최근에 사회적 요구와 경제적인 요구로 인해서 장스팬 건축물이 증가하고 있다. 그러나 장스팬 건축물은 자중이 증가하여 처짐 진동 소음의 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 판형중공슬래브가 제안되었는데 이는 슬래브 안에 일체형 중공재를 삽입함으로써 자중이 감소된 슬래브를 만들 수 있다. 이 시스템은 휨성능에는 영향을 받지 않는 단면을 중공재로 대체함으로써 슬래브의 강성은 그대로 유지하면서, 소음 및 처짐을 줄이고 자중을 감소할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 시스템의 경우 부력에 의해 일체화된 중공재가 상승한다는 단점이 있다. 따라서 판형 중공재 고정장치를 개발하였고, 또한 이를 삽입한 판형중공재의 성능을 알아보기 위하여 7개의 실험체를 제작하여 그 성능을 알아보고 그 결과 나타난 수평전단파괴에 대해서 예측을 할 수 있는 식을 제안하였다.
최근에 사회적 요구와 경제적인 요구로 인해서 장스팬 건축물이 증가하고 있다. 그러나 장스팬 건축물은 자중이 증가하여 처짐 진동 소음의 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 판형중공슬래브가 제안되었는데 이는 슬래브 안에 일체형 중공재를 삽입함으로써 자중이 감소된 슬래브를 만들 수 있다. 이 시스템은 휨성능에는 영향을 받지 않는 단면을 중공재로 대체함으로써 슬래브의 강성은 그대로 유지하면서, 소음 및 처짐을 줄이고 자중을 감소할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 시스템의 경우 부력에 의해 일체화된 중공재가 상승한다는 단점이 있다. 따라서 판형 중공재 고정장치를 개발하였고, 또한 이를 삽입한 판형중공재의 성능을 알아보기 위하여 7개의 실험체를 제작하여 그 성능을 알아보고 그 결과 나타난 수평전단파괴에 대해서 예측을 할 수 있는 식을 제안하였다.
Currently, social demands for long span building structures are increasing due to architectural planning purposes and economic efficiency. As a result, lighter board-type voiding materials were suggested. With the use of board-type voiding materials, a slab is able to become light weight and conveni...
Currently, social demands for long span building structures are increasing due to architectural planning purposes and economic efficiency. As a result, lighter board-type voiding materials were suggested. With the use of board-type voiding materials, a slab is able to become light weight and convenient. This process efficiently eliminates concrete where it is not required; considerably diminishing dead weight while maintaining the flexural strength of the slab. The reduction in concrete also allows for overall cost reductions and design flexibility. Also it can be ease with fixing the voided material that is composed of one body form. Although board-type voiding materials are ideal, the top and bottom concrete plates lack integrity. Because of this, test results show horizontal cracking towards the tops and bottoms of the concrete columns, or webs, connecting the slabs. The key to correcting this problem is to increase the shear strength. In order to increase the shear strength of the structure, horizontal shear area must increase. R70(100)-D-F has the largest horizontal shear area as it also shows stronger strength. As a result, shear strength ($V_{nh}$) is dependent on the horizontal shear area (N). $V_{nh}={\alpha}{\times}0.16{\sqrt{f_{ck}}}{\frac{{\pi}D^2}{4}}{\times}N({\alpha}=1.8125)$. The web columns have a shear span to depth ratio (a/d) that is less than 2; which classifies it as a deep beam. In this case, however, the shear strength of the deep beams may be as much as 2 to 3 times greater than that predicated conventional equations developed for members of normal proportions. As a result, ${\alpha}$ is suggested as an extra coefficient in the equation for shear strength ($V_{nh}$).
Currently, social demands for long span building structures are increasing due to architectural planning purposes and economic efficiency. As a result, lighter board-type voiding materials were suggested. With the use of board-type voiding materials, a slab is able to become light weight and convenient. This process efficiently eliminates concrete where it is not required; considerably diminishing dead weight while maintaining the flexural strength of the slab. The reduction in concrete also allows for overall cost reductions and design flexibility. Also it can be ease with fixing the voided material that is composed of one body form. Although board-type voiding materials are ideal, the top and bottom concrete plates lack integrity. Because of this, test results show horizontal cracking towards the tops and bottoms of the concrete columns, or webs, connecting the slabs. The key to correcting this problem is to increase the shear strength. In order to increase the shear strength of the structure, horizontal shear area must increase. R70(100)-D-F has the largest horizontal shear area as it also shows stronger strength. As a result, shear strength ($V_{nh}$) is dependent on the horizontal shear area (N). $V_{nh}={\alpha}{\times}0.16{\sqrt{f_{ck}}}{\frac{{\pi}D^2}{4}}{\times}N({\alpha}=1.8125)$. The web columns have a shear span to depth ratio (a/d) that is less than 2; which classifies it as a deep beam. In this case, however, the shear strength of the deep beams may be as much as 2 to 3 times greater than that predicated conventional equations developed for members of normal proportions. As a result, ${\alpha}$ is suggested as an extra coefficient in the equation for shear strength ($V_{nh}$).
