프리스트레스트 중공 슬래브와 현장타설된 토핑콘크리트의 수평전단성능 평가 Evaluation of Horizontal Shear Strength of Prestressed Hollow-Core Slabs with Cast-in-Place Topping Concrete원문보기
프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브는 장경간에 적합하도록 경량화된 효율적인 프리캐스트 부재이며, 국내 외에서 많이 사용되고 있다. 특히, 국내에서는 현장타설콘크리트와 같이 사용되는 합성슬래브 형태로 주로 적용되고 있다. 그러나, 압출성형방식으로 제작되는 PHC 슬래브 부재는 매우 낮은 슬럼프의 콘크리트로 제작되어 타설 직후에도 표면경도가 높기 때문에 계면의 거친면 처리 및 전단연결재 배치가 어려운 단점이 있다. 이 연구에서는 PHC slab 부재와 토핑콘크리트 사이의 합성성능을 고찰하기 위하여 다양한 계면상태를 변수로 직접전단실험을 수행하였으며, 기존 실험결과를 수집하여 국내 외 수평전단강도 설계기준을 평가하였다.
프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브는 장경간에 적합하도록 경량화된 효율적인 프리캐스트 부재이며, 국내 외에서 많이 사용되고 있다. 특히, 국내에서는 현장타설콘크리트와 같이 사용되는 합성슬래브 형태로 주로 적용되고 있다. 그러나, 압출성형방식으로 제작되는 PHC 슬래브 부재는 매우 낮은 슬럼프의 콘크리트로 제작되어 타설 직후에도 표면경도가 높기 때문에 계면의 거친면 처리 및 전단연결재 배치가 어려운 단점이 있다. 이 연구에서는 PHC slab 부재와 토핑콘크리트 사이의 합성성능을 고찰하기 위하여 다양한 계면상태를 변수로 직접전단실험을 수행하였으며, 기존 실험결과를 수집하여 국내 외 수평전단강도 설계기준을 평가하였다.
Prestressed hollow-core (PHC) slabs are structurally-optimized lightweight precast floor members for long-span concrete structures, which are widely used in construction markets. In Korea, the PHC slabs have been often used with cast-in-place (CIP) topping concrete as a composite slab system. Howeve...
Prestressed hollow-core (PHC) slabs are structurally-optimized lightweight precast floor members for long-span concrete structures, which are widely used in construction markets. In Korea, the PHC slabs have been often used with cast-in-place (CIP) topping concrete as a composite slab system. However, the PHC slab members produced by extrusion method use concrete having very low slump, and it is very difficult to make sufficient roughness on the surface as well as to provide shear connectors. In this study, a large number of push-off tests was conducted to evaluate interfacial shear strengths between PHC slabs and CIP topping concrete with the key variable of surface roughness. In addition, the horizontal shear strengths specified in the various design codes were evaluated by comparing to the test results that were collected from literature.
Prestressed hollow-core (PHC) slabs are structurally-optimized lightweight precast floor members for long-span concrete structures, which are widely used in construction markets. In Korea, the PHC slabs have been often used with cast-in-place (CIP) topping concrete as a composite slab system. However, the PHC slab members produced by extrusion method use concrete having very low slump, and it is very difficult to make sufficient roughness on the surface as well as to provide shear connectors. In this study, a large number of push-off tests was conducted to evaluate interfacial shear strengths between PHC slabs and CIP topping concrete with the key variable of surface roughness. In addition, the horizontal shear strengths specified in the various design codes were evaluated by comparing to the test results that were collected from literature.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
15-17) 따라서, 이 연구에서는 여러 문헌16,18-22)으로부터 전단연결재가 배치되지 않은 직접전단(Push-off) 실험결과들을 추가적으로 수집하여, 합성부재의 계면 전단강도에 대한 기준식을 보다 더 명확히 평가하고자 하였다. 수집된 실험체들을 접합면이 매끈(smooth)한 실험체와 거친면 처리된(roughened) 실험체로구분하였다.
이 연구에서는 전단연결재가 배치되기 어려운 PHC 슬래브와 CIP 토핑콘크리트의 합성성능의 개선을 위하여 다양한 접촉면 처리 방식을 고안하여 직접전단실험을 수행하였다. 또한 기존 문헌으로부터 수집한 실험결과를 활용하여 국내 · 외 설계기준에서 제시하고 있는 수평전단강도를 평가하였다.
