2.1 PC 외피 접합리브 구조의 원리와 장점

Fig. 1과 같이 현장타설 또는 PC로 이루어진 골조시스템 외벽에 외피를 설치할 때 슬래브 부분에서 열교현상이 발생하게 된다. 이는 건물의 열손실로 나타나며 건물의 냉난방 에너지 손실과 단열 성능 저감으로 나타나게 된다^{(Ge et al. 2013)}. 이를 방지하기 위해 단열재가 삽입된 리브를 PC 외벽 하단부에 설치함으로써 시공의 편리성과 함께 단열성능 또한 확보할 수 있게 된다. 본 실험에서 활용되는 부분은 PC 외피와 UHPC 리브가 연결되는 부분으로 폐쇄형 띠철근을 통해 일체화가 된다. 리브에서의 구조적 성능을 높임과 동시에 열전도율이 낮은 UHPC를 사용함으로 구조적 및 환경적 에너지 성능을 최적화하도록 하였다.

Fig. 1 Thermal bridge phenomenon of a PC wall bracket in an apartment block

2.2 실험 계획

2.2.1 실험 목적 및 구성

RC 슬래브를 통해 연결된 UHPC 리브와 여기에 결합하는 PC 외피와의 구조적 성능을 검증하기 위해 실험에 관한 연구가 고려되었다. 본 실험은 PC 외피 접합리브의 구조성능을 검증하기 위해 5개의 실험체가 제작되고 이후 단조가력실험을 실시하여 요구되는 구조성능에 대해 실험을 통해 검토하였다.

Table 1은 본 연구에서 실험을 수행한 5개 실험체에 대한 일람을 보여주고 있다. SK는 리브에 적용되는 Shear Key, 즉 전단키의 개수를 의미한다. Fig. 2는 실험체의 형상, 치수 및 배근상세를 보여준다. SK0의 경우 UHPC 리브에 전단키의 설치 없이 UHPC 리브 묻힘길이 20 mm로 PC 외피와 접하게 되며 SK1, SK2는 각각 전단키 1개와 2개로 외피와 접하게 된다. 여기서 모든 실험체는 20 mm의 묻힘길이를 가지고 PC 외피와 결합되었다. 리브 내부에는 철근 SD500의 D13 폐쇄형 스트럽 4개가 135도의 갈고리의 6$d_{b}$의 내민 길이로 설치되어 있으며 스트럽 상부에는 스트럽 간의 고정을 위하여 2개의 D13 수평철근이 138 mm의 수평길이를 통해 배근되어 있으며 하부에는 외피와 리브 스트럽 간의 고정을 위하여 D13 수평철근 3개가 배근되었다. 외피 벽체는 30 MPa의 콘크리트 설계강도를 가지고 있으며 철근 SD500의 D10의 수평근(SHD10@250)과 수직근(SHD10@200)으로 배근하였다.

Table 1 Test variables of precast cladding ultra-high-performance-concrete (UHPC) rib

	Specimen	Rib extrusion length (mm)	Eccentric distance (mm)	Shear key	Concrete strength (MPa)
1	SK0-EC100	20	100	-	160
2	SK2-EC30	20	30	2	160
3	SK1-EC100	20	100	1	160
4	SK1-EC125	20	125	1	160
5	RC-rib-wall-EC100	-	100	-	30

Fig. 2 Precast cladding ultra-high-performance-concrete (UHPC) rib test specimens

EC는 실험체에 단조가력실험을 진행할 때 외피로부터 가력지점까지의 거리를 의미하며 자세한 형상은 Fig. 3과 같다. 편심거리에 변화를 줌으로써 외피의 하중이 리브에 적용되는 위치에 따라서 변화되는 리브의 거동을 관찰하고자 하였다. 가력 편심거리를 100 mm로 설정한 경우는 실제로 PC 외피 접합리브의 상부에 단열재가 적용되었을 때의 조건으로 실험을 진행하였고 가력 편심거리를 30 mm로 낮춤으로써 편심의 영향을 최대로 줄여 직접적인 지압의 형태로 하중을 가함과 동시에 전단키의 개수를 2개로 늘려 전단력이 최대로 발생할 경우의 전단키 성능에 대해 알아보고자 하였다. 또한 가력 편심거리를 125 mm로 설정하여 편심거리를 증가시켰을 때의 전단키 성능의 유효성에 대해 알아보고자 실험을 진행하였다.

