철근과 fiber-reinforced polymer (FRP)의 물리적, 역학적 특성의 차이 및 슬래브 상부 보강재의 기둥 인접부 집중 배근, 그리고 기둥 인접부 슬래브에 강섬유 콘크리트 (SFRC)의 타설 등에 따른 2방향 슬래브의 펀칭 전단 거동에 대한 효과를 평가하였다. 펀칭 전단강도, 강성, 연성, 변형률 분포 그리고 균열 제어 성능 등을 파악하였다. 실험 결과 기둥 인접부의 슬래브에 집중 배근을 하거나 SFRC를 타설하는 것은 glass fiber-reinforced polymer (GFRP) 바로 보강된 슬래브의 펀칭 전단 거동을 향상시켰다. 기둥 인접 구역에 집중 배근된 슬래브의 실험 결과를 다양한 설계기준과 타 연구자에 의해 제안된 예측식과 비교하였으며, 집중 배근으로 인한 이점을 예측식에 반영할 수 있도록 집중 배근된 슬래브의 철근비를 산정하는 합리적인 방법도 제안하였다.
철근과 fiber-reinforced polymer (FRP)의 물리적, 역학적 특성의 차이 및 슬래브 상부 보강재의 기둥 인접부 집중 배근, 그리고 기둥 인접부 슬래브에 강섬유 콘크리트 (SFRC)의 타설 등에 따른 2방향 슬래브의 펀칭 전단 거동에 대한 효과를 평가하였다. 펀칭 전단강도, 강성, 연성, 변형률 분포 그리고 균열 제어 성능 등을 파악하였다. 실험 결과 기둥 인접부의 슬래브에 집중 배근을 하거나 SFRC를 타설하는 것은 glass fiber-reinforced polymer (GFRP) 바로 보강된 슬래브의 펀칭 전단 거동을 향상시켰다. 기둥 인접 구역에 집중 배근된 슬래브의 실험 결과를 다양한 설계기준과 타 연구자에 의해 제안된 예측식과 비교하였으며, 집중 배근으로 인한 이점을 예측식에 반영할 수 있도록 집중 배근된 슬래브의 철근비를 산정하는 합리적인 방법도 제안하였다.
The influence of the differences in the physical and mechanical properties between fiber-reinforced polymer (FRP) and conventional steel, concentrated reinforcement in the immediate column region, as well as using steel fiber-reinforced concrete (SFRC) in the slab near the column faces, on the punch...
The influence of the differences in the physical and mechanical properties between fiber-reinforced polymer (FRP) and conventional steel, concentrated reinforcement in the immediate column region, as well as using steel fiber-reinforced concrete (SFRC) in the slab near the column faces, on the punching behavior of two-way slabs were investigated. The punching shear capacity, stiffness, ductility, strain distribution, and crack control were investigated. Concentrating of the slab reinforcement and the use of SFRC in the slab enhanced the punching behavior of the slabs reinforced with glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars. In addition the test results of the slabs with concentrated reinforcement were compared with various code equations and the predictions proposed in the literature specifically for FRP-reinforced slabs. An appropriate method for determining the reinforcement ratio of slabs with a banded distribution was also investigated to allow predictions to properly reflect the benefit of the slab reinforcement concentration.
The influence of the differences in the physical and mechanical properties between fiber-reinforced polymer (FRP) and conventional steel, concentrated reinforcement in the immediate column region, as well as using steel fiber-reinforced concrete (SFRC) in the slab near the column faces, on the punching behavior of two-way slabs were investigated. The punching shear capacity, stiffness, ductility, strain distribution, and crack control were investigated. Concentrating of the slab reinforcement and the use of SFRC in the slab enhanced the punching behavior of the slabs reinforced with glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars. In addition the test results of the slabs with concentrated reinforcement were compared with various code equations and the predictions proposed in the literature specifically for FRP-reinforced slabs. An appropriate method for determining the reinforcement ratio of slabs with a banded distribution was also investigated to allow predictions to properly reflect the benefit of the slab reinforcement concentration.
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문제 정의
본 연구에서는 일반 철근과 GFRP 바로 배근된 각각의 슬래브의 거동 비교, 슬래브 상부 휨보강재의 기둥 인접부 집중 배근 효과, 그리고 SFRC 사용 효과 등을 파악하였다. 또한 집중 배근한 시험체의 실험결과를 다양한 설계기준 및 기존 연구 문헌의 펀칭 전단 예측식과 비교하였다.
