = \frac{V_h}{\phi_{sc} Q_n} \]

부분합성:
\[ N = \alpha \times \frac{V_h}{\phi_{sc} Q_n} \]

여기서,
\( N \): 전단연결재 개수
\( \phi_{sc} = 0.85 \): 전단연결재 강도감소계수
\( Q_n \): 전단연결재 1개당 공칭전단강도 (N)
\( \alpha \): 부분합성도 (0.25 ≤ α ≤ 1.0)

전단연결재 배치

전단연결재는 최대 모멘트 위치에서 단부(모멘트가 0인 위치)까지 균등하게 배치하는 것이 일반적이다. 그러나 수평전단력의 분포에 따라 비균등 배치도 가능하다.

전단연결재 배치 기준:

• 최대 종방향 간격: 보 춤의 8배 이하
• 최소 종방향 간격: 스터드 직경의 6배 이상
• 횡방향 간격: 데크 리브 폭에 따라 결정
• 플랜지 가장자리로부터 최소 25mm 이격

8.3.5 처짐 검토

합성보의 처짐은 시공단계와 사용단계로 구분하여 검토한다. 시공단계에서는 강재 보 단독으로 처짐을 계산하고, 사용단계에서는 합성단면으로 처짐을 계산한다.

유효단면2차모멘트

합성단면의 단면2차모멘트를 계산할 때, 콘크리트는 탄성계수비를 사용하여 등가 강재 폭으로 환산한다.

탄성계수비:
\[ n = \frac{E_s}{E_c} \]

콘크리트의 등가 폭:
\[ b_{eq} = \frac{b_{eff}}{n} \]

여기서,
\( E_s \): 강재 탄성계수 (200,000 MPa)
\( E_c \): 콘크리트 탄성계수 (MPa)
\( E_c = 8,500 \sqrt[3]{f_{ck}} \) (MPa)

총 처짐

합성보의 총 처짐은 시공단계 처짐과 사용단계 처짐을 합산한다.

총 처짐:
\[ \Delta_{total} = \Delta_{const} + \Delta_{service} \]

여기서,
\( \Delta_{const} \): 시공단계 처짐 (강재 보 단독)
\( \Delta_{service} \): 사용단계 처짐 (합성단면)

처짐 제한

처짐 한계:

• 활하중에 의한 처짐: L/360 이하
• 지붕 및 바닥 마감 후 활하중 처짐: L/240 이하
• 취성재료 손상을 야기할 수 있는 전체 처짐: L/480 이하

여기서 L은 부재의 경간 (mm)

처짐이 과도한 경우 캠버(camber)를 주거나 슬래브 두께를 증가시켜 합성단면의 강성을 향상시킬 수 있다.

8.4.1 합성기둥의 종류

합성기둥은 강재와 콘크리트의 배치 형태에 따라 다음과 같이 분류된다:

1. 충전형 합성기둥 (Concrete-Filled Steel Tube, CFT)

• 강관(원형 또는 각형) 내부에 콘크리트 충전

• 강관이 콘크리트를 구속하여 압축강도 증가

• 내화피복 필요

2. 피복형 합성기둥 (Concrete-Encased Steel Section, SRC)

• H형강 또는 조립단면을 콘크리트로 피복

• 콘크리트가 강재를 보호하여 내화성능 우수

• 단면이 크고 철근 배근 필요

3. 내부형 합성기둥

• 강재 단면이 콘크리트 내부에 매입

• 강재와 콘크리트가 함께 하중 부담

8.4.2 압축강도

합성기둥의 압축강도는 강재와 콘크리트의 압축강도를 합산하여 계산하되, 좌굴의 영향을 고려해야 한다.

공칭압축강도

합성기둥의 공칭축압축강도:

(1) 충전형 합성기둥 (CFT):
\[ P_{no} = A_s F_y + A_c f_{ck} (1 + \xi) \]

(2) 피복형 합성기둥 (SRC):
\[ P_{no} = A_s F_y + A_c f_{ck} + A_{sr} f_{yr} \]

여기서,
\( P_{no} \): 공칭축압축강도 (N)
\( A_s \): 강재 단면적 (mm²)
\( A_c \): 콘크리트 단면적 (mm²)
\( A_{sr} \): 철근 단면적 (mm²)
\( F_y \): 강재 항복강도 (MPa)
\( f_{ck} \): 콘크리트 설계기준압축강도 (MPa)
\( f_{yr} \): 철근 항복강도 (MPa)
\( \xi \): 구속효과 계수

구속효과

충전형 합성기둥에서 강관은 콘크리트를 횡방향으로 구속하여 콘크리트의 압축강도를 증가시킨다. 이러한 구속효과는 원형 강관에서 가장 크게 나타난다.

