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문제 정의
- 이 연구에서는 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착특성을 파악하기 위하여 슬래브를 Fig. 2와 같이 3가지 부착 구간(sufficient, transition, insufficient region)으로 구분하여 각 구간의 부착특성을 파악하고자 하였다. 또한 슬래브 내부의 중공형성체와 철근 사이에 발생되는 내부피복이 철근 부착성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 철근의 내부피복두께를 변수로 하여 실험적 연구를 수행하였다.
- 이 연구에서는 도넛형 이방향 중공슬래브의 철근 부착 특성 및 부착 강도를 평가하기 위하여 부착 실험을 수행하였다. 또한 그 결과를 바탕으로, 도넛형 중공슬래브의 중공형상에 따른 구간별 부착특성을 고려한 부착강도 산정식을 제안하였다.
제안 방법
- 부착실험에 사용된 철근은 실험체의 부착파괴를 유도하기 위하여 SD500의 D13 이형 철근을 사용하였다. KS D 3504 및 3552의 규정에 따라 철근 인장시험편을 제작하여 강도평가를 수행하였으며, 시험 결과는 Table 3과 같다.
- 4와 같이 재하용 철물을 제작하고 철근에 이중 나사선 커플러를 체결하였으며, 500 kN 용량의 스크류잭으로 철근을 인발하였다. Pull-out 실험에서 발생하는 실험체와 지압판 사이에 발생하는 압축력에 의한 영향을 감소시키기 위하여 철근 주위의 지압판에 2.5db 크기만큼 구멍(hole)을 형성하였으며, 실험체와 지압판 사이에 고무패드를 설치하여 마찰력을 감소시켰다. 철근과 콘크리트의 슬립을 측정하기 위하여 Fig.
- 또한 도넛형 중공형성체의 3가지 구간이 모두 고려될 수 있는 묻힘길이 270 mm의 긴 부착 실험체를 계획하여 철근의 부착응력분포를 산출하고 길이방향에 따른 부착응력 발현정도를 확인하였다. 내부피복두께 변수의 경우 제안된 도넛형 이방향 중공슬래브의순 내부피복두께 10 mm, 충분한 피복두께 조건(2.5db)를 만족하는 순 내부피복두께 26 mm, 철근과 중공형성체가 맞닿아 있는 순 내부피복두께 0 mm 등 총 3가지 내부피복 두께를 고려하여 부착특성을 확인하였다.
- 8) 하지만 도넛형 이방향 중공슬래브의 경우 철근의 길이방향에 따라서 부착조건이 다르므로, 짧은 부착 실험체 결과에서 살펴본 바와 같이 부착응력-슬립 관계가 변하게 된다. 따라서 각 구간의 부착응력의 발현정도를 확인하기 위하여 중공 형성체의 전체 형상이 고려된 entire-type의 실험체를 통하여 하중단계별 부착응력분포를 파악하였다.
- 변형률 게이지는 부착면에 의한 영향을 최소화하기 위하여 철근 측면 리브에 부착하였다. 또한 pull-out 실험에서 발생할 수 있는 지압면의 압축력에 의한 영향을 줄이기 위해 PVC 파이프를 이용하여 하중단에서 부터 길이 5db의 비부착 구간을 계획하였다. 모든 실험체는 콘크리트 타설 3일 이후 거푸집을 해체하고 실험 전 28일 동안 양생을 실시하였다.
- 이 연구에서는 도넛형 이방향 중공슬래브의 철근 부착 특성 및 부착 강도를 평가하기 위하여 부착 실험을 수행하였다. 또한 그 결과를 바탕으로, 도넛형 중공슬래브의 중공형상에 따른 구간별 부착특성을 고려한 부착강도 산정식을 제안하였다. 이 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 3(a)∼(c)와 같이 3가지 타입으로 계획하여 각 구간별 부착응력-슬립 특성을 확인하였다. 또한 도넛형 중공형성체의 3가지 구간이 모두 고려될 수 있는 묻힘길이 270 mm의 긴 부착 실험체를 계획하여 철근의 부착응력분포를 산출하고 길이방향에 따른 부착응력 발현정도를 확인하였다. 내부피복두께 변수의 경우 제안된 도넛형 이방향 중공슬래브의순 내부피복두께 10 mm, 충분한 피복두께 조건(2.
