허무원
(Moo-Won Hur)
1
윤정환
(Jeong-Hwan Yoon)
2
황규석
(Kyu-Seok Hwang)
3
윤성호
(Sung-Ho Yoon)
4
박태원
(Tae-Won Park)
5*
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. All rights reserved.
키워드
중공슬래브, 지압강도, 트럭하중, 동바리 하중, 잭 서포트 하중
Key words
Hollow core slab, Bearing strength, Support load, Jack-support load
1. 서 론
건축물은 사용용도의 다양화와 건설기술의 발전으로 인하 여 점차 대형화 및 장경간화 되고 있는 추세이며, 이러한 추세 로 인해 슬래브에는 처짐이나,
소음 및 진동 등의 문제가 발생 하게 된다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 공동주택 바닥 충격음 차단구조인정 및 관리기준(MLIT, 2014)에는
슬래브 의 두께를 증가시켜 슬래브의 강성을 강화시키도록 하고 있 다. 하지만, 이러한 슬래브 두께의 증가는 자중의 증가로 이어 지게 되고 이는 기둥,
벽 및 기초 등과 같은 수직 부재의 크기 를 증가시켜 건축물 전체의 중량을 크게 높이게 되는 문제점 을 발생시킨다(Choi et al., 2015; KBC, 2016).
이러한 문제점을 해결하기 위하여 슬래브의 자중을 감소시 킬 목적으로 중공슬래브를 많이 활용하고 있다(Kim et al., 2009; Joo et al., 2011; Kang et al., 2011; Chung et al., 2014). 중 공슬래브는 휨 성능에 영향을 미치지 않는 부분의 콘크리트 단면을 삭제하고 중공재로 치환함으로써 중공재 부피 만큼 콘크리트가 줄어들어 자중
감소효과를 가져오는 장점이 있 다. 또한, 콘크리트의 물량 절감뿐 아니라 친환경적 측면에서 이산화탄소의 배출도 저감할 수 있어 건설 현장에서 효과적
으로 많이 사용되고 있다. 특히, 중공슬래브의 경우 중공재에 의한 단면의 감소는 크나 휨강성의 감소는 최소화되는 특징 을 가지고 있다. 기존연구자(KWANG
JANG, 2016)에 의하면 중공슬래브의 휨강성의 저감을 일방향 중공슬래브의 경우 휨 강성 저감계수는 1.0, 전단강성 저감계수는 1.0으로 적용하고
있으며, 이방향 중공슬래브의 경우에는 휨강성 저감계수는 1.0, 전단강도 저감계수는 0.6으로 적용하도록 제안한 바 있으 며, 이러한 정황을 고려할
때 중공슬래브의 휨부재 적용에는 큰 문제가 없는 것으로 보고 한 바 있다. 또한 중공부 도입으로 삭제되는 콘크리트로 인한 전단성능 저하에 대한 우려가
있 었으나, 콘크리트 높이 상승으로 인한 콘크리트 단면적의 감 소면적이 크지 않아 전단성능에 문제가 없음이 여러 연구자 들이 보고하고 있어, 전단성능에도
큰 문제는 없을 것으로 판 단된다(Tamon et al., 1991; Lin et al., 1994; Matti et al., 1998; Aldejohann et al., 2003; Martina et al., 2005).
그러나 중공슬래브의 설계 시 중공재로 치환한 중공 부위 에 건설현장에서 발생할 수 있는 차량하중, 동바리 및 잭 서포 트에 의한 집중하중이 작용될
경우의 지압강도가 명확하지 않아 중공슬래브 설계 시 엔지니어가 적용할 수 있는 기초자 료의 필요성이 실무에서 제기되고 있다.
이에 본 연구에서는 중공률 30%(현장에서 적용 가능한 치 환율)인 콘크리트 중공슬래브를 제작하고, 집중하중이 작용 되는 각 사례별(트럭 하중 적용
시, 동바리 하중, 잭 서포트 하 중 적용 시 및 테크 적용 유무)로 분류하여 중공슬래브의 국부 지압강도를 평가하는 실험을 수행하였다. 이 결과를
분석하 여 각 사례별 국부 지압강도를 평가하고 중공슬래브 설계의 기초자료 제공을 목표로 본 연구를 수행하였다.
2. 실험
2.1. 실험체 계획
중공재가 포함된 콘크리트의 국부지압강도 평가하기 위하 여 실험실의 여건을 고려하여 700×500×250 mm(L×B×h)콘크 리트 실험체를 제작하였다.
Table 1은 실험체 변수로서 현장 적용 시 발생할 수 있는 변수를 활용하여 ① 트럭하중 적용 시 (200 ×200 mm) 2개, ② 동바리 하중 적용 시(135×135
mm) 2 개, ③ 잭 서포트 하중 적용 시(210×210 mm) 2개로 6개 실험 체와 콘크리트 면을 가력할 경우와 데크를 가력할 경우로 나 누어
총 8개의 실험체를 제작하였다.