구속효과 계수:

원형 CFT:
\[ \xi = \frac{A_s F_y}{A_c f_{ck}} \times \frac{t}{D} \times \alpha \]

각형 CFT:
\[ \xi = 0 \quad \text{(보수적으로 구속효과 무시)} \]

여기서,
\( t \): 강관 두께 (mm)
\( D \): 강관 외경 (mm)
\( \alpha \): 구속계수 (재료 특성에 따라 결정)

좌굴을 고려한 압축강도

합성기둥의 설계압축강도는 세장비에 따른 좌굴의 영향을 고려하여 산정한다.

합성기둥의 설계압축강도:

Step 1: 합성단면의 특성 계산
• 등가 단면적: \( A_{eff} = A_s + A_c + A_{sr} \)
• 등가 단면2차모멘트: \( I_{eff} = I_s + I_c + I_{sr} \)
• 등가 회전반경: \( r_{eff} = \sqrt{I_{eff}/A_{eff}} \)

Step 2: 세장비 계산
\[ \lambda = \frac{KL}{r_{eff}} \]

Step 3: 좌굴강도 계산
일반 강재 기둥과 동일한 방법으로 좌굴곡선 적용

Step 4: 설계압축강도
\[ P_c = \phi_c P_n \]

여기서,
\( K \): 유효좌굴길이계수
\( L \): 부재 길이 (mm)
\( \phi_c = 0.85 \): 합성기둥의 강도감소계수

8.4.3 설계 방법

합성기둥의 설계는 다음의 절차에 따라 수행한다:

1. 단면 구성 요건

• 강재비: \( 0.01 \leq \frac{A_s}{A_g} \leq 0.09 \)

• 콘크리트 압축강도: \( 21 \leq f_{ck} \leq 70 \) MPa

• CFT의 경우: 강관 두께/폭 비율 제한

2. 횡보강근 (피복형의 경우)

• 띠철근 또는 나선철근으로 콘크리트 구속

• 최소 철근비 및 간격 규정 준수

• 강재 플랜지와 복부 사이 횡보강근 배치

3. 전단연결재 (필요시)

• 강재와 콘크리트 사이의 하중 전달 보장

• 부재 단부 및 하중 집중 구간에 배치

4. 축력과 휨모멘트의 조합

• 합성기둥이 휨모멘트를 받는 경우 상관식 적용

• P-M 상관도를 이용한 검토

합성기둥의 상관식:

(1) \( \frac{P_r}{P_c} \geq 0.2 \) 인 경우:
\[ \frac{P_r}{P_c} + \frac{8}{9}\left(\frac{M_{rx}}{M_{cx}} + \frac{M_{ry}}{M_{cy}}\right) \leq 1.0 \]

(2) \( \frac{P_r}{P_c} < 0.2 \) 인 경우:
\[ \frac{P_r}{2P_c} + \left(\frac{M_{rx}}{M_{cx}} + \frac{M_{ry}}{M_{cy}}\right) \leq 1.0 \]

여기서,
\( P_r \): 소요축력
\( P_c \): 설계축압축강도
\( M_{rx}, M_{ry} \): 소요휨강도
\( M_{cx}, M_{cy} \): 설계휨강도

접합부 설계

합성기둥과 보의 접합부는 하중을 안전하게 전달할 수 있도록 설계해야 한다. 특히 충전형 합성기둥의 경우, 강관과 내부 콘크리트 사이의 응력 전달을 고려해야 한다.

• 다이어프램(diaphragm) 설치로 하중 전달

• 강관 관통 볼트 또는 스터드 사용

• 접합부에서 강재와 콘크리트의 응력 분담 검토

8.5.1 데크플레이트

합성슬래브는 데크플레이트와 콘크리트가 합성작용을 하는 슬래브이다. 데크플레이트(deck plate)는 골이 진 얇은 강판으로, 콘크리트 타설 시 거푸집 역할을 하고 경화 후에는 인장철근 역할을 한다.