- 2와 같이 3가지 부착 구간(sufficient, transition, insufficient region)으로 구분하여 각 구간의 부착특성을 파악하고자 하였다. 또한 슬래브 내부의 중공형성체와 철근 사이에 발생되는 내부피복이 철근 부착성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 철근의 내부피복두께를 변수로 하여 실험적 연구를 수행하였다.
- 5와 같이 자유단에 돌출되어 있는 철근과 자유단 콘크리트의 상대변위를 측정하여 자유단 철근의 순수 슬립을 측정하였다. 또한 재하단에 2개의 LVDT를 설치하여 철근의 최소 슬립이 2.5 mm에 도달하는 것을 확인하였으며, 실험 중 발생할 수 있는 편심을 측정하였다. 추가적으로 실험의 정확성을 확보하기 위하여 Fig.
- 또한 pull-out 실험에서 발생할 수 있는 지압면의 압축력에 의한 영향을 줄이기 위해 PVC 파이프를 이용하여 하중단에서 부터 길이 5db의 비부착 구간을 계획하였다. 모든 실험체는 콘크리트 타설 3일 이후 거푸집을 해체하고 실험 전 28일 동안 양생을 실시하였다.
- 묻힘 길이 5db 이하의 짧은 부착 실험체는 철근의 길이방향에 따른 구간별 중공형상 및 위치에 따라 Fig. 3(a)∼(c)와 같이 3가지 타입으로 계획하여 각 구간별 부착응력-슬립 특성을 확인하였다.
- 실험 결과 도넛형 이방향 중공슬래브의 각 구간별(A, B, C) 부착강도가 다르게 나타남에 따라, 구간별 특성을 고려할 수 있도록 다음 식 (5)와 같이 실험 결과로 도출한 각 구간별 부착강도 기여분을 고려하는 부착강도 산정식을 제안하였다. 식 (5)는 짧은 부착 실험을 통해 도출한 각 구간별 부착응력-슬립 관계를 기반으로 각 구간별 평균부착응력을 산정하여 전체 묻힘 길이에 따른 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착강도를 예측하는 방법이다.
- 이 연구에서는 pull-out 실험을 통하여 내부피복두께에 따른 도넛형 중공슬래브의 철근 부착 특성 및 부착 강도를 평가하였다. 그러나 슬래브 철근의 경우 휨 부착으로 거동하며, 연속적이기 때문에 이 실험체와는 다른 거동을 보일 것으로 판단된다.
- 이 연구에서는 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착특성을 파악하기 위하여 철근의 묻힘길이 및 부착구간의 위치, 내부피복 두께를 실험변수로 하여 총 13개의 실험체를 제작하였다. 각 실험체 제원 및 변수는 Table 1에 나타내었다.
- 이러한 중공 슬래브의 장점을 활용하여 ‘Bubble Deck Technology’와 ‘Cobiax Technologies AG’는 구형 또는 타원형 플라스틱 볼을 중공형성체로 사용하는 이방향 중공 슬래브 공법을 개발하였으며, 그 구조성능을 검증하였다.
- 제안된 식을 살펴보게 되면, 철근을 감싸고 있는 피복두께의 최대와 최소 두께를 고려하여 철근의 발현강도를 예측할 수 있도록 되어있다. 그러나 이러한 철근의 발현 강도를 통해 산정한 평균부착강도 예측식 또한 마찬가지로 철근 길이방향으로 부착조건이 변화되는 도넛형 이방향 중공슬래브의 구간별 부착특성을 반영하지 못하고 있다.
