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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.6 No.4 pp.30-37
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.4.030

Flexural Behavior of iFLASH System with No Blast Metal Cleaned Steel Plates

Yong-Yeal Kim1, Jaeho Ryu2, Sung-Won Yoon3, Young K. Ju4
1Master Student, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, Seoul, Korea
2Research Professor, School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, Seoul, Korea
3Professor, School of Architecture, Seoul National University of Science & Technology, Seoul, Korea
4Professor, School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, Seoul, Korea

Corresponding author: Ju, Young K. School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, 202 College of Engineering, Anam-dong 5-ga, Seongbuk-gu, Seoul 136-713, Korea. Tel: +82-2-3290-3327, tallsite@korea.ac.kr
October 30, 2015 November 16, 2015 November 17, 2015

Abstract

iFLASH System is new structural floor system which consists of sandwich panels filled with nano-composite. The nano-composite has low specific gravity and high bonding strength with steel plates. The bonding strength is one of important factors for structural performance of iFLASH System and it can further be improved by surface preparation such as blast metal cleaning. However, using none blast steel plates is recommended since surface preparation generates additional fabrication time and cost. In this study, a bonding strength test and bending experiment were conducted to check feasibility of applying none blast steel plates to iFLASH System. Moreover, stress in bonding plane between steel plates and nano-composite was analytically evaluated by finite element method. Consequently, flexural capacity of the specimen was 11% higher than theoretically calibrated value and its flexural behavior was structurally efficient without defect of bonding.


비표면처리 강판을 사용한 iFLASH 시스템의 휨성능 평가

김 용열1, 류 재호2, 윤 성원3, 주 영규4
1고려대학교 건축사회환경공학과 석사과정
2고려대학교 건축사회환경공학부 연구교수
3서울과학기술대학교 건축학부 교수
4고려대학교 건축사회환경공학부 교수

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2013R1A2A2A01067872

    1.서 론

    현대의 건축물은 도시 인구 및 시설의 집약화로 나날이 고층화 되고 있으며, 이에 따라 공간 효율성 및 임대수익 증가를 위하여 층고 절감 및 시공효율성 을 증진 시킬 수 있는 새로운 합성구조 시스템에 대 한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

    국내에서는 i-TECH 합성보, TSC 합성보, MHS 합 성보, 스마트빔(SMARTBEAM), 미국과 유럽에서는 비대칭 형강에 춤이 깊은 데크나 하프 PC(Half PC) 등을 적용한 플렉스 프레임(Flex Frame)과 슬림플로 어(Slim Floor)가 각각 개발되어 층고 절감 및 사용성 향상을 도모하였다.

    그러나 위의 시스템은 보를 슬래브에 매립함으로써 복잡한 상세를 가지므로 시공성이 저하되는 단점이 있다. PC공법은 이와 같은 문제점을 해결하고, 거푸 집 제작 및 현장 타설 콘크리트의 양을 줄임으로써 공기단축 및 시공효율성을 도모하였으나 높은 중량, 덧침콘크리트 타설, 접합부 설치를 위하여 숙련공이 필요한 점은 여전히 한계점으로 지적되고 있다. 특히 국내의 PC 공법은 추가공정 및 운반비로 추가비용이 발생하여 현장 타설에 비해 경제성이 떨어진다는 단 점이 있다.

    따라서 시공성 및 공기 문제를 해결하고, 자중을 저감하여 구조적 효율성을 확보하고자 새로운 바닥구 조 시스템을 제안하였다. 새로이 개발된 iFLASH (innovative Fire-proof Light-weighted Absorbed Shallow Hybrid) 시스템은 Fig. 1과 같이 강판사이에 신소재인 특수나노소재가 충진된 합성 패널로 구성되 는데, 여기에 사용된 특수나노소재는 고성능의 부착강 도로 슬래브가 높은 휨 저항 성능을 발휘하도록 하며, 낮은 비중을 가지므로 자중을 저감시킨다. 또한 모듈 -골조 및 모듈-모듈 간의 결속을 볼트접합 및 용접을 이용하므로 공기가 단축되며, 세장한 두께와 경량성으 로 층고 절감 및 구조물량 저감을 도모할 수 있다.

