[논문]슬립폼 방식으로 제작된 역리브 프리캐스트 슬래브의 구조거동에 대한 실험적 연구

최석동; 김민석; 김강수; 홍성엽; 한선진

doi:10.11112/jksmi.2020.24.3.80

슬립폼 방식으로 제작된 역리브 프리캐스트 슬래브의 구조거동에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Structural Behavior of Inverted Multi-Tee Precast Slabs Manufactured by Slipformer 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.3, 2020년, pp.80 - 86

최석동 (연우건축구조기술사사무소) , 김민석 (서울시립대학교 건축공학과) , 김강수 (서울시립대학교 건축공학과) , 홍성엽 ((주)까뮤이앤씨 미래연구소) , 한선진 (서울시립대학교 건축학부)

초록
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역리브 (Inverted multi-tee, 이하 IMT) 슬래브를 제작하기 위해서는 콘크리트를 2번에 걸쳐 타설해야하기 때문에 부재 제작에 상당한 시간이 소요된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 슬립폼 방식을 활용하여 IMT 슬래브를 제작하는 기술이 새롭게 개발되었다. 이 연구에서는 슬립폼 방식으로 제작된 IMT 슬래브의 구조성능을 평가하기 위한 휨 및 전단 실험을 수행하였다. 이를 위하여 토핑콘크리트가 합성된 휨실험체 1개와 전단실험체 2개를 제작하였으며, 실험체들의 파괴모드 및 균열패턴, 프리캐스트 슬래브와 토핑콘크리트 사이의 슬립을 상세히 계측하고 분석하였다. 또한, 현행구조기준을 활용하여 실험체들의 휨 및 전단강도를 평가하였으며, 상이한 압축강도의 콘크리트로 구성된 합성 IMT 슬래브에 적합한 전단강도 산정방법을 제안하였다. IMT 슬래브의 휨강도는 현행구조기준에서 제시하는 공칭 휨강도를 상회하는 것으로 나타났으며, 제안 전단강도 산정방법은 실험체들의 전단강도를 우수한 정확도로 평가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the fabrication process of inverted multi-tee (IMT) slabs, concrete has to be poured twice due to its shape, which is a huge disadvantage as a precast member. To overcome this, a new technique for manufacturing IMT slabs using a slipform method has been recently developed. In this study, flexural and shear tests were carried out to investigate the structural performances of inverted multi-tee (IMT) slabs manufactured using slipform method. To this end, one flexural specimen and two shear specimens with topping concrete were fabricated, and their failure modes and crack patterns, and the slips that occurred between the precast slab and topping concrete were measured and analyzed in detail. In addition, the flexural and shear strengths of the specimens were evaluated by utilizing the structural design code, and a shear strength estimation method, which is suitable for composite IMT slabs with different concrete properties, was proposed for practical design. The IMT slab satisfied the nominal flexural strength calculated by the current design code, and the proposed method provided a good estimation of the shear strength of the specimens.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Automated production of IMT slabs
그림 Fig. 2 Details of test specimens
그림 Fig. 3 Anchorage details of lattice reinforcement
그림 Fig. 4 Fabrication process of test specimens
그림 Fig. 5 Loading details (unit: mm)
표 Table 1 Compressive strengths of concrete
표 Table 2 Properties of steel materials
그림 Fig. 6 Load-deflection responses
그림 Fig. 7 Measured slip between IMT unit and topping concrete
그림 Fig. 8 Description of shear strength estimation method
표 Table 3 Comparison of test and evaluation results

AI 본문요약
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문제 정의

다만,이 경우에는 PSC 부재인 IMT 유닛을 전단강도 산정에 고려하지 않는 것이기 때문에 과도하게 보수적인 설계결과를 얻을 수있다. 따라서, 이 연구에서는 현행 구조기준을 기반으로 합성IMT 슬래브의 전단강도를 안전측이면서도 보다 정확히 산정할 수 있는 방법을 도출하고자 하였다.
이 연구에서는 슬립폼 방식으로 제작된 IMT 슬래브의 휨및 전단성능을 규명하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위하여 토핑콘크리트가 합성된 IMT 휨 실험체 1개와 전단실험체 2개를 제작하였으며, 전단실험의 주요 변수는 래티스근의 정착을 위해 배치된 철근의 개수로 설정하였다.