또한, 중공재 형상의 특수성을 고려하여 중공재 직상부와 중공재와 중공재 사이의 연결부인 Neck에 가력한 시험체로 구분하였다. 각 변수별 허용 하중은
트럭하중의 경우 트럭의 중량(250 kN트럭 기준) 및 타이어의 지압면적 등을 고려하여 약 100.0 kN 선정하였고, 동바리의 허용하중 및 잭 서포트의
허용 하중은 슬래브 하부와 닫는 면적 등을 고려하여 동바리 하중은 약 18.0 kN 및 잭 서포트 하중은 약 300.0 kN으로 선정 하였다. Table
2는 실험체 명으로서 실험체 설명은 다음과 같 다. VD(데크 있음), VP(데크 없음) 데크의 유무를 나타내며, L1(트럭하중), L2(동바리하중),
L3(잭 서포트 하중)는 지압판 각각의 크기를 나타낸다. 또한, P1(Neck 상부), P2(Void 상부) 는 가력점의 위치를 나타낸다. Fig.
1에 중공슬래브 실험체 도 면을 나타내었다.
Table 2
|
No.
|
Name
|
No.
|
Name
|
|
|
1
|
VD-L1-P1
|
5
|
VD-L3-P1
|
|
2
|
VD-L1-P2
|
6
|
VD-L3-P2
|
|
3
|
VD-L2-P1
|
7
|
VP-L2-P1
|
|
4
|
VD-L2-P2
|
8
|
VP-L2-P2
|
2.2. 실험체 제작 및 실험방법
Fig. 2는 중공재가 포함된 실험체 제작과정을 나타낸 것이 다. 실험체는 ① 거푸집 제작, ② 하부철근 조립, 중공재 설치 및 상부철근 조립, ③ 콘크리트
타설 및 ④ 양생의 순서로 제작 되었다. 실험체는 콘크리트 타설 후 3주가 경과한 시점에서 실험실로 반입하였으며, 28일 이 후 콘크리트 압축강도를
확 인 후 지압강도 실험을 실시하였다.
Fig. 2
Manufacturing of specimens
Fig. 3과 같이 실험체를 Set-up 하였으며 실험체 상부 가력 지점에 지압판과 유압잭을 설치 한 후 유압잭 상부에 1,000 kN 로드셀(500 kN)을
설치하여 실험을 실시하였다. 실험에 사용 된 지압판들은 실험체 콘크리트 또는 데크의 뚫림 등을 고려 하여 두께 50t이상의 철판으로 제작하였다. 그리고
실험체 좌 측에 LVDT를 설치하여 실험 시 수직변위를 측정하였다.
2.3. 재료시험
본 연구에서 사용한 콘크리트의 설계강도는 24 MPa로 KS F 2405(압축강도 실험방법)에 의한 콘크리트 압축강도 시험 결과 6개 공시체 평균값은
29.4 MPa로 나타났다. Table 3은 콘크리트 압축강도 시험결과를 나타내었다. Fig. 4는 1, 2, 3 공시체의 응력 변형도 곡선을 나타낸 그림이다.
Table 3
Characteristic value of concrete
|
No
|
Concrete strength(MPa)
|
Modulus of elasticity (MPa)
|
|
|
fck |
fck.ave |
|
|
1
|
29.1
|
29.4
|
1.96×104
|
|
2
|
26.3
|
|
3
|
33.7
|
|
4
|
28.2
|
|
5
|
29.1
|
|
6
|
30.1
|
Fig. 4
Stress-strain curve of concrete
철근은 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정) 2호의 규정 에 따라 시험편을 제작하여, KSB 0802의 금속재료 인장시험 방법에 따라 시험을
실시하였다. Table 4에 철근의 인장시험 결과를 나타내었다.
Table 4
Material properties of steel
|
Bar size
|
Yield strength (MPa)
|
Yield strain (×10-5)
|
Tensile strength (MPa)
|
Elongation (%)
|
|
|
D10
|
348.03
|
2960.3
|
517.41
|
36.0
|
3. 실험결과
3.1. 하중-변위관계
Table 5에 중공재 지압강도 실험에 대한 실험결과를 각 실 험체별로 정리하여 나타내었으며, Fig. 5은 가력부분에 따른 각 실험체별 하중-변위관계를 나타내었다.