데크플레이트의 기능:

• 콘크리트 타설 시 거푸집 역할

• 시공하중 지지

• 경화 후 인장철근 역할

• 시공 속도 향상 및 공기 단축

데크플레이트의 형상

데크플레이트는 리브(rib)의 형상에 따라 다양한 제품이 있으며, 리브의 높이와 간격에 따라 구조적 성능이 달라진다.

• 리브 높이: 일반적으로 50~75mm

• 판 두께: 0.8~1.2mm

• 표면 형상: 엠보싱 또는 리브 형상으로 부착력 확보

부착 메커니즘

데크플레이트와 콘크리트 사이의 부착은 다음의 메커니즘으로 이루어진다:

1. 화학적 부착 (Chemical Bond)

• 콘크리트와 강재 표면의 화학적 결합

• 초기 부착력 제공

2. 마찰 (Friction)

• 데크플레이트 표면의 마찰력

• 수직응력에 의해 발생

3. 기계적 맞물림 (Mechanical Interlock)

• 엠보싱 또는 리브 형상에 의한 맞물림

• 가장 중요한 부착 메커니즘

8.5.2 설계 방법

합성슬래브의 설계는 시공단계와 사용단계로 구분하여 수행한다.

시공단계 검토

콘크리트 경화 전에는 데크플레이트 단독으로 자중, 습윤 콘크리트 중량, 시공하중을 지지해야 한다.

시공단계 하중:

• 데크플레이트 자중
• 습윤 콘크리트 하중: \( 24 \times h \) (kN/m²)
• 시공하중: 최소 1.5 kN/m²

데크플레이트의 휨강도 및 처짐 검토 필요

사용단계 검토

콘크리트 경화 후에는 합성단면으로 활하중 및 추가 하중을 지지한다. 합성슬래브의 파괴모드는 다음과 같다:

1. 휨파괴 (Flexural Failure)

• 정모멘트 구간에서 데크플레이트 항복

• 콘크리트 압괴

2. 전단-부착 파괴 (Shear-Bond Failure)

• 데크플레이트와 콘크리트 사이의 슬립

• 지점 부근에서 주로 발생

• 설계에서 가장 중요한 파괴모드

3. 전단파괴 (Vertical Shear Failure)

• 슬래브의 전단강도 부족

• 집중하중 작용 시 발생 가능

휨강도 설계

합성슬래브의 공칭휨강도:

소성중립축 위치 결정:
\[ 0.85 f_{ck} b a = A_s F_y \]

공칭휨강도:
\[ M_n = A_s F_y \left(d - \frac{a}{2}\right) \]

설계휨강도:
\[ M_c = \phi_b M_n \quad (\phi_b = 0.85) \]

여기서,
\( b \): 슬래브 단위폭 (mm)
\( a \): 등가 응력블록 깊이 (mm)
\( A_s \): 데크플레이트 단위폭당 단면적 (mm²/m)
\( d \): 데크플레이트 도심에서 슬래브 상단까지 거리 (mm)

전단-부착 강도 설계

전단-부착 강도는 실험을 통해 결정되며, 제조사가 제공하는 하중표를 사용하거나 다음의 경험식을 사용한다.

전단-부착 강도 (경험식):

\[ V_u = \frac{b d}{L_s} (m A_s + k) \]

여기서,
\( V_u \): 전단-부착 강도 (N)
\( L_s \): 전단경간 (mm)
\( m, k \): 실험으로 결정된 상수

실무에서는 제조사가 제공하는 하중표를 사용하는 것이 일반적이며, 이는 실험 결과를 바탕으로 작성된다.

처짐 검토

합성슬래브의 처짐 검토:

시공단계:
• 데크플레이트 단독 단면의 강성 사용
• 처짐 한계: L/180 또는 20mm 중 작은 값

사용단계:
• 합성단면의 강성 사용
• 활하중 처짐: L/360 이하
• 균열 콘크리트의 유효강성 고려 (0.5~0.7배)

온도 및 수축 철근

합성슬래브에는 콘크리트의 건조수축 및 온도변화에 의한 균열을 제어하기 위해 보조철근을 배치한다.

