2.1.1. 데크플레이트

데크플레이트는 크게 거푸집용과 합성구조용으로 구분할 수 있다. 거푸집용 데크플레이트는 상부에 용접 된 철근이 구 조적 역할을 수행하며 하부 강판은 시공 시 거푸집의 역할을 담당하나 시공 후에는 구조적 역할을 수행하지 못하는 반면, 합성구조용 데크플레이트는 타설 시 강판과 콘크리트가 일체 화되어 합성슬래브를 구성하게 된다.

콘크리트가 경화되기 전에는 데크플레이트강판이 거푸집 역할을 하고 경화 후에는 인장철근의 역할을 수행하기 때문 에 거푸집 설치작업과 철근 배근 공정을 생략 가능함으로서 공사 기간 단축을 할 수 있는 장점을 갖는다. 본 연구에서는 Fig. 1(a)와 같은 구조용 데크플레이트 제품 중 하부가 평판형 상이며 타설 시 콘크리트의 단면이 일정하게 유지되는 구조 적 성능과 사용성을 유리하게 확보하는 Y사의 ‘파워데크’ 제 품을 적용하였다. 1.0 mm 두께의 아연도금 강판으로 제작되 었고 내화성능을 인정받은 제품으로, 리브가 콘크리트에 매 립되어 일체성을 확보할 수 있도록 개발되었다. 제품의 기계 적 성능 Table 1과 같다.

Fig. 1

Main material figuration

2.1.2. 강섬유

일반적으로 슬래브는 온도변화나 콘크리트의 건조수축으 로 인한 균열방지용 수축온도 철근을 배근한다. 강섬유를 콘 크리트에 혼입하여 구조용 데크플레이트 상부에 배근 되는 온도 철근을 대체하고자 하며 강섬유를 혼입한 콘크리트는 높은 인장강도, 휨 파괴 계수, 전단 강도, 균열제어 성능, 연성 적인 거동특성, 건조수축의 제어, 피로 강도의 증가 등 성능이 우수한 것으로 밝혀졌다. 이번 실험체 제작에 사용한 강섬유 형상은 Fig. 1(b)과 같으며 직경 0.75 mm, 길이 60 mm의 형상 비 80인 단부 후크형태이다. Table 2에는 강섬유의 주요 성능 을 나타내었다.

2.1.3. 콘크리트 및 철근

실험체에 사용된 콘크리트는 설계기준 압축강도 24 MPa로 써 배합표는 Table 3과 같다. 재령 28일에 실시된 압축강도 실 험결과에서 강섬유를 혼입하지 않은 보통 콘크리트는 23.8 MPa로 나타났으며, 강섬유를 혼입한 콘크리트는 27.5 MPa로 측정되었다. 실험체 제작에 사용된 철근은 모두 SD400 철근 을 사용하였다.

2.2.1. 실험 계획

기존에 수행한 단순슬래브 실험결과의 적용성 확대를 위해 실제 건축물에서 발생할 수 있는 연속 슬래브 구간에 대한 실 험을 실시하여 슬래브의 균열을 평가하도록 하였다. 실험체 의 제작은 양중 및 운송과정에서 생길 수 있는 균열, 손상, 경 계조건의 변동이 일어나지 않도록 하기 위해 구조실험 장소 에서 직접 거푸집 설치부터 타설, 양생, 실험을 진행하였다.

실험체의 계획은 대조군으로써 보통 철근 콘크리트 슬래브 와 실험군인 강섬유 혼입 데크플레이트 슬래브로써 두 실험 체 모두 두 경간을 갖도록 하여 중앙부에 연속 단부가 존재하 도록 하였다. Fig. 2와 같이 길이는 7.1 m, 한쪽 슬래브 순경간 은 3.4 m, 두께는 180 mm로 제작하였으며 주택 설계 하중을 바탕으로 슬래브를 설계하여 철근을 배근하였다. 강섬유는 철근보다 단가가 높은 경제적인 조건과 기존 강섬유 콘크리 트 연구 동향(^{Yang, 2008}) 및 사전 연구(^{Hong, 2014} and ²⁰¹⁵) 를 통하여 슬래브 수축․온도철근비 0.2%에 해당하는 철근량 의 중량(31.4 kg/m³)를 산정한 후 이의 절반(15.7 kg/m³)만 혼 입하도록 하였으며, 이는 부피비로 환산할 경우 콘크리트의 0.5%에 해당한다.