제안 방법
또한 시험체에 등분포하중을 모사하기 위해 슬래브 외곽 8지점에 집중하중을 적용하였으며, 슬래브의 각 변에 인접한 750 mm의 하중 지점 사이로 하중 적용을 위해 슬래브 아래에 강재보 (steel distribution beam)가 설치되었다. 그리고 각 강재보와 연결된 4개의 강재봉 (steel rod)에 각각 유압잭을 설치한 후, 각 유압잭은 다시 하나의 유압 펌프에 연결되어 제어함으로써 모든 하중 지점에 동일한 하중이 작용하도록 하였다. 단조 하중 (monotonic loading)을 천천히 가함과 동시에 하중, 처침, 변형률을 자동으로 기록하였다.
그리고 각 강재보와 연결된 4개의 강재봉 (steel rod)에 각각 유압잭을 설치한 후, 각 유압잭은 다시 하나의 유압 펌프에 연결되어 제어함으로써 모든 하중 지점에 동일한 하중이 작용하도록 하였다. 단조 하중 (monotonic loading)을 천천히 가함과 동시에 하중, 처침, 변형률을 자동으로 기록하였다. 또한 주요 하중 단계마다 균열의 형태와 균열폭을 기록하였다.
따라서 Table 4에서는 각각 집중 배근 구역의 철근비 (Pband)와 평균 철근비 S%)를 이용하여 펀칭 전단 강도를 예측하고 이를 정리하였다. 철근비 산정시 FRP 바의 경우 등가철근비 3氐1 E滑 사용하였다.
Table 1에 시편에 사용된 콘크리트의 물성이 나타나있다. 또한 본 실험에서는 GFBF3의 기둥 인접부 슬래브에 타설할 SFRC의 강섬유 혼입률을 체적당 0.5%로 선택하였다. 사용된 강섬유는 30mm 길이의 갈고리형으로 지름 0.
시험체의 하부 기등은 강재 블록에 의해 지지되었다. 또한 시험체에 등분포하중을 모사하기 위해 슬래브 외곽 8지점에 집중하중을 적용하였으며, 슬래브의 각 변에 인접한 750 mm의 하중 지점 사이로 하중 적용을 위해 슬래브 아래에 강재보 (steel distribution beam)가 설치되었다. 그리고 각 강재보와 연결된 4개의 강재봉 (steel rod)에 각각 유압잭을 설치한 후, 각 유압잭은 다시 하나의 유압 펌프에 연결되어 제어함으로써 모든 하중 지점에 동일한 하중이 작용하도록 하였다.
단조 하중 (monotonic loading)을 천천히 가함과 동시에 하중, 처침, 변형률을 자동으로 기록하였다. 또한 주요 하중 단계마다 균열의 형태와 균열폭을 기록하였다. 작용 하중은 각 유압잭에 설치되어 있는 로드셀을 통해 기록되었으며, 슬래브의 처짐은 8개의 하중 지점에 설치된 LVDT (linear voltage differential transformer)를 통해 즉정되었다.
또한 집중 배근한 시험체의 실험결과를 다양한 설계기준 및 기존 연구 문헌의 펀칭 전단 예측식과 비교하였다. 이에 더하여 펀칭 전단 예측식이 집중 배근에 따른 이점을 반영할 수 있도록 집중 배근 슬래브의 적정한 철근비 산정법을 제안하였다.
철근비 산정시 FRP 바의 경우 등가철근비 3氐1 E滑 사용하였다. 먼저 Table 4(a) 의 집중 배근 구역의 철근비 (Ptxmd)를 사용한 경우를 살펴보면, 예측식들 중에 ACI 318, CSA A23.3 그리고 ACI 440이 대체적으로 양호한 예측값을 보였으나, ACI 318과 CSA A23.3는 BS 8110 및 EC2와 마찬가지로 일반 철근 보강 슬래브를 대상으로 한 식이어서 GFRP 보강 슬래브에 대해서는 과대평가하였다. 한편, Ospina et 疽「6)의 예측식을 제외한 FRP 보강 슬래브의 거동 평가를 위해 개발된 예측식들은 모두 일반 철근 보강 슬래브에도 적용이 가능한 것으로 보여진다.
작용 하중은 각 유압잭에 설치되어 있는 로드셀을 통해 기록되었으며, 슬래브의 처짐은 8개의 하중 지점에 설치된 LVDT (linear voltage differential transformer)를 통해 즉정되었다. 슬래브의 기등에 대한 상대 처짐과 펀칭 전단파괴의 시작을 모니터하기 위해 슬래브 밑면의 기둥면 가까이에 추가로 4개의 LVDT를 설치하였다. 스트레인게이지는 슬래브 상부 철근의 변형률을 측정하기 위해 슬래브의 양방향으로 기둥면과 나란한 열을 따라 매설되었다 (Fig.