제안 방법

먼저 프리스트레스 베드(prestress bed) 위에 긴장재를 배치하고 긴장재 인장강도(f_pu)의 약 75% 수준까지 잭킹(jacking) 한후, 래티스근을 리브가 형성되는 위치에 고정시키고 슬립포머를 이용하여 IMT 유닛 부재를 압출·성형 하였다. 다음으로 압출된 IMT 유닛을 프리스트레스 베드 위에서 약 24시간 동안 고온양생 하였으며, 이후 거푸집 조립과 함께 철근을 배근하고 토핑콘크리트를 타설하여 실험체 제작을 완료 하였다. Tables 1 및 2에는 실험체 제작에 사용된 콘크리트, 철근 및 긴장재의 재료시험결과를 정리하여 나타내었다.
먼저 프리스트레스 베드(prestress bed) 위에 긴장재를 배치하고 긴장재 인장강도(fpu)의 약 75% 수준까지 잭킹(jacking) 한후, 래티스근을 리브가 형성되는 위치에 고정시키고 슬립포머를 이용하여 IMT 유닛 부재를 압출·성형 하였다.
76으로 설정하여 1점 가력 하였다. 모든 실험체들에 대하여 5,000 kN 용량의 만능재료시험기(universal testing machine, UTM)를 이용하여 변위제어로 가력 하였으며, IMT-F 실험체의 경간 중심과 IMT-S1 및 S2 실험체의 가력점 하부에는 변위계(LVDT)를 설치하여 실험체들의 처짐을 측정하였다. 또한, 모든 실험체의 단부에는 IMT 유닛과 토핑 콘크리트 사이에 발생할 수 있는 슬립을 계측하기 위한 LVDT를 설치하였다.
7에는 실험체 단부의 LVDT로부터 측정된 IMT 유닛과 토핑콘크리트 사이의 슬립을 나타내었으며, 모든 합성IMT 슬래브에서 슬립은 거의 발생되지 않았다. 슬럼프가 거의 없는 건식콘크리트로 제작되는 IMT 특성상 IMT 유닛 상부면에 거친면 처리를 하기 어렵기 때문에 이 연구에서는 부재 설계시 래티스근을 수평전단력의 저항요소로 간주하여 전단마찰 설계(Korea Concrete Institute, 2017)를 수행하였다. 실제로 전단경간이 매우 짧은 전단 실험체에서도 IMT 유닛과 토핑콘크리트 사이에 슬립은 발생되지 않았기 때문에 래티스근은 전단연결재로써 수평전단력에 효과적으로 저항한 것으로 판단된다.
이를 위하여 토핑콘크리트가 합성된 IMT 휨 실험체 1개와 전단실험체 2개를 제작하였으며, 전단실험의 주요 변수는 래티스근의 정착을 위해 배치된 철근의 개수로 설정하였다. 실험체들의 파괴모드 및 균열패턴, IMT 유닛과 토핑콘크리트 사이의 슬립을 상세히 계측하고 분석하였으며, 현행구조기준을 활용하여 합성 IMT 슬래브의 휨 및 전단강도를 평가하였다.
따라서 전단력이 크게 작용하는 단부에서는 토핑콘크리트가 인장측이 되어 IMT 유닛의 플랜지에 압축력이, 토핑 슬래브 내에 배치된 철근에 인장력이 작용한다. 이 연구에서는 부재 단부영역에서의 IMT 전단성능을 평가하기 위하여 Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이 토핑콘크리트 양생 이후에 IMT-S1 및 S2 실험체를 거꾸로 뒤집어서 배치하여 전단 실험을 수행하였다.
이 연구에서는 슬립포머(slipformer)를 이용한 자동화 방식으로 생산된 IMT 슬래브에 대한 휨 및 전단 실험을 수행하였으며, 현행구조기준을 기반으로 합성 IMT 슬래브의 휨 및 전단강도를 평가하였다. 이 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
07로써 현행 구조기준을 통해 합성 IMT 슬래브의 휨강도를 매우 정확히 평가할 수 있는 것으로 나타났다. 전단강도의 경우, 전단면을 RC로 간주한 Method ①은 합성 IMT 슬래브의 전단강도를 과도하게 안전측으로 평가하였다. PSC 전단강도 산정시 인장철근의 깊이(d_s)를 적용한 Method ③이 실제 실험값과 가장근접한 전단강도 평가 결과를 제공하였으나, IMT-S1 실험체의 전단강도는 약간 과대평가하는 것으로 나타났다.
모든 IMT 유닛(unit)의 폭 (b)은 2,400 mm, 높이 (h_f)는 230mm로 제작되었으며, 리브 1개의 폭은 170 mm로써 IMT 유닛에는 총 4개의 리브가 형성되어 있다. 하부 플랜지에는 12개의 직경 15.2 mm 프리스트레싱 긴장재(prestressing strands)와 직경 6 mm 와이어 매쉬(wire mesh)를 배치하였으며, IMT리브에는 SHD 10 래티스근을 200 mm 간격으로 배근하였다. IMT-F 실험체는 휨성능을 평가하기 위한 실험체로써 길이(L)는 7.