Fig. 2

Specimen detail

2.2.2. 실험 방법

실험체의 균열저항성능을 평가하기 위하여 콘크리트 타설 후 양생이 진행됨과 동시에 실험체 상부면의 건조수축 균열 과 자중에 의한 균열을 측정하기 시작하였으며, 재령 28일 이 후에는 콘크리트 블록을 장기재하하여 재하하중에 의한 장기 균열 거동을 분석하도록 하였다.

균열의 측정은 먼저 육안에 의한 균열의 발생여부를 관찰 하였으며, 육안으로 확인된 균열에 대해서는 Fig. 3(a)와 같은 균열측정기(FAST FCV-30)를 사용하여 균열폭을 계측하였 다. 균열측정기로 측정한 결과는 Fig. 3(b)처럼 사진으로 저장 되고 범위 내의 균열을 수백 개의 점으로 폭을 측정한 뒤 측정 값의 상·하위 5%를 제외한 평균으로 계측되며, 측정된 균열 값의 오차는 0.02 mm 이내이다.

Fig. 3

Crack viewer

재령 28일부터는 Photo 1 및 Fig. 4와 같이 양측 슬래브 중 앙에 콘크리트 블록을 장기하중으로 재하하여 실험체에 발생 하는 균열을 측정, 자료를 수집하도록 하였다. 콘크리트 블록 은 일반 주택에서 부하되는 등분포 하중이 재하 되었을 경우 를 모사한 것으로 이는 실험을 진행하는 동안 등분포 하중을 지속적으로 재하 하는데 어려움이 있기 때문에 Fig. 5처럼 등 분포 하중 재하 시 슬래브 한 경간의 최대 모멘트 값과 콘크리 트 블록을 쌓아 발생하는 최대 모멘트 값을 동일하게 유도하 였다. 장기재하 하중은 실험체의 자중을 제외하고 추가적인 고정하중 1.5 kN/m², 활하중 2.0 kN/m²을 가정하여 하중을 설 정하였다. 콘크리트 블록은 0.8 m×0.8 m×0.15 m 크기로 제작 되었으며, 모서리 가공 등을 고려하여 블록 하나의 무게는 206㎏으로 실험시에는 양측 슬래브에 각각 3개씩의 블록을 적치하였다.

Photo. 1

The foreground of the specimens

Fig. 4

Long-term load drawing

Fig. 5

Drawing of the alternative loading plan

양생 및 재하기간이 경과되면서 두 실험체 간의 균열개수 와 폭의 변화를 관찰하도록 하였으며, 하중 재하 이후 약 110 일(재령 138일) 경과 시까지 장기하중에 의한 변화를 관찰하 였다. 균열의 관찰은 휨모멘트에 의한 균열과 건조수축에 의 한 균열을 분리하여 분석하기 위하여, 휨에 의한 균열은 휨모 멘트가 가장 크게 걸리는 중앙부 보 상부 및 슬래브 경간 중앙 하부를 중점적으로 관찰하고, 건조수축에 의한 균열은 인장 력의 크기가 작은 슬래브 단부 부분 등을 측정하도록 하였다. 또한, 장기 하중의 제거 후 탄성회복 거동을 분석하기 위하여 재령 138일 차에 변화가 예상되는 부모멘트 구간의 균열을 측 정한 후 콘크리트 블록을 제거하고 재령 140일 차에 동일한 균열들을 측정하여 균열의 회복 여부를 평가하였다.

2.2.3. 균열 양상, 개수 및 균열폭

두 실험체에서 발생된 건조수축 균열을 육안으로 관찰하여 위치 및 크기를 도식한 결과는 Fig. 6과 같다. 양생 초기에 보 통 철근 콘크리트 슬래브의 균열들은 단부 지점 상부에 단변 방향으로 다수 발생하였으며, 균열의 길이도 강섬유보강 데 크플레이트 슬래브보다 전반적으로 큰 것으로 관찰되었다. 또한, 실험체 중앙의 보 상부에서는 우물 井 모양의 균열들이 발생하였는데, 이는 중앙 보에 배근된 철근 및 슬래브 상부 철 근 간격과 유사하게 나타난 것으로 판단할 때 철근 상부의 피 복을 따라 길이 방향으로 발생된 균열로 추정된다. 강섬유보 강 데크플레이트 슬래브는 슬래브의 양 끝 지점 상부에 단변 방향으로 비교적 적은 양의 균열이 발견되었다.