Fig. 3 Definition of eccentric distance

5번 실험체, RC-rib-wall-EC100 실험체의 경우 리브와 외피벽체가 일체로 타설된 경우의 거동을 보기 위해 UHPC 리브의 존재 없이 모두 일반 콘크리트로 한꺼번에 타설하여 5번째 실험체를 제작 완료하였다.

2.2.3 PC 외피 UHPC 접합리브 실험체 제작

Fig. 4는 UHPC 리브와 PC 외피 실험체를 만드는 전체 제작 과정을 보여주고 있다. 리브 내에 배근되는 갈고리 형태의 철근과 일자형 철근의 배근 및 변형률 게이지 부착한 후, UHPC 리브 제작을 위한 거푸집 작업과 타설 후 고온 양생을 진행하여 UHPC 리브 제작을 진행하였다. 양생 완료된 UHPC 리브를 PC 외피 제작 현장으로 이송하여 조립 후 수평근, 수직근, 대각철근의 배근이 완료된 PC 외피에 일반 콘크리트를 타설, 양생하여 실험체 제작을 완료하였다. 실험체 제작은 (주)정양SG에서 UHPC 리브를 제작하고 최종 실험체를 위한 배근, 조립, 타설 등은 여주에 위치한 토탈PC에서 제작되었다.

Fig. 4 Production process of precast cladding ultra-high-performance-concrete (UHPC) rib

리브에는 압축강도가 160 MPa인 UHPC가 타설되었으며, PC 외피와 현장타설 실험체(RC-rib-wall-EC100) 콘크리트는 모두 $f_{ck}$=30 MPa의 설계압축강도를 사용하여 타설을 하였다. 리브 타설 시 콘크리트의 품질과 양생기간 준수를 위해 고온양생을 사용하였으며 외피 타설에는 증기양생을 활용하였다.

3.1 하중-변위 실험 결과

가력장치를 통해 철근의 항복지점까지 실험을 진행하였고 이에 따른 결과는 Fig. 5와 같다. Fig. 5(a)는 리브 상부의 하중-변위 그래프를 보여주며 Fig. 5(b)는 리브 하부의 하중-변위 그래프를 보여주고 있다.

Fig. 5 Load-displacement curves of the rib

SK0-EC100 실험의 경우 리브 상부에서는 306.6 kN의 최대하중이 가해졌을 때 3.6 mm의 변위가 발생하였으며 리브 하부에서는 1.5 mm의 변위가 발생하였다. 100 mm의 편심하중은 순수한 전단하중보다는 휨에 가까운 가력을 UHPC에 전달하는 것으로 판단된다. 이에 따라 휨력으로 UHPC 리브에 하중이 가해짐으로 전도 모멘트가 발생하며 리브의 수평철근 3개가 PC 외피의 콘크리트를 들고 일어나서 주변의 콘크리트가 앵커의 인발 파괴와 비슷하게 상부 콘크리트의 균열과 탈락이 발생했다.

Fig. 6(a)와 같이 가력 방향 반대쪽에 대해 PC 외피의 피복이 리브의 좌, 우, 뒷면에 손상이 발생하면서 피복이 탈락하는 형태를 보였다. UHPC 리브에 휨형태의 전도모멘트가 발생함으로 UHPC 리브 단부에 설치된 패쇄스트럽에 직각으로 배근된 3개의 수평철근이 휨에 저항을 하면서 PC 외피 주변의 콘크리트와 철근을 들어 올림을 볼 수가 있었다. 또한 PC 외피의 가로근과 세로근이 리브가 전도됨에 따라 변형이 발생하여 리브 주변 PC 외피의 콘크리트를 들고 일어난 것으로 보였다.

