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문제 정의
- 동일한 철근비와 전단 경간비를 가지는 RC 슬래브와 도넛형 이방향 중공슬래브의 파괴 거동, 전단강도 및 전단 균열폭을 비교하여 도넛형 중공슬래브의 전단 성능을 평가하는 것이 첫 번째 목적이다. 두 번째는 중공형성체의 형상 및 재료에 따른 전단강도의 차이를 비교하여 중공형상 및 재료에 따른 이방향 중공슬래브의 전단 성능변화를 파악하는 것이다.
- 그러나 이 연구에서는 단면감소 이외에 중공형상 및 중공형성체 재료가 중공슬래브의 전단강도에 영향을 미칠 것이라고 판단하였다. 따라서 이 연구에서는 도넛형 중공형성체를 사용한 중공슬래브와 도넛형이 아닌 중공형성체를 사용한 중공슬래브의 일방향 전단 성능에 대한 실물대 실험을 통하여 중공형상이 전단 성능에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 또한 일반 플라스틱(polypropylene) 도넛형 중공형성체와 유리섬유 보강 플라스틱(glassfiber reinforced polypropylene) 도넛형 중공형성체를 적용한 이방향 중공슬래브 실험체의 일방향 전단 성능실험 결과의 비교를 통하여, 중공형성체 재료에 따른 전단 성능을 평가하였다.
- 이 연구에서는 도넛형 이방향 중공슬래브의 전단강도를 평가하기 위하여 구조성능 실험을 수행하였다. 또한 그 결과를 바탕으로, 현행 기준식을 변형하여 중공형상과 중공형성체 재료를 고려한 산정식을 제안하였다.
제안 방법
- 또한 정주홍 등은 다양한 중공형상을 변수로 한 해석적 연구를 수행하여 이방향 중공슬래브에 있어서 중공형성체의 형상이 슬래브의 성능을 좌우하는 중요한 요소인 것을 밝혀내었으며, 중공형성체의 최적형상으로 도넛형 중공형상을 제안하였다.2) 또한 제안된 도넛형 중공형성체의 형상이 중공슬래브의 휨 강도와 휨 강성에 미치는 영향에 관한 실험적 검증을 수행하여, 도넛형 중공슬래브의 휨 성능을 확인하였다.3)
- 가력 하중은 가력기에 부착된 로드셀을 통하여 측정하였으며, 슬래브의 처짐을 계측하기 위하여 LVDT를 실험체 중앙 하부에 3개, 가력 위치 및 지지점 부근에 각 1개씩 총 7개를 설치하여 슬래브의 처짐을 측정하였다. Fig. 6과 같이 실험체의 전단 균열폭 및 전단 변형각을 측정하기 위하여 전단 균열 발생 예상부분인 슬래브 단부에 wire LVDT 4개를 45o 각도로 교차하여 X자형으로 부착하였으며, 수평/수직방향으로 총 8개의 콘크리트 게이지를 부착하였다. 또한 중공형성체의 전단 변형을 확인하기 위하여, 양단부에 위치한 중공형성체 측면에 수직/수평/대각 방향으로 3개의 변형률 게이지를 부착하였다.
- 가력은 최대 용량 2,000 kN의 정동적 유압식 가력기를 사용하여 1 mm/min 속도로 변위제어를 하였다. 가력 하중은 가력기에 부착된 로드셀을 통하여 측정하였으며, 슬래브의 처짐을 계측하기 위하여 LVDT를 실험체 중앙 하부에 3개, 가력 위치 및 지지점 부근에 각 1개씩 총 7개를 설치하여 슬래브의 처짐을 측정하였다. Fig.
- 실험체는 하부 휨 철근 배근 후 중공형성체를 설치하고 상부 휨 철근을 배근 및 조립하여 모듈화하였으며, 실험값 측정을 위해 철근에 변형률 게이지를 부착하였다. 기 제작된 철제 거푸집에 중공슬래브 모듈을 배치 후 콘크리트를 타설하였으며, 양생기간의 단축을 위하여 증기 양생하였다.
- 도넛형 중공형성체는 일반적으로 사용되는 폴리프로필렌(polypropylene) 플라스틱 및 유리섬유를 보강하여 강도 및 강성을 높인 고강도 유리섬유 보강 폴리프로필렌 플라스틱을 사용하여 두 가지 종류로 제작하였다.
