[논문]실험을 통한 프리캐스트-프리스트레스트 중공슬래브의 전단강도

한상환; 문기훈; 강동훈; 임주혁; 김용남

doi:10.4334/jkci.2014.26.5.635

실험을 통한 프리캐스트-프리스트레스트 중공슬래브의 전단강도
Evaluation of Shear Strength of Precast-prestressed Hollow Core Slabs Based on Experiments 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.26 no.5, 2014년, pp.635 - 642

한상환 (한양대학교 건축공학과) , 문기훈 (한양대학교 건축공학과) , 강동훈 (한양대학교 건축공학과) , 임주혁 (삼성물산(주) 건설부문) , 김용남 (삼성물산(주) 건설부문)

초록
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일반적인 슬래브대신에 중공슬래브를 사용함으로 콘크리트의 무게를 줄일 수 있으며 비용도 절감시킬 수 있다. 하지만 중공슬래브는 복부에서 콘크리트단면의 감소와 전단철근을 배근할 수 없기 때문에 전단에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 프리캐스트-프리스트레스트 중공슬래브를 실험을 기반으로 전단강도 평가를 수행하였다. 전단강도실험은 6개의 실험체를 제작하고 수행하였으며, 전단강도는 현행기준인 EC2, ACI, EN1168, AASHTO로 평가하여 비교분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The weight of concrete could be reduced by using hollow core slabs instead of heavy solid slabs, leading to cost reduction. The long span be also achieved by introducing prestress in hollow core slabs. but the evaluation of shear strength of precast-prestressed hollow core slabs are needed because the cross section is reduced in web and arranging shear reinforcement is not possible. In this study, the shear strength of precast-prestressed hollow core slabs were evaluated based on experimental tests. For this purpose, six full scale specimens were made and tested. The shear strength of the specimens were compared with those evaluated from current design provision(EC2 ACI, EN1168 and AASHTO).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

HCS의 복부 전단내력은 복부에서 콘크리트의 단면 감소로 인하여 취약하며, 특히 부재단부에서는 강연선의 부착길이가 충분하지 않아 가장 취약하다. 본 연구에서는 HCS부재의 복부전단력을 가장 취약한 부재단부에서 전단내력을 평가하였다.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 HCS에 대하여 실험을 통해서 복부전단강도를 평가하고 해외 설계 기준과 비교 및 분석 후, 상대적으로 효율적이고 정확한 설계기준을 찾고자 한다.

가설 설정

65 tonf)으로 나눠서 사용하였다. 강연선의 유효 프리스트레스 힘(P_e)은 손실률 15%를 가정하여, 0.85P_i 값을 사용하였다.
프리스트레스 힘은 단부에서 0이고, 단부부터 전달길이 만큼 덜어진 거리에서 최대값으로 선형적으로 변화한다고 가정하여, 위험단면에서 f_pc값을 구하였다.
이처럼 단부에서 프리스트레스가 100% 발현되는 거리까지를 강연선의 전달길이(l_t)라고 한다. 해외설계기준에서는 프리스트레스를 단부에서 0 이라고 하며, 강연선의 전달길이(l_t)까지 선형적으로 변화한다고 가정한다. 그렇기 때문에 전달길이는 복부전단강도를 계산하는데 중요한 요소로 작용한다.