제안 방법
5) 이 연구에서는 PHC 슬래브가 거의 100% 자동화되어 생산된다는 점을 바탕으로 건식 · 기계화 시공에 적합한 2가지 거친 요철처리방법을 고안하였다.1) 또한, 추가적으로 표면처리를 하지 않은 경우와 표면처리가 가능한 슬립성형방식으로 제작된 PHC 슬래브 실험체들을 동시에 제작하여 직접전단실험을 수행하였다. 여기서, 슬립성형방식은 슬립성형기계를 통해 단일몰드형식으로 PHC 슬래브를 제작하는 방식이며, 일반적인 슬럼프의 콘크리트를 사용하기 떄문에 표면처리가 가능하지만 압출성형방식에 비하여 강도가 낮다.
5) 이 연구에서는 PHC 슬래브가 거의 100% 자동화되어 생산된다는 점을 바탕으로 건식 · 기계화 시공에 적합한 2가지 거친 요철처리방법을 고안하였다.
PHC 슬래브와 CIP 콘크리트의 접촉면은 최초에 400 × 400 mm2로 계획되었지만, 실험종료 후에 실측된 면적에서 계획대비 최대 7.5%의 차이가 있었기 때문에 이를 수평전단강도 산정에 직접 반영하였다.
7에 나타낸 바와 같다. 계측된 최대하중(Vnh, max)을 PHC 슬래브와 CIP 콘크리트의 접촉면적(Ac)으로 나누어 수평전단강도(vhn)를 산정하였다. PHC 슬래브와 CIP 콘크리트의 접촉면은 최초에 400 × 400 mm2로 계획되었지만, 실험종료 후에 실측된 면적에서 계획대비 최대 7.
즉, PHC 슬래브는 수평전단에 저항할 수 있는 적절한 저항매커니즘을 확보하기가 불리한 것이다. 따라서, 이 연구에서는 이러한 PHC 슬래브에 적용 가능한 여러 가지 슬래브 접촉면 처리방법을 시도하여 실험체를 제작하고 직접전단실험을 수행하였다. 또한, 기존에 수행된 다양한 실험결과를 같이 활용하여 수평전단강도에 대한 국내·외 설계기준을 평가하였다.
또한 기존 문헌으로부터 수집한 실험결과를 활용하여 국내 · 외 설계기준에서 제시하고 있는 수평전단강도를 평가하였다.
또한, 기존에 수행된 다양한 실험결과를 같이 활용하여 수평전단강도에 대한 국내·외 설계기준을 평가하였다.
15-17) 따라서, 이 연구에서는 여러 문헌16,18-22)으로부터 전단연결재가 배치되지 않은 직접전단(Push-off) 실험결과들을 추가적으로 수집하여, 합성부재의 계면 전단강도에 대한 기준식을 보다 더 명확히 평가하고자 하였다. 수집된 실험체들을 접합면이 매끈(smooth)한 실험체와 거친면 처리된(roughened) 실험체로구분하였다. 매끈한 실험체들은 접합면이 미장(troweled)되어 있거나, 진동다짐만 적용된 상태의 실험체들이었다.
와이어 매쉬가 사용된 DWM 실험체를 제외한 모든 실험체들은 CIP 콘크리트와 PHC 슬래브 사이에 전단연결재 없이 순수 콘크리트로만 접합되었으며, 계면이 분리되는 순간까지 가력한 후 실험을 종료하였다. 실험종료 후에는 실제 접촉면적을 실측하여 수평전단강도(vhn)를 평가하였다.
대상 데이터
Fig. 5(a)에 나타낸 DSS 실험체는 압출성형방식으로 제작된 PHC 슬래브로서, 상부면에 표면처리를 도입하지 않은 실험체이다. Fig.
(e)에 나타낸 DWM 실험체는 DSS 실험체와 같이 표면처리를 하지 않고, Fig. 4에나타낸 것과 같이, PHC 슬래브 측면의 전단키 공간에 직경이 6 mm인 100 mm × 150 mm 규격의 와이어매쉬를 전단연결재로써 배치하였다.