Fig. 6

Crack patterns

타설한 지 한 달 부근부터 보통 철근 콘크리트 슬래브의 단 변방향 균열들은 전체적으로 증가하였고 중앙 보 상부의 균 열들도 철근의 길이 방향을 따라 길이가 증가 하였으며 정모 멘트 구간에 장변 방향 균열들이 나타났다. 강섬유보강 데크 플레이트 슬래브 또한 단변 방향 균열들이 늘어나고 부모멘 트의 영향으로 판단되는 단변방향 균열들이 중앙 보와 슬래 브가 연속되는 곳에 나타났다.

재령 5일차에 보통 철근 콘크리트 슬래브의 균열 개수는 37 개, 강섬유 혼입 데크플레이트 슬래브는 6개로 보통 철근 콘 크리트 슬래브 균열 개수에 비해 약 16% 정도의 균열이 나타 났다. 두 실험체의 균열 개수가 재령 11일 차 이후 급격하게 증가하였으며, 이는 최하진외 3명의 기존 연구에서 섬유보강 콘크리트의 구속건조수축량 실험 결과로부터 재령 10일 전후 로 균열의 발생과 더불어 변형률이 급격한 변화를 보인다고 보고한 것과 유사한 결과인 것으로 판단된다(^{Choi et al., 2012}). 상기 재령 이후로는 28일 차까지 균열의 개수가 완만 하게 늘어났으며 재령 28일 차에 보통 철근 콘크리트 슬래브 의 균열 개수는 88개, 강섬유보강 데크플레이트 슬래브의 균 열 개수는 51개로 약 42% 적은 개수를 나타냈다. Fig. 7은 양 생 일수 별 균열 개수를 정리하여 나타낸 상관 곡선으로, 그림 에서 콘크리트 단면 전체에 확산되어 있는 강섬유들이 균열 발생에 유효하게 저항하고 있음을 확인하였다.

Fig. 7

The number of cracks-curing days relationship curve

Figs. 8과 9는 콘크리트에 인장응력이 크게 작용하지 않는 슬래브 자유단 상부(이하 비 내력부)와 부모멘트에 의한 인장 응력이 작용하는 지점 상부의 균열들 중에서 폭이 크게 발생 한 것을 대상으로 양생 일수 별로 균열폭의 진전상황을 나타 낸 그래프이다. 비 내력부의 초기 건조수축 균열폭은 두 실험 체 동일하게 0.14 mm이었다. 균열폭의 증진은 완만하였으며 하중을 재하한지 한 달이 지난 후에는 철근 콘크리트 슬래브 의 균열폭이 0.20 mm, 강섬유 혼입 데크플레이트 슬래브의 경우 0.17 mm로 큰 진전이 발생하지 않았다.

Fig. 8

Crack width curve in the non-resisting force section

Fig. 9

Crack width curve in the resisting force section

부모멘트가 크게 작용하는 중앙보 상부 구간의 균열은 초 기에 철근 콘크리트 슬래브와 강섬유보강 데크플레이트 슬래 브 순으로 0.29 mm, 0.2 mm의 균열이 발생하여 강섬유보강 데크플레이트 슬래브의 균열제어가 비교적 우수한 것으로 판 단되었다. 그러나 콘크리트 블록을 적재하여 장기하중을 재 하한 후 약 30일이 지났을 때부터는 강섬유보강 데크플레이 트 실험체의 지지점 균열폭이 대조군보다 커지기 시작하였으 며, 재령 138일 차의 부모멘트 구간 최대 균열폭은 각각 0.46 mm, 0.49 mm로 측정되어 강섬유보강 데크플레이트 슬래브 의 부모멘트 구간 균열폭이 더 커진 것을 확인할 수 있었다.

