열교차단장치가 적용된 철근 콘크리트 슬래브의 휨거동 예측을 위한 해석모델 Analytical Models for the Prediction of the Flexural Behavior for Thermal Bridge Breaker Systems embedded in Reinforced Concrete Slabs원문보기
최근들어 철근콘크리트 슬래브와 벽의 연결부에 적용 가능한 열교차단장치에 대한 연구가 다수 수행되고 있다. 이에 본 연구에서는 열교차단장치가 적용된 슬래브의 균열 전 탄성거동, 균열 후 항복거동 및 극한강도까지 적용이 가능한 해석모델을 제안하고, 실험결과와의 비교를 통하여 제안 모델의 정확도를 검증하고자 하였다. 해석모델은 변형률 적합조건과 힘의 평형개념을 적용하였으며, 이 때 구성 재료의 응력-변형률 관계는 재료실험 결과를 적용하였다. 해석모델의 신뢰성 검증을 위해 모멘트-곡률 관계, 하중단계에 따른 중립축을 실험결과와 비교하였으며, 제안된 해석모델은 실험결과로 획득한 전체적인 휨거동 양상과 거의 일치함을 확인할 수 있었다.
최근들어 철근콘크리트 슬래브와 벽의 연결부에 적용 가능한 열교차단장치에 대한 연구가 다수 수행되고 있다. 이에 본 연구에서는 열교차단장치가 적용된 슬래브의 균열 전 탄성거동, 균열 후 항복거동 및 극한강도까지 적용이 가능한 해석모델을 제안하고, 실험결과와의 비교를 통하여 제안 모델의 정확도를 검증하고자 하였다. 해석모델은 변형률 적합조건과 힘의 평형개념을 적용하였으며, 이 때 구성 재료의 응력-변형률 관계는 재료실험 결과를 적용하였다. 해석모델의 신뢰성 검증을 위해 모멘트-곡률 관계, 하중단계에 따른 중립축을 실험결과와 비교하였으며, 제안된 해석모델은 실험결과로 획득한 전체적인 휨거동 양상과 거의 일치함을 확인할 수 있었다.
Recently, thermal bridge breaker systems(TBBSs) applicable to RC slab-wall connections have been increasingly studied and proposed. This study also aims at proposing an analytic model which is applicable to predicting the flexural behavior of TBBS embedded in slabs from the initial elastic stages, y...
Recently, thermal bridge breaker systems(TBBSs) applicable to RC slab-wall connections have been increasingly studied and proposed. This study also aims at proposing an analytic model which is applicable to predicting the flexural behavior of TBBS embedded in slabs from the initial elastic stages, yield states to ultimate conditions. The analytic models are developed by considering strain compatibility, force equilibrium and the constitutive law obtained from material test results. To verify the accuracy of the proposed analytic model, the moment-curvature relationship and change of neutral axis according to the loading states are compared with those of experimental results. Based on the comparison, it is verified that the proposed analytic model provides well predict the flexural behavior of TBBS embedded in slabs.
Recently, thermal bridge breaker systems(TBBSs) applicable to RC slab-wall connections have been increasingly studied and proposed. This study also aims at proposing an analytic model which is applicable to predicting the flexural behavior of TBBS embedded in slabs from the initial elastic stages, yield states to ultimate conditions. The analytic models are developed by considering strain compatibility, force equilibrium and the constitutive law obtained from material test results. To verify the accuracy of the proposed analytic model, the moment-curvature relationship and change of neutral axis according to the loading states are compared with those of experimental results. Based on the comparison, it is verified that the proposed analytic model provides well predict the flexural behavior of TBBS embedded in slabs.
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문제 정의
본 연구에서는 열교 차단장치가 삽입된 철근 콘크리트 슬래브의 휨 거동을 예측할 수 있는 해석모델을 제안하기 위해 벽-슬래브 접합부를 모사한 실험체에 열교 차단장치를 적용하여 구조 성능실험을 실시하였다. 실험결과에 근거하여 열교 차단장치 구성 재료의 비선형성을 고려한 구성방정식(Constitutive relationship)을 형성하고 이를 바탕으로 한 해석모델을 제시하였다.