거친면 처리된 실험체들은 길이방향 또는 폭방향으로 거친면 처리 되었거나, 전단키(shear key)가 시공된 경우 또는 모래분사(sandblast)를 통해 거친면이 형성된 실험체들이 포함되어 있다. 수집된 실험체들은 총 128개이며, 매끈한 접합면을 갖는 실험체는 30개, 거친 접합면을 갖는 실험체는 98개이다. Fig.
압출성형방식으로 생산된 실험체들은 콘크리트 압축강도(fck)가 40 MPa, 슬래브의 두께는 200 mm이었다. 슬립성형방식으로 제작된 PHC 슬래브 실험체는 압축강도(fck)가 35 MPa, 두께가 315 mm이었다.
즉, SS는 표면처리 없이 압출성형된 매끄러운 표면, RL과 RT는 각 부재의 길이방향과 폭방향으로 요철이 있는 경우, WM은 SS와 마찬가지로 표면처리 없이 와이어 매쉬로 전단보강된 경우이고, RR은 와플형 사각격자무늬로 거친면 처리된 경우이다. 압출성형방식으로 생산된 실험체들은 콘크리트 압축강도(fck)가 40 MPa, 슬래브의 두께는 200 mm이었다. 슬립성형방식으로 제작된 PHC 슬래브 실험체는 압축강도(fck)가 35 MPa, 두께가 315 mm이었다.
여기서, 슬립성형방식은 슬립성형기계를 통해 단일몰드형식으로 PHC 슬래브를 제작하는 방식이며, 일반적인 슬럼프의 콘크리트를 사용하기 떄문에 표면처리가 가능하지만 압출성형방식에 비하여 강도가 낮다. 이 연구에서는 실험결과의 신뢰성을 높이기 위하여 각 표면처리방법에 대하여 동일한 실험체를 3개씩 제작하였다.
성능/효과
(a)에 나타낸 것과 같이, 매끈한 접합면을 갖는 경우에는 국내 · 외 구조설계기준은 대체로 보수적인 수평전단강도를 제시하고 있는 것을 알 수 있으며, 이 연구에서 수행된 실험체들 중에서 압축강도가 낮은 일부 실험체들이 다른 실험체들에 비해 매우 낮은 수평전단강도를 나타낸 것을 알 수 있다.
1) 압출성형방식으로 제작된 PHC 슬래브는 적절한 표면처리방식을 통하여 수평전단강도를 확보할 필요가 있다.
2) 폭방향 거친면이 도입된 DRT와 와이어매쉬가 배치된 DWM, 그리고 와플형 표면처리가 도입된 계열실험체들은 설계기준에서 제시하고 있는 거친면의 수평전단강도인 0.56 MPa 이상의 강도를 보여주었으며, 현행국내 설계기준(또는 ACI318)에서 제시하고 있는 것과 같이 최소전단연결재를 배치하지 않더라도 충분한 요철깊이와 간격을 확보한다면 적절한 수평전단강도를 확보할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다.
3) 길이방향으로 거친면 처리된 DRL와 매우 낮은 요철깊이로 폭방향 거친면 처리된 DRT* 계열은 현행 설계기준에서 제시하고 있는 수평전단강도를 만족하지 못하였으며, 따라서 요철의 방향, 깊이 및 간격에 대한 상세내용이 설계기준에 추가적으로 반영될 필요가 있다.
4) 수집된 실험결과들을 통하여 각국의 현행설계기준식들을 평가한 결과 접촉면이 매끈할 경우 현행설계기준은 전단강도를 안전측으로 평가하였으며, EC2와 같이 약간의 수평전단강도를 인정할 여지가 있다.
DRT 실험체에 비해 거친면 처리의 깊이나 간격이 불리하게 적용된 DRT* 실험체는 3개 실험체들 중에서 2개가 실험 셋팅 중 파손되어 오직 1개의 실험결과만을 얻을 수 있었으며, 0.36 MPa의 수평전단강도를 나타내었다. 이는 DRT 실험체강도의 약 25%, KCI-12에서 제시하고 있는 수평전단강도의 약 64% 수준이었다.
거친면 처리없이 와이어매쉬를 전단연결재로 배치한 DWM 실험체는 DRT 실험체의 약 70%에 해당하는 0.92 MPa의 수평전단강도를 나타내었으며, 이는 KCI-12에서 제시하고 있는 수평전단강도인 0.56 MPa에 비하여 매우 큰 수평전단강도이다.
