무량판 슬래브 구조는 시공의 단순함과 낮은 층고, 그리고 다양한 평면구성의 용이함으로 인하여 구조적으로 효과적이나 슬래브-기둥 접합부가 중력하중에 의한 펀칭전단파괴와 횡하중의 불균형모멘트에 의한 편심전단파괴에 취약한 단점이 있다. 이러한 무량판 슬래브의 취약점을 방지하기 위하여 많은 보강공법들이 개발되었으나, 보강공법들은 구조적 성능과 경제성, 그리고 시공성을 모두 만족시키기지는 못하고 있다. 이 논문에서는 래티스를 이용한 무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부 보강공법을 제시하였다. 주기하중 실험을 통하여 래티스 보강공법의 구조적 성능을 증명하였으며 같은 구조설계 조건에 대하여 스터럽과 스터드레일, 그리고 래티스를 이용한 공법을 적용해 봄으로써 경제성을 입증하였다.
무량판 슬래브 구조는 시공의 단순함과 낮은 층고, 그리고 다양한 평면구성의 용이함으로 인하여 구조적으로 효과적이나 슬래브-기둥 접합부가 중력하중에 의한 펀칭전단파괴와 횡하중의 불균형모멘트에 의한 편심전단파괴에 취약한 단점이 있다. 이러한 무량판 슬래브의 취약점을 방지하기 위하여 많은 보강공법들이 개발되었으나, 보강공법들은 구조적 성능과 경제성, 그리고 시공성을 모두 만족시키기지는 못하고 있다. 이 논문에서는 래티스를 이용한 무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부 보강공법을 제시하였다. 주기하중 실험을 통하여 래티스 보강공법의 구조적 성능을 증명하였으며 같은 구조설계 조건에 대하여 스터럽과 스터드레일, 그리고 래티스를 이용한 공법을 적용해 봄으로써 경제성을 입증하였다.
Although the flat plate system is an efficient structural type due to the simplicity of its construction, the low story height, and the various plan design, the slab-column connections are vulnerable to punching shear failure from gravity load and eccentric shear failure from lateral load. To preven...
Although the flat plate system is an efficient structural type due to the simplicity of its construction, the low story height, and the various plan design, the slab-column connections are vulnerable to punching shear failure from gravity load and eccentric shear failure from lateral load. To prevent the structure collapse, various construction methods of slab-column connection reinforcement are developed but none of these satisfies all of structural performance, economics, and constructability. This paper presents the reinforcement of slab-column connection with lattice bars. The structural performance is confirmed with the interior slab-column connection tests subjected to cyclic loading, and the economic feasibility is demonstrated from the structural design under the same condition with lattice bars, stud rails, and stirrups.
Although the flat plate system is an efficient structural type due to the simplicity of its construction, the low story height, and the various plan design, the slab-column connections are vulnerable to punching shear failure from gravity load and eccentric shear failure from lateral load. To prevent the structure collapse, various construction methods of slab-column connection reinforcement are developed but none of these satisfies all of structural performance, economics, and constructability. This paper presents the reinforcement of slab-column connection with lattice bars. The structural performance is confirmed with the interior slab-column connection tests subjected to cyclic loading, and the economic feasibility is demonstrated from the structural design under the same condition with lattice bars, stud rails, and stirrups.
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문제 정의
그러나 기존의 무량판 접합부 보강 공법은 구조성능과 경제성, 그리고 시공성을 모두 충족시키지는 못하고 있으며 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 래티스를 이용한 무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부 전단보강 공법을 제안하였다. 실물대 크기의 실험체에 대하여 주기하중 실험을 통해 전단보강 효과를 분석해 보았으며, 동일한 설계조건에 대하여 같은 안전율을 갖도록 설계하였을 때 기존 보강공법에 비해 얼마나 경제성이 있는지를 비교해 보았다.
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 kN의 전단강도로 가정하였다.
제안 방법
건축 계획적으로 유리한 철근콘크리트 무량판 구조의 취약한 슬래브-기둥 접합부의 전단성능을 보강하기 위하여 래티스를 이용한 보강공법을 제안하였다. 래티스에 대한 주기하중 실험결과 무보강 철근콘크리트 슬래브에 비하여 불균형 모멘트 강도는 1.