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문제 정의
9) 김상모 등10,11) 의 연구에서는 이방향 중공슬래브가 동일 두께의 RC 슬래브 대비약 60% 수준의 전단강도가 발현됨을 확인하였고, 그 원인으로 단면감소를 제시하였다. 따라서 본 연구에서는 판형 중공재의 전단 성능 실험을 실시하여 각 타입별 판형 중공재의 수평전단강도를 평가하였고, 이를 바탕으로 전단강도 설계식을 제안하였다.
하지만, 전단강도는 주로 웨브 콘크리트가 담당하므로, 중공슬래브의 전단강도는 중공형태에 따라 위험할 수 있다. 본 연구에서는 구조성능 실험을 계획하고 파괴강도에 적합한 설계식을 제안하기 위하여 다음과 같은 사항들을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 슬래브의 구조성능을 확보하기 위하여 개발된 판형중공재와 그 시공성을 개선시키기 위하여 제안된 중공재 고정장치를 개발하여 그 장치의 성능을 검토하고 판형중공재의 수평전단파괴에 대한 적절한 설계 식을 도출하기 위해서 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이러한 문제로 인하여 중공재의 위치가 설계자의 의도와는 다르게 시공되고, 결국 구조성능의 하락 등과 같은 품질저하로 나타난다. 본 연구에서는 이를 개선하기 위하여 판형 중공재에 적합한 중공재 고정장치를 제안하였다.
이러한 공법은 수많은 개별 고정장치가 추가 되어야 하므로 중공 슬래브 현장 적용 시 공기증가의 원인이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 공기향상을 위하여 판형중공재를 제안하였다. 판형중공재란 Fig.
제안 방법
실험에서는 최대용량 2,000 kN의 UTM을 사용하여 슬래브 상부에 강재보를 설치하여 2점 수직가력을 하였고 로드셀을 사용하여 가해진 수직력을 측정하였다. 그리고 슬래브 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 슬래브의 중앙 처짐을 계측하였다. 실험체의 가력점과 하부 지점 사이의 전단경간 길이는 600 mm이고 깊이가 250 mm로써 전단경간대 깊이의 비(a/d)가 2.
첫째, 판형 중공재를 삽입하지 않은 기존 슬래브와의 전단강도를 비교하였다. 둘째, 동일한 중공률을 가진 슬래브 내부의 웨브 콘크리트의 반지름 크기에 의한 전단 강도를 비교하였다. 마지막으로 헌치단의 유무와 콘크리트 웨브 기둥의 배열을 주요변수로 하여 판형 중공슬래브의 전단강도의 증강여부를 평가하였다.
둘째, 동일한 중공률을 가진 슬래브 내부의 웨브 콘크리트의 반지름 크기에 의한 전단 강도를 비교하였다. 마지막으로 헌치단의 유무와 콘크리트 웨브 기둥의 배열을 주요변수로 하여 판형 중공슬래브의 전단강도의 증강여부를 평가하였다.
본 실험은 실제 타설 시 받는 부력인 시멘트페이스트로 실험을 하여야 했으나, 실험의 여러 환경 조건들로 인하여 물로 대신 하였다. Table 1에서는 물에 의한 부력과 콘크리트 실제 타설 시 시멘트 페이스트에 의해서 받는 부력을 함께 나타내어 정리 하였는데 실험한 중공재는 실제 타설 현장에서 받는 시멘트페이스트의 밀도 23,520 N/m3 보다 낮은 9,800 N/m3 의 밀도를 물에 의해서 받고 있지만 중공재의 부피를 크게 하면 고정장치 한 개가 받을 수 있는 부력의 크기를 높일 수 있다.
본 실험체에 적용되는 중공재 고정장치의 성능을 검토하기 위하여 고무대야 하부에 구멍을 뚫고 고정장치를 삽입 한 후, 물을 부어 고정장치가 받는 부력을 측정하였다. 고정장치는 외각 4개와 접합부를 가정한 중앙부에 1 개를 설치하여 실험을 수행하였다.
본 연구에서 사용한 중공재의 크기는 가로 1 m, 세로 1 m 높이 0.5 m인 사각형태의 중공재이고 부력은 중공재의 부피에 물의 밀도를 곱한 값으로 계산하였다. 식 (1)은 판형 중공재 부피의 부력이다.
6은 실험을 위한 재하조건을 보여준다. 실험에서는 최대용량 2,000 kN의 UTM을 사용하여 슬래브 상부에 강재보를 설치하여 2점 수직가력을 하였고 로드셀을 사용하여 가해진 수직력을 측정하였다. 그리고 슬래브 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 슬래브의 중앙 처짐을 계측하였다.
그러나 단점은 시공과정에서 부력을 많이 받게 되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 중공재 고정장치를 개발하였고, 제안한 고정장치를 활용하여 부력실험을 실시하고 성능을 검증하였다.