TB-M유형의 열교차단장치는 인장측에 ECC를 제외한 인장 SUS만이 존재하므로 ECC의 인장응력을 계산할 필요가 없는데 반해, TB-B유형의 열교차단 장치는 인장측 ECC의 인장응력을 포함하여 내력을 계산하게 된다. 본 장에서는 TB-M유형 열교차단장치의 해석모델을 포괄하는 TB-B유형의 열교차단장치에 대한 해석모델을 중심으로 설명하고자 한다.
이 장에서는 열교차단장치의 유형에 따른 단면특징과 사용재료의 구성방정식(Constitutive relationship)에 따른 해석모델을 작성하는 방법에 대해 제시하고자 한다.
실험결과에 근거하여 열교 차단장치 구성 재료의 비선형성을 고려한 구성방정식(Constitutive relationship)을 형성하고 이를 바탕으로 한 해석모델을 제시하였다. 해석모델의 신뢰성을 검증하기 위해 모멘트-곡률 관계, 하중 증가에 따른 중립축의 위치 등의 해석결과를 실제 실험결과와 비교 평가하여 열교 차단장치의 설계 및 성능평가에 참고할 수 있는 해석모델의 기초자료를 제시하고자 하였다.
가설 설정
확대머리형 철근(Fig. 1에서 Headed steel bar로 표현됨)에 대한 응력-변형률 곡선은 계산의 단순화를 위하여 철근의 항복을 전후로 다른 기울기를 가지는 일반적인 탄소성 모델(Elasto-plastic model)로 가정하였으며, 스테인레스스틸(stainless steel)로 구성된 인장 SUS의 응력-변형률 관계는 Fig. 3과 같이 비선형 거동을 효율적으로 표현할 수 있는 Ramberg-Osgood식을 사용하였다(Mattok, 1979).
제안 방법
열교차단장치가 적용된 철근 콘크리트 슬래브의 휨 거동을 예측할 수 있는 해석모델을 통해 파괴시까지의 비선형 거동특성을 정확히 예측하기 위해서 우선 열교차단장치의 구성재료에 대한 재료실험을 실시하고 결과로부터 구성 재료의 비선형성을 고려한 구성방정식을 형성하였다. 단면해석을 위해 휨을 받기 전에 평면인 단면은 변형된 후에도 평면이 유지된다는 기본 가정 사항을 바탕으로 단면의 높이별 변형률의 변화를 직선으로 모델링하여 변형률 적합조건을 고려하였으며, 이에 따라 단면 내 각 재료의 응력을 주어진 변형률 분포로부터 계산하였다. 최종적으로 단면 내에서 내력의 평형 관계가 성립되는 중립축의 위치를 반복 계산하여 결정하고 단면의 모멘트-곡률관계를 구하여 열교차단장치가 적용된 철근 콘크리트 슬래브의 휨 해석모델을 작성하였다.
인장 SUS는 콘크리트 슬래브 내에 구조 보강재인 철근이 연속 배치됨에 따라 해당부재의 높은 열전도율로 인해 발생하는 외기로의 열량 손실을 개선하기 위해 열전도율이 낮은 스테인리스 스틸로 대체하여 열교현상이 일어나는 것을 원천적으로 완화하고자 하였으며, 압축저항요소는 콘크리트 충전강관 내에 확대머리형 철근을 배치하고 열교차단장치로부터 돌출시켜 슬래브 하단부에 위치한 압축영역 구조부재의 일체화를 유도하였다. 또한 감소된 콘크리트 단면적으로 인한 구조성능을 인장 SUS와 압축저항요소의 분담을 통해서 구현하고자 각 요소의 고강도화를 유도하였다. 전단보강재는 열교차단장치 내부에 45° 방향으로 설치되어 기존에 콘크리트가 부담하던 전단저항을 대체하도록 하였다.
