사다리꼴 형상의 경량체를 가진 데크형 중공슬래브의 휨 및 전단성능에 대한 실험적 연구 Experimental Study on Bending and Shear Performance of Deck Type Void Slab with Trapezoidal Hollow Ball원문보기
본 연구에서는 데크형 중공슬래브의 중공률을 확보하기 위한 방안으로 기존의 중공슬래브에 일반적으로 사용되는 구형형상의 경량체 대신 사다리꼴 형상의 경량체를 적용하고, 이에 따른 휨 및 전단 내력 성능을 실험을 통해 확인하였으며, 일방향 데크플레이트의 설치방향에 따른 구조특성을 검토하였다. 그 결과 휨내력 측면에서는 기존 구형형상의 경량체를 가진 중공슬래브와 동등한 수준의 성능을 발휘하는 것을 확인하였으며, 전단내력 측면에서는 경량체 형상 변화에 따른 차이보다는 데크플레이트의 트러스철선의 기여에 따라 큰 전단내력성능을 발휘하는 것을 확인하였다. 중공체 설치시 콘크리트 유효단면의 감소로, 전단 강도가 약 50~60% 정도로 저하된다는 기존 연구에 따른 계산한 전단내력값과 비교하였을 때, 폭방향으로 데크를 설치하여 트러스철근이 전단에 영향을 미치지 않을 것으로 가정한 실험체도 트러스철근의 트러스프레임 거동에 의한 영향으로 저감 전 값 대비 87%의 성능을 보여 기존 연구에 따른 계산전단내력보다 최대하중이 더 크게 나타났다.
본 연구에서는 데크형 중공슬래브의 중공률을 확보하기 위한 방안으로 기존의 중공슬래브에 일반적으로 사용되는 구형형상의 경량체 대신 사다리꼴 형상의 경량체를 적용하고, 이에 따른 휨 및 전단 내력 성능을 실험을 통해 확인하였으며, 일방향 데크플레이트의 설치방향에 따른 구조특성을 검토하였다. 그 결과 휨내력 측면에서는 기존 구형형상의 경량체를 가진 중공슬래브와 동등한 수준의 성능을 발휘하는 것을 확인하였으며, 전단내력 측면에서는 경량체 형상 변화에 따른 차이보다는 데크플레이트의 트러스철선의 기여에 따라 큰 전단내력성능을 발휘하는 것을 확인하였다. 중공체 설치시 콘크리트 유효단면의 감소로, 전단 강도가 약 50~60% 정도로 저하된다는 기존 연구에 따른 계산한 전단내력값과 비교하였을 때, 폭방향으로 데크를 설치하여 트러스철근이 전단에 영향을 미치지 않을 것으로 가정한 실험체도 트러스철근의 트러스프레임 거동에 의한 영향으로 저감 전 값 대비 87%의 성능을 보여 기존 연구에 따른 계산전단내력보다 최대하중이 더 크게 나타났다.
In this study, a trapezoidal hollow ball is used, instead of a spherical hollow ball commonly used in void slab, to secure the high hollow ratio in the deck type void slab. The bending and shear performance was measured with consideration for the shape change of the hollow ball. And to confirm the e...
In this study, a trapezoidal hollow ball is used, instead of a spherical hollow ball commonly used in void slab, to secure the high hollow ratio in the deck type void slab. The bending and shear performance was measured with consideration for the shape change of the hollow ball. And to confirm the effect of deck plate and truss wire on shear performance, experiments were performed depending on the installation directions of the one-way deck plate. As a result, the bending performance of the deck type void slab with a trapezoidal hollow ball was similar to that of the void slab with a spherical hollow ball. However, according to the data of shear strength examined, the contribution of shear performance enhancement of the truss wire had a more effect on the shear performance of deck type void slab, rather than the influence by changing of the shape of hollow ball. In the previous studies, the shear strength is reduced to about 60%, due to the reduction of the effective section of concrete by installation of hollow ball. But in this experiment, the maximum load of specimen, in which the deck was installed in horizontal direction, so expected to have no influence on the shear performance, was only reduced to about 87%, due to the truss framework of truss wire.
