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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 일방향 중공슬래브를 대상으로, 기존의 전단설계기준식에서 콘크리트 단면산정 방법 및 인장 철근의 철근비에 따른 전단강도의 변화를 분석하고, 이를 실험을 통하여 검증하고자 한다.
가설 설정
- 전단강도는 유효단면적 bwd에 작용하는 평균전단응력에 기초를 두고 있다. 전단보강철근이 없는 부재에서 플랜지의 콘크리트가 전단력을 부담한다고 가정하며, 전단철근이 있는 부재에서는 콘크리트의 압축영역과 전단철근이 전단력을 부담한다고 가정한다.
제안 방법
- 일방향 중공슬래브의 전단강도를 산정하기 위해 유효단면적을 전체 단면에서 중공부를 제외한 단면을 유효단면으로 전단강도를 산정한 방법과 Fig. 1과 같이 원형의 중공부를 등가면적의 정사각형으로 치환하여 대체 단면으로서 웨브 복부폭만큼만 유효단면으로 고려하는 방법으로 구분하였다.
- 그리고 종방향 인장철근의 중심에서 압축콘크리트 연단까지 거리를 나타내는 유효깊이 d는 중공부에 의한 단면결손에 따른 전단강도를 고려하기 위하여 Fig. 2와 같이 전단면을 위험거리 d지점의 45º방향으로 콘크리트 유효단면으로 환산한 #와 기존의 d를 이용하여 전단강도를 산정하고자 하였다.
- 본 연구에서는 Photo 1과 같이 단순지지에 2점 가력을 통하여 지점과 가력점의 거리는 1150mm로 전단경간비가 6.45인 일방향 중공슬래브의 전단성능을 평가하였다.
- 가력은 최대 용량 2000kN의 엑츄에이터 (Actuator)를 사용하여 1mm/min의 속도로 변위제어를 실시하였다. 실험체에서의 항복강도를 측정하기 위하여 최대하중이 작용하는 인장철근의 중앙부에 스트레인게이지 (Strain guage)를 부착하여 철근의 변형률을 측정하였다. 중앙부의 처짐을 측정하기 위하여 중앙 측면 하부에 선형 변위계 (LVDT)를 설치하여 측정하였다.
- 실험체에서의 항복강도를 측정하기 위하여 최대하중이 작용하는 인장철근의 중앙부에 스트레인게이지 (Strain guage)를 부착하여 철근의 변형률을 측정하였다. 중앙부의 처짐을 측정하기 위하여 중앙 측면 하부에 선형 변위계 (LVDT)를 설치하여 측정하였다.
- 철근량은 슬래브 전체의 철근량을 모두 고려하였으며, 단면가정에 따른 유효깊이는 d를 그대로 고려한 경우와 d지점의 45° 방향으로 환산한 #를 적용한 경우로 구분하여 전단강도를 산정하였다.
- 철근량은 슬래브 전체의 철근량을 고려하였으며, 단면가정에 따른 유효깊이는 d를 그대로 고려한 경우와 d지점의 45° 방향으로 환산한 #를 적용한 경우로 구분하여 전단강도를 산정하였다.
- 일방향 중공슬래브의 전단강도를 산정하기 위한 방법으로서 전체단면에서 중공부를 제외한 유효단면으로 전단강도를 산정하였다. 이러한 유효단면과 유효깊이에 따른 전단강도 산정결과는 Table 2 및 Table 3에 나타내었다.
- 중공부를 등가면적의 정사각형으로 치환하여 웨브폭만큼 유효단면을 고려한 방법으로 전단강도를 산정하였다. 등가웨브단면과 유효깊이에 따른 전단강도 산정결과는 Table 4 및 Table 5와 같다.
- 철근비에 따른 전단강도를 비교하기 위하여 실험결과와 유사한 전단성능을 보여준 중공부를 제외한 유효단면과 유효깊이 d를 고려한 전단강도 산정방법과 등가웨브단면과 유효깊이 #를 고려한 전단강도 산정법을 이용하여 상대적으로 비교 분석을 하였다.
