3.1 ACI 318-19

^{ACI 318-19(2019)} 기준에서는 기둥의 주변을 따라 기둥에서 슬래브의 유효길이(d)의 1/2만큼 떨어진 가상적인 면에 위험단면이 발생한다고 가정하여 단순한 설계식을 유도하였다. ACI 기준에서 정하고 있는 2방향 뚫림 전단에 대한 전단강도($V_{c}$)는 다음의 세 식 중에서 가장 작은 값을 하도록 규정하고 있다. 전단강도 산정에 있어서 기둥형상의 비가 2를 기준으로 초과하는 경우는 식 (3.1b)을 사용해야 한다. 참고로 ACI 식에는 철근비 인자가 반영되어 있지 않다.

여기서, $f_{ck}$ : 콘크리트 압축강도,

$\beta_{c}$ : 집중하중이나 반력을 받는 면적의 짧은 변에 대한 긴 변의 비,

$b_{o}$ : 위험단면의 둘레길이,

$\alpha_{s}$ : 기둥의 위치에 따른 계수

(내부기둥: 40, 외부기둥:30, 모서리 기둥: 20)

$λ_{s}$ : $\sqrt{\dfrac{2}{1+0.004d}}≤ 1$

3.2 콘크리트 설계기준

건축구조설계기준^{(KBC 2016)}에서 2방향 뚫림 전단에 대하여 철근콘크리트 슬래브와 기초판에 대한 공칭전단강도($V_{c}$)는 다음과 같다.

여기서, $v_{c}$ : 콘크리트의 공칭전단응력강도

$b_{o}$: 위험단면의 둘레길이,

$\lambda$ : 경량콘크리트 계수,

$k_{s}$ : 슬래브의 두께 계수,

$k_{bo}$ : 위험단면 둘레길이의 영향계수,

$f_{te}$ : 압축대 콘크리트의 인장강도,

$\psi$ : 슬래브 휨 압축대의 균열각도,

$c_{u}$ : 압축철근의 영향을 무시하고 계산된 슬래브

위험단면 압축대깊이의 평균값,

$f_{cc}$ : 위험단면 압축대에 적용하는 평균압축응력,

$\alpha_{s}$ : 기둥의 위치에 따른 계수

(내부기둥: 1.0, 외부기둥: 1.33, 모서리 기둥:2.0)

$c_{u}$ : $\rho\le 0.03$의 범위에서 사용( $\rho$=0.005)

콘크리트가 부담할 수 있는 뚫림 전단 강도를 초과하는 경우 전단철근을 사용하여 전단강도를 보강할 수 있다. 전단철근에 의한 공칭전단강도($V_{s}$)는 다음과 같다.

여기서, $f_{yt}$ : 전단철근의 항복강도,

$A_{v}$ : 전단위험 단면에 따라 배치된 전단철근의 단면적,

s : 전단보강재의 간격

위 기준식은 일반 슬래브에 적용하는 식으로 중공재가 적용된 VPS의 경우 본 식의 적용 가능여부를 평가할 필요가 있다.

4.1 실험체 계획 및 제작

VPS의 뚫림 전단 성능을 파악하고자 실험체를 계획하였다. 중공재가 설치되어 있지 않은 플랫 플레이트 슬래브는 슬래브 전 단면에 중공재가 없어 콘크리트 전단강도로 뚫림 전단을 지지한다. 하지만 VPS 실험체는 기둥 주변의 위험단면 이상으로 중공재 설치를 제한하고 있어 위험단면 이상으로 떨어진 거리에 대한 검토 필요성이 제기되고 있다. 이에 대한 성능을 검토하기 위하여 일반 슬래브와 VPS가 적용된 슬래브를 제작하고 단순지지조건으로 지지시킨 후, 기둥에 축력을 가하여 슬래브 시스템에 기둥에 의한 뚫림 전단력을 유도하고 그 성능을 비교하고자 하였다. 이를 위하여 슬래브는 전형적으로 휨 거동을 하지만 휨모멘트에 의한 구조물의 거동을 최대한 억제하기 위하여 주철근을 과하게 배근하여 휨 성능은 충분히 확보하고 전단성능만을 파악할 수 있도록 계획하였고 VPS의 뚫림 전단 성능을 확인하기 위하여 현장 조건을 반영하여 기둥 폭의 2배에 해당하는 주열대 부분에는 중공재를 배치하지 않고 온전한 슬래브의 성능을 발휘하도록 계획하였다.

