김준영
(Jun-Yeong Kim)
1
백은림
(Eun-Rim Baek)
2
이상호
(Sang-Ho Lee)
3†
-
학생회원,부산대학교 일반대학원 석사과정
-
정회원,부산대학교 지진방재연구센터 연구교수
-
종신회원,부산대학교 건설융합학부 교수, 교신저자
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키워드
RC 플랫 플레이트 구조, 거푸집 동바리 존치기간, 구조물 층수, 층당 시공주기, 유한요소해석
Key words
RC Flat plate structure, Form-work shoring period, Story, Floor construction cycle, Finite element analysis
1. 서 론
1.1 배경 및 목적
철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC) 플랫 플레이트 구조는 보 없이 슬래브가 직접 기둥에 연결되는 구조로, 층고 절감이 가능하고
거푸집 설치 및 철근 배근이 간소화되어 공사비 절감의 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 최근 플랫 플레이트 구조를 적용하는 건축물이 증가하고 있다.
RC 플랫 플레이트 구조는 기둥과 슬래브가 직접 연결되기 때문에 기둥 위치에서 슬래브의 전단 파괴가 발생할 위험이 크며, 이를 방지하기 위해서 기둥
접합부 주변 슬래브의 보강이 필수적이다. 또한, 시공 중 설계를 초과하는 하중이 슬래브에 작용하거나 콘크리트가 충분히 양생되지 않아 계획한 내력을
발휘하기 전에 거푸집 동바리 등 가시설물을 해체할 경우, 슬래브 붕괴사고로 이어질 수 있다. 대표적으로 광주 화정동 아파트 신축공사 중 슬래브 붕괴에
의한 사고가 발생하였으며(Construction Accident Investigation Committee, 2022), 2023년 인천 아파트 건설공사 중 자재 및 토사 등의 무게에 의해 슬래브가 연쇄적으로 붕괴되는 사고가 발생하였다(Construction Accident Investigation Committee, 2023).
국내 콘크리트공사 표준시방서(KDS 14 20 12)에 따르면, 콘크리트 타설 이후 부재별로 건물의 중요도 및 양생조건에 따라 콘크리트 압축강도가 일정 강도 이상 발현된 후 거푸집 동바리 등 가시설물을
해체할 수 있도록 규정하고 있으며, 슬래브 부재에 대해서는 단층과 다층으로 나누어 콘크리트 압축강도가 확인되면 해체할 수 있도록 규정하고 있다. 시공과정에서
여러 변수에 의해 슬래브에 작용하는 하중이 달라질 수 있으나, 이를 고려하지 않고 획일화된 규정을 적용하고 있어 슬래브에 작용하는 하중을 견디지 못하거나
과도한 거푸집 동바리 존치로 인해 비효율적인 공사가 진행될 수 있다.
이에 본 연구에서는 RC 플랫 플레이트 구조물을 대상으로 구조물의 층수 및 층당 시공주기를 변수로 한 유한요소해석을 통하여 파악된 처짐 혹은 균열
발생 여부를 현행 기준과 비교⋅분석하여 거푸집 동바리 존치기간을 검토하고자 한다.
1.2 기존 연구 동향
많은 연구자가 거푸집 동바리 존치기간을 제안하였으며, 콘크리트 재령별 특성과 시공중 슬래브에 작용하는 하중, 이로 인한 재령 초기 슬래브 균열의 영향에
대하여 연구하였다.
거푸집 동바리의 존치기간을 제안한 연구로, Choi(1978)는 거푸집과 동바리의 존치기간을 별도로 구분하여, 양생 중 평균기온이 15℃ 이상일 경우 거푸집과 동바리의 존치기간을 각각 7일과 14일로 제안하였다.
콘크리트 재령별 특성에 대한 연구로, Jung et al.(2012)은 초기 재령 시 높은 온도가 강도 발현에 유리하며, 재령 7일 이후부터는 낮은 온도가 강도 발현을 촉진함을 확인하였다.