- 본 연구에서는 일방향 중공슬래브에서 철근비에 따른 전단거동 특성을 파악하고, 현행기준 및 기존 연구의 전단강도 산정식을 이용하여 철근비에 따른 전단강도 산정방법을 비교, 분석하였다.
대상 데이터
- 일방향 중공슬래브의 전단성능을 파악하기 위하여 Table 1과 같이 총 6개의 전단실험체를 제작하였다. 실험체의 크기는 길이 4,000mm의 폭 1,260mm인 단일 중공체를 형성한 일방향 중공슬래브와 길이 4,000mm의 폭 1,300mm인 복수 중공체가 삽입된 일방향 중공슬래브 실험체를 제작하였으며 두께는 동일하게 210mm으로 제작하였다.
- 일방향 중공슬래브의 전단성능을 파악하기 위하여 Table 1과 같이 총 6개의 전단실험체를 제작하였다. 실험체의 크기는 길이 4,000mm의 폭 1,260mm인 단일 중공체를 형성한 일방향 중공슬래브와 길이 4,000mm의 폭 1,300mm인 복수 중공체가 삽입된 일방향 중공슬래브 실험체를 제작하였으며 두께는 동일하게 210mm으로 제작하였다. 중공관은 THP 주름관 (배수관)으로 직경은 115mm, 중공관 간격은 95mm, 중공관 중심간 거리는 210mm이며 상부 배력근 및 하부 배력근은 D10@250, 상부근은 와이어 메쉬 #4@180이다.
- 실험체의 크기는 길이 4,000mm의 폭 1,260mm인 단일 중공체를 형성한 일방향 중공슬래브와 길이 4,000mm의 폭 1,300mm인 복수 중공체가 삽입된 일방향 중공슬래브 실험체를 제작하였으며 두께는 동일하게 210mm으로 제작하였다. 중공관은 THP 주름관 (배수관)으로 직경은 115mm, 중공관 간격은 95mm, 중공관 중심간 거리는 210mm이며 상부 배력근 및 하부 배력근은 D10@250, 상부근은 와이어 메쉬 #4@180이다. 하부근은 전단거동 분석을 위하여 중공체의 개수에 따라 철근배근을 세 가지 타입으로 선정하였다.
- 4와 같다. Slab A, B, C는 단일 중공관을 사용하였으며, Slab D, E, F는 복수 중공관을 사용하였다.
이론/모형
- 여기서 Vc는 균열이 생기지 않은 압축측 콘크리트가 저항하는 전단력, Vay는 균열이 생긴 부위에서 골재의 맞물림 작용(interlock action), Vd는 인장 주철근의 장부작용 (dowel action)이다. 전단보강을 하지 않는 슬래브의 전단강도는 인장철근비가 높을수록 철근의 장부작용으로 인하여 강도가 증가하게 되는데, 본 연구에서는 철근비에 따른 일방향 중공 슬래브의 전단강도에 대한 분석을 위해 식 (1)~(4)의 설계기준식 및 제안식을 이용하였다.
성능/효과
- 전반적으로 유효깊이를 d로 고려한 산정식 1-1-1~산정식 1-1-4는 전단강도를 과소평가하는 것으로 나타났으며, 유효 깊이 #로 고려한 산정식 1-2-1~산정식 1-2-4는 전단강도를 과대평가하는 것으로 나타났다. 중공부를 제외한 유효단면으로서 전단강도를 산정한 결과, Fig.