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 기존 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 kN의 전단강도로 가정하였다.
슬래브의 유효깊이는 슬래브 두께에서 하부 피복두께와 하부근 직경을 뺀 250-20-10=220mm이며 따라서 래티스의 간격은 440mm 이하여야 한다. 되도록 비슷한 간격으로 래티스가 배치되기 위하여 가로면에 2개 그리고 세로면에 3개로 나누어 대칭으로 배치하였으며 래티스 간격은 각각 (400-60)/(2-1)=360mm, (700-60)/(3-1)=320mm로 모두 설계기준을 만족하였다.
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 재하실험을 수행하였다[14]. 한 개의 무보강 실험체와 Figure 6과 같이 래티스로 보강된 다섯 개의 슬래브-기둥 접합부 축소 실험체를 제작하여 중력하중에 의한 뚫림전단과 주기횡하중에 의한 불균형 모멘트를 동시에 재하 하였다.
이 외에도 전단헤드 보강공법이 있으나 H형강의 사용으로 무겁고 가격이 비싸기 때문에 시공성과 경제성이 부족하다. 따라서 본 연구에서는 기존 보강 방법에 비해 구조성능, 경제성, 그리고 시공성이 개선될 수 있도록 래티스를 이용한 슬래브-기둥 접합부 전단보강공법을 제안하였으며 구조실험, 원가분석, 실현장 적용을 통해 제안된 공법의 유효성을 검증하였다.
실물대 크기의 실험체에 대하여 주기하중 실험을 통해 전단보강 효과를 분석해 보았으며, 동일한 설계조건에 대하여 같은 안전율을 갖도록 설계하였을 때 기존 보강공법에 비해 얼마나 경제성이 있는지를 비교해 보았다. 또한 실제 현장에 본 공법을 적용함으로써 시공성을 검증해 보았다.
래티스의 구조성능과 제작원가 및 공사원가를 바탕으로 기존 보강공법인 전단철근, 스터드레일과 경제성을 비교하였다. 동일한 설계 조건에서 구조물이 하중을 초과하는 전단강도를 갖도록 설계를 하고 소요물량에 대한 총 공사비를 계산하였다.
그러나 기존의 무량판 접합부 보강 공법은 구조성능과 경제성, 그리고 시공성을 모두 충족시키지는 못하고 있으며 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 래티스를 이용한 무량판 구조의 슬래브-기둥 접합부 전단보강 공법을 제안하였다. 실물대 크기의 실험체에 대하여 주기하중 실험을 통해 전단보강 효과를 분석해 보았으며, 동일한 설계조건에 대하여 같은 안전율을 갖도록 설계하였을 때 기존 보강공법에 비해 얼마나 경제성이 있는지를 비교해 보았다. 또한 실제 현장에 본 공법을 적용함으로써 시공성을 검증해 보았다.
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.
따라서 래티스를 활용한 보강방안의 구조적 유효성을 평가하기 위해 주기횡하중에 의한 불균형모멘트 재하실험을 수행하였다[14]. 한 개의 무보강 실험체와 Figure 6과 같이 래티스로 보강된 다섯 개의 슬래브-기둥 접합부 축소 실험체를 제작하여 중력하중에 의한 뚫림전단과 주기횡하중에 의한 불균형 모멘트를 동시에 재하 하였다.
대상 데이터
실험체의 크기는 6m×6m 슬래브의 1/2축소 모델로 제작하였으며 슬래브 두께는 135mm, 그리고 기둥의 크기는 300mm×300mm이다.
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.
2) 래티스로 보강된 무량판 접합부의 하중재하능력은 현행기준에 의해 예측된 값을 15~78% 상회한다. 따라서 현 설계기준에서의 안정적인 적용이 가능하다.
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 스터드레일은 제조원가 측면에서, 전단철근은 시공비 측면에서 불리하며, 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 경제성 있음을 확인하였다. 일반적인 건설공사에서 사용되는 이형철근과 원형철선을 이용하여 자동화 설비를 이용한 대량생산으로 제조원가가 저렴하고 무게가 가벼워 작업자에 의한 운반이 가능하며, 거치대를 이용한 자립으로 시공이 간단하고 현장에서의 추가작업이 없어 시공비 측면에서 유리하였다.
