[논문]플랫플레이트 구조시스템의 슬래브-기둥 접합부 전단보강 공법 개발

강수민; 박성우; 방중석; 박홍근

플랫플레이트 구조시스템의 슬래브-기둥 접합부 전단보강 공법 개발
Development of Shear Reinforcement for Flat Plate Slab-Column Connection 원문보기

한국공간구조학회지 = Journal of Korean Association for Spatial Structures, v.13 no.4, 2013년, pp.22 - 27

강수민 (대림산업 기술개발원 건축연구지원팀) , 박성우 (대림산업 기술개발원 건축연구지원팀) , 방중석 (대림산업 기술개발원 건축연구지원팀) , 박홍근 (서울대학교 건축학과)

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문제 정의

건축 계획적으로 유리한 철근콘크리트 무량판 구조의 취약한 슬래브-기둥 접합부의 전단성능을 보강하기 위하여 래티스 보강공법을 소개하였다. 래티스를 설치한 시험체에 대한 주기하중 실험결과 무보강 시험체에 비하여 불균형 모멘트 강도는 1.
따라서 본 기술기사에서는 구조성능과 경제성, 그리고 시공성이 우수한 래티스 보강 공법을 소개하였다. 래티스 전단보강공법은 2012년에 건설신기술 제 641호로 지정되었으며, 2011년 콘크리트 기술경연대회에서 지식경제부 장관상을 수상한 이력이 있는 공법이다.
래티스 전단보강공법은 2012년에 건설신기술 제 641호로 지정되었으며, 2011년 콘크리트 기술경연대회에서 지식경제부 장관상을 수상한 이력이 있는 공법이다. 본 기술기사에서는 래티스 공법의 성능을 검증한 기존의 연구내용[6]과 현장에 적용된 사례를 통해 본 공법의 우수성을 확인해 보고자 한다.

가설 설정

설계 조건은, 콘크리트의 압축강도는 24 MPa, 기둥의 크기는 400×700mm (c1× c2), 슬래브의 두께는 250mm, 슬래브 상부근은 HD13@300, 슬래브 하부근은 HD10@300으로 배근되어 있으며, 피복두께는 20mm, 하중은 958 kN 의 전단강도로 가정하였다( 참조).

제안 방법

그리고 횡하중은 기둥 상부에 설치된 가력기를 사용하여 목표 변위로 정·부방향으로 3회씩 반복하였으며 하중이 최고의 50%까지 떨어질 때까지 실험을 진행하였다.
래티스의 구조성능과 제작원가 및 공사원가를 바탕으로 기존에 가장 일반적으로 사용되는 보강공법인 전단철근, 스터드레일과 경제성을 비교하였다. 동일한 설계 조건에서 구조물이 하중을 초과하는 전단강도를 갖도록 설계를 하고 소요물량에 대한 총 공사비를 계산하였다. 설계 조건은, 콘크리트의 압축강도는 24 MPa, 기둥의 크기는 400×700mm (c₁× c₂), 슬래브의 두께는 250mm, 슬래브 상부근은 HD13@300, 슬래브 하부근은 HD10@300으로 배근되어 있으며, 피복두께는 20mm, 하중은 958 kN 의 전단강도로 가정하였다(<그림 6> 참조).
일반적으로 무량판 접합부 보강방안의 구조적 유효성은 극한상태의 거동특성을 평가하기 위해 지진에 의해 발생하는 불균형 모멘트에 대한 저항성능으로 검증한다. 따라서 래티스를 활용한 보강방안의 구조적 유효성을 평가하기 위해 주기횡하중에 의한 불균형모멘트 재하실험이 수행되었다. 한 개의 무보강 실험체와 래티스로 보강된 다섯 개의 슬래브-기둥 접합부 축소 실험체를 대상으로 중력하중에 의한 뚫림전단과 주기횡하중에 의한 불균형 모멘트를 동시에 재하 하였다.
래티스에 대한 ㈜한국경제조사연구원의 원가분석 자료[8]를 바탕으로 래티스의 개당 공사비를 계산하고 설계결과에 따른 소요량을 곱하여 공사비를 산출하였다. 전단철근과 스터드레일의 공사비는 대형 건설사의 일반적인 견적자료를 이용하였으며 비교결과는 <표 1>과 같다.
래티스의 구조성능과 제작원가 및 공사원가를 바탕으로 기존에 가장 일반적으로 사용되는 보강공법인 전단철근, 스터드레일과 경제성을 비교하였다. 동일한 설계 조건에서 구조물이 하중을 초과하는 전단강도를 갖도록 설계를 하고 소요물량에 대한 총 공사비를 계산하였다.
실험체의 크기는 6m×6m 슬래브의 1/2축소 모델로 제작하였으며 슬래브 두께는 135mm, 그리고 기둥의 크기는 300mm×300mm이다. 접합부의 변위형상과 기둥 주위 하중의 흐름을 실제와 비슷하도록 슬래브 모서리의 수직변위는 구속하고 횡하중에 의한 수평변위만 가능하도록 하였으며 실험체에 비틀림이 발생하지 않도록 횡지지하였다. 수직하중은 기둥을 상부로 들어올려 현 콘크리트 설계기준에 의하여 산정된 콘크리트에 의한 접합부 뚫림전단 강도의 40%에 해당하는 직접전단력을 실험이 진행되는 동안 일정하게 가력하였다.