시공중 슬래브에 작용하는 하중은 여러 변수를 고려하여야 한다. 동바리의 동시 지지층수, 층당 시공주기, 초기 재령 콘크리트의 특성을 반영한 하중 산정방법에
대하여, Grundy and Kabaila(1963)는 상부 슬래브 타설 또는 하부 동바리 제거로 인하여 추가로 작용하는 하중을 동바리로 연결된 각 층 슬래브의 재료 강성비에 따라 분배하며 슬래브 콘크리트의
재령에 따른 강성의 변화를 고려하였다. 이 방법은 간단한 계산으로 시공하중을 산정할 수 있어 미국(ACI 347-04)에서는 이를 바탕으로 시공 중 동바리 설치(Shoring)/재설치(Reshoring)에 대한 가이드라인을 제시하고 있다. 한편, Mosallam and Chen(1991)은 콘크리트 타설 및 동바리 제거시 변화하는 하중 뿐만 아니라, 모든 시점의 하중을 슬래브의 강성비에 따라 분배하는 방법을 제안하였다.
구조물 시공과정에서 슬래브에 작용하는 하중은 여러 요인에 따라 달라지며 실제 작용하는 하중을 정확히 산정하는 것이 중요하다. Gardner and Fu(1987)는 예상치 못한 시공하중과 재령 초기 콘크리트의 낮은 탄성계수 및 강도로 인해 발생하는 처짐과 균열이 크리프로 인한 장기 처짐을 크게 유발할 가능성이
있음을 확인하였다. Kang et al.(2003)은 재령 초기에 시공하중이 작용할 경우, 구조 안전성 및 균열, 처짐에 더욱 치명적임을 확인하였으며, 슬래브의 처짐 및 최소 두께는 슬래브의 기하학적
형상, 경계 조건, 시공 하중 재하시의 콘크리트 강도 등의 영향을 받는 것을 확인하였다. Kim(2008)은 시공 중 슬래브의 처짐이 시공하중의 영향에 의하여 크게 증가하고 휨균열에 의한 유효단면 강성의 저하가 발생하는 것을 확인하였으며, 시공하중의 영향을
고려할 경우 슬래브 자중에 의한 처짐은 시공하중을 고려하지 않은 경우에 비하여 최소 1.5배 이상 증가하는 것을 확인하였다.
이와 같이 거푸집 동바리 존치기간에 대한 연구는 주로 양생중 평균기온에 중점을 두고 있으며, 구조물 시공과정에서 달라지는 슬래브 하중을 고려한 연구는
부족하다. 따라서 구조물 층수와 층당 시공주기를 고려하여 재령 초기 콘크리트 균열 및 과도한 처짐을 방지할 수 있는 거푸집 동바리 존치기간에 관한
연구가 필요하다고 판단된다.
1.3 연구 내용 및 방법
본 연구에서는 거푸집 동바리 존치기간을 검토하기 위하여 Midas-Gen 프로그램을 사용하여 RC 플랫 플레이트 구조물을 설계한 다음, 설계한 구조물을
바탕으로 유한요소해석 모델을 구축하고, Atena 3D Engineering 프로그램을 활용하여 슬래브의 처짐과 균열을 알아본 다음, 해석결과에 나타난
처짐과 균열을 바탕으로 거푸집 동바리 존치기간을 검토하고자 한다.
2. 콘크리트구조 및 거푸집 동바리 존치기간 관련 기준
2.1 국내기준
2.1.1 거푸집 동바리 존치기간
Table 1에 콘크리트 압축강도를 시험할 경우의 거푸집 동바리 존치기간을 나타낸다. 국내 건축공사 표준시방서(KCS 14 20 12)에 따르면, 콘크리트 압축강도를 시험할 경우에는 단층구조와 다층구조로 나누어 콘크리트 압축강도 발현에 따라 규정하고 있으며, 구조물의 층수와 층당
시공주기에 대해서는 고려하지 않는다. 또한 콘크리트 압축강도를 시험하지 않을 경우에는 수평 거푸집에 관한 규정이 없다.