In this study, a trapezoidal hollow ball is used, instead of a spherical hollow ball commonly used in void slab, to secure the high hollow ratio in the deck type void slab. The bending and shear performance was measured with consideration for the shape change of the hollow ball. And to confirm the effect of deck plate and truss wire on shear performance, experiments were performed depending on the installation directions of the one-way deck plate. As a result, the bending performance of the deck type void slab with a trapezoidal hollow ball was similar to that of the void slab with a spherical hollow ball. However, according to the data of shear strength examined, the contribution of shear performance enhancement of the truss wire had a more effect on the shear performance of deck type void slab, rather than the influence by changing of the shape of hollow ball. In the previous studies, the shear strength is reduced to about 60%, due to the reduction of the effective section of concrete by installation of hollow ball. But in this experiment, the maximum load of specimen, in which the deck was installed in horizontal direction, so expected to have no influence on the shear performance, was only reduced to about 87%, due to the truss framework of truss wire.
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문제 정의
본 연구에서는 중공률을 극대화한 형상을 개발하고 이 형상으로 인한 전단내력이 감소될 것으로 예상되는 부분은 데크의 트러스 철선의 거동으로 보완이 가능하다고 판단되어, 콘크리트 타설과 전선관 배관 등의 시공성을 고려한 사다리꼴 경량체의 형상을 개발하였다. 구조성능에 가장 크게 영향을 주는 경량체 형상이 변화함에 따른 중공슬래브의 전단 및 휨내력 성능을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 데크플레이트를 사용한 중공슬래브의 데크 설치방향에 따른 구조성능을 평가하기 위하여 휨 및 전단내력을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 중공률을 극대화한 형상을 개발하고 이 형상으로 인한 전단내력이 감소될 것으로 예상되는 부분은 데크의 트러스 철선의 거동으로 보완이 가능하다고 판단되어, 콘크리트 타설과 전선관 배관 등의 시공성을 고려한 사다리꼴 경량체의 형상을 개발하였다. 구조성능에 가장 크게 영향을 주는 경량체 형상이 변화함에 따른 중공슬래브의 전단 및 휨내력 성능을 확인하고자 한다.
제안 방법
경량체의 유니트 구성은 일방향 철근일체형 데크에 적용이 가능하도록 라인형태로 계획하였고 와이어메쉬를 절곡하여 일체화하였다. 슬래브 두께 280mm에서 중공률은 32.
따라서 개선된 데크형 중공슬래브의 내력 및 강성평가와 데크설치 방향에 따른 구조특성을 검토하기 위하여 경량체가 없는 Solid와 경량체가 설치된 실험체의 휨내력을 실험하였으며, 경량체 및 데크의 트러스 방향에 따라 길이방향(주근방향), 폭방향(부근방향)으로 설치한 후 전단내력을 실험하였다.
실험체의 처짐측정은 실험체의 중앙부 및 가력위치의 하부에 LVDT를 설치하여 측정하였고, 모든 실험체는 콘크리트 표면에 균열성상을 명확하게 관찰하기 위해 하중 단계별로 선으로 표시하였다.
전단실험에 사용된 실험체는 휨실험체와 같은 트러스데크를 사용하여 경량체 설치 유무 및 트러스데크의 방향(길이방향, 폭방향)을 변수로 총 3개를 실험(Table 9)하였다.
전단실험체는 양단에서 250mm씩 떨어진 곳에 반력힌지를 위치시키고, 순수한 사인장파괴에 의한 전단내력을 평가하기 위해 지점에서 가력점의 거리를 슬래브단면의 유효높이 2.5배이상이 되도록 L=3.0d=3×250=750mm에 위치한 곳에 가력힌지를 두었다.
콘크리트 타설 시 굳지 않은 콘크리트의 슬럽프 및 공기량을 측정하였고, KS F 2405에 따라서 ∅100mm×200mm의 원통형 공시체를 제작해 실험체와 동일한 조건으로 양생하여 압축강도를 측정하였다.
트러스형상을 갖는 철근 일체형 데크플레이트는 슬래브의 주근역할을 하는 트러스와 트러스 사이에 경량체를 설치하는 형태로 일방향 슬래브의 성능을 갖도록 제작하였으며, 상부철근이 D13, 하부철근이 D16, 사재는 ∅6이며, 철근트러스의 간격은 300mm이다.
