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문제 정의
- 이러한 슬래브의 경우 재조립 및 재사용의 효율성은 높아지지만 구조성능 및 사용성에 대하여 평가할 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 다양한 접합상세에 관하여 중력방향 하중에 대하여 구조성능 및 사용성을 검토하고 횡하중에 대한 구조성능을 평가하였다.
- 이 연구에서는 강구조 재사용 시스템을 위하여 탈부착이 가능한 PC 슬래브와 강재보의 다양한 접합상세에 관하여 중력방향 하중에 대하여 구조성능 및 사용성을 검토하고 횡하중에 대한 구조성능을 평가하였다.
- 이번 연구는 강구조시스템의 부재 재조립 및 재사용의 측면에서 접합상세를 개발하고 이에 대한 성능을 규명하기 위하여 중력방향 단조하중에 대한 구조성능 및 진동성능을 평가하고 접합상세별 횡하중을 부여하여 손상도를 가했을 경우에 대한 구조성능을 평가하였다. 따라서 이러한 손상정도에 따른 성능평가가 필요할 것으로 판단된다.
제안 방법
- 2 (a)와 같이 스트롱 프레임에 강재보 H-400×400×13×21 두 개를 고정시키고 그 위에 실험체를 설치하고 고력볼트로 체결하여 고정시켜 셋팅하였다. LVDT는 전체적인 거동과 최대 처짐을 계측하기 위하여 설치하였고 변형률게이지(Strain gage)는 최대 변형이 예상되는 중앙부와 접합부인 단부의 철근과 콘크리트의 변형을 알기 위하여 설치하였다.
- PC 슬래브의 원활한 탈부착 성능을 위하여 접합부를 계획·제작하였으며, 고강도 무수축 모르타르를 연결캡 내부에 충전하여 사용하였다.
- 3과 같이 변위를 2mm 씩 증가시키며 총 20회 사이클을 이루며 총 40mm까지 변위를 가하는 것으로 계획하였다. 각 실험체에 대하여 최대하중의 80% 이하로 하중이 감소할 때까지 실험을 수행하였다.
- 이 연구에서는 PC 슬래브 제작 시 단부에 미리 강관을 삽입하고, 보 플랜지에 고력볼트를 체결하고 슬래브 단부에 설치된 강관내에 고력볼트가 들어가도록 설치한다. 그리고 강관 내에 모르타르로 충전하는 접합상세를 제안한다. 슬래브의 자중 및 하중은 고력볼트의 전단저항에 의해 강재보로 전달된다.
- 2(b)와 같이 H-400×400×13×21인 단부 강재보를 스트롱 프레임에 고정시키고 H-350×350×11×19인 반대쪽의 단부 강재보는 가력프레임에 고정시켜 세팅하였다. 두 개의 강재보 위에 실험체를 얹고 고력볼트로 체결하여 고정시켰고, 각 실험체를 설치할 때마다 접합부에 고강도 무수축 모르타르를 충전하여 일체화시켰다.
- 중력방향 하중을 가력하여 슬래브의 구조성능 및 진동성능 평가를 통한 사용성을 검토한다. 두 번째는 실험변수로 접합부의 강관 (연결캡)의 형상(A/B-cap), 정착철근(스터드 및 배력근) 등의 접합부 형상을 변수로 한 실험체를 총 6개 제작하여 횡방향으로 반복하중을 재하하였다. 실험체는 2,100mm(L)×900mm(B)×200mm(t), 이방향 슬래브 배근으로 슬래브 상부에는 직경 10mm인 SD400 철근을 피복두께 40mm에 200mm 간격으로 배근(Ast = 356.
- 실험은 최대용량 1,000kN의 오일잭(Oil-jack)을 이용하여 양단 단순지지 조건하에 중력방향 하중을 재하시켰다. 슬래브 중심으로부터 350mm 떨어진 두 지점에서 2점 단조 재하를 수행하였고, 0.5mm/sec 속도로 가력하였다. 하중 재하 시 5mm, 10mm, 20mm, 30mm 변위 도달 시 하중을 제거하고 진동성능평가를 수행하였다.
- 실험은 최대용량 1,000kN의 오일잭(Oil-jack)을 이용하여 양단 단순지지 조건하에 중력방향 하중을 재하시켰다. 슬래브 중심으로부터 350mm 떨어진 두 지점에서 2점 단조 재하를 수행하였고, 0.
- 실험은 최대용량 1,000kN의 오일잭을 이용하여 양단 단순지지 조건하에 횡방향 반복하중을 재하하였다. 하중은 변위 제어 방식으로 0.
- 이 실험에서는 가속도계를 이용해 진동을 측정하고 1차 진동수를 파악하였다. 진동수가 감소하면 부재의 내력이 저하될 뿐만 아니라 가진장치와 공조에 의해 구조물에 심각한 손상을 입힐 수 있는 요인이 될 수 있으며, 거주자에게 진동에 의한 불쾌감을 줄 수 있으므로 실험체의 진동특성을 규명하는 것은 매우 중요한 사항이라 판단된다.