Table 1 Form-work Shoring Period – In Case of Concrete Testing
Member
|
Concrete Compressive Strength($f_{ck}$)
|
Bottom of Slab and Beams, Inside of Arches
|
Single Story
Structure
|
More Than 2/3 of the Specified Compressive Strength of Concrete
In addition, 14MPa or More
|
Multi Story
Structure
|
More Than Specified Compressive Strength of Concrete
In addition, 14MPa or More
|
2.1.2 최대 허용처짐
콘크리트구조 사용성 설계기준(KDS 14 20 30)에 따르면, 과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를 부착하지 않은 바닥구조에 대하여 Table 2와 같이 규정하고 있다.
Table 2 Maximum Allowable Deflection
Type of Member
|
Deflection to be Considered
|
Deflection Limitation
|
Not Supporting or Attached to Nonstructural Elements Likely to be Damaged by Large
Deflections
|
Immediate Deflection due to $L$
|
$\dfrac{l}{360}$
|
$L$ means Live Load
(1) 탄성계수
콘크리트의 탄성계수는 보통중량골재를 사용한 콘크리트($2,\: 300kg/m^{3}$)의 경우를 가정하여 식 (1)에 따른다.
(2) 압축강도
28일 평균 압축강도 $f_{cm}$은 식 (2)에 따르며, 시간에 따른 콘크리트의 강도발현 $f_{cm}(t)$는 식 (3)에 따른다.
여기서, $\Delta f$는 $f_{ck}$가 40 MPa 이하면 4 MPa, 60 MPa 이상이면 6 MPa이며, 그 사이는 직선보간으로 구하고,
$\beta_{cc}(t)$는 시간에 따른 강도발현속도, $\beta_{sc}$는 시멘트 종류에 따른 상수이다.
2.2 국외기준
2.2.1 거푸집 동바리 존치기간
미국의 규준(ACI 347-04)은 Table 3과 같이 설계 시공하중 및 고정하중을 비교하여 경간별로 규정하고 있으며, 2방향 슬래브에 대해서는 명확한 존치기간을 규정하고 있지 않다.
Table 3 Minimum Stripping Time (Days)
Construction Load
|
> Dead Load
|
≤ Dead Load
|
Central part of Arch
|
14
|
7
|
Beam,
Joist bottom
|
Span~3m
|
7
|
4
|
Span 3m~5m
|
14
|
7
|
Span 5m~
|
21
|
14
|
1-way slab
|
Span~3m
|
4
|
3
|
Span 3m~5m
|
7
|
4
|
Span 5m~
|
10
|
7
|
2.2.2 최대 허용처짐
미국의 최대 허용처짐 규정은 부재의 종류 및 비구조 요소의 지지, 부착 상태에 따라 Table 4와 같이 규정하고 있다.
Table 4 Maximum Allowable Deflection
Member
|
Condition
|
Deflection to be Considered
|
Deflection Limitation
|
Flat Roofs
|
Not Supporting or Attached to Nonstructural Elements Likely to be Damaged by Large
Deflections
|
Immediate Deflection due to Maximum of $L_{r}$, $S$, and $R$
|
$l/180$
|
Floors
|
Immediate Deflection due to $L$
|
$l/360$
|
3. 유한요소해석
3.1 해석개요
유한요소해석을 기반으로 하중 조건에 따라 해석대상 슬래브의 처짐 및 균열을 평가하고자 한다. Midas-Gen 프로그램을 활용하여 대상 플랫 플레이트
5층 구조물을 설계하고, Atena 3D Engineering 프로그램을 활용하여 슬래브에 대한 상세 해석을 수행한다. 유한요소해석을 통해 처짐과
균열 발생유무를 파악하여 거푸집 동바리 존치기간을 검토한다.
3.2 구조물 설계
Fig. 1에 대상 RC 플랫 플레이트 5층 구조물을 나타낸다. 층고 4 m, 3경간의 골조이며, 6 m의 경간을 가진다. 슬래브는 플레이트 요소로, 기둥은
보 요소로 모델링하며 하중은 면외압력하중(Pressure Load)을 적용한다.