온도·수축 철근:

최소 철근비:
\[ \rho = 0.0018 \quad \text{(이형철근 사용 시)} \]
\[ \rho = 0.0020 \quad \text{(용접철망 사용 시)} \]

배치:
• 데크 리브 방향에 수직으로 배치
• 최대 간격: 450mm 또는 슬래브 두께의 5배 중 작은 값
• 데크플레이트 상부에 배치

8.6 설계 예제

예제 8.1: 합성보 설계

문제:
다음 조건의 합성보를 설계하시오.

• 경간: L = 10 m (단순보)
• 보 간격: 3.0 m
• 강재 보: H-400×200×8×13 (SS400, F_y = 235 MPa)
• 콘크리트 슬래브: 두께 150mm (f_ck = 24 MPa)
• 고정하중(콘크리트 제외): DL = 3.0 kN/m²
• 활하중: LL = 5.0 kN/m²
• 스터드: 직경 19mm, F_u = 400 MPa

완전합성보로 설계하고 필요한 스터드 개수를 구하시오.

풀이:

Step 1: 하중 계산

슬래브 자중: 24 × 0.15 × 3.0 = 10.8 kN/m

기타 고정하중: 3.0 × 3.0 = 9.0 kN/m

활하중: 5.0 × 3.0 = 15.0 kN/m

계수하중: w_u = 1.2(10.8+9.0) + 1.6(15.0) = 47.76 kN/m

Step 2: 소요휨강도

M_u = w_u L² / 8 = 47.76 × 10² / 8 = 597 kN·m

Step 3: 유효폭 결정

b_eff = min(L/4, 보간격) = min(10000/4, 3000) = 2500 mm

Step 4: 소성중립축 위치 및 휨강도

H-400×200×8×13: A_s = 8,400 mm², d_s = 200+150 = 350 mm

압축력: C_c = 0.85 × 24 × 2500 × a

인장력: T_s = 8400 × 235 = 1,974,000 N

a = 1,974,000 / (0.85 × 24 × 2500) = 38.7 mm < 150 mm (슬래브 내)

M_n = 1,974 × (350 - 38.7/2) = 652,000 kN·mm = 652 kN·m

M_c = 0.90 × 652 = 587 kN·m < 597 kN·m (NG)

→ 단면 확대 필요 또는 부분합성 적용 검토

Step 5: 전단연결재 설계 (H-450×200×9×14 사용 시)

A_s = 9,660 mm² 가정

V_h = min(0.85 × 24 × 2500 × 150, 9660 × 235) = 2,270,100 N

스터드 강도: A_sc = π × 19²/4 = 284 mm²

Q_n = 0.5 × 284 × √(24 × 26,700) = 113,700 N

Q_n = min(113,700, 284 × 400) = 113,700 N

필요 스터드 수: N = 2,270,100 / (0.85 × 113,700) = 24개

지점에서 최대모멘트 위치까지: 24/2 = 12개 배치

Step 6: 처짐 검토

합성단면의 단면2차모멘트 계산 후 처짐 검토

Δ_LL ≤ L/360 = 10,000/360 = 27.8 mm 확인

8.7 시공 시 고려사항

8.7.1 합성보 시공

합성보 시공 시 다음 사항을 고려해야 한다:

1. 전단연결재 용접

• 스터드 용접 전 강재 표면 청소

• 자동용접기 사용으로 품질 확보

• 용접 후 목시 검사 및 타격 시험

2. 콘크리트 타설

• 콘크리트 타설 속도 및 순서 계획

• 시공 중 과도한 처짐 발생 방지

• 필요시 동바리(shore) 설치

3. 양생

• 적절한 양생 기간 확보

• 조기 재하 방지

8.7.2 합성기둥 시공

합성기둥 시공 시 다음 사항을 고려해야 한다:

1. 충전형 합성기둥

• 강관 내부 청소 및 이물질 제거

• 콘크리트 충전 시 다짐 철저

• 재료 분리 방지

• 유동화 콘크리트 사용 권장

2. 피복형 합성기둥

• 철근 배근 정확도 확보

• 피복두께 유지

• 거푸집 정밀도 확보

8.7.3 합성슬래브 시공

합성슬래브 시공 시 다음 사항을 고려해야 한다:

