제8장 합성부재

8.1 개요

8.1.1 합성구조의 개념

합성구조(composite structure)는 강재와 콘크리트를 구조적으로 결합하여 두 재료가 일체로 거동하도록 한 구조형식이다. 전단연결재를 통해 강재와 콘크리트 사이의 미끄러짐을 방지하고, 각 재료의 장점을 최대한 활용한다.

합성구조에서는 강재가 주로 인장력을 부담하고 콘크리트가 압축력을 부담함으로써, 각 재료를 가장 효율적으로 사용할 수 있다.

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.
2. 경제성: 강재 사용량 감소로 재료비 절감. 부재 단면 축소로 층고 절감 가능.
3. 시공성: 강재가 거푸집 역할을 하여 시공 간소화. 강재 골조 선조립 후 콘크리트 타설 가능.
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. 정모멘트 구간에서 콘크리트가 압축, 강재가 인장 부담.
2. 합성기둥 (Composite Column): 강재와 콘크리트가 함께 압축력 부담. 충전형, 피복형, 내부형 등으로 구분.
3. 합성슬래브 (Composite Slab): 데크플레이트(deck plate)와 콘크리트의 합성. 데크플레이트가 거푸집 및 인장철근 역할.

8.2 전단연결재

8.2.1 전단연결재의 역할

전단연결재(shear connector)는 강재와 콘크리트 사이의 수평전단력을 전달하여 두 재료가 일체로 거동하도록 하는 장치이다. 전단연결재가 없으면 강재와 콘크리트 사이에 미끄러짐이 발생하여 합성효과를 얻을 수 없다.

• 수평전단력 전달
• 강재와 콘크리트의 분리 방지
• 수직방향 들림(uplift) 방지

8.2.2 전단연결재의 종류

1. 스터드 전단연결재 (Stud Shear Connector): 가장 일반적으로 사용. 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. 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)
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, \( h_r \): 데크 리브의 높이, \( H_s \): 스터드 높이

8.3 합성보

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.

1. 시공단계: 콘크리트 경화 전 강재 보 단독으로 하중 저항. 거푸집 및 습윤 콘크리트 중량을 강재 보가 부담.
2. 사용단계: 콘크리트 경화 후 합성단면으로 하중 저항. 강재 보만의 경우보다 강성 및 강도 증가.

8.3.2 유효폭

합성보에서 콘크리트 슬래브 전체가 압축력을 균등하게 부담하지 않으며, 강재 보에 가까운 부분에 응력이 집중된다. 이를 전단지연(shear lag) 현상이라고 하며, 이를 고려하여 유효폭(effective width)을 산정한다.

콘크리트 슬래브의 유효폭:

합성보의 유효폭은 다음 중 최소값:

(1) 보 경간의 1/4
(2) 보 중심간격
(3) 돌출 슬래브의 경우: 보 중심선으로부터 슬래브 두께의 8배 이내

8.3.3 휨강도

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

Case 1: 소성중립축이 콘크리트 슬래브 내에 위치

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, \( a \): 등가 직사각형 응력블록 깊이
\( A_s \): 강재 단면적, \( F_y \): 강재 항복강도, \( d_s \): 강재 도심에서 슬래브 상단까지 거리

Case 2: 소성중립축이 강재 플랜지 내에 위치

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, \( M_{ps} \): 강재 단면의 소성모멘트 중 콘크리트 압축력에 대응하는 부분

설계휨강도

\[ M_c = \phi_b M_n \qquad \phi_b = 0.90 \]

8.3.4 전단연결재 설계

완전합성과 부분합성

1. 완전합성 (Full Composite Action): 강재와 콘크리트가 완전히 일체로 거동. 최대 휨강도 발현.
2. 부분합성 (Partial Composite Action): 전단연결재가 완전합성보다 적게 배치. 경제적 설계 가능. 통상 25% 이상 확보.
완전합성에 필요한 수평전단력:

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

(2) 소성중립축이 강재 내:
\[ V_h = 0.85 f_{ck} b_{eff} t_c \]
필요한 전단연결재 개수:

완전합성: \( N = \frac{V_h}{\phi_{sc} Q_n} \)

부분합성: \( N = \alpha \times \frac{V_h}{\phi_{sc} Q_n} \)

여기서, \( \phi_{sc} = 0.85 \), \( \alpha \): 부분합성도 (0.25 ≤ α ≤ 1.0)
전단연결재 배치 기준:

• 최대 종방향 간격: 보 춤의 8배 이하
• 최소 종방향 간격: 스터드 직경의 6배 이상
• 플랜지 가장자리로부터 최소 25mm 이격

8.3.5 처짐 검토

탄성계수비:
\[ n = \frac{E_s}{E_c}, \qquad b_{eq} = \frac{b_{eff}}{n} \]