Table 5에 기둥 배근 상세를 나타내며, Table 6에 슬래브의 배근 일람을 나타낸다. 콘크리트 설계기준 압축강도($f_{ck}$)는 24 MPa이고, 철근의 설계기준 항복강도($f_{y}$)는 400
MPa이다.
Fig. 1 Design of RC Flat Plate Structure
Table 5 Reinforcement of Column
Reinforcement
|
Cross Section
|
8-D22
|
|
Table 6 Reinforcement of Slab
|
Direction
|
Reinforcement
|
Column Strip
|
Middle Strip
|
Top
|
X, Y
|
D16@100
|
D16@300
|
Bottom
|
D16@300
|
3.3 시공조건 및 하중
3.3.1 시공조건
Fig. 2에 다층공사 시공순서를 나타내며, 시공조건은 Kim(2008)의 연구방법을 참고한다. 콘크리트 타설시 슬래브와 기둥을 동시에 타설하며, 최상층 콘크리트 타설 후 1일에 최하부 동바리가 제거되는 시공순서를 가정한다.
최하부 동바리 제거 후 층당 시공주기에 따라 일정기간 양생 후 최상층 콘크리트를 타설한다. 동바리의 동시존치 층수에 따라 슬래브에 작용하는 하중이
달라질 수 있으며, 본 연구에서는 동바리의 동시 존치 층수를 3개층으로 가정한다.
Fig. 2 Construction Procedure in Case of 3Day-Cycle
3.3.2 시공하중
본 연구에서는 시공 중 슬래브에 작용하는 하중을 Grundy and Kabaila(1963)의 방법 및 이를 바탕으로 수정한 Mosallam and Chen(1991)의 방법을 참고하여 슬래브 자중의 크기에 대한 비로 나타낸다. 또한, ACI 347-04(2004)에 따라 1개층 슬래브의 자중을 1.0D, 시공 작업하중을 0.4D, 거푸집 하중을 0.1D로 나타낸다.
(1) 최상층 콘크리트 타설시
Fig. 3에 최상층 콘크리트 타설시 하중을 나타낸다. 최상층(N층) 콘크리트 타설시 하중은 1.5D이며, 신규 타설된 슬래브는 하중을 지지할 수 없으므로 동바리를
통해 하부층(N-1층)으로 하중을 전달한다. 하부층(N-1층)은 상부에서 전달된 하중을 동바리를 통해 하부층(N-2층)으로 전달하며, 콘크리트의 강도발현율에
따라 슬래브 콘크리트 자중의 일부를 기둥으로 전달하고 기둥으로 전달되지 않는 나머지 슬래브 콘크리트의 자중 및 거푸집 하중(0.1D)을 하부층(N-2층)으로
전달한다. 즉, 슬래브의 자립성에 따른 하중을 제외한 나머지 하중을 모두 동바리를 통해 하부층(N-2층)으로 전달한다. 이때, 하부층(N-2층) 슬래브를
지지하는 동바리가 제거되어 없는 경우, 해당층 슬래브가 동바리를 통해 상부층(N-1층)에서 전달된 하중을 지지한다.
Fig. 3 Onset of Concrete Placement at Top Floor (3Day-Cycle)
(2) 콘크리트 타설 완료 후 양생시
Fig. 4에 콘크리트 타설 완료 후 양생시 하중을 나타낸다. 최상층(N층) 콘크리트 타설 완료 후 양생시, 작업에 의한 하중(0.4D)이 작용하지 않는다.
또한, 양생에 따른 최상층(N층) 콘크리트의 강도 발현을 고려하여, 슬래브의 자중을 콘크리트 강도발현율에 비례하여 기둥으로 전달한다. 따라서 동바리를
통해 전달되는 하중은 양생 기간에 따라 감소한다.