제안 방법

두께별로 2개씩 제작된 실험체는 3번씩 전단내력실험을 수행하였으며 S300T1, S300T2는 2번의 실험을 수행하였다. 1번째 실험은 각 두께 별로 제작된 2개의 실험체 중 1번 실험체의 한쪽 단부를 가력하여 결과값을 측정하였다. 2번째 실험은 1번 실험체를 180° 돌려서 가력하지 않은 단부에 설치하고 동일한 방법으로 가력하여 실험을 수행하여 양 끝단에서 복부전단 내력을 평가하였다.
2번째 실험은 1번 실험체를 180° 돌려서 가력하지 않은 단부에 설치하고 동일한 방법으로 가력하여 실험을 수행하여 양 끝단에서 복부전단 내력을 평가하였다.
2번째 실험은 1번 실험체를 180° 돌려서 가력하지 않은 단부에 설치하고 동일한 방법으로 가력하여 실험을 수행하여 양 끝단에서 복부전단 내력을 평가하였다. 3번째 실험은 2번 실험체의 한쪽 끝단에서 복부전단내력을 평가하였다. 이와 같이 실험은 총 16번의 실험을 수행하였다.
등 4개의 해외기준을 선정하여 실험결과와 비교하였다. ACI 기준은 ACI 318-05⁷⁾와 다르게 ACI318-11²⁾에서는 깊은 HCS에 대하여 복부전단내력을 다르게 평가하기 때문에 분리하여 비교하였다.
EN 1168⁵⁾는 EC2⁴⁾와 동일한 방법으로 평가하며, 기준에 대한 비교는 뒤에 실험결과를 바탕으로 비교분석하였다.
국내에서 HCS에 대한 연구가 미비하고, 기준에 대한 평가가 불분명한 상황에서 본 연구는 국내에서 생산되는 HCS에 대하여 전단강도 실험을 수행하였으며, 복부전단강도를 해외설계기준(ACI 318,^2,7) AASHTO,³⁾ EC2,⁴⁾ EN1168⁵⁾)으로 평가 및 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
국내에서 생산되는 HCS의 복부전단강도를 평가하기 위해 ACI 318,^2,7) AASHTO,³⁾ EC2,⁴⁾ EN1168⁵⁾ 등 4개의 해외기준을 선정하여 실험결과와 비교하였다. ACI 기준은 ACI 318-05⁷⁾와 다르게 ACI318-11²⁾에서는 깊은 HCS에 대하여 복부전단내력을 다르게 평가하기 때문에 분리하여 비교하였다.
이 방법은 프리스트레스 하중을 고려하기 때문에 보수적인 방법보다 자세한 평가방법이다. 두 방법에 대한 비교 역시 실험결과를 바탕으로 비교분석하였다.
본 연구에서 실험체는 HCS의 두께로 분류하여 5종류에 대해 전단내력실험을 수행하였다.
또한 복부에서 가장 취약한 파괴점에서 균열이 발생하는데, (4)파괴점의 선정도 변수로 작용한다. 본 연구에서는 각 설계기준에 사용된 위 4가지 변수 값을 비교 분석하였다.
4와 같이 단순지지 조건으로 설치하였으며 Table 2와 같이 실험체마다 설치위치가 다르게 하였다. 실험은 100tonf UTM 가력장치를 사용하였으며, 전단경간비(a/d)는 3.0 인 지점에 1점 가력을 점진적으로 증가시켜 복부전단실험을 진행하였다.
실험을 통해 얻은 전단강도 값과 HCS의 복부전단강도 평가 비교에서 언급한 콘크리트의 인장강도, 강연선의 전달길이, 전단응력, 파괴점의 값을 각 설계기준별로 계산하여 비교분석하였다.
전단응력 치환은 기준에서 제시하는 설계식에서 콘크리트의 인장강도와 강연선의 영향을 제외하고 비교하였다. 북미기준인 ACI 318,^2,7) AASHTO³⁾는 b_wd로 나타낼 수 있으며, 유럽기준인 EC2,⁴⁾ EN 1168⁵⁾은 Ib_w/S으로 나눠서 평가할 수 있다.

대상 데이터

5 mm 강연선 2개를 사용하였다. 12.7 mm 강연선은 강연선 도입 직후 프리스트레스 힘(P_i)이 137.34 kN (14.0 tonf)이며, 9.5 mm 강연선은 강연선 도입 직후 프리스트레스 힘(P_i)이63.77 kN (6.5 tonf) 와 75.05 kN (7.65 tonf)으로 나눠서 사용하였다. 강연선의 유효 프리스트레스 힘(P_e)은 손실률 15%를 가정하여, 0.
강연선은 7연선 강선으로 직경이 9.5 mm와 12.7 mm인 두 종류의 강연선을 사용하였다. 실험체에 따라 강연선의 위치와 개수가 다르며 상세정보는 Table 1과 같다.
실험체에 따라 강연선의 위치와 개수가 다르며 상세정보는 Table 1과 같다. 공통적으로 상부에는 9.5 mm 강연선과 하부에는 12.7 mm 강연선을 사용하였다. 단 S300T1 실험체는 하부에 9.
7 mm 강연선을 사용하였다. 단 S300T1 실험체는 하부에 9.5 mm 강연선 2개를 사용하였다. 12.
실험체 ID는 두께를 반영하여 S200, S300, S350, S400, S500으로 하였으며, 실험체는 두께 별로 각각 2개씩 제작하였다. 두께가 300 mm인 S300실험체는 강연선의 개수를 다르게 하여 각각 1개씩 제작하였으며 S300T1, S300T2으로 분류하여 표기하였다. 두께별로 2개씩 제작된 실험체는 3번씩 전단내력실험을 수행하였으며 S300T1, S300T2는 2번의 실험을 수행하였다.
두께가 300 mm인 S300실험체는 강연선의 개수를 다르게 하여 각각 1개씩 제작하였으며 S300T1, S300T2으로 분류하여 표기하였다. 두께별로 2개씩 제작된 실험체는 3번씩 전단내력실험을 수행하였으며 S300T1, S300T2는 2번의 실험을 수행하였다. 1번째 실험은 각 두께 별로 제작된 2개의 실험체 중 1번 실험체의 한쪽 단부를 가력하여 결과값을 측정하였다.
이와 같이 실험은 총 16번의 실험을 수행하였다. 모든 실험체는 폭이 1200 mm, 길이는 6400 mm로 동일하게 제작하였으며, 콘크리트의 설계강도는 40 MPa이며 타설 후 14일 강도 (f_ck)및 단면 상세는 Table 1과 같다.
실험체 ID는 두께를 반영하여 S200, S300, S350, S400, S500으로 하였으며, 실험체는 두께 별로 각각 2개씩 제작하였다. 두께가 300 mm인 S300실험체는 강연선의 개수를 다르게 하여 각각 1개씩 제작하였으며 S300T1, S300T2으로 분류하여 표기하였다.