\( E_c = 8,500 \sqrt[3]{f_{ck}} \) (MPa)
총 처짐:
\[ \Delta_{total} = \Delta_{const} + \Delta_{service} \]
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

8.4 합성기둥

8.4.1 합성기둥의 종류

1. 충전형 합성기둥 (CFT): 강관 내부에 콘크리트 충전. 강관이 콘크리트를 구속하여 압축강도 증가.
2. 피복형 합성기둥 (SRC): H형강을 콘크리트로 피복. 내화성능 우수.
3. 내부형 합성기둥: 강재 단면이 콘크리트 내부에 매입. 강재와 콘크리트가 함께 하중 부담.

8.4.2 압축강도

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, \( A_s \): 강재 단면적, \( A_c \): 콘크리트 단면적, \( A_{sr} \): 철근 단면적
\( F_y \): 강재 항복강도, \( f_{ck} \): 콘크리트 설계기준압축강도
\( f_{yr} \): 철근 항복강도, \( \xi \): 구속효과 계수
합성기둥의 설계압축강도:

Step 1: 등가 단면2차모멘트 \( I_{eff} = I_s + I_c + I_{sr} \)
Step 2: 세장비 \( \lambda = KL / r_{eff} \)
Step 3: 좌굴곡선 적용
Step 4: \( P_c = \phi_c P_n \quad (\phi_c = 0.85) \)

8.4.3 설계 방법

1. 단면 구성 요건: 강재비 \( 0.01 \leq A_s/A_g \leq 0.09 \), 콘크리트 \( 21 \leq f_{ck} \leq 70 \) MPa
2. 횡보강근 (피복형): 띠철근 또는 나선철근으로 콘크리트 구속
3. 전단연결재 (필요시): 강재와 콘크리트 사이 하중 전달 보장
4. 축력과 휨모멘트의 조합: P-M 상관도를 이용한 검토
합성기둥의 상관식:

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

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

8.5 합성슬래브

8.5.1 데크플레이트

합성슬래브는 데크플레이트와 콘크리트가 합성작용을 하는 슬래브이다. 데크플레이트는 콘크리트 타설 시 거푸집 역할을 하고, 경화 후에는 인장철근 역할을 한다.

• 콘크리트 타설 시 거푸집 역할
• 시공하중 지지
• 경화 후 인장철근 역할
• 시공 속도 향상 및 공기 단축

8.5.2 설계 방법

시공단계 하중:

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

소성중립축 위치: \( 0.85 f_{ck} b a = A_s F_y \)

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

설계휨강도: \( M_c = \phi_b M_n \quad (\phi_b = 0.85) \)
합성슬래브의 처짐 검토:

시공단계: 처짐 한계 L/180 또는 20mm 중 작은 값
사용단계: 활하중 처짐 L/360 이하
온도·수축 철근:

최소 철근비: \( \rho = 0.0018 \) (이형철근), \( \rho = 0.0020 \) (용접철망)
최대 간격: 450mm 또는 슬래브 두께의 5배 중 작은 값

8.6 설계 예제

예제 8.1: 합성보 설계

문제:
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: DL = 3.0 kN/m², 활하중: LL = 5.0 kN/m²
스터드: 직경 19mm, F_u = 400 MPa

완전합성보로 설계하고 필요한 스터드 개수를 구하시오.

Step 1: 계수하중 w_u = 1.2(10.8+9.0) + 1.6(15.0) = 47.76 kN/m

Step 2: 소요휨강도 M_u = 47.76 × 10² / 8 = 597 kN·m

Step 3: 유효폭 b_eff = min(10000/4, 3000) = 2500 mm

Step 4: a = 38.7 mm, M_n = 652 kN·m, M_c = 587 kN·m < 597 kN·m → 단면 확대 필요

Step 5: (H-450×200×9×14 사용 시) 필요 스터드 수 = 24개, 반경간당 12개 배치

Step 6: 합성단면 단면2차모멘트 계산 후 처짐 검토 (Δ_LL ≤ L/360 = 27.8 mm)

8.7 시공 시 고려사항

8.7.1 합성보 시공

1. 전단연결재 용접: 스터드 용접 전 강재 표면 청소, 자동용접기 사용, 목시 검사 및 타격 시험
2. 콘크리트 타설: 타설 속도 및 순서 계획, 과도한 처짐 발생 방지, 필요시 동바리 설치
3. 양생: 적절한 양생 기간 확보, 조기 재하 방지

8.7.2 합성기둥 시공

1. 충전형: 강관 내부 청소, 콘크리트 충전 시 다짐 철저, 유동화 콘크리트 사용 권장
2. 피복형: 철근 배근 정확도 확보, 피복두께 유지, 거푸집 정밀도 확보