- 로 고려한 산정식 1-2-1~산정식 1-2-4는 전단강도를 과대평가하는 것으로 나타났다. 중공부를 제외한 유효단면으로서 전단강도를 산정한 결과, Fig. 5와 같이 유효깊이를 d만큼 고려한 산정방법은 실험 전단강도 값과 평균 15% 내외 오차를 보이며, 유효깊이를 #로 환산한 전단강도 산정방법은 실험 전단강도 값과 평균 20% 내외 오차가 나타났다. 전단강도 산정식에서 실험결과에 가장 근접한 전단강도식은 ACI (318-08) 일반식 (1-2-1)으로 Slab A와 Slab D를 제외한 Slab B, Slab C, Slab E, Slab F에서 평균 8% 내외의 오차를 보이며 실험결과를 잘 예측하고 있다.
- 5와 같이 유효깊이를 d만큼 고려한 산정방법은 실험 전단강도 값과 평균 15% 내외 오차를 보이며, 유효깊이를 #로 환산한 전단강도 산정방법은 실험 전단강도 값과 평균 20% 내외 오차가 나타났다. 전단강도 산정식에서 실험결과에 가장 근접한 전단강도식은 ACI (318-08) 일반식 (1-2-1)으로 Slab A와 Slab D를 제외한 Slab B, Slab C, Slab E, Slab F에서 평균 8% 내외의 오차를 보이며 실험결과를 잘 예측하고 있다. 하지만 ACI (318-08) 일반식은 철근비가 고려되지 않아 중공체에 따라 일률적인 데이터 분포를 Fig.
- 5(a)에서 볼 수 있으며 실질적인 전단강도를 산출하기에는 다소 부족하다고 판단된다. 따라서, ACI (318-08) 상세식에 유효깊이를 #로 환산한 산정식 (1-2-2)이 실험결과와 평균 14% 내외의 오차로 실험 결과를 가장 잘 예측하는 것으로 나타났다.
- Fig. 6의 등가웨브단면으로서 전단강도를 산정한 결과 유효깊이를 d만큼 고려한 산정방법은 실험 전단강도와 평균 46% 내외로 큰 오차가 나타났으며, 유효깊이를 #로 환산한 전단강도 산정방법은 실험 전단강도와 평균 19% 내외 오차가 나타났다. 하지만 산정식에 따른 실험 결과값에 가장 근접한 전단강도식은 Zsutty 제안식으로 13% 내외의 오차를 보이며 실험결과를 가장 잘 예측하고 있다.
- 6의 등가웨브단면으로서 전단강도를 산정한 결과 유효깊이를 d만큼 고려한 산정방법은 실험 전단강도와 평균 46% 내외로 큰 오차가 나타났으며, 유효깊이를 #로 환산한 전단강도 산정방법은 실험 전단강도와 평균 19% 내외 오차가 나타났다. 하지만 산정식에 따른 실험 결과값에 가장 근접한 전단강도식은 Zsutty 제안식으로 13% 내외의 오차를 보이며 실험결과를 가장 잘 예측하고 있다.
- Fig. 9(b)의 등가웨브단면에서의 환산유효깊이 #를 고려한 Zsutty 제안식 역시 철근비가 작을수록 실험전단강도와 유사한 양상을 보였으나, 철근비가 증가하여도 실험결과 값과의 오차범위가 5~9% 정도로 나타나 4가지의 전단강도 산정식중 실험결과를 가장 잘 예측하였다.
- 중공체에 따른 전단강도 산정결과는 단일 중공체일 때 앞서 설명한 것처럼 등가웨브단면에서의 환산유효깊이 #를 고려한 Zsutty 제안식이 실험결과와 가장 유사한 전단성능을 보였으나, 복수 중공체에서는 전체유효단면에서의 유효 깊이 d를 고려한 Zsutty 제안식이 12% 내외의 오차를 보이며 실험결과를 가장 잘 예측하는 것으로 나타났다. 이는 등가웨브단면으로 환산유효깊이 #를 고려한 전단강도 산정이 중공률이 일정이상 도달할 때 단면결손에 따른 충분한 전단강도를 산출할 수 없는 것으로 판단된다.