또한, 열교차단장치의 변형률 및 곡률을 측정하기 위하여 삽입된 열교차단장치의 상·하단에 콘크리트 표면 변형률 게이지를 부착하였으며, 열교차단장치 내부의 인장 및 압축 SUS와 압축저항요소에 변형률 게이지를 부착하여 인장부 균열이 심화되어 부착된 변형률 게이지가 떨어져 변형률 측정이 불가능할 때까지 계측하였다.
본 실험은 열교차단장치 삽입부를 고정단으로 설치하고 지점에서 가력점까지의 거리를 1250mm로 설정하여 열교차단 장치 삽입부가 모멘트 지배구간이 되도록 가력하였다. 또한, 열교차단장치의 변형률 및 곡률을 측정하기 위하여 삽입된 열교차단장치의 상·하단에 콘크리트 표면 변형률 게이지를 부착하였으며, 열교차단장치 내부의 인장 및 압축 SUS와 압축저항요소에 변형률 게이지를 부착하여 인장부 균열이 심화되어 부착된 변형률 게이지가 떨어져 변형률 측정이 불가능할 때까지 계측하였다.
따라서, 이 때 적용되는 콘크리트는 섬유보강 콘크리트를 적용하여 내력의 증가와 변형능력의 증대를 도모하였다. 본 연구에서는 ECC(Engineered Cementitious Composite)를 적용하였으며 모르타르에 1.6%의 합성섬유(폴리에틸렌 섬유, Polyethylene, PE)를 혼입함으로서 재하시 미세한 고밀도의 복수 균열을 형성하여 일정한 변형경화를 나타내도록 유도하였다. 인장 저항요소로서 인장 SUS의 정착길이 산정, 전단보강재 및 내화판의 적용은 TB-M 유형 열교차단장치와 동일하게 적용되었다.
이 장에서는 앞선 장에서 제시한 열교차단장치가 적용된 슬래브의 해석모델을 통해 휨 거동과 항복 및 극한강도를 예측하고 이를 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 본 연구에서는 기존의 연구(Shin et al., 2014)에서 사용되어 구조성능이 검증된 TB-M 유형의 열교차단장치 실험체와 추가적으로TB-B 유형의 열교차단장치가 적용된 실험체를 고려하여 휨 거동을 분석하였다.
본 연구에서는 열교차단장치(Thermal bridge breaker system)가 적용된 슬래브에 대한 휨 거동 해석모델을 수립하였으며, 이를 실험결과와 비교 분석하여 검증하였다.
본 연구에서는 열교 차단장치가 삽입된 철근 콘크리트 슬래브의 휨 거동을 예측할 수 있는 해석모델을 제안하기 위해 벽-슬래브 접합부를 모사한 실험체에 열교 차단장치를 적용하여 구조 성능실험을 실시하였다. 실험결과에 근거하여 열교 차단장치 구성 재료의 비선형성을 고려한 구성방정식(Constitutive relationship)을 형성하고 이를 바탕으로 한 해석모델을 제시하였다. 해석모델의 신뢰성을 검증하기 위해 모멘트-곡률 관계, 하중 증가에 따른 중립축의 위치 등의 해석결과를 실제 실험결과와 비교 평가하여 열교 차단장치의 설계 및 성능평가에 참고할 수 있는 해석모델의 기초자료를 제시하고자 하였다.
열교차단장치가 적용된 슬래브의 재하하중 증가에 따라 중립축 이동특성을 파악하기 위해 실험체에 부착한 변형률 게이지를 통해 계산된 중립축 위치와 해석결과를 비교하였다. 해석 결과와 실험결과 나타난 중립축의 위치는 Fig.