길이방향으로 거친면 처리된 DRL 계열의 실험체는 거친면처리 없는 DSS 계열의 실험체보다 약 2배정도 상승된 0.16 MPa의 수평전단 강도를 보여주었으나, 콘크리트 구조설계기준에 제시된 수평전단강도인 0.56 MPa에는 여전히 크게 미치지 못하는 것이었다. 다만, 거친면 처리 시에 길이방향 요철의 개수를 더 늘린다면 수평전단강도가 증가될 수 있는 가능성이 있을 것으로 판단된다.
52 MPa로 제시하고 있다. 또한, 계면 거칠기가 없다하더라도 EC2와 BS8110에서 제시하고 있는 수평전단강도는 CIP 콘크리트의 압축강도에 따라 증가하는 경향을 나타냈으며, 특히 EC2에서는 수평전단강도가 0.26 MPa에서 0.67 MPa까지 분포하였다.
8 MPa의 수평전단강도를 제시하고 있다. 또한, 모든 기준에서 전단연결재가 있는 경우에는 콘크리트의 수평전단강도 기여분이 전단연결재가 없는 경우에 비하여 약 3배 이상 큰 값을 보여주었다.
슬립성형방식으로 제작되어 와플형 표면처리가 도입된 WRR 실험체의 수평전단강도 역시 DWM 실험체의 수평전단강도와 유사한 수준인 0.92 MPa로 나타났으며, KCI-12에 제시된 수평전단강도를 만족하였다.
8에는 수집된 실험체들의 수평전단 강도(vh)를 콘크리트의 압축강도(fck)에 대하여 나타내었다. 실험체마다 표면처리의 상세가 약간씩 다르기는 하지만, 이를 감안하더라도 매끈한 접합면을 갖는 실험체들과 거친 접합면을 갖는 실험체들 모두 콘크리트의 압축강도가 증가할수록 수평전단강도가 증가하는 경향을 나타냈다. BS8110은 콘크리트 압축강도를 수평전단강도에 반영하고 있으며, EC2도 콘크리트의 인장강도를 통하여 콘크리트의 강도를 반영하다.
폭방향으로 거친면 처리된 DRT 계열의 실험체는 모든 실험체 중 가장 높은 1.33 MPa의 수평전단강도를 나타내었으며, 이는 KCI-12에서 제시하고 있는 거친면 처리된 계면의 전단강도인 0.56 MPa 보다 약 2.4 배정도 큰 수평전단강도이다.
후속연구
56 MPa에는 여전히 크게 미치지 못하는 것이었다. 다만, 거친면 처리 시에 길이방향 요철의 개수를 더 늘린다면 수평전단강도가 증가될 수 있는 가능성이 있을 것으로 판단된다.
다만, 한편으로는 콘크리트의 압축강도와 수평전단강도 사이에 큰 상관관계를 나타내지 않는다는 일부 연구결과가 있으며,20) 국내 및 북미의 기준에서도 수평전단강도에 콘크리트의 압축강도를 반영하고 있지 않다. 따라서, 압축강도의 영향에 대한 고려여부에 대하여 추가적인 성찰이 필요하며, 이 때 토핑콘크리트와 모재의 콘크리트 압축강도의 차이도 고려되어야 할 필요가 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브를 어떻게 적용시키고 있는가?
프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브는 장경간에 적합하도록 경량화된 효율적인 프리캐스트 부재이며, 국내 외에서 많이 사용되고 있다. 특히, 국내에서는 현장타설콘크리트와 같이 사용되는 합성슬래브 형태로 주로 적용되고 있다. 그러나, 압출성형방식으로 제작되는 PHC 슬래브 부재는 매우 낮은 슬럼프의 콘크리트로 제작되어 타설 직후에도 표면경도가 높기 때문에 계면의 거친면 처리 및 전단연결재 배치가 어려운 단점이 있다.
프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브란 무엇인가?
프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브는 장경간에 적합하도록 경량화된 효율적인 프리캐스트 부재이며, 국내 외에서 많이 사용되고 있다. 특히, 국내에서는 현장타설콘크리트와 같이 사용되는 합성슬래브 형태로 주로 적용되고 있다.
압출성형방식으로 프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브의 단점은 무엇인가?