대상 데이터

실험체의 크기는 6m×6m 슬래브의 1/2축소 모델로 제작하였으며 슬래브 두께는 135mm, 그리고 기둥의 크기는 300mm×300mm이다.
따라서 래티스를 활용한 보강방안의 구조적 유효성을 평가하기 위해 주기횡하중에 의한 불균형모멘트 재하실험이 수행되었다. 한 개의 무보강 실험체와 래티스로 보강된 다섯 개의 슬래브-기둥 접합부 축소 실험체를 대상으로 중력하중에 의한 뚫림전단과 주기횡하중에 의한 불균형 모멘트를 동시에 재하 하였다.

성능/효과

① 래티스로 보강한 실험체는 보강하지 않은 실험체에 비하여 불균형 모멘트 강도는 1.08~1.44배, 변형능력은 1.33~1.88배 증가하여 래티스 보강방법이 매우 우수한 구조적 보강효과를 나타내는 것을 검증하였다.
③ 래티스의 상·하현재는 접합부의 전단저항성능 향상과 휨저항성능 향상에 모두 기여할 수 있다.
또한 래티스는 무게가 가벼워 별도의 장비 없이 작업자에 의한 운반이 가능하고 거치대가 있어 자립이 가능하기 때문에 시공이 매우 단순하며 래티스의 배치 이외에 현장에서의 추가작업이 없어 시공비가 차지하는 비중이 매우 적다. 결과적으로 래티스 공법의 전체 공사비가 가장 적었다(스터드레일 보강공법 대비 51.6%, 전단철근 보강공법 대비 8.8% 절감).
동일한 설계조건에 대하여 무량판 구조물이 안전하도록 래티스, 전단철근, 그리고 스터드레일로 전단보강을 실시한 이후, 이에 대한 경제성을 비교분석한 결과 래티스 공법이 가장 경제성이 있었다. 일반적인 건설공사에서 사용되는 이형철근과 원형철선을 이용하여 자동화 설비를 이용한 대량생산으로 제조원가가 저렴하고 무게가 가벼워 작업자에 의한 운반이 가능하며, 거치대를 이용한 자립으로 시공이 간단하고 현장에서의 추가 작업이 없어 시공비 측면에서 유리하다.
이처럼 실험을 통하여 래티스를 이용한 전단보강 공법이 설계강도를 초과하는 구조적 성능을 발휘함을 입증하였다. 또한 레티스로 보강된 접합부는 변형능력이 증가하여 콘크리트의 손상 이후에도 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과를 볼 때, 트러스형태의 래티스 보강공법은 안정적인 트러스 형태로 콘크리트 손상에 관계없이 구조적성능을 발휘할 수 있어 설계기준 강도를 초과하는 신뢰성있는 구조성능을 발휘함을 확인할 수 있다.
건축 계획적으로 유리한 철근콘크리트 무량판 구조의 취약한 슬래브-기둥 접합부의 전단성능을 보강하기 위하여 래티스 보강공법을 소개하였다. 래티스를 설치한 시험체에 대한 주기하중 실험결과 무보강 시험체에 비하여 불균형 모멘트 강도는 1.08~1.44배, 변형능력은 1.33~1.88배 증가하였으며 건축구조기준에서 정의된 설계강도 이상의 보강효과를 발휘하여 현행 건축구조기준에서 안전하게 사용될 수 있는 공법이다.
또한 레티스로 보강된 접합부는 변형능력이 증가하여 콘크리트의 손상 이후에도 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과를 볼 때, 트러스형태의 래티스 보강공법은 안정적인 트러스 형태로 콘크리트 손상에 관계없이 구조적성능을 발휘할 수 있어 설계기준 강도를 초과하는 신뢰성있는 구조성능을 발휘함을 확인할 수 있다.
이처럼 실험을 통하여 래티스를 이용한 전단보강 공법이 설계강도를 초과하는 구조적 성능을 발휘함을 입증하였다. 또한 레티스로 보강된 접합부는 변형능력이 증가하여 콘크리트의 손상 이후에도 성능이 유지되는 것을 확인하였다.