- 이 연구에서 제안한 PC 슬래브 접합부의 구조성능 및 사용성을 평가하기 위해 첫째로 기준실험체(No.0)로서 2,000mm(L)×900mm(B)×200mm(t)의 일방향 슬래브를 계획하여 주철근 5-D19@200(SD400)을 배근하였다.
- 이 연구에서는 PC 슬래브 제작 시 단부에 미리 강관을 삽입하고, 보 플랜지에 고력볼트를 체결하고 슬래브 단부에 설치된 강관내에 고력볼트가 들어가도록 설치한다. 그리고 강관 내에 모르타르로 충전하는 접합상세를 제안한다.
- 재하초기단계부터 100kN 하중마다 impact hammer와 가속도계에 의해 슬래브의 45개소에서 진동수를 측정하였다.
- 0)로서 2,000mm(L)×900mm(B)×200mm(t)의 일방향 슬래브를 계획하여 주철근 5-D19@200(SD400)을 배근하였다. 중력방향 하중을 가력하여 슬래브의 구조성능 및 진동성능 평가를 통한 사용성을 검토한다. 두 번째는 실험변수로 접합부의 강관 (연결캡)의 형상(A/B-cap), 정착철근(스터드 및 배력근) 등의 접합부 형상을 변수로 한 실험체를 총 6개 제작하여 횡방향으로 반복하중을 재하하였다.
- 5mm/sec 속도로 가력하였다. 하중 재하 시 5mm, 10mm, 20mm, 30mm 변위 도달 시 하중을 제거하고 진동성능평가를 수행하였다.
- 5mm/sec 속도로 가력하였으며 가력보 부분에 500kN 용량의 로드셀을 설치하여 하중을 측정하였다. 횡방향 반복재하의 가력 패턴은 Fig. 3과 같이 변위를 2mm 씩 증가시키며 총 20회 사이클을 이루며 총 40mm까지 변위를 가하는 것으로 계획하였다. 각 실험체에 대하여 최대하중의 80% 이하로 하중이 감소할 때까지 실험을 수행하였다.
- 0mm2)하였다. 횡방향으로는 직경이 10mm인 동일강종의 이형철근을 간격 150mm 으로 상부, 하부 철근을 둘러서 배근하였다. Table 1은 실험체 일람 및 접합상세를 나타내고 있으며, Fig 1은 슬래브의 기본배근도를 나타내고 있다.
대상 데이터
- No.1 실험체는 4mm 강관을 3/20의 변단면(A-type)으로 계획·제작된 실험체로서 해체 시 작업을 용이하게 하고 고력볼트에서 슬래브로 힘의 전달이 원활할 수 있도록 정착 철근을 직접 연결할 수 있도록 하였다.
- 슬래브와의 정착은 D19 250mm 정착철근 1열을 설치하였다. No.2 실험체는 4mm 강관을 직사각형(B-type)으로 계획․제작된 실험체로서 슬래브와의 정착은 D19 250mm 정착철근 1열을 설치하였다.
- 실험체는 2,100mm(L)×900mm(B)×200mm(t), 이방향 슬래브 배근으로 슬래브 상부에는 직경 10mm인 SD400 철근을 피복두께 40mm에 200mm 간격으로 배근(Ast = 356.5mm2)하였고, 슬래브 하부에는 직경 16mm인 동일강종의 이형철근을 피복두께 40mm에 200mm 간격으로 배근(Asb = 993.0mm2)하였다.
데이터처리
- 이와 같이 45개소에서 측정된 진동수-가속도 관계에서 슬래브의 주진동수를 결정하고 매 하중마다 측정된 진동수를 Table 5에 나타내었다. 또한 사용하중(D.L+L.L)에 대한 1차 고유진동수를 식 (1), (2), (3)을 적용하여 산정하였으며 실험값과 비교하였다. 가력 전 초기상태에서의 1차 고유진동 수는 45.
이론/모형
- 고강도 무수축 모르타르의 압축강도는 KS L 5105 규격에 따라 각 실험체마다 3개의 50mm×50mm×50mm 크기의 큐빅 몰드 공시체를 제작하여 실험을 수행하는 시점에서 압축강도시험을 수행하였다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계강도는 24MPa로 계획하였으며, 공시체는 본 실험체와 동일조건에서 양생시켰으며 KS F 2405 콘크리트 압축 강도 시험 방법에 따라 콘크리트 압축 강도 시험을 실시하였다. 압축강도 시험은 28일 강도 및 실험체 가력과 동시에 하였다.
- 이 실험에서 사용된 상부철근 D10 및 하부철근 D16, 정착에 사용된 D13, D19에 대하여 KS B 0802의 금속재료 인장시험 규정 편에 따라 인장시험편을 제작하였고, 인장실험은 KS B 0801의 금속재료 인장시험 방법에 따라 2개씩 수행하였다.
성능/효과
- (1) PC 슬래브 단부에 강관을 삽입하여 강재보와 고력볼트접합을 수행한 슬래브가 중력방향 하중에 대하여 공칭강도 대비 15% 증가한 내력을 발휘하여 구조적으로 안전한 것으로 나타났다.
