구조재료의 고강도화와 건축물의 사용환경 변화에 따라 건축물은 경량화, 대공간화되어 합성보의 적용은 점차적으로 다시 증가될 것이라고 예상된다.
그러나 합성바닥구조의 공사비는 콘크리트구조에 비해 현저히 높다고 인식되어 왔다.
이러한 인식은 설계자의 비합리적인 구조계획과 국내 기존 상용컴퓨터프로그램들이 구조기준(KBC2016)에 적합한 최적설계를 할 수 없기 때문이다.
여기에 소개하는 ComBeam은 국내 구조 기준 및 해설과 해외기준의 중요 고려사항도 고려하여 합성보를 최적화하여 설계할 수 있도록 새로운 개념으로 개발된 컴퓨터프로그램이다.
이 프로그램에 의한 합성보의 최적화설계는 현재의 기존 국내 상용프로그램에 의한 최적화설계보다 약 20% 이상의 강재량을 절감할 수 있다.
KBC 2016의 합성구조기준의 해설에서 제시하고 있는 합성보에 대한 휨강도 및 휨강성 설계모델은 다른 설계모델에 비해 실제 실험결과와 거의 일치하고 있어 “ComBeam”의 개발에 기본적으로 적용하였다.
이 합성보 설계프로그램은 구조설계원리 및 기준요구사항을 정확하게 반영하고, 평 또는 골데크 슬래브, 보의 다양한 배치와 다양한 하중분포를 고려하여 설계할 수 있으며, 연성 전단연결부를 갖기 위한 합성정도 검토, 스트럿-타이 모델에 의한 슬래브의 길이방향 전단력 검토, 치올림 등을 고려한 설계를 할 수 있다. 최대휨모멘트위치 단면 및 이외구간의 잠재적 위험단면에 대한 검토기능이 포함되어 있으며, 최적 H형강 단면크기 자동 선택하고 최적으로 스터드앵커를 자동 배치하는 기능도 있다. 사용자가 쉽게 확인할 수 있도록 프로그램은 모든 설계과정을 화면에 그래픽으로 나타내고, 설계일람표를 포함한 각종 설계결과에 대한 요약표, 상세계산서 등을 텍스트파일로 생성한다.
- 현행구조기준(KBC2016)에 따른 매우 정확한 해석 및 설계
- 다양한 조건의 하중 분포(등분포, 집중, 삼각형 및 각종 하중분포 조합) 적용
- KS표준 압연H형강 및 용접H형강 (2축 대칭 단면)
- 부재 검토 및 설계 시에 프로그램이 계산한 강재단면특성을 적용(철강회사나 서적에서 제공한 자료에 오류가 있을 수 있다.)
- 평 슬래브, 골데크 슬래브(기준에 적합한 데크)
- 보 단부 근처의 슬래브 개구부
- 동바리 적용 여부에 따른 설계
- 합성 전/후의 휨강도, 전단강도 및 처짐 검토
- 합성 후 최대휨모멘트 위치 및 이외 전구간의 위험단면 검토
- 최적 강재단면 자동선택(합성 전/후 강도, 처짐) 및 사용자 입력조건 검토
- 치올림 최적화 자동설계 및 사용자 입력조건 검토
- 전단연결부 최적화 자동설계(구간별 배치 포함) 및 사용자 입력조건 검토
- 최소 전단연결정도 자동설계 및 사용자 입력조건 검토
- 슬래브의 길이방향 전단력(철근, 콘크리트)을 스트럿-타이 모델로 자동 검토
- 고강도강재(Fy=420MPa 이상)를 사용한 완전합성보의 압축응력깊이/춤에 따른 검토
- 각종 그래픽, 각종 분석표, 요약표 및 상세계산서 출력
슬래브의 길이방향 전단강도 : 기준 해 0709.3.2 (1)
연성 전단연결부 : 합성정도의 최소제한
사용하중 수준까지 반복적으로 적재되는 경우, 전단연결부에 ‘쉐이크다운(shakedown)’이 발생하여 보에 누적되거나 되돌릴 수 없는 처짐을 방지하기 위한 전단연결정도의 제한
최근 AISC 360-16 해설(I3, 2d, 1)
1980년대 중반까지, 합성보의 설계에서 전단연결부의 구체적인 슬립성능을 검토하지 않고 소성응력분포법에 기초한 휨강도를 결정한 것은 합리적이었다. 이는 주로 높은 합성정도를 갖도록 설계하였고, 대부분의 경우 비교적 스팬이 짧았기 때문이다. 오늘날 합성보는 (고강도강재의 사용과) 사용성에 지배되는 장스팬이 많이 사용되므로 합성정도가 낮게 설계되는 경향이 있다. 합성정도가 낮은 장스팬 합성보는 전단스터드에 추가 변형이 발생한다. Mujagic et al.(2015) 및 Selden et al.(2015)은 합성 정도가 낮게 설계된 장스팬의 합성보는 전단연결재의 변형능력이 부족하기 때문에 공칭강도에 도달하지 못할 수 있다고 지적한다.
따라서 불완전합성보는 전단연결재의 연성능력을 검토할 필요가 있다.
다음 조건 중에서 한 가지 이상에 해당하는 경우에는 검토할 필요가 없다.
- 스팬이 9.1 m 이하인 보;
- 50% 이상의 합성정도를 갖는 보; 또는
- 전단 스팬에 걸친 평균 공칭전단강도가 233 kN/m 이상인 보(300mm 간격의 직경 19mm 둥근 머리 강재앵커에 해당).