Fig. 4 Load at Concrete Curing (3Day-Cycle)
(3) 최하부 동바리 제거시
Fig. 5에 최하부 동바리 제거시 하중을 나타낸다. 최하부(N-2층) 동바리 제거시, 해당 동바리가 지지하던 하중은 동바리로 연결된 상부 각 층 슬래브 콘크리트의
강성에 비례하여 분배된다. 이때, 거푸집도 함께 제거하므로 거푸집의 무게(0.1D)를 제외한 나머지 하중을 분배한다. 최하부(N-2층) 동바리 제거
후 층당 시공주기에 따라 일정기간을 양생 후 최상층(N층) 콘크리트를 타설하는 시공과정을 반복한다.
Fig. 5 Removal of Form-work Shoring (3Day-Cycle)
Table 7에 다층 구조물의 층수 및 층당 시공주기를 고려한 하중을 산정하여 나타낸다. 층당 시공주기가 길어질수록 2층 구조물을 제외한 나머지 다층 구조물의
시공중 슬래브에 작용하는 하중이 감소한다. 2층 구조물의 경우, 층당 시공주기가 길어질수록 각층 슬래브 콘크리트의 강성 차이가 커지기 때문으로 판단된다.
4층 이상 구조물의 경우, 최상층 콘크리트 타설시 최하부 동바리가 제거되어 없기 때문에 슬래브에 가장 큰 하중이 작용한다.
Table 7 Construction Loads
Story
|
Floor
Construction Cycle
(Days/Floor)
|
Load on Slab ($k N/m^{2}$)
|
Shoring Removal
|
Concrete Casting
|
2
|
3
|
4.90
|
-
|
4
|
4.94
|
5
|
4.95
|
6
|
4.96
|
7
|
4.96
|
3
|
3
|
8.86
|
-
|
4
|
8.29
|
5
|
7.84
|
6
|
7.46
|
7
|
7.15
|
4
|
3
|
8.86
|
13.99
|
4
|
8.29
|
12.93
|
5
|
7.84
|
12.12
|
6
|
7.46
|
11.47
|
7
|
7.15
|
10.93
|
5
|
3
|
8.86
|
13.99
|
4
|
8.29
|
12.93
|
5
|
7.84
|
12.12
|
6
|
7.46
|
11.47
|
7
|
7.15
|
10.93
|
3.4 해석모델 및 방법
Fig. 6은 설계한 RC 플랫 플레이트 구조물에 대한 해석결과 중에서 휨모멘트 분포(Bending Moment Diagram, BMD)를 나타낸다. 해석시간
단축을 위하여 모멘트가 제로가 되는 부분을 경계로 1/4에 해당하는 부분(9000×9000×200 mm)을 해석대상으로 한다. Fig. 7에 해석모델을 나타낸다. 철근과 콘크리트의 부착력은 CEB-FIP Model Code(1990)에 따르며, 경계조건은 단부를 힌지(Hinge)로 적용하고, 기둥을 고정단(Fix)으로 한다. 가력은 구조물 시공중 동바리 제거나 콘크리트 타설에
의해 순간적으로 하중이 재하되는 것을 모사하기 위해 슬래브 상부 전체면에 Surface-Load로 1-Step에 적용한다.
Fig. 6 BMD of Target Model
3.5 재료 모델
3.5.1 콘크리트
콘크리트의 재료모델은 균열 및 파괴, 소성 거동을 반영할 수 있는 파괴-소성 모델인 CC3DNonLinCementitious2를 적용한다. Fig. 8에 콘크리트 재령별 탄성계수 및 압축강도를 나타낸다. 콘크리트의 재령별 탄성계수 및 압축강도는 국내 콘크리트구조 해석과 설계 원칙(KDS 14 20 10)에 따르며, 포아송비는 0.167로 한다. 강도가 충분히 발현되는 상황을 모사하기 위해 1종 습윤양생을 가정한다.
Fig. 8 Elastic Modulus and Concrete Strength
3.5.2 철근
Table 8에 철근의 재료 특성값을 나타낸다. 슬래브 배근 철근 D16의 항복강도는 400 MPa이며, 탄성계수는 2.0×105 MPa로 가정한다.