- 5db 크기만큼 구멍(hole)을 형성하였으며, 실험체와 지압판 사이에 고무패드를 설치하여 마찰력을 감소시켰다. 철근과 콘크리트의 슬립을 측정하기 위하여 Fig. 5와 같이 자유단에 돌출되어 있는 철근과 자유단 콘크리트의 상대변위를 측정하여 자유단 철근의 순수 슬립을 측정하였다. 또한 재하단에 2개의 LVDT를 설치하여 철근의 최소 슬립이 2.
- 5 mm에 도달하는 것을 확인하였으며, 실험 중 발생할 수 있는 편심을 측정하였다. 추가적으로 실험의 정확성을 확보하기 위하여 Fig. 5와 같이 총 6개의 LVDT를 스크류잭 및 철물에 설치하여 실험 중 발생할 수 있는 변위를 측정하여 실험값을 보정하였다. 가력속도는 KS F 2441에 따라 0.
대상 데이터
- 이 실험에서 사용한 콘크리트의 설계기준 강도는 30 MPa이며, 배합비는 Table 2에 나타내었다. KS F 2405에 따라 총 5개의 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 콘크리트의 강도시험은 구조실험 직전 실시하였고, 5개의 공시체의 평균 강도는 29.
- 5 MPa로 설계 기준 강도인 30 MPa와 동일한 강도를 나타내었다. 부착실험에 사용된 철근은 실험체의 부착파괴를 유도하기 위하여 SD500의 D13 이형 철근을 사용하였다. KS D 3504 및 3552의 규정에 따라 철근 인장시험편을 제작하여 강도평가를 수행하였으며, 시험 결과는 Table 3과 같다.
- 실험체 제작은 KS F 24417)을 참고하였으며, 도넛형 이방향 중공슬래브의 주인장 철근인 하부철근을 대상으로 하여 수평 배근 실험체를 제작하였다. 실험체 제작에 사용된 중공형성체는 기존에 제작된 도넛형 중공형성체를 각각 1/2로 나누어 슬래브 내부의 중공면을 형성하였다. 실험체 상세도는 Fig.
- 실험체 제작은 KS F 24417)을 참고하였으며, 도넛형 이방향 중공슬래브의 주인장 철근인 하부철근을 대상으로 하여 수평 배근 실험체를 제작하였다. 실험체 제작에 사용된 중공형성체는 기존에 제작된 도넛형 중공형성체를 각각 1/2로 나누어 슬래브 내부의 중공면을 형성하였다.
- 이 실험에서 사용한 콘크리트의 설계기준 강도는 30 MPa이며, 배합비는 Table 2에 나타내었다. KS F 2405에 따라 총 5개의 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다.
- 일반적으로 콘크리트와 이형철근의 부착 거동은 철근의 지름, 마디형상, 간격, 표면의 거친 정도에 따라 영향을 받으며 콘크리트의 피복두께, 인장강도 등에 따라 결정지어진다. 이 연구에서 대상으로 하는 도넛형 중공형 성체는 Fig. 1과 같이 직육면체의 모서리와 꼭지점에 대응하는 부분을 외측으로 볼록한 곡면 외관을 형성하였으며, 상하부 중앙을 관통하여 연결한 내부 홀(hole)을 가지고 있다.
이론/모형
- 5와 같이 총 6개의 LVDT를 스크류잭 및 철물에 설치하여 실험 중 발생할 수 있는 변위를 측정하여 실험값을 보정하였다. 가력속도는 KS F 2441에 따라 0.6 mm/min의 속도로 변위제어를 실시하였으며, 실험체에 부착파괴가 발생하고 잔류부착응력이 확인될 때까지 하중을 가력 하였다.
- 여기서, 각 구간별 평균부착응력인 τavg,reg의 산출은 다음과 같이 Rilem standard method9) 및 KS 평균 부착응력 산정기법을 통해 도출하였다.
성능/효과
- Fig. 6(a)를 살펴보면 순 내부피복두께가 0 mm인 GB-50-0 시리즈 실험체 C-type의 경우 A-type과 철근을 감싸고 있는 콘크리트 내부피복 조건이 동일함에도 불구하고 두께 변화방향에 따라 최대부착응력이 50% 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 1) 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착응력-슬립 관계는 중공형상에 따른 부착구간 및 내부피복 두께에 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히, 최소 내부피복두께가 2.