열교차단장치가 적용된 철근 콘크리트 슬래브의 휨 거동을 예측할 수 있는 해석모델을 통해 파괴시까지의 비선형 거동특성을 정확히 예측하기 위해서 우선 열교차단장치의 구성재료에 대한 재료실험을 실시하고 결과로부터 구성 재료의 비선형성을 고려한 구성방정식을 형성하였다. 단면해석을 위해 휨을 받기 전에 평면인 단면은 변형된 후에도 평면이 유지된다는 기본 가정 사항을 바탕으로 단면의 높이별 변형률의 변화를 직선으로 모델링하여 변형률 적합조건을 고려하였으며, 이에 따라 단면 내 각 재료의 응력을 주어진 변형률 분포로부터 계산하였다.
열교차단장치의 구조성능을 파악하기 위한 변수 중에서 열교차단장치의 유형(TB-M 및 TB-B)과 내·외부 슬래브 콘크리트 압축강도, fck,slab(24MPa 및 45MPa)를 고려하여 총 4개의 캔틸레버 슬래브 실험체를 분석하였다.
이 장에서는 앞선 장에서 제시한 열교차단장치가 적용된 슬래브의 해석모델을 통해 휨 거동과 항복 및 극한강도를 예측하고 이를 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 본 연구에서는 기존의 연구(Shin et al.
TB-M 유형 열교차단장치의 세부구성은 상·하부 내화판, 기존 슬래브의 인장철근을 대체한 스테인리스 강봉(Stainless bar, 인장SUS), 슬래브 하단부 압축영역에 위치한 콘크리트충전 강관형태의 압축저항요소(Compression stress-resisting element), 단열소재, 그리고 전단보강재로 구성되어 있다. 인장 SUS는 콘크리트 슬래브 내에 구조 보강재인 철근이 연속 배치됨에 따라 해당부재의 높은 열전도율로 인해 발생하는 외기로의 열량 손실을 개선하기 위해 열전도율이 낮은 스테인리스 스틸로 대체하여 열교현상이 일어나는 것을 원천적으로 완화하고자 하였으며, 압축저항요소는 콘크리트 충전강관 내에 확대머리형 철근을 배치하고 열교차단장치로부터 돌출시켜 슬래브 하단부에 위치한 압축영역 구조부재의 일체화를 유도하였다. 또한 감소된 콘크리트 단면적으로 인한 구조성능을 인장 SUS와 압축저항요소의 분담을 통해서 구현하고자 각 요소의 고강도화를 유도하였다.
전단보강재는 열교차단장치 내부에 45° 방향으로 설치되어 기존에 콘크리트가 부담하던 전단저항을 대체하도록 하였다.
단면해석을 위해 휨을 받기 전에 평면인 단면은 변형된 후에도 평면이 유지된다는 기본 가정 사항을 바탕으로 단면의 높이별 변형률의 변화를 직선으로 모델링하여 변형률 적합조건을 고려하였으며, 이에 따라 단면 내 각 재료의 응력을 주어진 변형률 분포로부터 계산하였다. 최종적으로 단면 내에서 내력의 평형 관계가 성립되는 중립축의 위치를 반복 계산하여 결정하고 단면의 모멘트-곡률관계를 구하여 열교차단장치가 적용된 철근 콘크리트 슬래브의 휨 해석모델을 작성하였다.
대상 데이터
TB-M 유형 열교차단장치의 세부구성은 상·하부 내화판, 기존 슬래브의 인장철근을 대체한 스테인리스 강봉(Stainless bar, 인장SUS), 슬래브 하단부 압축영역에 위치한 콘크리트충전 강관형태의 압축저항요소(Compression stress-resisting element), 단열소재, 그리고 전단보강재로 구성되어 있다.
, 2014). 본 연구에서 고려한 열교차단장치는 Shin 등(2014), Lee 등(2014)에서 제시된 두 가지 유형의 열교차단장치로서 Fig. 1에 기본 구성을 나타내고 있다. TB-M 유형의 열교차단장치(Thermal bridge breaker system for mono-directional loading)는 캔틸레버 슬래브 고정단부의 부모멘트에 대해서만 저항할 수 있도록 고안되었으며(Fig.
