[논문]슬림 프리캐스트 슬래브 데크를 사용한 I-슬래브 시스템의 전단 성능에 관한 실험적 연구

김승훈

doi:10.11112/jksmi.2017.21.1.126

슬림 프리캐스트 슬래브 데크를 사용한 I-슬래브 시스템의 전단 성능에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Shear Capacity of I-slab System Using Slim Precast Slab Deck 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.21 no.1, 2017년, pp.126 - 133

김승훈 (한밭대학교 건축공학과)

초록
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본 연구는 원형 천공된 플랫 형태와 팔각형 형태의 중공을 가지는 슬래브의 전단강도를 평가하고 있다. 최근 건축구조물에서 슬래브 두께에 대한 증가와 품질관리에서 요구되는 수준이 상향됨에 따라 프리캐스트 중공 슬래브 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 중공 슬래브 시스템은 널리 알려진 바와 같이 슬래브의 자중을 감소시킬 수 있는 효율적인 바닥시스템이다. 하지만 중공슬래브는 전단에 저항하는 슬래브 웨브의 콘크리트 면적 감소로 전단강도 성능이 저하될 수 있다. 특히, 프리캐스트 중공슬래브는 PC 슬래브 데크의 접합면이 발생하며, 접합면의 균열로 인한 전단파괴가 일어나지 않도록 방지하여야 한다. 본 연구에서는 I-슬래브 시스템의 전단강도를 평가하기 위하여 3점 가력에 의한 주축 및 직교축에 대한 전단 실험을 실시하였다. 실험결과 I-슬래브가 PC 접합면이 포함되어짐에도 불구하고 이론강도에 대하여 충분한 전단강도 성능을 보유하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the shear capacities of hollow slab with plate and octagonal pillar type hollow sphere. Recently, the interest in precast hollow slab system for buildings is growing up according to the demand for high quality control and the increase in slab thickness. A hollow slab system is widely known as one of the effective slab system which can reduce self-weight of slab. However, hollow slabs are vulnerable to the deterioration in the shear strength due to the decrease of concrete at slab web which resists shear. Especially, in case of precast hollow slabs, it has joint surface between precast concrete slab modules along transverse axis of slab, and shear failure, that is caused by cracks at joints, has to be prevented. Therefore, in this study, shear capacity of the I-slab system is evaluated by 3-points-supported shear test along the longitudinal and transverse axis of slab specimen. Test results showed that I-slab had enough shear strength compared to theoretical shear strength even if it included the joint surfaces.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 I-슬래브의 전단성능과 I-슬래브 전단접합부의 전단성능 평가를 목적으로 경량폼의 형태 및 슬래브 두께 등을 주요 변수로 한 전단실험을 수행하여, I-슬래브의 전단성능을 평가하고 기존의 전단강도 산정식의 적용성을 평가하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
이에 따라 본 연구에서는 I-슬래브의 전단성능 평가를 목적으로 두 가지 형태의 실험을 계획하였다. 첫째, 경량폼 형태 및 슬래브 두께를 변수로 하여 트러스근이 배근되는 방향(이하 주방향)으로의 전단 성능을 평가하기 위한 IS 계열의 실험체를 계획하였다.
이에 따라 본 연구에서는 일방향 I-슬래브의 전단성능과 I-슬래브 접합면의 전단성능 평가를 목적으로 경량폼의 유무 및 형태(PF0, PF1, PF2), 슬래브 두께(210 mm, 310 mm) 등을 주요 변수로 전단실험을 실시하였다. 또한, 실험결과로부터 각 실험변수에 따른 실험체의 최종파괴상황, 하중-변위 곡선, 하중-변형률 곡선, 최대내력 등을 비교하여 분석하여 I-슬래브의 전단성능을 평가하였으며 개발된 I-슬래브의 전단강도 산정방법을 제시하였다.