- 2) 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착응력 분포 또한 내부피복 두께에 따라 일반 RC 슬래브와 상이하게 나타났다. 중공에 의해 내부피복두께가 2.
- 3) 최소 피복두께를 가지고 일괄적으로 부착강도를 산정하는 기존의 방식으로는 철근 길이방향으로 부착 조건이 변화되는 도넛형 이방향 중공슬래브의 구간별 부착 특성이 반영되지 못하고 있다. 이에 따라 기존의 방식은 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착강도를 과소평가하고 있음을 확인 하였다.
- 4) 이 연구에서는 구간별 부착특성을 고려하는 부착강도 산정방법을 제안하였으며, 분석 결과 실험값과 5% 내외의 오차를 보이며 매우 정확하게 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착강도를 예측하고 있다.
- 8에 나타낸 각 entire-type 실험체의 하중단계별 철근의 변형률을 살펴보게 되면, 철근과 콘크리트 사이의 부착력을 통하여 철근 인장력의 일부를 콘크리트가 부담하게 되므로 실험체의 자유단으로 이동할수록 철근의 변형률이 감소하고 있음을 확인할 수 있다. S-270-S-E와 GB-270-26-E의 경우와 같이 내부피복이 2.5db를 만족하는 경우 하중이 증가함에 따라서 철근 변형률이 선형적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 한편 내부피복두께가 2.
- 5db를 만족하는 GB-270-26-E 실험체의 경우 하중 증가에 따른 부착응력 분포가 S-270-S-E 실험체와 매우 유사한 것을 확인 할 수 있다. 또한 Azizinamini의 연구와 같이 초기 하중 단계에서 최대 부착응력점이 하중단 근처에 집중되어 발생하였으며, 하중이 증가함에 따라 철근의 축방향으로 콘크리트가 응력을 순차적으로 분담하는 거동을 확인하였다. 하지만 실험체의 최소 내부피복두께가 2.
- 또한 B∼C 구간에서 부착응력이 감소함에 따라 D 구간의 부착응력 기여도가 급격히 증가 하는 것을 확인 할 수 있다.
- 내부피복두께가 변화하는 transition region에서 두께 변화 방향이 서로 대칭인 A-type과 C-type 실험체에서는 하중단의 내부피복이 얇은 C-Type 실험체가 A-type 실험체에 비해 부착강도가 감소하였다. 또한 B-type과 C-type의 경우 최대부착 응력 이후 철근을 따라 종방향 균열이 발생하면서 잔류 부착응력이 급격히 감소하는 쪼갬파괴(splitting failure)가 발생하였으며, 내부피복두께가 더 작은 GB-50-0 시리즈 실험체에서 그 차이가 더 크게 나타났다. Fig.
- 또한 최대부착응력 이후 철근과 콘크리트의 마찰로 인하여 유지되는 잔류부착응력이 최대부착응력의 40%∼60% 수준으로 완만히 감소하는 전형적인 뽑힘파괴(pull-out failure) 거동을 보이고 있다.
- 이러한 결과를 살펴볼 때, 도넛형 이방향 중공슬래브의 경우 내부피복두께에 따라 구간별로 상이한 평균부착응력을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 내부피복이 2.5db를 만족하지 못하는 경우 일반 RC 슬래브와 상이한 부착응력 분포를 보임을 확인할 수 있다. 따라서 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착강도를 산정할 경우 구간별로 부착강도를 산정해야 할 것으로 사료된다.
- 6은 내부피복두께별로 부착구간에 따른 부착응력-슬립 관계 변화를 나타낸 그래프이다. 모든 실험체가 최대 부착응력 이전에는 초기 화학적인 접착력만으로 부착응력이 증가하다가, 슬립이 발생하면서 철근과 콘크리트의 맞물림 작용에 의해 부착응력이 완만히 증가하는 전형적인 부착거동을 보이고 있다. 하지만, 최대부착응력 이후의 잔류부착응력 및 파괴 거동은 내부피복두께 및 부착구간에 따라 상이한 결과를 보여주고 있다.