8.7.3 합성슬래브 시공

1. 데크플레이트 설치: 지지보 위치 확인, 이음부 겹침 확보, 보에 견고하게 고정
2. 콘크리트 타설: 데크플레이트 위 직접 타설 금지, 타설 방향 및 속도 조절
3. 품질관리: 데크플레이트 두께·강도 확인, 콘크리트 강도 시험

8.8 내화 설계

1. 합성보: 강재 보 하부 노출로 내화피복 필요. 내화뿜칠, 내화보드 등으로 보호.
2. 피복형 합성기둥: 콘크리트 피복으로 우수한 내화성능. 최소 피복두께: 40~60mm.
3. 충전형 합성기둥: 강관 외부 노출로 내화피복 필요.
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

8.9 특수 합성구조

8.9.1 프리캐스트 합성구조

프리캐스트 콘크리트 부재를 사용한 합성구조는 시공 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 공장 생산으로 품질 관리 용이하며, 프리캐스트 부재가 거푸집 역할을 한다. 이음부 처리 및 전단연결재 배치에 주의한다.

8.9.2 강관-콘크리트 복합구조

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

8.9.3 하이브리드 구조

서로 다른 강종이나 재료를 조합하여 경제성과 구조성능을 동시에 향상시킨 구조이다. 예로 플랜지는 고강도강, 복부는 일반강을 사용하거나, 하부층은 합성기둥, 상부층은 순수 철골을 사용하는 방식 등이 있다.

8.10 설계 시 유의사항

1. 시공단계 검토: 콘크리트 경화 전 강재만으로 하중 지지 가능한지 확인, 과도한 처짐 발생 시 동바리 계획
2. 크리프 및 건조수축: 장기 처짐에 콘크리트의 크리프 영향 고려, 균열 제어 철근 배치
3. 온도 효과: 강재와 콘크리트의 열팽창계수 차이 고려
4. 연속보의 부모멘트 구간: 슬래브 인장철근 배치 필수, 균열 제어 및 사용성 검토

8.11 경제성 검토

8.11.1 합성구조의 경제성

1. 재료비: 강재 사용량 감소로 재료비 절감. 전단연결재 추가 비용.
2. 시공비: 거푸집 설치 간소화. 공기 단축에 따른 간접비 절감.
3. 유지관리비: 내구성 향상으로 유지관리 용이.

8.11.2 최적 설계

1. 부분합성도 결정: 완전합성(α=1.0)~최소(α=0.25) 범위에서 경제성 분석으로 최적 α 결정
2. 강재 단면 선정: 경간에 적절한 춤 선정 (L/20~L/25), 표준 단면 사용으로 제작비 절감
3. 슬래브 두께: 구조적 요구사항과 설비 공간 고려, 일반적으로 120~180mm 범위

8.12 설계 예제 2

예제 8.2: 충전형 합성기둥 설계

문제:
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), f_ck = 30 MPa, K = 1.0

상관식을 이용하여 부재의 안전성을 검토하시오.

Step 1: 강관 A_s = 14,700 mm², 콘크리트 A_c = 111,000 mm²

Step 2: 구속효과 ξ = 0.31, P_no = 7,825 kN

Step 3: r_eff = 99.7 mm, λ = 40.1, P_c = 5,653 kN

Step 4: M_c = 405 kN·m

Step 5: P_r/P_c = 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

• 초고강도 재료: 압축강도 60~100 MPa의 고강도 콘크리트 및 HSA800(F_y=690 MPa) 고강도강 적용 증가
• 성능기반 설계: 지진하중 비선형 해석, 화재 시 구조성능 평가, LCC 분석 확대
• BIM 기반 설계: 3D 모델링으로 간섭 체크, 전단연결재 배치 최적화, 물량 산출 자동화

8.14 요약

1. 합성구조의 기본 개념: 전단연결재를 통해 강재와 콘크리트가 일체로 거동. 구조적 효율성·경제성·시공성 우수.
2. 전단연결재: 수평전단력 전달 및 일체 거동 확보. 완전합성과 부분합성 선택 가능.
3. 합성보: 소성응력분포법으로 휨강도 산정. 유효폭 고려. 시공단계와 사용단계 분리 검토.
4. 합성기둥: 충전형·피복형·내부형 구분. 구속효과로 압축강도 증가(CFT). 상관식으로 조합 검토.
5. 합성슬래브: 데크플레이트와 콘크리트의 합성. 전단-부착 파괴 모드 중요.
6. 설계 시 고려사항: 시공단계 검토 필수. 장기 처짐 고려. 내화성능 확보. 경제성 분석.