- (2) 1차 고유진동수를 평가한 결과 콘크리트 전단면에 대한 휨강성 EIg를 가지는 단순지지 슬래브로 평가할 수 있다.
- (3) 횡하중을 받는 PC 슬래브의 경우 접합부 형상의 경우 내력적 측면에서는 변단면(A-type)이 직사각형(B-type)에 비해 17.2% 증가한 값을 나타내었다. 또한 강관을 배치한 실험체들은 모두 최종 파단 후에도 초기 강성에 비해 60% 이상의 강성을 유지하였다.
- No.0 실험체는 제안한 접합상세에 따른 단면결손이 없을 경우에 대하여 재료강도를 적용한 공칭모멘트(Mn)는 83.46 kNm으로 최대하중은 공칭하중에 비해 15% 증가한 값을 나타내고 있으며, 균열의 경우도 균열모멘트(Mcr)에 비해 70% 증가된 하중에서 발견되었다. 이와 같이 단부에 계획된 접합부로 인한 단면손실에 대하여 슬래브의 중력방향 하중에 대하여 안전한 것을 확인하였다.
- 강관 형상의 영향으로는 A-type(변단면)이 B-type(직사각형)에 비해 내력에서 17.2% 증가하였으며, 초기강성이 7.3% 크게 나타났다. 이는 슬래브 단면결손의 영향을 최소화하여 강관의 구속효과가 나타난 것으로 판단되며, 고력볼트에서 전달되는 힘이 정착철근을 통해 원활히 전달됨을 알 수 있다.
- 2% 증가한 값을 나타내었다. 또한 강관을 배치한 실험체들은 모두 최종 파단 후에도 초기 강성에 비해 60% 이상의 강성을 유지하였다. 정착철근의 경우는 D13 배력근을 2열로 배치한 경우 내력 뿐만 아니라 강성저하가 초기 강성 대비 69%를 유지하였다.
- 254kN에서 주철근의 항복이 관측되었으며, 295kN 최대 내력에 도달 이후 파괴되었다. 반면, PC슬래브의 접합부에서 270mm 떨어진 곳의 정착철근과 주근의 경우, 중앙부의 철근에 비해 상대적으로 변형이 적고 폭의 끝부분의 철근일수록 변형이 커짐을 관찰할 수 있었지만, 정착철근과 단부의 주근은 모두 항복하지 않고 탄성구간에 머물고 있음을 확인할 수 있었다.
- 실험체들이 5~10kN 근방까지는 탄성적인 거동을 나타내지만, 그 영역을 넘으면 볼트의 미끄러짐이나 접합부 주변의 콘크리트의 균열 발생에 따라서 강성이 서서히 감소하는 현상을 나타내었다. 실험체의 최대 인장내력에 도달 후에도 접합부 주변 이외에서는 균열이 발생하지 않았으며, 주근 및 정착철근 모두 항복되지 않고 탄성구간에 머무르고 있었다.
- 이 연구에서 제안된 PC 슬래브의 경우 기존 슬래브에 비해 접합부에 의한 단면결손이 발생함으로 진동수는 증가하고 감쇠비는 감소하여 사용자들에게 불쾌감 또는 불안감을 줄 수 있는 바닥판 진동에 문제가 나타날 수 있다. 따라서 이에 대하여 진동성능을 평가할 필요가 있다.
- 46 kNm으로 최대하중은 공칭하중에 비해 15% 증가한 값을 나타내고 있으며, 균열의 경우도 균열모멘트(Mcr)에 비해 70% 증가된 하중에서 발견되었다. 이와 같이 단부에 계획된 접합부로 인한 단면손실에 대하여 슬래브의 중력방향 하중에 대하여 안전한 것을 확인하였다.
- 정착철근의 영향으로는 스터드 형태의 정착철근을 설치한 No.1 실험체가 초기강도가 평균 0.94로 가장 크게 나타났으며, 이력곡선 또한 안정적인 거동을 나타내고 있다. 이에 비해 D13 배력근을 2열로 감은 No.
후속연구
- 이번 연구는 강구조시스템의 부재 재조립 및 재사용의 측면에서 접합상세를 개발하고 이에 대한 성능을 규명하기 위하여 중력방향 단조하중에 대한 구조성능 및 진동성능을 평가하고 접합상세별 횡하중을 부여하여 손상도를 가했을 경우에 대한 구조성능을 평가하였다. 따라서 이러한 손상정도에 따른 성능평가가 필요할 것으로 판단된다.
- . 즉, 기존 건축물의 손상추적을 통한 내구성능의 개선, 건설재료 및 폐기물의 재활용에 의한 친환경 시스템 구축, 사용자 중심의 가변성 및 반복 사용이 가능한 강구조의 부재들에 의해 친환경적이며 내구성능을 개선한 장수명의 구조시스템을 개발함으로써 CO2 배출량을 절대적으로 줄이는 방안이 필요하다.
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