    iFLASH 시스템을 구성하는 부재는 Fig. 2와 같이 기본모듈(typical module)과 개보수용 모듈(renovation module)이 있다. 기본모듈은 약15m2의 면적을 갖는 대형 모듈로서 양중장비를 이용하여 신축건물에 적용 하기에 적절하며, 개보수용 모듈은 약1.5m2의 면적을 갖는 소형 모듈로서 인력양중이 가능한 정도의 크기 를 갖는다.

    본 고에서는 iFLASH 시스템의 개보수용 모듈에 사용된 강판과 특수나노소재의 부착강도와 휨 성능에 대하여 주로 검토하였다. 여기서 부착강도는 모듈의 구조성능 확보를 위하여 중요하게 고려되는데, 부착력 이 충분하지 못한 경우에는 강판을 블라스트 (Blast) 처리하여 부착성능 증진하는 방법이 사용 될 수 있다. 그러나 이것은 추가 공정을 발생시켜 제작 단가를 상 승시킬 수 있으므로, 충분한 부착성능이 확보된다면 일반 강판을 사용하는 것이 경제적이다. 따라서 본 연구는 다양한 표면처리의 강판과 특수나노소재의 부 착강도를 실험적으로 평가하고, 휨실험을 수행하여 일 반강판의 적용가능성을 확인하였다. 그리고 유한요소 해석을 수행하여 부착면에 작용하는 응력상태를 검토 하였다.

    2.부착강도 실험

    2.1.실험계획

    부착강도 실험체는 다양한 표면처리조건의 부착성 능을 알아보기 위하여 Fig. 3 과 같이 무늬강판, 도장 강판, 일반강판, SP10, SP5으로 블라스트 처리된 강판 위에 특수나노소재를 20mm 두께로 양생하여 제작하 였다. SP10과 SP5는 미국도장협회 (SSPC; the Society for Protective Coatings)에서 정한 금속의 표 면처리 기준으로서, 각각 ‘Near-White Blast Cleaning’, ‘White Metal Blast Cleaning’으로 통칭한다. Near-White Blast Cleaning은 강재 표면의 이물질이 분포된 면적이 블라스트 처리 면적의 5%이내인 상태 로 규정된다. White Metal Blast Cleaning은 표면의 이물질이 완벽히 제거된 상태로 규정되며, Near-White Blast Cleaning보다 더 높은 조도(roughness)를 갖는다.

    실험은 Fig. 4와 같이 강판위에 경화된 특수나노소 재를 직경 20mm로 천공하고 그 위에 고정철물을 설 치한 다음, Fig. 5의 Pull-off Adhesion Tester로 인발 하여 부착강도 실험을 수행하였다.

    2.2.실험결과

    부착강도 실험은 각각 5회 수행되었으며, 그 값들 의 결과를 Table 1에 나타내었다. 실험결과 SP10으로 블라스트 처리한 강판은 일반 강판에 비하여 약 4%, SP5로 블라스트 처리한 강판은 약 2% 높게 나타나 부착성능 증진 효과가 크지 않은 것으로 나타났다.

    도장강판은 일반강판에 비하여 약 6% 낮은 부착성 능을 나타내었는데, 이것은 강재 표면에 형성된 도장 막이 특수나노소재와 같이 박리되기 때문이다. 예상과 달리 무늬강판은 다른 종류의 표면처리를 한 강판에 비해 낮은 부착성능을 나타내었는데, 그 이유는 표면 이 아연도금처리 되었기 때문인 것으로 사료된다. 따 라서 강재 표면의 블라스트 처리는 부착성능 증진 효 과가 크지 않으므로 비표면처리 강판을 사용하여 iFLASH 시스템을 제작하여도 휨성능에 큰 영향이 없 을 것으로 판단되었다.