Table 5
|
Specimen name
|
Maximum displacement(mm)
|
Maximum load(kN)
|
Expected load(kN)
|
|
|
VD-L1-P1
|
1.89
|
785.8
|
100
|
|
VD-L1-P2
|
2.17
|
621.4
|
100
|
|
VD-L2-P1
|
5.08
|
420.4
|
18
|
|
VD-L2-P2
|
6.39
|
407.8
|
18
|
|
VD-L3-P1
|
4.41
|
688.5
|
300
|
|
VD-L3-P2
|
2.46
|
559.0
|
300
|
|
VP-L2-P1
|
1.99
|
476.9
|
18
|
|
VP-L3-P1
|
2.36
|
809.2
|
300
|
Fig. 5
Load-displacement relationship
3.2. 균열 및 파괴상황
실험체의 균열패턴을 이용하여 실험체 파괴메커니즘을 파 악 할 수 있다. Fig. 6은 각 실험의 균열도를 나타낸 것이다.
VD-L1-P1 실험체의 경우 하중 190.0 kN(변위 0.3 mm)에서 초기 균열이 발생하였고, 하중이 증가할수록 가력점을 중심 으로 방사형으로
균열이 확산되었다. 하중이 증가할수록 균 열이 점차 증가하여 하중 630.4 kN(변위 1.3 mm)에서 측면에 균열이 발생하였고, 최대하중 786.0
kN(변위 1.9 mm)에서 실 험을 종료하였다.
VD-L1-P2 실험체의 경우, 하중 118.0 kN(변위 0.48 mm)에 서 초기 균열이 발생하였고 하중이 증가할수록 측면 부분의 균열이 확산되었다.
최대하중 621.0 kN(변위 2.17 mm) 이후 급격한 하중 감소를 나타내 실험을 종료하였다.
VD-L2-P1 실험체의 경우 가력점이 데크면 이어서 하중 41.0 kN(변위 0.5 mm)에서 초기 균열이 측면에서 발생하였 고, 하중을 증가할수록
측면 부분의 균열이 확산되었다. 최대 하중 420.5 kN(변위 5.1 mm)에서 실험을 종료하였다.
VD-L2-P2 실험체의 경우 VD-L2-P1 실험체와 동일하게 하 중 65.0 kN(변위 0.2 mm)에서 초기 균열이 측면 콘크리트에 서 발생하였고,
실험이 진행될수록 측면 부분의 균열이 확산 되었다. 최대하중 407.8 kN(변위 6.39 mm) 이후 하중 증가 없 이 변위만 계속 늘어나는 현상이
발생하여 변위 10.0 mm에서 실험을 종료하였다.
VD-L3-P1 실험체의 경우 하중 206.5 kN(변위 1.3 mm)에서 초기 균열이 콘크리트 측면에서 발생하였고, 하중이 증가할수 록 측면 부분의
균열이 점차 확산되었다. 최대하중 668.5 kN (변위 4.4 mm) 이후 급격한 하중 감소가 나타나 실험을 종료 하였다.
VD-L3-P2 실험체의 경우 하중 240.0 kN(변위 1.0 mm)에서 초기 균열이 콘크리트 측면에서 발생하였고, 하중이 증가할 수록 콘크리트
측면 부분의 균열이 확산되었다. 최대하중 559.0 kN(변위 2.5 mm) 이후 급격한 하중 감소가 나타나 실험 을 종료하였다.
3.3. 각 변수별 실험결과 분석
3.3.1. 트럭 하중 적용 시의 가력점 위치에 따른 효과
Fig. 7은 중공슬래브 상부면에 트럭 하중 적용 시의 가력점 위치에 따른 하중-변위 관계를 나타낸 그림이다. 트럭 하중 적 용 시의 가력점의 위치에 따른 지압강도
실험결과, 중공재의 영향으로 인해 중공재 상부를 가력한 실험체보다 중공재 연 결부위(Neck)를 가력한 실험체의 하중이 약 25.0% 높게 나타 났다.
Fig. 7
Effect according to the position of the Loading point(truck)
3.3.2. 동바리 하중 적용 시의 가력점 위치에 따른 효과
Fig. 8은 중공슬래브 하부면에 동바리 하중 적용 시의 가력 점 위치에 따른 하중-변위 관계를 나타낸 그림이다.
Fig. 8
Effect according to the position of the loading point(support)
동바리 하중 적용 시의 가력점의 위치에 따른 실험결과, 트 럭하중 적용 시와 달리 중공재 바로 위와 중공재 연결부위 (Neck)를 가력한 실험체의
결과는 유사하게 나타났다. 이는 지압판 면적이 작아 가력점 위치에 따른 큰 차이가 나타나지 않은 것으로 사료된다.
3.3.3. 동바리 하중 적용 시의 데크 유무에 따른 효과
Fig. 9는 중공슬래브 하부면에 동바리 하중 적용 시의 데크 의 효과를 알아보기 위하여 데크 유무에 따른 하중-변위 관계 를 나타낸 그림이다. 그림에서 알
수 있듯이 동바리 하중 적용 시 데크 없는 실험체의 하중이 데크 있는 실험체의 하중보다 약 15.0%정도 더 크게 나타났다. 이는 데크로 인한 슬래브의
연속성이 무시되어 실험체 단부에 데크로 인한 콘크리트 파 괴가 발행하였기 때문으로 사료된다.