휨 및 전단실험체 모두 가력프레임을 설치하고, 2,000kN 액츄레이터를 사용하여 가력하였다.
휨내력평가는 재료 시험 결과를 고려하였으며, 산출 식 (1)과 식 (2)에 의한 값으로 인장철근과 거푸집 데크강판 각각의 피복두께와 항복강도를 고려하여 극한내력(Pn1)을 평가하고 거푸집용도의 데크강판을 제외한 인장철근만의 내력(Pn2)을 평가하여 실험 결과와 비교하였다.
휨실험체는 양단에서 200mm씩떨어진 곳에 반력힌지를 위치시키고, 상부의 중앙에서 500mm씩떨어진 곳에 가력힌지를 위치시켰다.
대상 데이터
경량체의 유니트 구성은 일방향 철근일체형 데크에 적용이 가능하도록 라인형태로 계획하였고 와이어메쉬를 절곡하여 일체화하였다. 슬래브 두께 280mm에서 중공률은 32.4%를 확보하도록 하였으며, 1개 유니트의 구성은 6개의 경량체를 와이어메쉬로 엮은 형태로 총길이는 1.8m이다.
우선 휨내력을 평가하기 위한 실험체는 트러스 데크에 경량체의 유무를 변수로 2개를 제작하였으며, 실험체의 크기는 두께 280mm, 길이 6,400mm, 폭 1,100mm이다.
전단내력을 평가하기 위한 실험체는 경량체의 유무 및 경량체와 데크의 설치방향 등 3개의 실험체를 제작하였으며, 실험체의 크기는 두께 280mm, 길이 3,000mm, 폭 1,100mm이다.
철근은 SD400 강종의 HD13, HD16, 철선은 ∅6, 데크플레이트 강판은 두께 0.5mm의 아연도 강판을 사용하였으며, 물리적 성질은 Tables 4~6과 같다.
성능/효과
(1) 시공성이 향상된 데크형 중공슬래브의 휨성능을 실험한 결과, 철근비가 동일할 경우 경량체 설치 유무와 관계없이 휨성능은 유사한 것으로 나타났다.
(2) 데크의 방향성에 따른 중공슬래브의 전단성능은 트러스를 길이방향으로 설치하였을 경우 트러스철근의 구조적 역할로 트러스를 폭방향으로 설치한 실험체보다 약 30%정도의 전단성능이 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 데크를 폭방향으로 설치하였을 경우에도 트러스거더의 사재가 전단내력 증가에 영향을 주어 콘크리트만의 전단내력으로 계산된 전단내력보다 최대하중이 더 크게 나타난 것으로 분석된다.
(4) 철근일체형 데크플레이트에 적용한 중공슬래브의 전단성능을 실험한 결과, 중공슬래브의 전단성능은 Solid 슬래브가 휨파괴 되면서 충분한 내력을 확보하지 못하였기 때문에 정확한 상관성은 확인하지 못하였으나, 기존에 연구된 콘크리트 부분의 전단내력 감소계수 0.6을 적용한 값보다는 큰 것으로 확인되었다.
11kN으로 나타났다. 가력값이 커지면서 초기발생한 전단균열이 증가하다가 가력지점 중간부분에서 압축측 콘크리트가 압괴되면서 시험체가 보유하는 휨내력(541.9kN)의 97%에서 휨파괴가 발생하여 전단파괴와 달리 연성파괴형상을 보였다.
거푸집용 데크강판이 파단된 이후의 최대하중인 Pmax2와 인장철근의 내력 Pn2를 평가한 결과 SOLID실험체 및 중공슬래브 실험체 각각 97%, 105%로 나타났다.
2(a)의 트러스형 데크는 상하부 철근과 판재가 일체로 결합되어 있어 동바리의 간격을 크게 늘릴 수 있는 장점이 있으나, 중공슬래브 적용을 위해선 경량체를 라인형태로 제작해야하는 문제가 있으며, 트러스거더 사이에 기존에 사용되던 형상의 경량체를 배치 할 경우 트러스거더의 간섭이 발생하기 때문에 경량체의 크기를 줄여야 한다. 그 결과 중공률이 현저히 줄어들어 중공슬래브의 적용효과가 감소한다.