후속연구

또한 래티스를 이용한 전단보강공법은 슬래브 철근 배근작업과 같이 이루어짐에 따라 전체적인 공사기간에 미치는 영향이 없다. 래티스 공법은 다수의 현장에 적용되었으며 향후 SH공사의 프로젝트에도 적극 활용될 전망이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	래티스를 이용한 슬래브-기둥 접합부 전단보강공법의 시공은 어떻게 이루어지는가?	래티스를 이용한 슬래브-기둥 접합부 전단보강공법의 시공은 <그림 7>과 같이 (a) 슬래브 하부근 배근, (b) 래티스 배근, (c) 슬래브 상부근 배근, (d) 콘크리트 타설 순으로 이루어진다. 래티스는 구조설계에 따라 소요량이 결정되면 기둥의 주변에 동일한 간격으로 배근한다.
	무량판 구조란 무엇인가?	무량판 구조는 기둥위에 보가 없이 슬래브가 바로 얹히는 구조형식으로 시공 시 보 제작을 위한 거푸집 공사가 필요 없어 골조 공사가 단순하고 건물의 층고가 낮아 사업성에 유리하며 건물의 중량을 감소시켜 결과적으로 공사비를 절감할 수 있는 효율적인 구조이다. 특히 <그림 1>과 같이 무량판 구조가 공동주택에 적용될 경우, 기둥배치가 자유롭기 때문에 다양한 거주자의 요구에 대응할 수 있는 가변형 평면설계가 가능하며, 벽식 구조와 달리 리모델링에도 유리하여 장수명 공동주택으로써 환경부하를 절감할 수 있고 다중용도 건물에서 전이층이 필요 없다.
	기둥식 무량판 구조의 공동주택의 장점은 무엇인가?	무량판 구조는 기둥위에 보가 없이 슬래브가 바로 얹히는 구조형식으로 시공 시 보 제작을 위한 거푸집 공사가 필요 없어 골조 공사가 단순하고 건물의 층고가 낮아 사업성에 유리하며 건물의 중량을 감소시켜 결과적으로 공사비를 절감할 수 있는 효율적인 구조이다. 특히 <그림 1>과 같이 무량판 구조가 공동주택에 적용될 경우, 기둥배치가 자유롭기 때문에 다양한 거주자의 요구에 대응할 수 있는 가변형 평면설계가 가능하며, 벽식 구조와 달리 리모델링에도 유리하여 장수명 공동주택으로써 환경부하를 절감할 수 있고 다중용도 건물에서 전이층이 필요 없다. 이에 따라 국토해양부에서는 리모델링이 용이한 공동주택 기준(제2007-456호)과 분양가상한제 적용주택의 기본형건축비 및 가산비용(제2010-126호)을 고시하였고, 서울특별시에서는 지속 가능형 공동주택 활성화 계획 시행을 고시하여 기둥식 무량판 구조의 공동주택 적용을 권고하고 있으며 용적률, 높이제한, 일조제한 등에 인센티브를 제공하고 있다.

참고문헌 (8)

Hong WK, Kim SK, Kim HG, Yoon TH, Yune DY, Kim SI. A Feasibility Study of Green Frame(GF) for the Implementation of Low-carbon Emissions & Long-life Housing. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2010 February;10(1):57-63.

원문보기 상세보기
ACI-ASCE Committee Report. Recommendations for Design of Slab-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures. ACI Structural Journal. 1988;675-696.
Durrani AJ, Du Y, Luo YH. Seismic Resistance of Nonductil Slab-Column Connections in Existing Flat-Slab Building. ACI Structural Journal. 1995 July;92(4):479-487.

상세보기
Moehle JP. Strength of Slab-column Edge Connections. ACI Structural Journal. 1998 January;85(1):89-98.
Moehle JP, Kreger, ME, Leon R. Background to Recommendations for Design of Reinforced Concrete Slab-Column Connections. ACI Structural Journal. 1988 November;85(6):636 -644.

상세보기
Kang SM, Park, SW, Bang JS, Lee DB, Kwon CH, Park HG. Development and Application of Lattice Shear Reinforcement for Flat Plate Slab-column Connection. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2013 May; 13(5):482-490.

원문보기 상세보기
Kim YN, Kang SM, Park HG. Cyclic Loading Test for Slab-column Connection Reinforced with Lattice Bars. Journal of the Architectural Institute of Korea. 2011 October;27(10):27-38.
KOREA ECONOMIC RESEARCH INSTITUTE. New Technology Pricing Report of Insertional plan truss reinforcement for the flat plate slab-column connection. 2011 June.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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