1. 데크플레이트 설치

• 지지보 위치 및 간격 확인

• 데크플레이트 이음부 적절한 겹침 확보

• 보에 견고하게 고정 (용접 또는 슈팅핀)

2. 콘크리트 타설

• 데크플레이트 위 직접 타설 금지 (작업발판 사용)

• 타설 방향 및 속도 조절

• 슬래브 두께 정확도 확보

3. 품질관리

• 데크플레이트 두께 및 강도 확인

• 콘크리트 강도 시험

• 온도·수축 철근 배근 확인

8.8 내화 설계

8.8.1 합성부재의 내화성능

합성구조는 콘크리트가 강재를 보호하여 내화성능이 향상되는 장점이 있다. 그러나 부재 형식에 따라 내화성능이 다르므로 적절한 내화 설계가 필요하다.

1. 합성보

• 강재 보 하부가 노출되어 내화피복 필요

• 슬래브가 상부를 보호하여 상부 플랜지는 상대적으로 유리

• 내화뿜칠, 내화보드 등으로 보호

2. 피복형 합성기둥

• 콘크리트 피복으로 우수한 내화성능

• 피복두께 확보 시 별도 내화피복 불필요

• 최소 피복두께: 40~60mm (내화시간에 따라 결정)

3. 충전형 합성기둥

• 강관 외부가 노출되어 내화피복 필요

• 내부 콘크리트가 축열 효과로 온도 상승 지연

• 대형 단면의 경우 내화성능 향상

8.8.2 내화 설계 기준

건축물 내화구조 기준 (건축법):

• 1시간 내화: 일반 건축물
• 2시간 내화: 고층 건축물 (16층 이상)
• 3시간 내화: 특수 건축물

내화성능 확보 방법:
• 콘크리트 피복
• 내화뿜칠
• 내화보드
• 내화페인트
• 수막설비 (특수한 경우)

8.9 특수 합성구조

8.9.1 프리캐스트 합성구조

프리캐스트(precast) 콘크리트 부재를 사용한 합성구조는 시공 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 프리캐스트 슬래브 위에 현장타설 콘크리트를 타설하여 합성단면을 구성한다.

프리캐스트 합성구조의 특징:

• 공장 생산으로 품질 관리 용이

• 현장 작업 최소화로 공기 단축

• 프리캐스트 부재가 거푸집 역할

• 이음부 처리 및 전단연결재 배치 주의

8.9.2 강관-콘크리트 복합구조

초고층 건물에서는 외부 강관과 내부 H형강, 그리고 콘크리트를 조합한 복합구조를 사용하여 고강도와 고강성을 확보한다.

복합구조의 형식:

1. 이중강관 충전형 (Double Skin CFT)

• 외부 강관과 내부 강관 사이에 콘크리트 충전

• 매우 높은 압축강도

• 경량화 효과

2. 강관+H형강 충전형

• 강관 내부에 H형강과 콘크리트 배치

• 강재비 증가로 고강도 확보

• 접합부 시공 용이

8.9.3 하이브리드 구조

하이브리드(hybrid) 구조는 서로 다른 강종이나 재료를 조합하여 경제성과 구조성능을 동시에 향상시킨 구조이다.

하이브리드 구조의 예:

• 플랜지는 고강도강, 복부는 일반강 사용

• 하부층은 합성기둥, 상부층은 순수 철골 사용

• 압축부는 콘크리트, 인장부는 강재 사용

8.10 설계 시 유의사항

8.10.1 일반 유의사항

합성구조 설계 시 다음 사항에 유의해야 한다:

1. 시공단계 검토

• 콘크리트 경화 전 강재만으로 하중 지지 가능한지 확인

• 과도한 처짐 발생 시 동바리 설치 계획

• 시공하중 및 시공 순서 고려

2. 크리프 및 건조수축

• 장기 처짐에 콘크리트의 크리프 영향 고려

• 건조수축에 의한 균열 제어 철근 배치

• 프리스트레스 손실 고려 (PS 합성보의 경우)