데크의 방향성에 따른 구조성능은 폭방향으로 설치한 실험체와 길이방향으로 설치한 실험체의 Pmax 값을 비교하여 보면 폭방향으로 설치한 실험체에서 구조성능이 약 30%정도 감소하는 것으로 측정됐다.
실험값이 이론치에 비해 다소 떨어진 부분은 거푸집용 데크 강판의 단면 건전성에 따른 결과로 판단되며, 중공슬래브 실험체의 최대내력이 SOLID 실험체의 값보다 약 13% 크게 나타난 것은 중공체에 의한 자중감소 및 데크철판의 건전성에 의한 영향으로 오히려 중공슬래브에서 더 크게 나타난 것으로 판단된다.
이와 같이 휨강성을 판단한 결과 경량체를 설치한 MT-V1-13(중공슬래브)의 강성이 경량체를 설치하지 않은 MT-N1-13(Solid) 실험체보다 오히려 14%정도 크게 나타났다. 이는 Deck 철판의 건전성에 의한 영향으로 판단된다.
최대하중 158.66kN에서 데크플레이트 하부철판이 찢어지면서 하중이 95.00kN으로 급격히 떨어진 후, 인장철근의 지지로 평균 103kN에서 ±3kN이내의 소폭 상승된 하중을 거의 일정하게 유지하면서 변형량이 증가되었다.
최대하중 178.95kN에서 데크플레이트 하부철판이 찢어지면서, 급격히 하중저하를 나타낸 후 인장철근의 지지만으로 111kN에서 ±1kN 하중을 거의 일정하게 유지하면서 변형량이 증가되었다.
콘크리트 전단강도 감소계수를 0.6으로 적용하여 전단내력을 산정했을 때 본 실험에서 길이방향으로 경량체를 설치한 실험체는 최대하중이 예상 전단내력(0.6Vc+Vs)의 116%값으로 측정되었고, 폭방향으로 경량체를 설치한 실험체는 최대하중이 예상 전단내력(0.6Vc)의 163% 값을 나타냈다.
콘크리트(24MPa) 및 철근(SD400)의 강도를 설계기준강도로 적용했을 때 계산한 최대내력 Pn과 비교할 경우 각각 112%, 122%로 모든 실험체에서 이론적인 극한하중을 초과하는 것으로 나타났다.
트러스 사재가 전단에 영향이 적을 것으로 예상된 폭방향 실험체의 유효단면적은 54%로 강도 저감계수를 0.5~0.6으로 사용하는 것이 타당하다고 판단되나, 전단실험시 비교대상인 ST-N2-16 실험체 대비 최대내력비는 약 86%로 예상보다 값이 크게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구형의 경량체를 갖는 제품들을 적용했을 때 단점은?
근래에 현장작업자의 인력수급난이 가중됨에 따라 일반 거푸집공사의 단가 상승 문제로 데크를 사용하는 것이 일반화되고 있으며, 중공슬래브 또한 데크형의 효율적인 적용이 요구되고 있다[7],[8],[9],[10]. 그러나 구형의 경량체를 트러스철선을 가진 데크플레이트에 적용할 경우 슬래브의 두께는 물론 철선 간격의 제한조건에 따라 중공률이 크게 줄어들게 된다.
중공슬래브는 무엇인가?
최근 건설현장에 활발히 적용되고 있는 중공슬래브는 건축물의 경량화를 목적으로 슬래브 내에 경량체를 삽입하여 콘크리트의 일부분을 삭제함에 따라 자중을 줄이는 공법이다. 중공슬래브는 구조적인 효율성을 극대화한 기술이면서도 생산단계에서 약 30%정도 탄소발생을 줄이는 친환경 공법으로, 적용이 확산되고 있다.
중공슬래브 공법들의 차이는 어떻게 구별되는가?
기존 이방향 중공슬래브 공법들의 차이는 경량체의 형상과 경량체를 유니트화 하는 방법에 따라 구별된다. 경량체의 형상이 중공슬래브 내부의 응력흐름에 영향을 주어 전단내력에 가장 크게 영향을 주는 요인이다.
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