SK2-EC30 실험의 경우 리브 상부에서는 903.6 kN의 최대하중이 가해졌을 때 5.2 mm의 변위가 발생하였으며 리브 하부에서는 2.7 mm의 변위가 발생하였다. 편심거리 30 mm로 순수 전단하중의 형태로 UHPC 리브를 가력하였고, 전단키가 대부분 수평 하중을 지지하여 편심거리 100 mm일 때 PC 외피의 주변 콘크리트가 들리는 현상은 보이지 않았다. 순수 전단하중의 형태로 UHPC 리브가 힘을 받음으로 Fig. 6(b)와 같이 UHPC 리브 뒷면에 상대적으로 압축강도가 약한 PC 외피의 콘크리트(160 MPa vs. 30 MPa)가 밀림 등의 힘을 받으며 결과적으로 PC 외피 콘크리트 압괴 등의 형태로 파괴 현상이 나타났다.

SK1-EC100 실험의 경우 리브 상부에서는 320.7 kN의 최대하중이 가해졌을 때 3.5 mm의 변위가 발생하였으며 리브 하부에서는 1.2 mm의 변위가 발생하였다. Fig. 6(c)와 같이 UHPC 리브에 휨형태의 전도모멘트가 발생함으로 UHPC 리브 단부에 설치된 패쇄스트럽에 직각으로 배근되어 있는 3개의 수평철근이 휨에 저항을 하면서 PC 외피 주변의 콘크리트와 철근을 들어 올림을 볼 수가 있었다. 또한 PC 외피의 가로근과 세로근이 리브가 전도됨에 따라 변형이 발생하여 리브 주변 PC 외피의 콘크리트를 들고 일어난 것으로 보였다. 전체적으로 같은 편심거리를 가지고 전단키가 없는 SK0- EC100 실험체와 하중-변위를 비교할 때 전단키의 존재는 306.6 kN vs. 320.7 kN으로 약 5 %의 하중지지성능의 증가를 가져왔다.

SK1-EC125 실험의 경우 리브 상부에서는 210.9 kN의 최대하중이 가해졌을 때 3 mm의 변위가 발생하였으며 리브 하부에서는 1 mm의 변위가 발생하였다. 125 mm의 편심하중은 최대한의 전도모멘트를 가한 것으로 완전한 휨에 가까운 가력을 UHPC에 전달하는 것으로 판단된다. 이에 따라 Fig. 6(d)와 같이 휨력으로 UHPC 리브에 하중이 가해짐으로 전도 모멘트가 발생하며 리브의 수평철근 3개가 PC 외피의 콘크리트를 들고 일어나서 주변의 콘크리트가 앵커의 인발 파괴와 비슷하게 상부 콘크리트의 균열과 탈락이 발생했다. 이는 100 mm의 편심거리를 가진 실험체에 비해 주변 콘크리트의 손상과 탈락이 더 크게 광범위하게 발생했다.

Fig. 6 Specimen failures

RC-rib-wall-EC100 실험체는 PC 외피 접합리브에 대해 현장에서 일괄 타설되는 경우를 가정하여 제작된 현장타설공법이 적용된 실험체이다. 이를 통해 일체식 현장타설 PC 외피와 리브에 대해서 조립식 PC 공법으로 이루어진 4개의 실험체의 구조성능을 검증하기 위함이다. 리브 상부에서는 334.4 kN의 최대하중이 가해졌을 때 5.8 mm의 변위가 발생하였으며 리브 하부에서는 2.5 mm의 변위가 발생하였다.