    3.휨성능 실험

    3.1.실험계획

    3.1.1.실험체 형상

    비표면처리 강판을 적용한 iFLASH 시스템의 휨성 능을 평가하기위해 실대규모의 실험체를 제작하여 휨 실험을 실시하였다. 실험체는 2.5mm두께의 두 강판 사이에 특수나노소재를 20mm두께로 충진한 샌드위치 형태의 패널로서, 총 두께는 25mm이다. 실험체의 크 기는 인력양중이 가능한 정도로 하였으며, 그 크기는 너비 500mm, 길이 2,500mm, 두께 25mm이다. 상· 하 강판은 모두 SS400이 사용되었으며, Fig. 6과 같 이 길이 2,500mm, 너비 520mm로 재단되어 양끝 10mm 씩 90°로 절곡된 형태를 가진다. 절곡된 상· 하 강판은 그 측면을 따라 밀실하게 용접하여 특수나 노소재 충진이 가능하도록 하였고, 실험체 마구리에 특 수나노소재 충진을 위한 주입구 및 배출구를 두었다.

    가력부 및 지점부는 집중하중이 작용하는 곳이므 로, 국부적인 파괴를 방지하기 위하여 50×100×20mm 크기의 철물을 배치하여 보강하였다. 실험체의 자세한 규격 및 형상을 Fig. 7에 나타내었다.

    3.1.2.가력 및 계측 계획

    지점은 롤러를 사용하여 단순지지 하였으며, 실험 체 전면에 걸쳐 균일하게 휨이 발생할 수 있도록 너 비에 대해 선형적으로 지지하였다. 지간 거리는 2,000mm로 실험체 두께에 대한 가력점 까지의 거리 비 (전단스팬비 (a/d))가 40으로 휨성능을 평가하기에 적절하도록 하였다. 가력은 5,000kN UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 변위 제어 4~30 mm/min의 속도로 가력하였다. 가력점은 실험체 중앙 부 너비방향으로 배치되도록 하여 1점 단조 가력하였 다. Fig. 8 은 휨 실험 셋업(Setup)을 나타낸 것이다. 또한 실험체의 처짐을 계측하기 위하여 실험체 하부 중앙부에 1,000mm 용량의 변위계를 설치하였으며, 상·하부 강판의 변형률을 계측하기 위해 가력점으로 부터 125mm 떨어진 지점의 너비방향 중심선상에 변 형률 게이지를 부착하였다.

    3.2.휨내력

    iFLASH 시스템의 휨내력은 식 (1)과 같이 소성응 력분포이론에 근거하여 이론적 휨내력을 산정할 수 있다. 극한상태에서의 응력분포는 Fig. 9와 같이 강재 와 특수나노소재 모두 전단면이 항복응력에 도달한 상태의 하중을 극한상태의 휨내력으로 하였다. 강판과 특수나노소재는 완전합성거동한다고 가정하였다.

    • Cs = Ts = AsFy

    • Cc = Tc = AcFc

    M n = C s d s t s + C c c s 2
    (1)

    여기서,

    • Cs : 상부강판에 작용하는 압축력

    • Ts : 하부강판에 작용하는 인장력

    • Cc: 특수나노소재에 작용하는 압축력

    • Tc: 특수나노소재에 작용하는 인장력

    • Fy : 강재의 항복강도

    • Fc : 특수나노소재의 항복강도

    • ts : 강판의 두께

    • cs : 특수나노소재의 두께

    • ds : 패널의 두께

    3.3.실험결과

    3.3.1.재료실험

    실험체에 사용된 강재의 인장실험은 ‘KS B 0801’ 및 ‘KS B 0802’에 의거하여 5호 시편에 대하여 수행 되었다. 그 결과, 항복강도는 304.4MPa, 극한강도는 454.7MPa, 탄성계수는 205,866MPa를 나타냈다. 특수 나노소재의 기계적 특성에 대한 재료실험 결과는 Table 2 에 나타내었으며, 인장력에 대한 응력-변형 률 곡선을 Fig. 10에 나타내었다.Fig. 11