대상 데이터

Tables 1 및 2에는 실험체 제작에 사용된 콘크리트, 철근 및 긴장재의 재료시험결과를 정리하여 나타내었다. IMT 유닛의 경우에는 부재 생산 이후 리브에서 코어를 채취하여 압축강도를 측정하였으며, 부재 실험시 측정한 IMT 유닛과 토핑콘크리트의 압축강도는 각각 55.5 MPa 및 34.8 MPa 이었다. 또한, SHD 10 철근 및 UHD 22 철근의 항복강도는 각각 590.
2 mm 프리스트레싱 긴장재(prestressing strands)와 직경 6 mm 와이어 매쉬(wire mesh)를 배치하였으며, IMT리브에는 SHD 10 래티스근을 200 mm 간격으로 배근하였다. IMT-F 실험체는 휨성능을 평가하기 위한 실험체로써 길이(L)는 7.3 m이며, IMT-S1 및 S2 실험체는 전단성능을 평가하기 위한 실험체로써 길이는 4.0 m로 제작하였다. Fig.
2에는 합성 IMT 슬래브 실험체들의 상세를 나타내었다. 모든 IMT 유닛(unit)의 폭 (b)은 2,400 mm, 높이 (h_f)는 230mm로 제작되었으며, 리브 1개의 폭은 170 mm로써 IMT 유닛에는 총 4개의 리브가 형성되어 있다. 하부 플랜지에는 12개의 직경 15.
이 연구에서는 슬립폼 방식으로 제작된 IMT 슬래브의 휨및 전단성능을 규명하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위하여 토핑콘크리트가 합성된 IMT 휨 실험체 1개와 전단실험체 2개를 제작하였으며, 전단실험의 주요 변수는 래티스근의 정착을 위해 배치된 철근의 개수로 설정하였다. 실험체들의 파괴모드 및 균열패턴, IMT 유닛과 토핑콘크리트 사이의 슬립을 상세히 계측하고 분석하였으며, 현행구조기준을 활용하여 합성 IMT 슬래브의 휨 및 전단강도를 평가하였다.