3. 온도 효과

• 강재와 콘크리트의 열팽창계수 차이 고려

• 화재 시 온도 분포 및 변형 검토

4. 연속보의 부모멘트 구간

• 부모멘트 구간에서는 슬래브가 인장, 강재가 압축

• 슬래브 인장철근 배치 필수

• 균열 제어 및 사용성 검토

8.10.2 전단연결재 설계 유의사항

전단연결재 설계 시 다음 사항에 유의해야 한다:

1. 피로 검토

• 반복하중을 받는 구조물(교량 등)에서는 피로 검토 필수

• 스터드의 피로강도 고려

• 응력 범위에 따른 설계

스터드의 피로강도:
\[ Z_r = \alpha d^2 \quad (\text{N}) \]

여기서,
\( Z_r \): 피로강도 (N)
\( d \): 스터드 직경 (mm)
\( \alpha \): 하중 사이클에 따른 계수

2. 배치 상세

• 최소 콘크리트 피복: 스터드 측면 50mm, 상부 25mm

• 플랜지 폭 제한: 스터드가 플랜지 폭 내에 배치

• 데크 리브 내 배치 시 간섭 확인

3. 용접 품질 관리

• 용접 후 육안검사: 용접부 균열, 기공 확인

• 굽힘 시험: 스터드를 30° 굽혀 용접부 확인

• 불합격 스터드는 제거 후 재시공

8.10.3 처짐 제어

합성구조의 처짐 제어를 위한 방법:

1. 캠버 (Camber)

• 강재 보에 미리 상향 곡률 부여

• 고정하중에 의한 처짐 상쇄

• 제작 및 시공 정밀도 필요

2. 슬래브 두께 증가

• 합성단면의 강성 증가

• 자중 증가로 경제성 검토 필요

3. 강재 단면 증가

• 시공단계 및 사용단계 강성 모두 증가

• 재료비 증가

4. 동바리 사용

• 시공단계 처짐 제어

• 콘크리트 경화 후 제거

• 제거 시점 및 순서 중요

8.11 경제성 검토

8.11.1 합성구조의 경제성

합성구조의 경제성은 다음 요소들을 종합적으로 고려하여 평가한다:

1. 재료비

• 강재 사용량 감소로 재료비 절감

• 전단연결재 추가 비용

• 콘크리트 및 철근 비용

2. 시공비

• 거푸집 설치 간소화

• 공기 단축에 따른 간접비 절감

• 스터드 용접 등 추가 작업

3. 유지관리비

• 내구성 향상으로 유지관리 용이

• 내화피복 범위 축소

8.11.2 최적 설계

합성구조의 최적 설계를 위한 고려사항:

1. 부분합성도 결정

• 완전합성(α=1.0): 최대 강도, 최대 전단연결재

• 부분합성(α=0.5~0.8): 경제적 설계 가능

• 최소 부분합성도(α=0.25): 최소 요구사항

• 경제성 분석으로 최적 α 결정

2. 강재 단면 선정

• 경간에 적절한 춤 선정 (L/20~L/25)

• 시공단계 검토로 최소 단면 결정

• 표준 단면 사용으로 제작비 절감

3. 슬래브 두께

• 구조적 요구사항과 설비 공간 고려

• 일반적으로 120~180mm 범위

• 데크플레이트 사용 시 리브 높이 고려

8.12 설계 예제 2

예제 8.2: 충전형 합성기둥 설계

문제:
원형 강관에 콘크리트를 충전한 합성기둥을 설계하시오.

• 기둥 높이: L = 4.0 m
• 소요축력: P_r = 3,000 kN
• 소요휨모멘트: M_r = 200 kN·m
• 강관: D = 400mm, t = 12mm (SS400, F_y = 235 MPa)
• 콘크리트: f_ck = 30 MPa
• 유효좌굴길이계수: K = 1.0

상관식을 이용하여 부재의 안전성을 검토하시오.