- 이 연구에서는 도넛형 이방향 중공슬래브의 전단강도를 평가하기 위하여 구조성능 실험을 수행하였다. 또한 그 결과를 바탕으로, 현행 기준식을 변형하여 중공형상과 중공형성체 재료를 고려한 산정식을 제안하였다. 이 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 따라서 이 연구에서는 도넛형 중공형성체를 사용한 중공슬래브와 도넛형이 아닌 중공형성체를 사용한 중공슬래브의 일방향 전단 성능에 대한 실물대 실험을 통하여 중공형상이 전단 성능에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 또한 일반 플라스틱(polypropylene) 도넛형 중공형성체와 유리섬유 보강 플라스틱(glassfiber reinforced polypropylene) 도넛형 중공형성체를 적용한 이방향 중공슬래브 실험체의 일방향 전단 성능실험 결과의 비교를 통하여, 중공형성체 재료에 따른 전단 성능을 평가하였다. 마지막으로 현행기준 및 기존연구의 전단강도식의 도넛형 이방향 중공슬래브 적용성에 대한 평가를 실시하였다.
- 6과 같이 실험체의 전단 균열폭 및 전단 변형각을 측정하기 위하여 전단 균열 발생 예상부분인 슬래브 단부에 wire LVDT 4개를 45o 각도로 교차하여 X자형으로 부착하였으며, 수평/수직방향으로 총 8개의 콘크리트 게이지를 부착하였다. 또한 중공형성체의 전단 변형을 확인하기 위하여, 양단부에 위치한 중공형성체 측면에 수직/수평/대각 방향으로 3개의 변형률 게이지를 부착하였다.
- 또한 일반 플라스틱(polypropylene) 도넛형 중공형성체와 유리섬유 보강 플라스틱(glassfiber reinforced polypropylene) 도넛형 중공형성체를 적용한 이방향 중공슬래브 실험체의 일방향 전단 성능실험 결과의 비교를 통하여, 중공형성체 재료에 따른 전단 성능을 평가하였다. 마지막으로 현행기준 및 기존연구의 전단강도식의 도넛형 이방향 중공슬래브 적용성에 대한 평가를 실시하였다.
- 실험체는 하부 휨 철근 배근 후 중공형성체를 설치하고 상부 휨 철근을 배근 및 조립하여 모듈화하였으며, 실험값 측정을 위해 철근에 변형률 게이지를 부착하였다. 기 제작된 철제 거푸집에 중공슬래브 모듈을 배치 후 콘크리트를 타설하였으며, 양생기간의 단축을 위하여 증기 양생하였다.
- 이 실험에서는 단순지지 2점 가력을 통하여, 슬래브 실험체의 전단 성능을 평가하였다. Fig.
- 이 연구에서는 슬래브의 자중 비율이 높은 250 mm 두께의 플랫플레이트 슬래브를 대상으로 하여, 이방향 중공슬래브의 일방향 전단 성능평가를 수행하였다. 도넛형이방향 중공슬래브의 전단 성능평가의 목적은 다음과 같다.
- 이러한 중공슬래브의 장점을 활용하여 ‘BubbleDeck Technology’와 ‘Cobiax Technologies AG’1)는 구형 또는 타원형 플라스틱 볼을 중공체로 사용하여 슬래브의 방향성을 없애면서 콘크리트 물량 및 슬래브의 자중을 감소시킬 수 있는 이방향 중공슬래브 공법을 개발하였다.
- 따라서 중공형성체의 재료 강도 및 강성이 슬래브의 전단 성능에 직접적으로 영향을 미치는 요소인 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위하여, Fig. 10과 같이 중공형성체에 전단 균열과 직교하는 방향으로 부착한 변형률 게이지의 변형률을 확인하였다. 중공형성체의 하중-변형률 그래프를 살펴보면, 중공형성체가 전단 변형에 저항하는 방향, 즉 전단 균열에 수직한 방향으로 변형을 일으키고 있음을 확인할 수 있다.
- 휨 파괴 이전에 전단 파괴가 선행하게 하기 위해서 극한강도 설계법을 이용하여 휨 철근 비(ρ)는 0.57%, 전단 경간비(a/d)는 3.2로 실험체를 설계하였다.
대상 데이터
- 이 실험에서 사용한 콘크리트의 설계기준 강도는 24MPa이며, 배합비는 Table 2에 제시하였다. KS F 2405에 따라 각 실험체당 3개씩 총 12개의 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 콘크리트의 강도시험은 구조 실험 직전 실시하였고, 12개 공시체의 평균 강도는 28.