슬래브의 일반 강도 콘크리트는 150><300mm, 기등의 고강도 콘크리트는 100 x200 mm 공시체로 표준 압축강도 시험이 수행되었으며, 3등분점 재하 시험을 통해 휨강도를 구하였다. Table 1에 시편에 사용된 콘크리트의 물성이 나타나있다.
또한 집중 배근한 시험체의 실험결과를 다양한 설계기준 및 기존 연구 문헌의 펀칭 전단 예측식과 비교하였다. 이에 더하여 펀칭 전단 예측식이 집중 배근에 따른 이점을 반영할 수 있도록 집중 배근 슬래브의 적정한 철근비 산정법을 제안하였다.
휨철근비는 시험체의 휨파괴를 방지하면서 펀칭 전단에 의한 파괴를 유도할 수 있도록 결정되었다. 주목할 점은, 모든 시험체는 유사한 휨강도를 가지도록 설계하여 각 시험체의 펀칭 전단 거동의 객관적인 비교가 가능하도록 하였다. 모든 시험체의 슬래브 하부는 일반 철근을 사용한 동일한 배근 상세를 가진다 (Fig.
대상 데이터
이를 위해 GFB2와 GFB3의 실험 결과 외에도 Ghannoum" 및 McHarg et alP의 실험 자료가 활용되었다. 이때 타 연구자에 의해 수행된 시험체는 모두 일반 철근으로 보강되었으나, 슬래브 두께와 피복, 유효깊이, 그리고 기등의 크기와 모양 등 시험체의 치수가 GF series와 동일하였다.
Table 2는 시험체에 사용된 일반 철근과 GFRP 바의 물성을 정리한 것이다. GFRP 바에 대해서는 공급 업체에서 제공하는 물성 자료를 이용하였다叫 부착력 증진을 위해 모래로 표면코팅 처리된 GFRP 바를 사용하였다 (Fig. 3).
5%로 선택하였다. 사용된 강섬유는 30mm 길이의 갈고리형으로 지름 0.5mm, 최대 인장강도 1, 200MPa이다. SFRC의 특성이 Table 1에 정리되어 있다.
1에 2방향 슬래브 시험체 설치 모습이 나타나 있다. 시험체는 두께 150 mm의 2.3 m 정방형 슬래브와 슬래브 중앙의 상 .하부로 길이 300 mm의 225 mm 정방형기둥으로 구성된다.
실험의 주요 변수는 슬래브 보강 재료, 기둥 인접부 슬래브에의 집중 배근, 그리고 강섬유콘크리트의 사용이다. 시험체는 보강 재료의 종류에 따라 일반 철근을 사용한 S series와 GFRP 바를 이용한 GF series로 나뉜다. 상부 철근은 균등한 간격으로 배근되거나 집중 배근 되는 형태를 가졌다.
2는 슬래브 상부와 하부의 철근 배근 상세를 보여준다. 실험의 주요 변수는 슬래브 보강 재료, 기둥 인접부 슬래브에의 집중 배근, 그리고 강섬유콘크리트의 사용이다. 시험체는 보강 재료의 종류에 따라 일반 철근을 사용한 S series와 GFRP 바를 이용한 GF series로 나뉜다.
이론/모형
SU1 과 SB2는 Ghannoum'에 의해 수행된 실험 결과를 이용하였다 (문헌상의 원 시편명: Sl-U, Sl-B). SU1과 SB2는 각각 GFU1과 GFB2와 동일한 배근 상세를 가진다.
성능/효과
1) GFRP 바의 낮은 탄성계수로 인해 GFRP 보강 슬래브는 동일한 휨강도를 가지는 일반 철근 보강 슬래브에 비해 상당히 낮은 펀칭 전단강도와 균열 후 강성 (post cracking stiffness) 그리고 큰 처짐 량을보였다. 그러나 기둥 인접부에서 발생되는 균열 수는 일반 철근 보강 슬래브 보다 많았다.
2) 모래로 표면 처리가 된 GFRP 바는 콘크리트와의 부착성능이 뛰어나 정착 파괴가 발생하지 않았다.
3) 기둥으로부터 1.5 h 범위 내에 상부 휨보강근을 집중 배근한 경우에는 동일한 양의 보강근을 균등 배근한 경우에 비해 펀칭 전단강도 및 균열 후 강성의 향상, 상부 보강근의 균일한 변형률 분포, 그리고 양호한 균열 분포 등이 확인되었다. 펀칭 전단파괴면 역시 기둥면으로부터 더 먼 곳에서 발생하였다.