Table 8 Material Properties of Reinforcement
Type
|
Yield Strength(MPa)
|
Elastic Modulus(MPa)
|
D16
|
400
|
2.0×105
|
3.6 해석결과
Fig. 9에 처짐 및 균열 발생 여부를 나타낸다. 구조물이 단층일 경우에는 콘크리트 타설 후 양생 일수와 슬래브 중앙부의 처짐량(mm)의 관계를 타나내고,
2층 이상일 경우에는 층당 시공주기와 시공중 가장 큰 하중이 작용하는 슬래브의 처짐량의 관계를 나타낸다. 콘크리트구조 사용성 설계기준(KDS 14 20 30)에 따르면 과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를 지지 또는 부착하지 않은 바닥 구조에 대하여 L/360(16.66 mm)으로 규정하고 있다.
단층 구조물의 경우, 콘크리트 타설 1일 후 처짐이 15.39 mm로 최대 허용처짐 규정을 만족하였으나, 기둥 접합부 주변 슬래브 상부면에 균열이
발생하였다. 거푸집 동바리를 5일 이상 존치한 경우에는 균열이 발생하지 않았다.
2층 구조물의 경우, 층당 3일의 시공주기에서 처짐이 11.86 mm 발생하여 최대 허용처짐 규정을 만족하였으나, 균열이 발생하였다. 층당 4일 이상의
시공주기를 적용하는 경우에는 균열이 발생하지 않았다.
3층 구조물의 경우, 층당 3일의 시공주기에서 처짐이 16.98 mm 발생하여 최대 허용처짐 규정을 초과하였으며, 균열이 발생하였다. 층당 4일의
시공주기를 적용할 경우에는 처짐 및 균열의 문제가 발생하지 않았다.
4F 구조물의 경우, 층당 3일의 시공주기에서 처짐이 20.29 mm 발생하여 최대 허용처짐 규정을 초과하였으며, 균열이 발생하였다. 균열은 층당
4일의 시공주기를 적용할 경우 발생하지 않았으나, 처짐이 18.24 mm로 최대 허용처짐 규정을 초과하였다. 층당 6일 이상의 시공주기를 적용할 경우에는
처짐 및 균열의 문제가 발생하지 않았다.
일정한 시공조건이 반복되기 때문에 5층 이상의 모든 구조물에 대하여 4층 구조물과 같은 하중이 작용한다. 따라서 4층 구조물과 같이 동일한 처짐 및
균열 양상이 나타났다.
3.7 구조물 층수 및 층당 시공주기별 존치기간
해석결과를 바탕으로 거푸집 동바리 존치기간을 검토하고자 한다. Fig. 10에 콘크리트 압축강도 발현을 나타낸다. 설계기준 압축강도가 24 MPa일 때, 재령 4일에 설계기준 압축강도의 2/3인 16 MPa이 발현되며, 재령
14일에 설계기준 압축강도가 100% 발현된다.
Fig. 10 Compressive Strength of Concrete
Table 9에 거푸집 동바리 존치기간에 대한 현행 기준(KCS 14 20 12)과 구조물의 층수 및 층당 시공주기를 고려한 해석결과를 비교하여 나타낸다.
단층구조물의 경우, 5일 이상 거푸집 동바리를 존치해야 하며, 현행 기준인 4일과 유사하다. 2층 구조물의 경우, 층당 4일의 시공주기로 슬래브 타설
후 최소 5일 이상 거푸집 동바리를 존치하는 것으로 나타났으며, 이는 다층 구조물에 대한 현행 기준과 차이가 크다. 3층 구조물의 경우, 층당 4일의
시공주기로 슬래브 타설 후 최소 9일 존치하는 것으로 나타났으며, 이는 현행 기준과 비교하여 5일 단축된 기간이다. 4층과 5층 이상의 구조물에 대하여
층당 6일 이상의 시공주기로 거푸집 동바리를 최소 13일 존치해야 하며, 이는 다층 구조물에 대한 현행 기준과 비교하여 1일 차이로 유사하다.