- 를 고려한 Zsutty 제안식이 실험결과와 가장 유사한 전단성능을 보였으나, 복수 중공체에서는 전체유효단면에서의 유효 깊이 d를 고려한 Zsutty 제안식이 12% 내외의 오차를 보이며 실험결과를 가장 잘 예측하는 것으로 나타났다. 이는 등가웨브단면으로 환산유효깊이 #를 고려한 전단강도 산정이 중공률이 일정이상 도달할 때 단면결손에 따른 충분한 전단강도를 산출할 수 없는 것으로 판단된다.
- 전반적으로 철근비가 커질수록 전단강도가 증가하나, 등가웨브단면에서의 단일 중공체인 경우에 복수 중공체인 경우보다 철근비는 작았으나 전단강도는 크게 나타났다. 이는 철근비의 증가보다 중공부로 인한 콘크리트 유효단면적 감소의 영향이 상대적으로 더 큰 것으로 판단된다.
- 철근비가 작을수록 이론식에 의한 전단강도가 실험전단강도와 유사하게 나타났으나, 철근비가 증가할수록 실험결과와의 오차가 커지는 것으로 나타났다. 전체유효단면에 유효깊이를 d로 고려하여 산정한 전단강도는 실험 결과값에 대해 97%정도로 나타났으나, 철근비가 커질수록 실험결과와 최소 10%~24%까지의 오차가 나타났다.
- 철근비가 작을수록 이론식에 의한 전단강도가 실험전단강도와 유사하게 나타났으나, 철근비가 증가할수록 실험결과와의 오차가 커지는 것으로 나타났다. 전체유효단면에 유효깊이를 d로 고려하여 산정한 전단강도는 실험 결과값에 대해 97%정도로 나타났으나, 철근비가 커질수록 실험결과와 최소 10%~24%까지의 오차가 나타났다. 하지만 Zsutty 제안식에 등가웨브단면에서의 환산유효깊이 #를 고려한 경우는 철근비가 증가하여도 실험 결과값과의 오차범위가 5~9%정도로, 전단강도 산정 방법 중 실험결과에 가장 근접한 결과를 나타내었다.
- 전체유효단면에 유효깊이를 d로 고려하여 산정한 전단강도는 실험 결과값에 대해 97%정도로 나타났으나, 철근비가 커질수록 실험결과와 최소 10%~24%까지의 오차가 나타났다. 하지만 Zsutty 제안식에 등가웨브단면에서의 환산유효깊이 #를 고려한 경우는 철근비가 증가하여도 실험 결과값과의 오차범위가 5~9%정도로, 전단강도 산정 방법 중 실험결과에 가장 근접한 결과를 나타내었다.
- 강도산정식에 따른 전단강도 산정결과로 등가웨브단면에 환산유효단면 #를 고려하여 Zsutty 제안식으로 산정한 전단강도가 실험전단강도의 87%정도로 나타났다. 따라서 일방향 중공슬래브의 전단강도 산정은 원형의 중공부를 등가 면적의 사각형으로 치환시켜 유효깊이를 #로 환산하여 Zsutty 제안식으로 전단강도를 산정하는 방법이 실험결과에 가장 근접한 전단성능을 산출하는 것으로 판단된다.
- 를 고려하여 Zsutty 제안식으로 산정한 전단강도가 실험전단강도의 87%정도로 나타났다. 따라서 일방향 중공슬래브의 전단강도 산정은 원형의 중공부를 등가 면적의 사각형으로 치환시켜 유효깊이를 #로 환산하여 Zsutty 제안식으로 전단강도를 산정하는 방법이 실험결과에 가장 근접한 전단성능을 산출하는 것으로 판단된다.
- Fig. 9(a)의 전체유효단면에서의 유효깊이 d를 고려한 ACI (318-08) 상세식은 철근비가 작을수록 실험결과 값에 근접하는 것으로 나타났으며 Slab A에서 97%의 전단강도가 산정되었다. 하지만 철근비가 커질수록 실험결과 강도와 최대 24% 까지 오차가 나타나 철근비에 따른 전단강도의 편차가 큰 것으로 판단된다.
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