RC 일체형 리브-PC 외피 실험체는 다른 UHPC 리브를 가진 실험체에 비해 뚜렷하게 리브 자체에 손상과 변형이 발생하며 결과적으로 리브에 파괴가 두드러지게 나타났다. 이는 재료의 압축강도 차이로 인해 Fig. 6(e)와 같이 리브 자체의 균열과 탈락, 파쇄등이 발생했다(UHPC 리브 압축강도 160 MPa vs. 일체타설형 콘크리트 리브 압축강도 30 MPa). 리브 주변의 콘크리트 피복이 박리, 탈락이 되어도 리브 안에 4개의 패쇄스트럽으로 구성된 철근이 내부의 콘크리트를 계속 구속함으로 변위 증가에도 지속적인 하중 지지 성능을 유지했다.

일체형 리브에서 리브의 콘크리트가 탈락하고 철근만이 남아 있어도 같은 편심거리 100 mm을 가진 UHPC 리브 실험체에 비해 가장 높은 성능지지 값을 보여주었다(306.6 kN vs. 320.7 kN vs. 334.4 kN). 리브와 외피가 맞닿는 부분에서는 뚜렷한 균열이나 파괴등은 보이지 않았으며 모든 두드러진 파괴는 일체 타설형 리브에 모든 균열, 파괴, 손상 등이 관찰되었다. RC-rib-wall-EC100 실험체는 하중이 334.4 kN에 도달했을 때 철근이 파괴되었다.

Table 4에 실험체별 최대하중과 그때의 리브 상부, 하부 변위의 결과를 나타내었다. 최대하중은 편심거리가 가장 작은 SK2-EC30의 실험체에서 903.6 kN을 기록하였고 최소하중은 편심거리가 가장 큰 SK1-EC125의 실험체에서 210.9 kN을 기록하였다.

3.2 철근 변형률 계측 결과

Fig. 7은 각 실험체의 리브 안에 배근되어 있는 4개의 D13 폐쇄스트럽에 부착된 변형률 게이지의 계측결과를 보여주고 있다. 변형률 게이지는 리브의 가력방향에 대해서 양 단부의 스트럽에 부착이 되었으며 계측결과에 대한 비교와 데이터 누락을 방지하기 위해 가력방향에서 왼쪽에 B형으로, 오른쪽에 T형으로 기호를 붙여 게이지가 2가지로 구별되도록 하였다. 이후 가력 면에 가까운 쪽에서 하부에 B1, 상부에 B2, 그리고 가력방향의 반대쪽 스트럽 면에서 하부에 B4, 상부에 B3로 기호를 붙이고 분류하였다. 이는 스트럽 상하부의 변형률을 비교하여 실험에서 관찰된 리브의 구조적 거동 분석과의 유사성에 대해 알아보기 위함이다.

SK0-EC100 실험체는 다음 Fig. 7(b)에서 보는 바와 같이 가력면 쪽 스트럽 왼쪽과 오른쪽에 대해서 최대값을 기준으로 할 때 스트럽의 상부는 0.62 %, 하부는 0.32 %의 변형률을 보여주었다. 편심 100 mm로 인해서 수평 하중은 UHPC 리브의 휨의 거동으로 전도가 생기게 되었다. 이는 실험 중 리브가 전도가 생기면서 PC 외피에 들림 등으로 파괴가 된 결과로 나타난 것이다.

SK2-EC30 실험체는 제일 작은 편심거리로 인해 UHPC 리브가 고정된 강체(rigid body)의 형태로 순수하게 수평으로 밀리는 거동을 보여주었다. 이러한 점은 변형률 게이지 계측 결과와 많은 유사점을 보여주고 있다. Fig. 7(c), (d)에서 보는 바와 같이 상부(B2)와 하부(B1) 스트럽의 변형률은 각각 1.7 %와 1.8 %로 유사한 인장 변형률 값을 보여주었다. 이는 리브에 수평하중, 즉 전단의 형태로 하중이 가력하면서 스트럽의 상부와 하부가 비슷한 인장 변형률을 받은 것이다.