데이터처리

본 연구에서 실험결과와 VRd,c값을 비교할 때 콘크리트의 설계강도가 아닌 실제 실험강도 값을 사용하였기 때문에 불안전계수(γc)로 1.0값을 사용하여 계산하였다.

성능/효과

1) 국내에서 생산되는 HCS에 대하여 ACI^318-05,7) EC2,⁴⁾ EN 1168⁵⁾기준이 상대적으로 정확한 평가를 하고 있다. 500 mm미만인 HCS는 EC2,⁴⁾ EN 1168⁵⁾기준이 정확한 평가를 하며, 실험값과 약 4% 오차를 확인하였다.
2) 현재 국내에서 사용 중인 KCI1)와 ACI 318-112)기준은 315 mm을 초과하는 깊은 HCS에 대하여 전단철근을 배근하지 않을 경우 복부전단내력을 절반값(0.5Ø Vcw)으로 하도록 규정하고 있다.
3) AASHTO³⁾기준은 전반적으로 과소평가를 하며 비효율적인 문제가 있다. 실험값과의 오차가 94%로 ACI 318-11²⁾기준보다 크게 과소평가함을 확인하였다.
6(b)와 같이 복부전단내력을 크게 과소평가하고 있다. 3개의 실험체는 약 135%, 208%, 57% 과소평가하고 있으며, 전체적으로 실험결과 값을 약 80% 과소평가하고 있다.
4) 유럽기준에서 EN 1168⁵⁾기준은 EC2⁴⁾기준과 파괴점에 대한 가정방법이 다르지만, 복부전단강도 값은 큰 차이가 없음을 확인하였다.
5) 기준식을 결정하는 변수 중에서 콘크리트의 인장강도가 복부전단강도 평가에 가장 큰 차이를 주며, 강연선의 전달길이, 전단응력 치환 순서로 복부전단강도 평가에 영향을 주는 것을 확인하였다.
기준이 상대적으로 정확한 평가를 하고 있다. 500 mm미만인 HCS는 EC2,⁴⁾ EN 1168⁵⁾기준이 정확한 평가를 하며, 실험값과 약 4% 오차를 확인하였다. 500 mm이상인 HCS는 ACI 318-05⁷⁾기준이 정확한 평가를 하며, 실험값과 약 21% 오차를 확인하였다.
500 mm미만인 HCS는 EC2,⁴⁾ EN 1168⁵⁾기준이 정확한 평가를 하며, 실험값과 약 4% 오차를 확인하였다. 500 mm이상인 HCS는 ACI 318-05⁷⁾기준이 정확한 평가를 하며, 실험값과 약 21% 오차를 확인하였다.
에서 제시하는 복부전단강도보다 35% 더 높게 평가하고 있다. ACI 318-05⁷⁾와 EC2⁴⁾기준에서 제시하는 복부전단강도를 결정하는 요소들을 비교한 결과, 콘크리트의 인장강도는 37% 증가, 강연선의 전달길이는 35% 감소, 전단응력의 치환은 12% 증가의 차이를 확인하였다. 그러나 각 변수는 식 (1), (4)에서와 같이 복부전단강도 식 안에서 계산되어지기 때문에 각 변수 차이의 비율이 복부전단강도 차이의 비율을 의미하지는 않는다.
콘크리트의 인장강도는 각 실험체의 실제 콘크리트 압축강도가 서로 다르기 때문에 다른 값을 갖는다. 그 결과 AASHTO³⁾기준은 ACI 318^2,7)기준보다 45% 작게 평가하고 있으며, EC2⁴⁾, EN 1168⁵⁾기준은 ACI 기준보다 37% 크게 평가하고 있다.
Table 6에는 북미기준과, 유럽기준의 공통요소인 b_w를 제외한 d 와 I/S만 비교하였다. 그 결과 북미기준의 전단응력 치환 인 d값은 유럽기준의 치환인 I/S 값보다 약 12% 크게 평가 하고 있다.
기준은 전반적으로 과소평가를 하며 비효율적인 문제가 있다. 실험값과의 오차가 94%로 ACI 318-11²⁾기준보다 크게 과소평가함을 확인하였다.
종합적으로 살펴보면 ACI318-11,²⁾ AASHTO³⁾기준으로 복부전단내력을 산정할 경우 슬래브 두께와 관계없이 복부전단내력을 만족할 수 있다. 하지만 크게 과소평가 하여 부재가 커지기 때문에 비효율적인 문제가 있다.