제안 방법

1(a)와 Fig. 1(b)와 같이 각기 다른 형상을 가지는 두 가지 형태의 경량폼을 적용한 I-슬래브에 대한 전단성능을 확인하고 이를 기존의 중공슬래브 경량폼 형상인 직육면체형의 PF0를 적용한 실험체와 비교하여 전단성능을 평가하였다.
첫째, 경량폼 형태 및 슬래브 두께를 변수로 하여 트러스근이 배근되는 방향(이하 주방향)으로의 전단 성능을 평가하기 위한 IS 계열의 실험체를 계획하였다. 둘째, 트러스근 배근방향과 직교한 방향(이하 직교방향)의 슬래브 접합면에서의 전단성능을 평가하기 위하여 JS 계열의 실험체를 계획하였다.
이에 따라 본 연구에서는 일방향 I-슬래브의 전단성능과 I-슬래브 접합면의 전단성능 평가를 목적으로 경량폼의 유무 및 형태(PF0, PF1, PF2), 슬래브 두께(210 mm, 310 mm) 등을 주요 변수로 전단실험을 실시하였다. 또한, 실험결과로부터 각 실험변수에 따른 실험체의 최종파괴상황, 하중-변위 곡선, 하중-변형률 곡선, 최대내력 등을 비교하여 분석하여 I-슬래브의 전단성능을 평가하였으며 개발된 I-슬래브의 전단강도 산정방법을 제시하였다.
본 연구는 경량폼을 사용한 일방향 슬래브 및 슬래브-슬래브 접합부의 전단 성능을 평가하는 것이 목적이기 때문에 Table 4와 같이 실험하중 및 자중에 의하여 발생하는 전단력에 의한 최대 실험전단강도(V_T)와 제안된 식(2)에 의한 이론 전단강도(V_n)를 비교하여 평가하였다.
본 연구에서는 I-슬래브는 경량폼으로 인하여 전단저항 단면이 감소하므로 이를 식 (1)과 같이 전단저항 면적에 경량폼의 총 단면적(A_PF)을 빼고 유효단면적을 바탕으로 I-슬래브의 공칭 전단강도(V_n)를 산정하도록 식 (1)을 수정하여 다음 식(2)와 같이 I-슬래브의 공칭전단강도 산정식을 제안하였다.
실험체 제작에 사용된 프리캐스트 콘크리트와 덧침 콘크리트의 설계기준 강도는 각각 30 MPa, 24 MPa이며, KS F 2405에 따라 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 실험체와 동일한 조건에서 양생 후 압축강도 시험을 실시하였다. 철근은 SD400의 D10, D13 이형 철근을 주근으로 사용하였으며, ∅9 철선을 트러스 경사재로 사용하였다.
3점 지지 1점 가력 형태로 실험을 실시하였으며, 300 kN 오일잭을 이용하여 슬래브 단부에 수직변위가 발생하지 않도록 하중을 가력하였다. 실험체의 처짐을 측정하기 위하여 하중이 가력되는 지점과 전단파괴 부위 등에 총 6개의 변위계(LVDT)를 설치하였다.
이에 따라 본 연구에서는 I-슬래브의 전단성능 평가를 목적으로 두 가지 형태의 실험을 계획하였다. 첫째, 경량폼 형태 및 슬래브 두께를 변수로 하여 트러스근이 배근되는 방향(이하 주방향)으로의 전단 성능을 평가하기 위한 IS 계열의 실험체를 계획하였다. 둘째, 트러스근 배근방향과 직교한 방향(이하 직교방향)의 슬래브 접합면에서의 전단성능을 평가하기 위하여 JS 계열의 실험체를 계획하였다.
3에 각 계열 실험체의 대표 상세 및 배근상황을 나타내었다. 특히, JS 실험체의 경우 접합면의 슬래브 하부에 4개의 D13 접합연결재를 사용하여 프리캐스트 슬래브데크 모듈이 접합 되도록 계획하였다.

대상 데이터

철근은 SD400의 D10, D13 이형 철근을 주근으로 사용하였으며, ∅9 철선을 트러스 경사재로 사용하였다.