4.1 해석모델 검증 실험
실험체는 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 국내에서 일반적으로 적용되는 공동주택 프로토타입 발코니를 바탕으로 1500mm 길이의 캔틸레버 부분(건물 외기에 면한 슬래브에 해당)에 80mm의 단열접합부, 1250mm 길이의 지지부가 연속된 형태로 계획하였다. 열교차단장치의 구조성능을 파악하기 위한 변수 중에서 열교차단장치의 유형(TB-M 및 TB-B)과 내·외부 슬래브 콘크리트 압축강도, fck,slab(24MPa 및 45MPa)를 고려하여 총 4개의 캔틸레버 슬래브 실험체를 분석하였다.
열교차단장치의 구조성능을 파악하기 위한 변수 중에서 열교차단장치의 유형(TB-M 및 TB-B)과 내·외부 슬래브 콘크리트 압축강도, fck,slab(24MPa 및 45MPa)를 고려하여 총 4개의 캔틸레버 슬래브 실험체를 분석하였다. 열교차단장치의 구성부재 중 스테인레스 강봉(인장 SUS)과 압축저항요소는 시편으로 제작하여 재료실험을 수행하였으며 결과는 Table 1에 정리하여 나타내었다.
6%의 합성섬유(폴리에틸렌 섬유, Polyethylene, PE)를 혼입함으로서 재하시 미세한 고밀도의 복수 균열을 형성하여 일정한 변형경화를 나타내도록 유도하였다. 인장 저항요소로서 인장 SUS의 정착길이 산정, 전단보강재 및 내화판의 적용은 TB-M 유형 열교차단장치와 동일하게 적용되었다.
이론/모형
열교차단장치에 적용된 ECC의 압축거동에 대한 구성모델은 일반적인 콘크리트와 유사하게 2차 곡선 형태의 비선형 거동을 효율적으로 표현할 수 있는 Collins 등(1991)의 모델을 도입하였으며, 응력-변형률 관계는 다음과 같다.
성능/효과
특히, 해석모델은 F24-TB-M 실험체의 모멘트곡률 곡선과 최대모멘트 강도 전까지 거의 일치하는 거동을 보였으며, 최대모멘트강도 수치 또한 6%의 차이를 보였다. TB-B 유형의 열교차단장치가 적용된 슬래브의 경우에는 항복모멘트 이전시점까지 초기강성에 대해 해석결과가 실험결과에 비해 작게 나타났으며 실험결과가 해석결과에 비해 이선형 거동에 근접하게 나타났다. 최대모멘트강도에 대해서는 해석결과와 실험결과가 5%미만의 오차로 평가되었다.
또한 제안된 휨 해석모델은 열교차단장치의 유형 및 내·외부 슬래브의 콘크리트 강도와 같은 변수들에 관계없이 실험결과와 초기 탄성구간에서는 거의 일치하게 나타났으며, 항복 이후 극한상태까지 모든 하중 단계별로 나타나는 모멘트-곡률관계의 비선형성을 높은 신뢰도를 가지고 예측하는 것으로 나타났다.
TB-M 유형의 열교차단장치를 적용한 경우가 TB-B 유형의 열교차단장치를 적용한 실험체들과 비교하여 균열이 전파되는 양상이 빠르게 열교차단장치 삽입부에서 상부 인장 SUS에 집중된 응력과 함께 관찰되었다. 반면 TB-B 유형의 열교차단장치를 적용한 실험체는 인장 및 압축 SUS를 둘러싸고 있는 ECC의 영향으로 단면내의 응력이 재분배되어 상대적으로 TB-M 실험체와 비교하여 열교차단장치내의 인장 SUS에 응력이 집중되는 현상이 완화되는 것으로 나타났다.