풀이:

Step 1: 단면 특성

강관 단면적: A_s = π(D²-(D-2t)²)/4 = π(400²-376²)/4 = 14,700 mm²

콘크리트 단면적: A_c = π(D-2t)²/4 = π×376²/4 = 111,000 mm²

강관 단면2차모멘트: I_s = π(D⁴-(D-2t)⁴)/64 = 270×10⁶ mm⁴

콘크리트 단면2차모멘트: I_c = π(D-2t)⁴/64 = 980×10⁶ mm⁴

Step 2: 공칭압축강도 (구속효과 고려)

구속효과 계수: ξ = (A_s F_y)/(A_c f_ck) × t/D × 2.0 (가정)

ξ = (14,700 × 235)/(111,000 × 30) × 12/400 × 2.0 = 0.31

P_no = A_s F_y + A_c f_ck (1 + ξ)

P_no = 14,700 × 235 + 111,000 × 30 × (1 + 0.31) = 7,825 kN

Step 3: 좌굴을 고려한 압축강도

등가 단면2차모멘트: I_eff = I_s + I_c = 1,250×10⁶ mm⁴

등가 회전반경: r_eff = √(I_eff/(A_s+A_c)) = √(1,250×10⁶/125,700) = 99.7 mm

세장비: λ = KL/r_eff = 1.0 × 4,000/99.7 = 40.1

좌굴강도 계산 (KDS 기준 적용, 가정): P_n = 0.85 × P_no = 6,651 kN

설계압축강도: P_c = φ_c P_n = 0.85 × 6,651 = 5,653 kN

Step 4: 공칭휨강도

합성단면의 소성모멘트 계산 (가정): M_n = 450 kN·m

설계휨강도: M_c = φ_b M_n = 0.90 × 450 = 405 kN·m

Step 5: 상관식 검토

P_r/P_c = 3,000/5,653 = 0.53 > 0.2

상관식 (1) 적용:

\[ \frac{3,000}{5,653} + \frac{8}{9} \times \frac{200}{405} = 0.53 + 0.44 = 0.97 < 1.0 \quad \text{(OK)} \]

결론: 상관식을 만족하므로 부재는 안전하다.

8.13 최신 기술 동향

8.13.1 초고강도 재료

최근 합성구조에서는 초고강도 재료의 사용이 증가하고 있다:

1. 고강도 콘크리트

• 압축강도 60~100 MPa의 고강도 콘크리트 적용

• 부재 단면 축소로 경제성 향상

• 초고층 건물 하부 기둥에 적용

2. 고강도강

• HSA800 (F_y = 690 MPa) 등 고강도강 사용

• 강재 사용량 감소

• 용접성 및 가공성 고려 필요

8.13.2 성능기반 설계

합성구조의 성능기반 설계 적용이 확대되고 있다:

• 지진하중에 대한 비선형 해석

• 화재 시 구조성능 평가

• 생애주기비용(LCC) 분석

• 내구성 및 피로 성능 평가

8.13.3 BIM 기반 설계 및 시공

BIM(Building Information Modeling)을 활용한 합성구조 설계 및 시공:

• 3D 모델링으로 간섭 체크

• 전단연결재 배치 최적화

• 시공 순서 시뮬레이션

• 물량 산출 자동화

8.14 요약

합성구조는 강재와 콘크리트의 장점을 결합한 효율적인 구조 시스템이다. 주요 내용을 요약하면 다음과 같다:

1. 합성구조의 기본 개념

• 전단연결재를 통해 강재와 콘크리트가 일체로 거동

• 각 재료의 장점을 최대한 활용

• 구조적 효율성, 경제성, 시공성 우수

2. 전단연결재

• 수평전단력 전달 및 일체 거동 확보

• 스터드 전단연결재가 가장 일반적

• 완전합성과 부분합성 선택 가능

3. 합성보

• 소성응력분포법으로 휨강도 산정

• 유효폭 고려

• 시공단계와 사용단계 분리 검토

4. 합성기둥

• 충전형, 피복형, 내부형으로 구분

• 구속효과로 압축강도 증가 (CFT)

• 상관식으로 축력과 휨모멘트 조합 검토

5. 합성슬래브

• 데크플레이트와 콘크리트의 합성

• 전단-부착 파괴 모드 중요

• 시공 효율성 우수

6. 설계 시 고려사항

• 시공단계 검토 필수

• 장기 처짐(크리프, 건조수축) 고려

• 내화성능 확보

• 경제성 분석으로 최적 설계

합성구조는 현대 건축구조에서 필수적인 구조형식으로, 지속적인 기술 발전과 함께 그 적용 범위가 확대되고 있다. 설계자는 합성구조의 특성을 정확히 이해하고, 각 프로젝트의 조건에 맞는 최적의 설계를 수행해야 한다.