성능/효과

1) I-슬래브의 주방향 전단강도 평가 실험체인 IS 계열 실험체는 하중점에서 지점까지 전단균열이 발생하면서 최종적으로 슬래브 복부 콘크리트의 전단파괴에 의해 파괴되었다.
2) 슬래브-슬래브 전단접합부 실험체인 JS 계열 실험체에 대하여 JS-1과 JS-2 실험체는 PC 슬래브가 접합되는 면에서 균열이 발생하여 하중가력점까지 전단균열이 발생하여 최종파괴되었다.
3) 주방향 I-슬래브 실험체 및 슬래브-슬래브 접합부 실험체 모두 PF2 경량폼을 사용한 실험체의 전단저항성능이 가장우수한 것으로 평가되었다.
4) IS 계열 실험체에 대하여 최대 실험 전단강도가 이론전단강도에 비하여 52% 이상 크게 나타나 이론전단강도가 실험전단 강도를 안전측으로 평가하였다. 이는 주방향으로 배근된 트러스가 전단보강근의 역할을 수행하였기 때문인 것으로 사료된다.
5) JS 계열 실험체에 대하여 상부 슬래브 만으로 이론전단강도를 산정한 결과 최대 실험 전단강도/이론전단강도가 1.62이상 나타나 실험전단 강도를 안전측으로 평가하였다. 따라서 I-슬래브의 접합면에 대한 전단강도 산정 시 슬래브의 유효깊이는 상부 슬래브만의 유효깊이로 가정하는 것이 타당한 것으로 사료된다.
Fig. 8의 슬래브-슬래브 전단접합부 실험체인 JS 계열의 전단력-처짐 관계곡선을 살펴보면, PF1 경량폼이 적용된 JS-1 실험체의 경우 최대 전단강도 이후 전단강도가 완만히 감소하는 연성적인 파괴거동을 보이고 있는데 반하여 PF2 경량폼이 적용된 JS-2 실험체의 경우 최대 전단강도 이후 전단강도가 급격히 감소하는 취성적인 파괴거동을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 이는 Fig.
경량폼의 종류가 슬래브의 전단강도에 미치는 영향을 살펴본 결과는 다음과 같다. IS 계열의 슬래브 두께가 210 mm인 IS-1, IS-2, IS-3 실험체의 최대 전단강도를 비교하여 보았을 때, PF2 경량폼을 사용하는 IS-3 실험체가 가장 큰 전단 내력을 보유하고 있는 것으로 평가되었다. 이와 동일하게 IS계열의 슬래브 두께가 310 mm인 IS-4, IS-5 실험체의 경우에 대해서도 PF2 경량폼을 사용하는 IS-4 실험체가 IS-5 실험체에 비해 더 높은 전단내력을 나타내었다.
이러한 경향은 슬래브-슬래브 접합부 실험체도 동일하게 나타났다. PF2 경량폼을 사용한 JS-2 실험체가 PF1을 사용한 JS-1 실험체에 비하여 최대 전단내력이 크게 나타남을 확인 할 수 있다.
이러한 결과는 이론전단강도 산정 시 접합면의 전단력의 대부분을 상부 슬래브가 저항하는 것을 고려할 수 있도록 슬래브의 유효춤(d)을 덧침콘크리트의 깊이로 설정하였기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 이러한 결과로 미루어 볼 때, I-슬래브의 접합면에 대한 전단강도 산정 시 슬래브의 유효춤(d)을 덧침콘크리트의 깊이로 가정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
슬래브 축방향에 따른 I-슬래브의 전단강도 변화를 살펴본 결과, JS 계열 실험체의 경우 접합면에서 전단력의 대부분을 상부 슬래브가 저항함으로써 전단면이 전단력에 저항하는 주방향 실험체인 IS 계열 실험체에 비하여 전단강도가 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과로 미루어 볼 때, I-슬래브는 주방향에 대하여 충분한 전단강도를 확보하는 것을 확인하였으며, 식 (2)의 전단강도 평가식이 I-슬래브의 주방향 전단강도를 안전측으로 평가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 보다 명확한 내력산정을 위해서는 전단파괴된 면을 기준으로 트러스근의 경사재에 작용하는 전단력을 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
7과 같이 210 mm 두께의 IS 계열 실험체인 IS-1, IS-2, IS-3의 경우 모든 실험체가 10 mm 내외의 처짐에서 최대 전단강도에 도달하였으며, 최대 전단강도 이후 전단강도가 급격히 감소하는 취성적인 파괴거동을 보이고 있음을 확인 할 수 있다. 이에 반해 310 mm 두께의 IS 계열 실험체 IS-4 및 IS-5의경우 최대 전단강도 이후 전단강도가 완만히 감소하는 연성적인 파괴거동을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 이는 슬래브 두께 증가에 따라 슬래브 내부에 배치된 트러스 사재의 정착길이가 확보되어 트러스 사재가 전단보강재의 역할을 수행할 수 있었기 때문인 것으로 사료된다.
이와 유사하게 슬래브-슬래브 접합부인 JS 계열 실험체 또한 실험체에서 최대 실험 전단강도가 이론전단강도에 비하여 62% 이상 크게 나타나고 있는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 이론전단강도 산정 시 접합면의 전단력의 대부분을 상부 슬래브가 저항하는 것을 고려할 수 있도록 슬래브의 유효춤(d)을 덧침콘크리트의 깊이로 설정하였기 때문인 것으로 판단된다.
주방향 슬래브의 전단실험체인 IS 계열 실험체는 모든 실험체에서 최대 실험 전단강도가 이론전단강도에 비하여 52%이상 높게 발현되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 높은 전단강도는 I-슬래브의 주방향으로 트러스근이 배근됨으로 인하여 트러스근이 전단력에 저항하기 때문인 것으로 사료된다.