성능/효과

1. 건식콘크리트로 제작되는 IMT 특성상 IMT 유닛 상부면에 거친면 처리가 되어 있지 않았지만, 모든 합성 IMT 실험체들에서 IMT 유닛과 토핑콘크리트 사이의 슬립은 매우 작거나 거의 발생되지 않았다. 이는 래티스근이 전단연결재로써 수평전단력에 효과적으로 저항하였기 때문이다.
2. IMT-S2 실험체의 전단강도는 IMT-S1 실험체에 비해 약17% 정도 높은 것으로 나타났다. 이는 래티스근의 정착철근을 2열로 배치할 경우 래티스근이 부재 내에서 완벽하게 정착되어 전단저항에 더 효과적으로 기여하였기 때문이다.
3. 현행 구조기준(KCI 2017)을 활용하여 합성 IMT 슬래브의 휨 및 전단 강도를 비교적 정확히 평가할 수 있는 것으로 확인되었다. 특히, 전단강도 산정시에는 IMT 유닛의리브 부분에 PSC 전단강도 식을 적용하고, 나머지 부분에는 RC 전단강도 식을 사용하는 방법이 가장 합리적인 전단강도 평가결과를 제공하는 것으로 나타났다.
전단강도의 경우, 전단면을 RC로 간주한 Method ①은 합성 IMT 슬래브의 전단강도를 과도하게 안전측으로 평가하였다. PSC 전단강도 산정시 인장철근의 깊이(d_s)를 적용한 Method ③이 실제 실험값과 가장근접한 전단강도 평가 결과를 제공하였으나, IMT-S1 실험체의 전단강도는 약간 과대평가하는 것으로 나타났다. 반면, Method ②는 실험체들의 전단강도를 안전측이면서도 Method①에 비해 비교적 정확히 평가하는 것으로 나타났다.
이후 하중이 증가함에 따라 복부전단 균열폭은 서서히 증가 하였으며, 약 950 kN의 전단력에 도달한 시점에서 복부전단 균열이 지점으로 확장되는 수평균열이 관측되었고, 최종적으로 약 1,657 kN의 전단력에서 실험체가 전단파괴 되었다. 결과적으로, IMT-S2 실험체의 전단강도는 IMT-S1 실험체에 비해 약 17% 정도 높은 것으로 나타났는데, 이는 래티스근의 정착철근을 2열로 배치할 경우 래티스근이 부재 내에서 완벽하게 정착되어 전단저항에 더 효과적으로 기여하기 때문으로 판단된다.
8 MPa 이었다. 또한, SHD 10 철근 및 UHD 22 철근의 항복강도는 각각 590.7MPa 및 649.2 MPa 이었으며, 긴장재의 인장강도는 1952.4MPa으로 나타났다.
Table 3에는 KCI 2017을 활용한 합성 IMT 슬래브의 휨 및 전단 강도 평가결과를 정리하여 나타내었다. 실험에서 도출된IMT 슬래브의 휨강도는 KCI 2017을 통해 산정된 공칭휨강도를 상회하였으며, 계산결과에 대한 실험결과의 비율도 1.07로써 현행 구조기준을 통해 합성 IMT 슬래브의 휨강도를 매우 정확히 평가할 수 있는 것으로 나타났다. 전단강도의 경우, 전단면을 RC로 간주한 Method ①은 합성 IMT 슬래브의 전단강도를 과도하게 안전측으로 평가하였다.
6(c)에 나타낸 바와 같이 IMT-S1 실험체에 비해 더 낮은 전단력 시점(V = 525 kN)에서 최초의 복부전단균열이 발생되었다. 이후 하중이 증가함에 따라 복부전단 균열폭은 서서히 증가 하였으며, 약 950 kN의 전단력에 도달한 시점에서 복부전단 균열이 지점으로 확장되는 수평균열이 관측되었고, 최종적으로 약 1,657 kN의 전단력에서 실험체가 전단파괴 되었다. 결과적으로, IMT-S2 실험체의 전단강도는 IMT-S1 실험체에 비해 약 17% 정도 높은 것으로 나타났는데, 이는 래티스근의 정착철근을 2열로 배치할 경우 래티스근이 부재 내에서 완벽하게 정착되어 전단저항에 더 효과적으로 기여하기 때문으로 판단된다.
6(b)에 나타낸 바와 같이 약 198 kN의 전단력에서 가력점에 위치한 단면 하부에 휨균열이 발생하였으며, 750kN의 전단력에서 토핑콘크리트 복부에 최초의 전단균열이 발생되었다. 전단균열 발생 이후에도 실험체의 강성은 감소하지 않고 하중은 지속적으로 증가하였으며, 최종적으로 1,417 kN의 전단력에서 복부 전단균열이 가력점 부근 압축대로 급격하게 진전됨과 동시에 전단파괴 되었다. 래티스 정착철근이 2열로 배근된 IMT-S1 실험체의 경우에는 Fig.
현행 구조기준(KCI 2017)을 활용하여 합성 IMT 슬래브의 휨 및 전단 강도를 비교적 정확히 평가할 수 있는 것으로 확인되었다. 특히, 전단강도 산정시에는 IMT 유닛의리브 부분에 PSC 전단강도 식을 적용하고, 나머지 부분에는 RC 전단강도 식을 사용하는 방법이 가장 합리적인 전단강도 평가결과를 제공하는 것으로 나타났다.