실험실 여건 등을 고려하여 Fig. 2와 같이 슬래브의 크기는 3,000×3,000 ㎜로 제작하였으며, 슬래브 두께는 현장 적용 사이즈와 동일한 280 ㎜로 계획하였다. 뚫림 전단을 발생시키는 기둥의 크기는 최소 기둥 크기를 고려하여 300 ㎜×300 ㎜ 단면으로 계획하였다. 내부 철근은 최소배근을 가정하여 배근하였다(Fig. 2 참조). 가력 기둥의 크기는 모멘트 발생을 최소화 할 수 있도록 상부 쪽으로 400 ㎜, 하부 쪽으로 200 ㎜를 돌출되도록 계획하였다. 실험체에 배근되어 있는 인장철근 배근은 휨파괴를 방지하고 뚫림 전단 파괴를 유도하기 위하여 최대 철근비(ρmax)의 60%를 적용하였다. 또한, 상부철근은 최소철근비를 유지하도록 배근하였다. VPS는 기둥 폭의 2.0배만큼은 배치하지 않고, 2.0배 이상이 되는 지점에 배치하여 중공부의 유무에 따른 슬래브 시스템의 성능을 파악할 수 있도록 하였다(Fig. 3참조). 이와 같은 개념을 가진 일반 슬래브 1개와 VPS를 적용한 슬래브 1개를 제작하였다(Table 1참조). 실험체의 4단을 단순지지하고 가력은 기둥의 축 방향으로 가력하여 슬래브 시스템에 뚫림 전단이 유도되도록 가력 하였다.

실험체 제작은 Fig. 4와 같이 진행하였다. (a) 철근을 선조립한 후 (b) 거푸집을 설치, (c) 하부근을 배근하고 중공재를 고정시키기 위한 하부레일을 설치, (d) 중공재를 배치 후 고정 작업을 수행, 상부앵글을 설치하고 상ㆍ하부레일을 고정시켜 중공재를 고정 및 상부근 배근, (e) 콘크리트 타설 순으로 제작하였다. 타설은 계획된 바와 같이 설계기준압축강도 24 MPa콘크리트를 사용하였으며 슬럼프 값이 150 ㎜인 것을 확인하고 타설하였다. 타설 시 바이브레이터에 의한 다짐을 실시하였고, 추후 강도를 추정하기 위하여 공시체 6개를 제작하였다. 타설이 완료된 후, 12시간은 야외에 개방하여 양생을 하였다. 초결이 발생한 이후부터 대기양생을 수행하되 비닐로 씌워 수분의 비산을 방지하였다. 공시체 또한 제작한 지 24시간 이후 탈형하여 실험체 옆에서 대기 양생하였다.

4.2 재료시험

4.3 스트레인게이지 및 LVDT 설치 위치

각 실험체마다 Fig. 5와 같이 주근의 항복여부를 파악하기 위하여 스트레인게이지를 상부 및 하부 주근에 5개씩 부착하였다. 또한, 실험 시 기둥 및 슬래브의 처짐을 측정하기 위하여 Fig. 6과 같이 LVDT를 7개를 설치하였다. 슬래브의 지점 거리는 가력점으로 부터 1,200 ㎜이었으며, 하중에 대한 슬래브의 변형은 각 방향으로 중앙부와 1/4L지점인 600 ㎜ 지점과 하중작용점인 하부기둥 중앙에 100 ㎜ 용량의 LVDT를 이용하여 슬래브 변형을 측정하였다.

4.4 실험방법

실험은 Fig. 7과 같이 슬래브 4변을 단순지지 시켜놓고 실험체 중앙부에위치한 기둥에 유압잭을 이용하여 가력을 수행하였다.

가력은 2,000 kN 용량의 오일 펌프를 사용하였고, 하중 측정 장치도 2,000 kN 용량의 로드 셀을 사용하였다. 가력 시 실험체의 변형에 의한 편심을 방지하기 위하여 가력점에 힌지를 배치하여 편심을 최소화 하였다. 또한, 슬래브 단부 100 ㎜ 안쪽에 Φ100 힌지를 설치하여 회전에 자유롭게 거동하도록 하였다.

4.5 실험결과