Fig. 7(e), (f)는 SK1-EC100 실험체의 변형률을 보여주고 있다. 상부(B2)와 하부(B1)의 철근변형률은 각각 0.16 %와 0.10 %로 같은 UHPC 리브로 구성되고 같은 편심거리, 100 mm를 가진 SK0-EC100 실험체와 비교할 때 유사한 휨거동을 하면서 변형률에 대해서 약 30~40 %의 감소를 보여주었다. 여기에는 (1) UHPC 리브와 PC 외피의 결합이 일찍 분리되어 리브가 일정한 변형 이후 더 이상 힘을 받지 못하거나 또는 (2) 전단키의 존재로 인해서 휨하중의 결과로 나타나는 UHPC 리브의 전도가 지연되면서 철근인장변형률이 작게 나타난 것으로 판단된다. 전단키의 존재는 하중 측면에서 전단키가 없는 SK0-EC100 실험체의 306.6 kN에 비해 320.7 kN로 증가된 값을 보여주었다.

Fig. 7(g), (h)는 SK1-EC125 실험체에 대한 변형률 계측 결과를 보여주고 있으며 데이터 누락으로 인해 가력방향에서 오른쪽 게이지인 T1, 2의 변형률을 사용하였다. 편심의 증가로 SK1-EC100 실험체에 비해서 상부(T2)와 하부(T1)에서 각각 0.17 %와 0.15 %의 인장 변형률에 증가가 발생하였다. 또한 0.62 %와 0.32 %의 변형률을 보여준 SK0-EC100 실험체와 비교할 때 편심거리가 125 mm로 가장 큰 SK1-EC125 실험체는 0.17 %와 0.15 %로 철근 변형률이 작게 계측되었다. 이는 초기 전도가 발생하기 전에 철근이 리브와 함께 수평 힘에 저항하다가 리브의 전도가 발생하고 PC 외피가 손상되고 PC 외피 내부의 수평근과 수직근이 맞물려 들리면서 리브 내에 스트럽이 더 이상 힘을 받지 못한 것으로 보인다. 이는 하중의 증가에 따라 변형률의 증가로 나타나는 것이 아니라 변형률의 증감이 없는 일정한 값으로 수평으로 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7(i)는 RC-rib-wall-EC100 실험체의 스트럽 변형률을 보여준다. 편심거리 100 mm의 수평하중은 상부에는 압축 변형률 -1.7 %를, 하부에는 인장 변형률 0.14 %를 기록하였다. UHPC 리브에서는 모두 스트럽의 인장 변형률만 기록된 것을 감안할 때 여기서의 압축변형률은 일반 콘크리트로 제작된 리브의 특성에 기인하는 것으로 생각된다. 하중 가력면에 닿는 리브 내의 스트럽 부분에서는 수평하중에 스트럽이 직접 맞닿으면서 압축변형률을 기록하게 되고 하부에서는 휨거동에 따라 전도가 발생하면서 스트럽의 하단부에 인장 변형률이 발생한 것으로 생각된다. UHPC 리브는 리브의 높은 압축강도 160 MPa로 인해 회전, 전도의 형태로 리브가 강체거동을 하면서 내부 스트럽에 상부에는 큰 인장 변형률을, 하부에는 작은 인장 변형률을 보여주었는데 일반 콘크리트로 제작된 RC 리브는 하중을 직접 받는 스트럽 면에서는 압축을, 하부 스트럽에서는 전도의 형태로 리브가 회전함에 따라 인장 변형률이 발생한 것을 보여주고 있다. 이는 일반콘크리트로 이루어진 리브가 수평 하중에 대해 손상과 변형이 발생하고 파괴하면서 내부 스트럽이 직접 하중에 저항하면서 한쪽 면에 대해 압축과 인장 변형률이 발생한 결과이다.

Fig. 7 Upper strain measurement results