후속연구

6) 이상과 같은 결과로부터 I-슬래브의 전단 설계 시 본 연구에서 제안한 식을 통하여 안전측으로 설계를 수행할 수 있을 것으로 판단된다
이러한 결과로 미루어 볼 때, I-슬래브는 주방향에 대하여 충분한 전단강도를 확보하는 것을 확인하였으며, 식 (2)의 전단강도 평가식이 I-슬래브의 주방향 전단강도를 안전측으로 평가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 보다 명확한 내력산정을 위해서는 전단파괴된 면을 기준으로 트러스근의 경사재에 작용하는 전단력을 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리캐스트 콘크리트 공법의 사용이 증가하고 있는 까닭은?	최근 구조물의 품질관리의 필요성이 증대됨에 따라 프리캐스트 콘크리트(Precast concrete) 공법의 사용이 증가하고 있다. 특히 슬래브 부재의 경우 콘크리트 양생과정에서 건조수축과 급격한 온도변화에 따라 균열이 발생하는 등의 품질저하의 문제가 발생할 우려가 높아 프리캐스트 콘크리트 슬래브의 적용에 대한 관심이 증대되고 있다.
	본 연구에서 I-슬래브의 전단성능 평가를 위한 두 가지 실험 형태는 무엇인가?	이에 따라 본 연구에서는 I-슬래브의 전단성능 평가를 목적으로 두 가지 형태의 실험을 계획하였다. 첫째, 경량폼 형태 및 슬래브 두께를 변수로 하여 트러스근이 배근되는 방향(이하 주방향)으로의 전단 성능을 평가하기 위한 IS 계열의 실험체를 계획하였다. 둘째, 트러스근 배근방향과 직교한 방향(이하 직교방향)의 슬래브 접합면에서의 전단성능을 평가하기 위하여 JS 계열의 실험체를 계획하였다.
	I-슬래브 시스템 특징은 무엇인가?	I-슬래브 시스템은 경량폼의 형태가 기존의 직사각형 형태가 아니며 경간 전체에 걸쳐 단면의 형상이 변화한다. 특히, PF2 경량폼의 경우 콘크리트 플랜지만 있고 콘크리트 웨브가 없는 단면도 경간 내에 존재한다.

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저자의 다른 논문 :

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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