    3.3.2.구조적 거동 및 휨내력

    Fig. 12는 실험체의 하중 변위 곡선을 나타낸 것이 다. 실험체의 하중증가는 가력초기에 선형으로 나타났 으며, 14.3kN의 하중 작용시 항복이 발생하였다. 항복 이후 하중은 크게 증가하지 않았으며 변형이 진행되 는 소성구간이 길게 이어졌다. 실험체는 하중이 21.6kN 일 때, 극한상태에 도달하였으며, 이후의 하중 감소 및 최종파괴는 특수나노소재와 강판 사이의 미 세한 탈착에 의한 것으로 예상된다. 실험체의 파괴 형상은 Fig. 13과 같다.

    실험체의 이론적 최대내력 값(Pt )는 소성응력분포 이론에 근거하여 제안한 식 (1)을 통하여 산정하였으 며, Table 3에 실험 결과값과 같이 나타내었다. 산정 한 이론적 휨내력 값은 19.4kN으로 나타났으며, 실험 을 통해 얻어진 최대 휨내력은 이론값에 비하여 약 11% 상회하였다. 극한상태의 변형(δu )은 320mm로 나 타났으며, 항복상태의 변형(δy )과의 비율은 5.43으로 나타나 실험체가 연성적으로 거동하는 것을 알 수 있 었다.

    Fig. 14는 하중증가에 따른 실험체 중앙부에서의 변형률 변화를 나타낸 것이다. 이것을 통하여 실험체 의 휨거동시 중립축 변화를 확인할 수 있었다. 실험 체의 중립축은 항복이전까지 단면의 중심에 위치하였 으며, 항복이후 서서히 아래로 이동하였다. 이것은 실 험체의 상부강판에서 먼저 항복이 일어났으며, 하부강 판도 뒤이어 항복에 도달하며 소성상태에 도달했기 때문이다. 그리고 극한하중에 이르러 중립축이 다시 중심으로 이동한 것은 상·하 강판이 모두 극한상태 에 도달하며 파괴가 발생했기 때문인 것으로 보인다.

    4.유한요소해석

    4.1.유한요소 해석모델

    휨성능 실험을 통해 확인된 표면처리를 하지 않은 iFLASH 패널의 변형 형상 및 최대 내력을 근거로 부 착파괴가 예상되는 위치에서의 강판과 특수나노소재 사이에 발생되는 응력 상태를 검토하기위해 Abaqus6.10을 사용하여 유한요소해석을 실시하였다. 해석 모델의 치수는 실험체 실측을 통해 획득한 강판 두께 2.4mm, 특수나노소재 19mm를 적용하였으며, 해 석의 편의를 위해 전체 실험체의 1/4만을 모델링하였 다. Fig. 15에 해석 모델에 대한 구체적인 경계조건을 나타내었다. 해석에 사용된 요소는 육면체의 20개 노 드를 가지는 솔리드 요소(solid element: C3D20R)를 사용하였으며, 대변형(large deformation)에 의한 비선 형 거동을 반영하기 위해 기하비선형(geometric nonlinearity) 특성을 추가하였다. 요소 크기(element size)는 5mm로 충분히 조밀하게 요소망을 형성하였으 며, 해석에 사용된 재료 물성치는 재료실험으로부터 획득한 값을 적용하여 해석을 실시하였다.

    4.2.유한요소모델 검증

    해석에 사용된 요소망 및 조건들에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 해석 결과를 실험과 비교, 검토하였다. Fig. 12에 나타낸 하중-변위 곡선에서 확인해 볼 수 있듯이 실선으로 나타낸 실험 결과와 점선으로 나타 낸 FE 모델의 해석 결과가 서로 잘 일치함을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 16과 같이 실험체 상·하부 강판 의 변형률을 확인하기 위해 부착한 게이지로부터 계 측된 변형률의 값 역시 해석값과 유사한 경향을 나타 내며 증가하였다. 이를 통해 사용된 유한요소 해석모 델의 신뢰성을 확보할 수 있다.