5) 강섬유의 사용은 펀칭 전단강도의 증가와 균열 제어에 탁월한 효과를 보인다. 더욱이 보강재의 변화와 집중 배근은 부재의 연성 증진에 뚜렷한 효과를 보이지 못한 반면에 강섬유를 통해서는 연성을 상당히 향상시킬 수 있었다.
6) 집중 배근된 슬래브의 펀칭 전단강도 예측을 위해 평균 철근비(国°)의 개념이 소개되었으며 이를 이용할 경우 집중 배근시의 이점을 합리적으로 반영한 예측이 가능함을 확인하였다. 평균 철근비를 적용할 경우, El-Gamal et al.
ACI 440과 JSCE 모두 GFRP 보강 슬래브에 대해 보수적인 예측값을 보이며, ACI 440의 경우가 좀 더 보수적인 예측값을 제공한다. BS 8110과 JSCE는 고강도콘크리트 슬래브에 대해 과대평가하는 경향이 있으며, 다소 분산된 예측 결과를 보였다. El-Ghandour et 源(2)를 제외하고 타 연구자들에 의해 제안된 모든 식들은 집중 배근 구역의 철근비를 사용하였을 경우 펀칭 전단강도를 과대평가하는 것으로 나타났다.
GFBF3은 GFB3에 비해 상당히 큰 펀칭 전단강도를 보였으며 심지어 일반 철근으로 집중 배근된 SB2 보다도 뛰어난 성능을 보였다. 이는 기존의 일반 철근을 대신하여 FRP 바를 사용할 경우 발생할 수 있는 문제점들에 대하여 SFRC 의 사용이 그 해결책이 될 수 있음을 시사한다.
강섬유의 첨가는 보강재의 집중 배근보다 펀칭 전단 강도 증진에 더욱 효과적인 것으로 확인되었다. GFBF3은 GFB3에 비해 상당히 큰 펀칭 전단강도를 보였으며 심지어 일반 철근으로 집중 배근된 SB2 보다도 뛰어난 성능을 보였다.
균등 배근된 시험체에 비해 집중 배근된 시험체의 펀칭 전단강도가 더 크게 나타났다. 집중 배근된 경우, 슬래브에 작용하는 휨모멘트에 더욱 효과적으로 저항할 수 있어서 더 작고 균일한 변형률을 유도한다.
더욱이 보강재의 변화와 집중 배근은 부재의 연성 증진에 뚜렷한 효과를 보이지 못한 반면에 강섬유를 통해서는 연성을 상당히 향상시킬 수 있었다. 그러나 SFRC가 균열 후강성이나 최대 하중에서의 GFRP의 변형률에 미치는 효과는 매우 작은 것으로 평가되었다. SFRC의사용은 기존 철근을 대신하여 GFRP 바를 사용할 경우 발생할 수 있는 문제점을 해결하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
탁월한 효과를 보인다. 더욱이 보강재의 변화와 집중 배근은 부재의 연성 증진에 뚜렷한 효과를 보이지 못한 반면에 강섬유를 통해서는 연성을 상당히 향상시킬 수 있었다. 그러나 SFRC가 균열 후강성이나 최대 하중에서의 GFRP의 변형률에 미치는 효과는 매우 작은 것으로 평가되었다.
5). 모든 시험체가 동일한 휨강도를 가지도록 설계되었음에도 불구하고, GFRP 바를 사용한 경우에는 일반 철근을 사용한 경우보다 낮은 펀칭 전단강도를 보였다. 이는 GFRP 바의 낮은 탄성계수로 인해 콘크리트의 압축부가 작아짐에 기인한다.
평균 철근비를 적용할 경우, El-Gamal et al.의 제안식은 실측값/예측값의 평균값이 1.05, 표준편차 0.085 그리고 변동계수 8.1% 로 매우 정확한 예측을 보였다.
9에서 보는 바와 같이, 실험 종료 후 GFRP 바의 표면 상태를 조사해 본 결과, 파괴 이후에도 GFRP 바의 표면을 따라 콘크리트가 박리된 현상은 관찰되지 않았다. 즉, 모래로 표면 처리가 된 GFRP 바의 경우 우수한 부착 성능을 보이며 정착 파괴방지에 효과적임을 확인할 수 있다.
후속연구
그러나 SFRC가 균열 후강성이나 최대 하중에서의 GFRP의 변형률에 미치는 효과는 매우 작은 것으로 평가되었다. SFRC의사용은 기존 철근을 대신하여 GFRP 바를 사용할 경우 발생할 수 있는 문제점을 해결하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
참고문헌 (17)
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