특히, 국내에서는 현장타설콘크리트와 같이 사용되는 합성슬래브 형태로 주로 적용되고 있다. 그러나, 압출성형방식으로 제작되는 PHC 슬래브 부재는 매우 낮은 슬럼프의 콘크리트로 제작되어 타설 직후에도 표면경도가 높기 때문에 계면의 거친면 처리 및 전단연결재 배치가 어려운 단점이 있다. 이 연구에서는 PHC slab 부재와 토핑콘크리트 사이의 합성성능을 고찰하기 위하여 다양한 계면상태를 변수로 직접전단실험을 수행하였으며, 기존 실험결과를 수집하여 국내 외 수평전단강도 설계기준을 평가하였다.
참고문헌 (22)
Kim, K. S., Lee, D. H., Park, M. K., and Im, J. H., Development of Enhancement Techniques on Shear Strength of Hollow-core Slab and its Composite Action with Topping Concrete, SAMSUNG C&T Technical Report, 2012, pp. 212.
Becker, R.J. and Buettner, D.R., "Shear Tests of Extruded Hollow Core Slabs", PCI Journal, Vol. 30, No. 2, 1985, pp. 40-54.
Im, J.H., Park, M.K., Lee, D.H., Kim, K.S., Seo, S.Y., and Jang, S.Y., "Effect of Effective Prestress on Shear Capacity of Hollow-Core Slab Units", Advanced Science Letter, Accepted for Publication, 2012.
Mones, R.M. and Brena, S.F., "Hollow-Core Slabs with Cast-In-Place Concrete Toppings: A Study of Interfacial Shear Strength", PCI Journal, Vol. 58, No. 3, 2013, pp. 124-141.
Palmer, K.D. and Schultz, A.E., "Experimental Investigation of the Web-shear Strength of Deep Hollow-Core Units", PCI Journal, Vol. 56, No. 3, 2011, pp. 83-104.
Korea Concrete Institute, Concrete Design Code, Kimoondang Publishing Company, 2012, pp. 342.
AASHTO LRFD, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 4th ed., American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C., 2007.
ACI Committee 318, Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary (ACI 318M-11), American Concrete Institute, Detroit, 2011, pp. 503.
British Standard Institute, Structural Use of Concrete - Part 1 Code of Practice for Design and Construction, BS 8110-1: 1997, London, 1997, pp. 163.
European Committee for Standardization (CEN), Eurocode 2: Design of Concrete Structure. Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings, EN 1992-1-1:2004, Brussels, 2004, pp. 225.
PCI Industry Hand Book Committee, PCI Design Handbook, 7th ed., Precast/Prestressed Concrete Institute, 2010.
Anderson, A.R., "Composite Designs in Precast and Cast-in-Place Concrete", Progressive Architecture, Vol. 41, No. 9, 1960, pp. 172-179.
Hanson, N.W., "Precast-Prestressed Concrete Bridges 2. Horizontal Shear Connections", Journal of the PCA Research and Development Laboratories, Vol. 2, No. 2, 1960, pp. 38-58.
Mattock, A.H. and Kaar, P.H., "Precast-Prestressed Concrete Bridges, 4 - Shear Tests of Continuous Girders", Journal of the PCA Research and Development Laboratories, Portland Cement Association, Vol. 3, No. 1, 1961, pp. 47-56.
Lee, S. S., Hong, S. Y., Park, K. S., and Bae, K. W., "Evaluation of Horizontal Shear Strength for Cotter Type Surface Roughness of Hollow Core Slab", Journal of the architectural institute of Korea Structure & Construction, Vol. 28, No. 8, 2012, pp. 61-68.
Aziz, R.J., "Shear Capacity of Concrete Prisms with Interface Joints", Journal of Engineering, Vol. 16, No. 2, 2010, pp. 5084-5097.
Gohnert, M., "Horizontal Shear Transfer Across a Roughened Surface", Cement & Concrete Composites, Vol. 25, No. 3, 2003, pp. 379-385.
Wallenfelsz, J.A., "Horizontal Shear Transfer for Full-Depth Precast Concrete Bridge Deck Panels", Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2006, pp. 111.
Djazmati, B. and Pincheira, J.A., "Shear Stiffness and Strength of Horizontal Construction Joints", ACI Structural Journal, Vol. 101, No. 4, 2004, pp. 484-493.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.