콘크리트 블록을 제거하고 이틀 뒤 부모멘트 구간의 균열 폭을 측정하였을 때 철근 콘크리트 슬래브의 가장 큰 균열폭 은 0.46 mm에서 0.38 mm로 감소하였으나, 강섬유보강 데크 플레이트 슬래브의 균열폭은 큰 변화가 없었다.

장기하중 재하 시 강섬유보강 데크플레이트 슬래브의 부모 멘트 구간 균열폭 크기가 증가하는 현상은 실험체 슬래브의 부모멘트 구간에 철근이 배근되지 않으며 강섬유에 의한 콘 크리트 인장응력으로는 작용되는 부모멘트에 효과적으로 저 항하지 못하기 때문인 것으로 분석된다.

2.3.1. 실험 방법

처짐실험은 균열 제어 성능 실험과 동일한 변수와 하중조 건 하에 진행하였다. 실험체의 양생 28일 차부터 장기하중을 재하하면서 처짐을 측정하였으며, 슬래브 순경간 중앙 하부 에 다이얼 게이지를 Fig. 10과 같이 설치하였다. 실험에 사용 한 다이얼 게이지는 Fig. 11과 같으며 0.01 mm 단위로 측정을 하며 최대 50 mm까지의 수직 변위를 나타낼 수 있다.

Fig. 10

Position of the dial gauge

Fig. 11

Dial gauge shape for measuring deflection

다이얼 게이지는 슬래브 상부에 블록 등을 쌓지 않은 상태 에서 영점을 잡고 힌지와 콘크리트 블록을 하나씩 쌓는 것부 터 처짐의 변화량을 측정하였다. 이후 약 110일 간의 장기 측 정이 끝난 후 하중 제거할 시에도 힌지와 콘크리트 블록 하나 씩 제거할 때 마다 처짐의 회복량을 관찰하였다.

2.3.3. 결과 분석

처짐을 측정하여 양생 일자 별로 나타낸 거동은 Fig. 12와 같다. 다이얼 게이지를 배치한 상태에서 양생 28일 차에 힌지 와 콘크리트 블록을 쌓아 발생한 처짐량부터 관찰을 시작하 였다. 처짐 거동을 보면 하중을 제거 할 때까지 두 실험체의 처 짐량은 모두 지속적으로 증가하는 모습을 보였는데, 전반적 인 처짐 증가의 양상은 유사한 모습을 나타내었다.

Fig. 12

Deflection-Curing days relationship curve

강섬유보강 데크플레이트 슬래브의 처짐량 크기가 대조군 에 비하여 적은 것으로 나타나 예상대로 구조용 데크플레이 트를 적용한 슬래브가 단면성능의 증가로 처짐에 견디는 성 능이 우수한 것으로 판단된다. 두 실험체 모두 하중 제거 후 처 짐량이 회복 되는 것을 나타내었고, 보통 철근 콘크리트 슬래 브의 회복량이 더 큰 것으로 확인되었다. 이는 보통 철근 콘크 리트 실험체의 단부 부모멘트 구간에 배근된 상부철근에 의 해 탄성 회복이 강섬유보강 데크플레이트 슬래브보다 크게 발생된 것으로 판단된다. Fig. 13은 각 실험체 별 힌지와 콘크 리트 블록을 한 개씩 쌓거나 제거할 때마다 발생한 처짐과 회 복량을 나타낸 그래프이다. Fig. 13에서 처짐 또는 회복량 모 두 강섬유보강 데크플레이트 슬래브의 변화량이 적은 것으로 나타났다. 실험체의 처짐을 자중과 추가하중을 고려하여 이 론적으로 계산하여 보면, 하중에 의한 즉시 처짐(δ_i)은 0.95 mm, 2개월 경과된 경우의 장기 처짐(δ_i+δ_a)은 1.66 mm, 3개월 경과된 경우의 장기 처짐은 1.90 mm로 산출되었다. 보통 철 근 콘크리트 슬래브 실험체의 실험결과를 살펴보면, 하중 재 하 후 4일 뒤 첫 측정값은 0.780 mm, 약 2개월 후에는 1.540 mm, 약 3개월 후에는 1.855 mm로 측정하였다. 이에 따라 이 론값과 측정값이 차이가 크지 않음을 알 수 있었으며 이론값 이 본 연구의 측정값보다 보수적인 것으로 평가되었다.

Fig. 13

The amount of deflection or recovery by specific items