본 논문에서 제안한 열교차단장치가 삽입된 슬래브의 휨 해석모델은 실험결과와 비교하여 평균적으로 10%이하의 오차로 항복하중, 최대하중 및 하중단계에 따른 중립축의 위치를 예측하는 것으로 나타났다. 또한 제안된 휨 해석모델은 열교차단장치의 유형 및 내·외부 슬래브의 콘크리트 강도와 같은 변수들에 관계없이 실험결과와 초기 탄성구간에서는 거의 일치하게 나타났으며, 항복 이후 극한상태까지 모든 하중 단계별로 나타나는 모멘트-곡률관계의 비선형성을 높은 신뢰도를 가지고 예측하는 것으로 나타났다.
실험체의 파괴하중은 50~55kN의 하중에서 나타났으며 열교차단장치의 유형과 내·외부 슬래브의 콘크리트 강도에 따라서 파괴하중에 도달하는 변위 및 파괴양상에 차이가 발생하였다.
9(b)에서 볼 수 있듯이 F24-TB-M 실험체의 경우에는 50kN 정도의 하중단계에서 강도 저감이 발생하여 중립축이 상단부(인장측)으로 이동하는 현상이 동일 하중단계에서 강도저감이 발생하지 않은 다른 실험체들과 비교하여 두드러지게 나타났다. 이와 같이 모멘트-곡률관계와 하중 증가단계에 따른 중립축의 위치에 대해서 실험결과와 해석결과를 비교해본 결과, 제안된 열교차단장치가 삽입된 슬래브에 대한 해석모델이 실험결과를 비교적 높은 신뢰도를 가지고 예측하는 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 같이 TB-M 유형의 열교차단장치가 적용된 슬래브는 탄성범위까지는 해석결과와 실험결과의 차이가 미미했으며, 항복모멘트부근에서는 동일한 변형각에서 실험값이 10%정도 큰 모멘트강도 값을 나타내었다. 특히, 해석모델은 F24-TB-M 실험체의 모멘트곡률 곡선과 최대모멘트 강도 전까지 거의 일치하는 거동을 보였으며, 최대모멘트강도 수치 또한 6%의 차이를 보였다. TB-B 유형의 열교차단장치가 적용된 슬래브의 경우에는 항복모멘트 이전시점까지 초기강성에 대해 해석결과가 실험결과에 비해 작게 나타났으며 실험결과가 해석결과에 비해 이선형 거동에 근접하게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열교 차단장치란 어떤 역할을 하는가?
열교 차단장치(Thermal bridge breaker system, TBBS)는 열교현상이 발생할 수 있는 열관류율이 높은 기존 구조부재의 면적을 최소화하고, 그 부분을 대신하여 단열소재인 차단재(폴리스티롤, 스티로폼, 미네랄울 등)를 추가하여 열교현상을 최소화시키기 위해서 사용된다(Shin et al., 2014).
TBBS를 사용하는 것의 장점은?
, 2014). 열교 차단장치를 적용하면 열교부위에 단열재가 연속하게 되므로 열교를 근원적으로 차단할 수 있어 외피에서의 전열량이 감소하며, 콘크리트 등과 같이 열용량이 큰 축열재가 열교 차단장치로부터 실내측에 위치하여 실내 열용량을 증가시키므로 실내온도조절 효과 또한 추가적으로 기대할 수 있다. 국내외에서는 이러한 열교 차단장치의 효율성에 입각하여 열교 차단장치를 적용한 슬래브의 구조적 및 환경적 거동에 관한 연구결과가 다수 발표되었다(Riebel and Keller, 2009; Wakili et al, 2007).
열교현상이란 무엇인가?
열교현상(Thermal bridge)은 벽-벽 및 벽-슬래브 연결부위에서 단열재가 불연속적으로 설치되어 열저항이 낮아지기 때문에 외기가 실내로 쉽게 유입되는 현상을 의미한다. 국내 공동주택에서 열교부위를 통한 손실열량은 연간 난방에너지 요구량의 10%이상을 차지할 정도로 상당하며, 기존 단열방식으로는 전후면 벽체 및 발코니 구조체의 연결부위에서 발생하는 열교현상을 방지하는데 제한사항이 존재한다.
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