첫째, 판형 중공재를 삽입하지 않은 기존 슬래브와의 전단강도를 비교하였다. 둘째, 동일한 중공률을 가진 슬래브 내부의 웨브 콘크리트의 반지름 크기에 의한 전단 강도를 비교하였다.
대상 데이터
5에 정리하였다. 모든 슬래브 실험체의 크기는 폭 600 mm, 길이 2,200 mm이며, 두께는 250 mm 이다. 콘크리트 슬래브의 휨철근으로써 하부 플랜지에는 HD16 철근 2개를 길이방향으로 배치하였고 상부 플랜지에는 압축철근으로써 HD13 철근 2개를 배치하였다.
본 연구에서는 Table 2와 같이 총 7개의 실험체를 제작하였다. 40%의 중공률을 가지는 R60(100)-D-F 실험체를 제외한 모든 실험체는 36%의 중공률을 가지고 상·하부 플랜지의 두께는 50 mm로 같다.
성능/효과
1) 본 연구에서 개발된 중공재 고정장치는 개당 980 N 이상의 부력을 감당할 수 있는 것으로 나타났다. 시공현장에서 단위슬래브의 하나의 고정장치가 부담해야 하는 부력이 294 N이므로, 실험에서 증명한 980 N의 무게를 버티는 고정장치는 부력체가 뜨지 않을 만큼의 충분한 힘을 발휘할 것으로 판단된다.
2) 부족한 전단강도를 보충하기 위하여 중공부를 일렬로 배열하지 않고 엇모배열을 하였을 경우를 비교하여 보면 일렬로 배열한 실험체의 강도가 사선배 열한 실험체보다 하중에 직접영향을 받는 수평전단 면적이 커져서 더 큰 강도로 설계 할 수 있다. 또한 헌치를 적용시킨 실험체의 강도 또한 수평전단면적이 커짐에 따라 더 큰 강도로 설계 할 수 있다.
3) Vn1 전단강도 식은 실험체의 최대강도를 크게 과소평가 하였다(Vu/Vn1=0.99~1.89).
R0는 중공부가 없으므로 전단에 대해 충분히 저항할 수 있다. 그 결과 휨파괴 되었고, R0를 제외한 나머지 슬래브에서는 대각전단 균열(DC)과 함께 수평 전단파괴의 양상이 두드러지게 나타났다. 특히 지지점 부근에서 시작된 대각 균열은 콘크리트 웨브기둥으로 흘러가 플랜지와의 접합된 부분에서 수평전단 파괴가 일어났다.
반면에 제안한 설계식 (5)의 Vu/Vnh는 1.03~1.22의 예측범위를 보이며 20% 내외에서 파단강도를 잘 예측하였다. 이에 따라서 제안한 전단력식으로 판형 중공슬래브의 전단강도를 가장 잘 예측할 수 있다.
12는 중공재의 배열에 따른 결과를 나타내고 있다. 사선으로 배열된 실험체 R80-D의 강도가 일렬로 배열된 실험체 R80-S보다 약 20% 감소하였다. Fig.
실험결과, Table 3에서 보듯이 Vu/Vn1과 같은 경우는 1.79 라는 값을 보이며 파괴강도를 과소평가 했고, Vu/Vn,eff의 경우, 0.70이라는 수치를 보이며 파단강도를 너무 과대평가하는 경우도 보였다.
22의 예측범위를 보이며 20% 내외에서 파단강도를 잘 예측하였다. 이에 따라서 제안한 전단력식으로 판형 중공슬래브의 전단강도를 가장 잘 예측할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수평전단면이란 무엇인가?
수직하중에 직접적으로 저항하는 수평전단면이 전단 강도에 큰 요인으로 작용한다. 수평전단면이란 가력점에서 직접적으로 저항하는 콘크리트 웨브 기둥의 단면적이다. 웨브기둥은 상하부 플렌지에 접합되어 있는데, 수직 하중을 받으면 가력점에서 콘크리트 웨브기둥 양쪽에 우력모멘트가 발생한다.
슬래브의 처짐이나, 소음 및 진동 등의 문제를 해소하기 위한 방법은 무엇인가?
1) 건축물은 사용용도의 다양화와 건설기술의 발전으로 인하여 점차 대형화 및 장경간화 되고 있는 추세이며, 이러한 추세로 인해 슬래브에는 처짐이나, 소음 및 진동 등의 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 『공동 주택 바닥충격음 차단구조인정 및 관리기준(2014)1)』에는 슬래브의 두께를 증가시켜 슬래브의 강성을 강화시키도록 하고 있다. 그러나 슬래브 두께 증가는 자중(Self weight)의 증가로 이어지게 되고 이는 기둥, 벽, 기초 등과 같은 수직 부재의 크기를 증가시켜 건축물 전체의 중량을 크게 높이게 된다.
판형중공재의 장점은 무엇인가?
판형중공재란 Fig. 2에서 보듯이, 중공재가 일체형으로 시공되므로 고정이 쉽고, 시공과정이 간편하다는 장점이 있다. 그러나 단점은 시공과정에서 부력을 많이 받게 되는 문제가 있다.
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