그러나 각 변수는 식 (1), (4)에서와 같이 복부전단강도 식 안에서 계산되어지기 때문에 각 변수 차이의 비율이 복부전단강도 차이의 비율을 의미하지는 않는다. 콘크리트 인장강도가 37% 증가할 때 복부전단강도는 약 26% 증가, 전달길이가 35% 감소할 때 복부전단강도는 약 14% 증가, 그리고 전단응력 치환은 12% 증가할 때 복부전단강도는 12% 증가하였다. 이와같이 두 기준식에서 복부전단강도 차이가 발생시키는 요소는 콘크리트 인장강도, 강연선의 전달길이, 전단응력 치환 순으로 영향을 미치는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중공슬래브란 무엇인가?	프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트(PC-PSC) 중 중공슬래브(Hollow Core Slab, 이하 HCS)는 슬래브 복부에 중공부를 만든 바닥구조시스템이다. 슬래브 복부의 중공부는 슬래브의 중량과 재료비용이 감소되는 장점이 있으나 복부단면의 감소로 전단에 취약하다.
	국내에서 HCS의 설계에 사용되는 KCI는 어떠한 기준을 사용하는가?	국내에서 HCS의 전단강도평가에 대한 연구는 미비한 상황이며, 기준에 대한 평가도 불분명한 상황이다. 현재 국내에서 HCS의 설계에 사용되는 KCI1)는 ACI318-112) 기준을 사용하고 있다. 그러나 HCS부재의 설계기준은 ACI 318-11,2) AASHTO,3) EC2,4) EN 11685) 등 북미와 유럽기준마다 HCS의 복부전단내력을 평가하는 식이 서로 상이하다.
	슬래브 복부의 중공부아 전단에 취약한 이유는 무엇인가?	슬래브 복부의 중공부는 슬래브의 중량과 재료비용이 감소되는 장점이 있으나 복부단면의 감소로 전단에 취약하다. 또한 일반적으로 압출성형방식으로 제작되는 특성상 전단철근의 배근이 어려워서 전단에 취약하다. 이러한 이유 때문에 HCS 부재를 사용 시 복부전단에 대해 신중한 검토가 필요하다.

참고문헌 (10)

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EC2 (EN 1992-1-1), Eurocode 2 : Design of concrete structures-Part 1:General rules and rules for buildings. Commission for the European Community, 2002. pp. 86.
BSI, Group(BS EN 1168), Precast concrete products-Hollow core slabs. British Standards Institution, 2011. pp. 16.
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상세보기
ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-05) and Commentary (ACI 318M-05), American Concrete Institute, 2005. pp. 153.
Hawkins, N. M. and Ghosh, S. K. "Shear strength of hollow-core slabs", PCI Journal, Vol. 51, No. 1, pp. 110-114.
Pajari, M., Resistance of Prestressed Hollow core Slabs Against Web Shear Failure, Research Notes 2292, VTT Building and Transport, Kemistintie, Finland, 2005, pp. 1-69.
Yang, L. "Design of prestressed hollow core slabs with reference to web shear failure." Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 120, No. 9, pp. 2675-2696.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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