    4.3.부착면 응력 분포

    최대내력에 도달한 순간, 부착파괴가 예상되는 가 력점 부근의 강판과 특수나노소재 사이의 응력분포를 확인해 보았다. 응력 검토 위치는 실험체 중앙으로부 터 25mm 떨어진 지점으로서 가력점에 보강된 철물 바로 측면을 선정하였다. Fig. 18에 나타낸 바와 같이, 상부강판과 특수나노소재 사이의 수직응력(σyy )은 휨 변형에 의한 휨압축응력으로 인해 그에 수직인 면에 대해서 팽창하려는 힘이 구속되면서 압축응력이 발생 하는 것을 확인할 수 있다. 그 크기는 중앙부에서 약 3MPa로 가장 컸으며 측면으로 갈수록 작아지는 경향 을 나타냈다. 두 재료 사이에 발생되는 수평전단응력 (τyz )의 경우, 중앙부에서 약 9MPa의 크기를 나타냈 으며, 수직응력과 마찬가지로 실험체 측면으로 이동할 수록 작아지는 경향을 나타냈다. 이 수평전단응력의 크기는 두 재료 사이에 발생되는 압축응력에 의해 수 직응력이 작용하지 않았을 경우보다 더 증진되었을 것으로 판단된다.

    5.결 론

    비표면처리 강판을 이용한 iFLASH 시스템의 적용 가능성을 평가하기 위하여 부착성능 실험 및 유한요 소해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 강판과 특수나노소재가 충분한 부착성능을 갖는지 알아보기 위하여 부착강도실험을 수행하였다. 블라스 트 처리한 강판의 부착강도는 표면 처리를 하지 않은 강판의 부착강도 보다 2~4% 증진되었으므로, 경제성 을 고려할 때 일반강판을 사용하는 것이 효율적이다.

    • 2) 소성응력분포이론에 근거하여 iFLASH 시스템의 이론적 휨내력을 산정하였다. 실험값은 이론값 보다 약 11% 상회하여, 제시한 설계값이 타당한 것을 확인 하였다. 또한 강판에 추가적인 표면처리를 하지 않더 라도 충분한 휨내력과 연성능력을 발휘하는 것을 확 인하였다.

    • 3) iFLASH 시스템이 최대내력을 받는 경우 부착면에 작용하는 응력을 유한요소해석을 통하여 확인하였다. 해석결과 강판과 특수나노소재의 부착성능은 압축응 력 3MPa, 전단부착응력 9MPa의 조합응력상태를 견 딜 수 있는 것으로 나타났다.

    Figure

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    Components of iFLASH System
    KOSACS-6-30_F2.gif
    Typical and renovation module
    KOSACS-6-30_F3.gif
    Specimen of Bonding Strength
    KOSACS-6-30_F4.gif
    Bonding Strength Test
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    Pull-off Adhesion Tester, AT-A
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    Angled Steel Plates
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    Specification of Specimen
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    Test Setup
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    Stress Distribution in Ultimate State
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    Stress-Strain Curve of Nano-composite
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    Tensile Test of Steel and Nano-composite
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    Load-Displacement Curve
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    Failure of Specimen
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    Distribution of Strain
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    Finite Element Model
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    Load-Strain Curve
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    Stress Distribution in the Surface between Top Steel Plate and Nano-composite

    Table

    Results of Bonding Strength Test
    Mechanical Properties of Nano-composite
    Results of Bending Test
    Note: Pt: Theoretical Ultimate Strength
    Py: Yield Strength
    Pu : Ultimate Strength
    δy : Displacement in Yielding
    δu : Displacement in Ultimate State
    Ki: Initial Stiffness
    μ: Ductility (μ = δu/δy)

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