- 실험체의 총 길이는 3,300 mm이며 지점간의 거리는 2,850 mm이다. 슬래브 실험체의 높이 및 폭은 모두 동일하게 250 mm, 1,250 mm로 제작하였다.
- 2로 실험체를 설계하였다. 실험 변수인 중공형상은 Fig. 4와 같이 도넛형과 라운드 박스형 두 가지를 사용하였으며, 도넛형 중공형성체의 경우 폴리프로필렌과 유리섬유 보강 폴리프로필렌 플라스틱 두 가지의 재료를 사용하여 제작하였다. 기타 중공형성체 형상 및 재료 등의 변수는 Table 1에 나타내었으며, 실험체의 크기 및 형상은 Fig.
- 이를 위하여 Table 1과 같이 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험체의 총 길이는 3,300 mm이며 지점간의 거리는 2,850 mm이다. 슬래브 실험체의 높이 및 폭은 모두 동일하게 250 mm, 1,250 mm로 제작하였다.
- 이 실험에서 사용한 콘크리트의 설계기준 강도는 24MPa이며, 배합비는 Table 2에 제시하였다. KS F 2405에 따라 각 실험체당 3개씩 총 12개의 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다.
- 이 연구에서 사용한 도넛형 중공형성체는 Fig. 1과 같이 직육면체의 모서리와 꼭지점에 대응하는 부분을 외측으로 볼록한 곡면으로 형성하여 외관을 형성하였으며, 상하부 중앙을 관통하여 연결한 내부 홀(hole)을 형성하여 도넛형 형상을 가지는 것이 가장 큰 특징이다. 이러한 내부 홀의 역할은 콘크리트의 타설을 용이하게 하고, 중공형상의 폭을 절반으로 줄임으로써 기하학적으로 슬래브의 전단강성 및 전단강도를 향상시키는 것이다.
- 이를 위하여 Table 1과 같이 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험체의 총 길이는 3,300 mm이며 지점간의 거리는 2,850 mm이다.
- 철근은 SD400의 D10, D13 이형 철근을 휨 철근으로 사용하였다. 각 철근에 대하여 KS D 3504 및 3552의 규정에 따라 인장시험편을 제작하여 강도평가를 수행하였으며, 시험 결과는 Table 3과 같다.
이론/모형
- 철근은 SD400의 D10, D13 이형 철근을 휨 철근으로 사용하였다. 각 철근에 대하여 KS D 3504 및 3552의 규정에 따라 인장시험편을 제작하여 강도평가를 수행하였으며, 시험 결과는 Table 3과 같다.
성능/효과
- 1) 중공 형상과 중공형성체 재료가 이방향 중공슬래브의 전단강도에 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
- 2) 도넛형 이방향 중공슬래브의 전단강도는 solid 실험체의 전단강도의 73~78% 수준으로 기존의 이방향 중공슬래브에 비해 우수한 강도를 보이고 있다.
- 3) 기존의 구형 이방향 중공슬래브의 전단강도 산정에 사용되는 유효단면 산정법으로는 기본형이 직육면체형인 도넛형 이방향 중공슬래브의 전단강도를 정확하게 산정할 수 없음을 확인하였다.
- 중공형성체의 하중-변형률 그래프를 살펴보면, 중공형성체가 전단 변형에 저항하는 방향, 즉 전단 균열에 수직한 방향으로 변형을 일으키고 있음을 확인할 수 있다. 고강도 재료를 사용한 HS-D-40 실험체의 도넛형 중공형성체는 동일한 형상을 가진 HS-D-0 실험체의 중공형성체에 비해 변형률이 75% 정도 작게 나타났다. 하지만 탄성계수가 폴리프로필렌 플라스틱보다 6.
- 도넛형 중공형성체를 삽입한 HS-D-0 실험체의 극한 전단강도는 208.72 kN으로 솔리드 실험체의 극한 전단강도인 282.39 kN의 약 73% 정도로 기존 연구 결과1)(55~64%)를 상회하는 결과를 보여주고 있다. 이에 반해 라운드박스 형상의 중공형성체를 삽입한 HS-R-0 실험체는 169.
- 13과 같이 중공형성체의 내부 홀에 의해 추가적인 압축대를 형성할 수 있다. 따라서 기본형이 직육면체형인 도넛형 중공슬래브에 있어서 45o 유효단면 환산법을 통해서는 내부홀에 의한 트러스효과에 대하여 효과적으로 보정이 되지 않으므로, 도넛형 이 방향 중공슬래브의 실험 결과인 솔리드 슬래브 대비 73~78%의 전단강도를 보이는 실험 결과를 저평가하는 결과를 보여주고 있다.