Fig. 9
Effect according to deck application(support)
3.3.4. 잭 서포트 하중 적용 시의 가력점 위치에 따른 효과
Fig. 10은 중공슬래브 하부면에 잭 서포트 하중 적용 시의 가력점 위치에 따른 하중-변위 관계를 나타낸 그림이다.
Fig. 10
Effect according to the position of the force point(jack)
잭 서포트 하중 적용 시의 가력점의 위치에 따른 실험결과 중공재 바로 위로 가력한 실험체보다 중공재 연결부위(Neck) 를 가력한 실험체의 하중이
약 25.0% 높게 나타났다.
이는 동바리 하중 적용 시에는 중공재 바로 위와 중공재 연 결부위의 하중 차이가 크지 않았지만, 잭 서포트 하중 적용 시 에는 하중의 차가 크게 나타났다.
이는 지압판의 크기에 따른 영향으로 사료된다.
3.3.5 잭 서포트 하중 적용 시의 데크 유무에 따른 효과
Fig. 11은 중공슬래브 하부면에 잭 서포트 하중 적용 시의 데크의 효과를 알아보기 위하여 데크 유무에 따른 하중-변위 관계를 나타낸 그림이다.
Fig. 11
Effect according to deck application(jack)
그림에서 알 수 있듯이 잭 서포트 적용 시 데크 유무에 따른 결과, 데크 없는 실험체의 하중이 약 17.0%정도 더 크게 나타 났다. 이는 동바리
하중 적용 시와 유사한 결과로서 데크로 인 한 슬래브의 연속성이 무시되어 실험체 단부에 데크로 인한 콘크리트 파괴가 발행하였기 때문으로 사료된다.
3.3.6 지압 면적에 따른 효과
Fig. 12는 지압판의 크기에 따른 하중-변위 관계를 나타낸 그림이며 모든 실험체는 데크면이 아닌 콘크리트 면을 가력 한 실험체이다. 그림에서 알 수 있듯이
지압면적이 비슷한 두 실험체(트럭 하중 및 잭 서포트 하중)의 하중은 비슷한 결과를 나타내었지만, 상대적으로 지압면적이 작은 동바리 하중 실 험체의
경우 하중이 두 실험체에 비해 많이 떨어지는 것으로 알 수 있다. 중공슬래브의 경우 가력점의 위치보다는 지압면 적이 하중에 큰 영향을 주는 것으로
알 수 있었다.
Fig. 12
Effect according to the position of Bearing area
4. 결 론
본 연구에서는 중공재가 포함된 콘크리트 중공슬래브를 제 작하여 각 타입별(트럭 하중, 동바리 하중, 잭 서포트 하중 및 데크 적용 유무)로 국부지압강도
실험을 수행하여 중공 슬래 브 국부 지압강도의 안전성을 평가하였다. 본 연구를 통해 얻 은 결론은 다음과 같다.
-
1) 트럭하중 적용 시 결과 트럭 바퀴 하중은 지압면적(200× 200 mm)에 약 100 kN이 발생한다. 실험결과 중공재의 연 결부위 및 중공재 상부의
지압하중은 785.8 kN 및 621.4 kN 으로 약 7.8배와 약 6.2배 이상의 내력을 보유한 것으로 나 타나 트럭하중에 대한 중공슬래브의 지압강도에
대한 안 전성은 확보된 것으로 나타났다.
-
2) 동바리 하중 적용 시 중공재 연결부위 및 중공재 상부의 지 압하중은 420.5 kN 및 407.8 kN로 나타나 동바리 허용 하 중(135×135
mm) 18.0 kN의 약 22.0배 이상의 내력을 보유 한 것으로 나타났다. 또한, 잭 서포트 하중 적용 시에도 중 공재 연결부위 및 중공재 상부의
지압하중은 688.5 kN 및 559.0 kN으로 나타나 잭 서포트 허용하중(210×210 mm) 300.0 kN의 약 1.8배 이상의 내력을 보유한
것으로 나타났 다. 중공슬래브의 지압강도에 대한 동바리 및 잭 서포트의 안전성 역시 충분히 확보된 것으로 나타났다.
-
3) 데크가 없는 경우 동바리 및 잭 서포트 하중 적용시도 지압 하중은 476.2 kN과 809.2 kN으로 나타나 허용 하중 18.0 kN 과 300.0
kN 이상의 내력을 보유한 것으로 나타나 중공슬 래브의 지압하중에 대한 안전성을 확인할 수 있었다.
감사의 글
이 연구는 한국연구재단 이공계기초연구지원사업(과제번 호 : 2015R1D1A1A01060482)에 의한 결과의 일부이며 이에 감사드립니다.
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