트러스형태의 래티스는 Figure 10의 (b)와 같이 다양한 형태의 균열에 대해 저항할 수 있고 접합부위가 용접으로 일체화 되어 있어 콘크리트의 손상 이후에도 정착성능을 유지할 수 있고 지속적으로 구조성능을 발휘할 수 있다. 또한 구조적으로 안정적인 트러스 형태를 지니고 있어 콘크리트 손상에 관계없이 구조적성능을 발휘할 수 있어 설계기준 강도를 초과하는 신뢰성 있는 구조성능을 발휘함을 확인할 수 있다.
래티스의 시공성을 검증하기 위해 실현장에 적용한 결과 슬래브 휨철근 사이에 배치되어 다른 구조물과의 간섭이 발생하지 않아 구조설계에 따른 정확한 시공이 가능하였으며 시공 과정에서 변형이나 이탈이 없고 시공 후 콘크리트내에 존치하여 별도의 유지관리 비용이 발생하지 않았다. 또한 래티스를 이용한 전단보강공법은 슬래브 철근 배근작업과 같이 이루어짐에 따라 전체적인 공사기간에 미치는 영향이 없음을 확인하였다.
이처럼 실물대 실험을 통하여 래티스를 이용한 전단보강공법이 설계강도를 초과하는 구조적 성능을 발휘함을 입증하였다. 또한 레티스로 보강된 접합부는 변형능력이 증가하여 콘크리트의 손상 이후에도 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 콘크리트와의 정착에 의해 전단강도를 발휘하는 기존 공법들과 달리 래티스를 이용한 전단보강공법은 콘크리트와의 정착과 상관없이 독립적으로 구조적 성능을 발휘하여 슬래브-기둥 접합부의 안정성을 크게 향상시켰음을 의미한다.
건축 계획적으로 유리한 철근콘크리트 무량판 구조의 취약한 슬래브-기둥 접합부의 전단성능을 보강하기 위하여 래티스를 이용한 보강공법을 제안하였다. 래티스에 대한 주기하중 실험결과 무보강 철근콘크리트 슬래브에 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 있음을 확인하였다.
래티스의 시공성을 검증하기 위해 실현장에 적용한 결과 슬래브 휨철근 사이에 배치되어 다른 구조물과의 간섭이 발생하지 않아 구조설계에 따른 정확한 시공이 가능하였으며 시공 과정에서 변형이나 이탈이 없고 시공 후 콘크리트내에 존치하여 별도의 유지관리 비용이 발생하지 않았다. 또한 래티스를 이용한 전단보강공법은 슬래브 철근 배근작업과 같이 이루어짐에 따라 전체적인 공사기간에 미치는 영향이 없음을 확인하였다.
이처럼 실물대 실험을 통하여 래티스를 이용한 전단보강공법이 설계강도를 초과하는 구조적 성능을 발휘함을 입증하였다. 또한 레티스로 보강된 접합부는 변형능력이 증가하여 콘크리트의 손상 이후에도 성능이 유지되는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무량판 구조란 무엇인가?
무량판 구조는 기둥위에 보가 없이 슬래브가 바로 얹히는 구조형식으로 슬래브가 보의 역할을 대신하게 된다. 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.
무량판 구조가 기존 벽식 구조에 비해 가지는 장점은 무엇인가?
무량판 구조는 기둥배치가 자유롭기 때문에 다양한 거주자의 요구에 대응하기위한 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(제 2010-126호)을 고시하였고, 서울특별시에서는 지속 가능형 공동주택 활성화 계획 시행을 고시하여 기둥식 무량판 구조의 공동주택 적용을 권고하고 있으며 용적률, 높이제한, 일조제한 등에 인센티브를 제공하고 있다.
무량판 구조가 효율적인 구조인 이유는 무엇인가?
무량판 구조는 기둥위에 보가 없이 슬래브가 바로 얹히는 구조형식으로 슬래브가 보의 역할을 대신하게 된다. 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. 국내 도심지의 협소한 건축부지와 층고 제한의 해결방안으로 무량판 구조의 수요가 증가하고 있으며 특히 공동주택에서도 적용이 많이 권장되고 있다.
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