후속연구

반면, Method ②는 실험체들의 전단강도를 안전측이면서도 Method①에 비해 비교적 정확히 평가하는 것으로 나타났다. 따라서, 합성 IMT 슬래브에서 콘크리트 전단강도 산정시 프리스트레스가 도입된 IMT 유닛의 전단기여분을 Method ②와 같이 반영한다면 가장 경제적이고 합리적인 설계결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IMT 슬래브란 무엇인가?	이 중 IMT 슬래브는 역 T형 형상을 갖는 PC 슬래브로써 하부플랜지에 프리스트레스가 도입되어 있어 단면의 휨 및 전단성능이 뛰어나며, 자중이 가벼워 현장에서의 크레인 양중이 용이하다는 장점이 있다(Han et al. 2019).
	IMT 슬래브를 제작할 때 단점은 무엇인가?	또한, 단부영역에서 슬래브 연속화를 통하여 부모멘트를 저항할 수 있기 때문에 부재의 단면크기를 최적화 할 수 있다. 다만, 역 T형의 형상을 갖고 있는 IMT 슬래브를 제작하기 위해서는 먼저 하부플랜지 콘크리트를 1차 타설하고, 일정 시간의 양생을 거친 후 역리브를 형성하기 위한 콘크리트를 2차 타설해야 하므로부재 제작에 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.
	본 실험에서의 슬립폼 방식으로 제작된 IMT 슬래브의 휨강도 및 전단강도 평가 결과는 무엇인가?	또한, 현행구조기준을 활용하여 실험체들의 휨 및 전단강도를 평가하였으며, 상이한 압축강도의 콘크리트로 구성된 합성 IMT 슬래브에 적합한 전단강도 산정방법을 제안하였다. IMT 슬래브의 휨강도는 현행구조기준에서 제시하는 공칭 휨강도를 상회하는 것으로 나타났으며, 제안 전단강도 산정방법은 실험체들의 전단강도를 우수한 정확도로 평가하는 것으로 나타났다.

참고문헌 (10)

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상세보기
Choi, I. S. (2016), Structural Performance of Precast Slab with Esthetics and Optimized Section for Positive and Negative Moment, Ph.D. Dissertation, Inha University, Incheon, Republic of Korea.
Ghosh, S. K. (1987), Shear Reinforcement Requirements for Precast Prestressed Double-Tee Member, ACI Structural Journal, 84(4), 287-292.
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ACI Committee 318 (2019), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19), American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA.

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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