- 실험 결과 ‘Cobiax Technologies AG’ 이방향 중공슬래브의 최대 부착강도가 일반 RC 슬래브에 비해 약 45% 감소하는 것으로 나타났다.
- 6(b)는 순 내부피복두께가 10 mm인 GB-50-10 시리즈 실험체의 실험 결과이다. 실험 결과 내부피복두께가 일정하지만 가장 얇은 B-type 실험체가 가장 낮은 부착응력을 보이고 있음을 확인 할 수 있다. 내부피복두께가 변화하는 transition region에서 두께 변화 방향이 서로 대칭인 A-type과 C-type 실험체에서는 하중단의 내부피복이 얇은 C-Type 실험체가 A-type 실험체에 비해 부착강도가 감소하였다.
- 또한 B∼C 구간에서 부착응력이 감소함에 따라 D 구간의 부착응력 기여도가 급격히 증가 하는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과를 살펴볼 때, 도넛형 이방향 중공슬래브의 경우 내부피복두께에 따라 구간별로 상이한 평균부착응력을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 내부피복이 2.
- 중공에 의해 내부피복두께가 2.5db를 만족하지 못하는 경우 최소내부피복을 가지는 구간에서 일반 RC 슬래브에 비해 25%∼50% 낮은 평균부착응력을 나타내고 있으며, 내부피복두께가 확보되는 변단면 구간에 부착응력이 집중되는 것을 확인하였다.
- KS F 2405에 따라 총 5개의 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 콘크리트의 강도시험은 구조실험 직전 실시하였고, 5개의 공시체의 평균 강도는 29.5 MPa로 설계 기준 강도인 30 MPa와 동일한 강도를 나타내었다. 부착실험에 사용된 철근은 실험체의 부착파괴를 유도하기 위하여 SD500의 D13 이형 철근을 사용하였다.
- 1) 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착응력-슬립 관계는 중공형상에 따른 부착구간 및 내부피복 두께에 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히, 최소 내부피복두께가 2.5db를 만족하지 못하는 경우 부착구간별로 최대부착강도의 차이가 크게 발생하며, 파괴거동 또한 다르게 나타났다.
- 하지만 실험체의 최소 내부피복두께가 2.5db를 만족하지 못하는 GB-270-0-E 실험체와 GB-270-10-E 실험체의 경우 초기에 하중단에 부착응력이 집중되어 발생하는 현상은 동일하였으나, 하중 증가에 따라 내부피복두께가 최소인 B∼C 구간에서 부착응력이 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
- 5db를 만족하지 못하는 경우 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착강도를 약 25% 정도 저평가하고 있다. 하지만, 구간별 부착특성을 고려하여 제안된 식 (5)를 적용할 경우 실험값과 5% 내외의 오차를 보이며 매우 정확하게 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착강도를 예측하고 있음을 확인할 수 있다. GB-270-26-E 실험체의 경우 제안식을 통한 예측값이 실험값보다 20% 이상 높게 나타났다.
후속연구
- 그러나 슬래브 철근의 경우 휨 부착으로 거동하며, 연속적이기 때문에 이 실험체와는 다른 거동을 보일 것으로 판단된다. 따라서 향후 실제 도넛형 중공 슬래브와 유사한 응력상태에서 철근의 부착응력을 파악하기 위한 보완연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 6) 하지만 도넛형 이방향 중공슬래브의 경우 중공형성 체와 철근이 맞닿아 있지 않고 중공형성체 형상이 다르기 때문에 Cobiax 슬래브와 상이한 부착 조건을 가지고 있다. 슬래브 철근의 부착성능은 최소 피복두께 등 부착 조건에 좌우되기 때문에 도넛형 이방향 중공슬래브의 부착성능에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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