- 9를 살펴보면 전단 균열 이후 HS-D-0 실험체의 전단 균열폭이 동 하중에서의 HS-R-0 실험체 전단 균열폭보다 작음을 통해 확인할 수 있다. 따라서 내부 홀이 있는 도넛형 중공형상이 내부 홀이 없는 중공형상에 비해 Fig. 8(a)와 같이 더 높은 전단 성능을 보임을 확인할 수 있다. Fig.
- 이 결과 이방향 중공슬래브의 중공은 극한 전단강도보다 초기 전단 균열 발생에 더 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 솔리드 실험체 대비 이방향 중공슬래브 실험체의 초기 전단 균열 하중과 극한 전단 하중비를 살펴보면, 솔리드 슬래브의 경우 초기 전단 균열과 최종파괴 비율이 85%, 이방향 중공슬래브의 경우 그 비율이 48~58%로 이방향 중공슬래브의 전단 균열 발생이 솔리드 슬래브보다 조기에 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- 3%의 수준으로, 솔리드 실험체 대비 극한 전단 하중비 60~78%에 비해 낮은 것을 확인할 수 있다. 이 결과 이방향 중공슬래브의 중공은 극한 전단강도보다 초기 전단 균열 발생에 더 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 솔리드 실험체 대비 이방향 중공슬래브 실험체의 초기 전단 균열 하중과 극한 전단 하중비를 살펴보면, 솔리드 슬래브의 경우 초기 전단 균열과 최종파괴 비율이 85%, 이방향 중공슬래브의 경우 그 비율이 48~58%로 이방향 중공슬래브의 전단 균열 발생이 솔리드 슬래브보다 조기에 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- 7의 최종 균열양상을 통해 확인할 수 있다. 이방향 중공슬래브 실험체 HS-D-0, HS-D-40, HS-R-0 모두 양단부 첫 번째 중공을 가로질러 전단 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- 39 kN의 약 73% 정도로 기존 연구 결과1)(55~64%)를 상회하는 결과를 보여주고 있다. 이에 반해 라운드박스 형상의 중공형성체를 삽입한 HS-R-0 실험체는 169.22 kN의 극한 전단강도를 보이며, 솔리드 실험체 대비 약 60%, HS-D-0 실험체 대비 약 81% 정도의 전단강도를 보여주고 있다. 이러한 HS-D-0 실험체와 HS-R-0 실험체의 전단강도의 차이는 도넛형 중공형성체의 내부 홀에 의한 기하학적 전단 강성 증가 때문인 것으로 판단된다.
- KS F 2405에 따라 각 실험체당 3개씩 총 12개의 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 콘크리트의 강도시험은 구조 실험 직전 실시하였고, 12개 공시체의 평균 강도는 28.5 MPa로 설계기준 강도인 24 MPa보다 다소 높게 나타났으며, 슬럼프 값은 평균 120 mm의 값을 보였다.
- 하지만, Table 6에 나타난 바와 같이 솔리드 슬래브 전단강도 대비 이방향 중공슬래브 전단강도의 비율을 살펴본 결과 유효단면 환산법을 적용하더라도 이 연구에서 사용한 기본형이 직육면체인 이방향 중공슬래브의 전단 강도를 저평가하고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 도넛형 이방향 중공슬래브의 경우 솔리드 슬래브 대비 22%의 차이를 보이고 있다.
- 하지만, 항복하중 시 변위에 대한 극한하중 시 변위의 비율인 변위 연성도를 통해 연성도 확인해본 결과, 도넛형 이방향 중공슬래브의 경우 2.01로 솔리드 슬래브 대비 약 73% 증가하였고, 비도넛형 이방향 중공슬래브인 HS-R-0 실험체 대비 20% 증가함을 확인하였다.
후속연구
- 4) 이상과 같은 결과로부터, 도넛형 이방향 중공슬래브 설계시 전단력이 큰 부분의 중공 적용 여부에 관한 결정을 통하여 경제적인 설계를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, 도넛형 이방향 중공슬래브의 일방향 전단강도 산정을 위해서는 기존의 구형 및 내부 홀이 없는 중공 형상에 적용되던 유효단면 환산법이 아닌 내부 홀에 의한 트러스 효과의 증대를 고려할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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