Table 9 Minimum Form-work Shoring Period (Days)
Story
|
KCS
|
Analysis Result
|
Analysis Result - KCS
|
1
|
4
|
5
|
+1
|
2
|
14
|
5
|
-9
|
3
|
9
|
-5
|
4
|
13
|
-1
|
5~
|
13
|
-1
|
4. 콘크리트의 설계기준 압축강도 및 슬래브 두께의 영향
4.1 개요
Table 10은 콘크리트의 설계기준 압축강도와 슬래브의 두께에 대한 영향을 검토하기 위한 변수를 나타낸다. 각각의 변수에 따른 구조물의 층수와 층당 시공주기별
하중을 재산정하여 해석을 수행하고자 한다.
Fig. 11에 콘크리트의 설계기준 압축강도별 재령에 따른 압축강도와 탄성계수를 나타낸다. 압축강도 및 탄성계수는 국내 콘크리트구조 해석과 설계 원칙(KDS 14 20 10)에 따른다.
Fig. 12에 슬래브 두께에 따른 하중을 산정하여 나타낸다. 일반적으로 RC 플랫 플레이트 구조물 설계시 콘크리트구조 사용성 설계기준(KDS 14 20 30)에 따라 내부에 보가 없는 슬래브의 최소 두께 규정을 고려하여 설계한다. 해당 기준에 따르면, 본 연구에서 설계한 구조물의 최소 두께는 약 181
mm이다. 재료 및 피복두께는 동일하게 유지하고 슬래브의 두께(THK = 150, 200, 250, 300 mm)에 따라 각각 모델링한다.
Fig. 11 Concrete Characteristics According to Age
Fig. 12 Slab Load According to Thickness
Table 10 Variables
|
Variables
|
$f_{ck}$ (MPa)
|
24, 27, 30, 35, 40
|
Slab Thickness (mm)
|
150, 200, 250, 300
|
4.2 콘크리트 설계기준 압축강도에 따른 영향
Fig. 13에 콘크리트 설계기준 압축강도에 따른 해석결과를 나타낸다.
단층 구조물의 경우, 고강도 콘크리트일수록 균열이 감소하였다. 콘크리트 설계기준 압축강도가 24 MPa인 경우 재령 4일까지 균열이 발생하였으며,
27 MPa 해석모델에서는 재령 3일까지 균열이 발생하였고, 30 및 35 MPa 해석모델에서는 재령 2일까지, 40 MPa 해석모델에서는 재령 1일에만
균열이 발생하였다. 처짐은 1% 미만 감소하여 유의미한 차이는 없었다. 2층 구조물의 경우, 고강도 콘크리트일수록 처짐이 약 15% 감소하였으며,
균열 또한 설계기준 압축강도 27 MPa 이상의 모든 해석모델에서 발생하지 않았다. 3층 구조물의 경우, 고강도 콘크리트일수록 처짐은 약 3% 미만
감소하였으며, 균열은 차이가 없었다. 4층 및 5층 이상의 구조물에 대하여 콘크리트가 고강도일수록 처짐은 약 5% 미만 감소하였으며, 균열은 차이가
없었다.
전반적으로 콘크리트가 고강도일수록 처짐은 약간 감소하는 경향이 나타났으며, 1층 및 2층 구조물에서 균열이 감소하였다.
해석결과를 바탕으로 설계기준 강도에 따른 거푸집 동바리 존치기간을 Table 11에 나타낸다. 건축공사 표준시방서(KCS 14 20 12)에 따르면 콘크리트 설계기준 압축강도가 증가할수록 거푸집 동바리 존치기간이 길어진다.
단층 구조물의 경우, 설계기준 압축강도가 24 MPa일 때, 슬래브 콘크리트 타설 5일 후 거푸집 동바리를 제거할 수 있으며, 27 MPa 해석모델은
슬래브 콘크리트 타설 후 4일, 30 및 35 MPa 해석모델은 3일, 40 MPa 해석모델은 2일 후 거푸집 동바리를 제거할 수 있다. 2층 구조물의
경우, 24 MPa 해석모델은 슬래브 콘크리트 타설 5일 후 거푸집 동바리를 제거하며, 나머지 해석모델은 모두 슬래브 콘크리트 타설 4일 후 거푸집
동바리를 제거할 수 있다. 3층 구조물의 경우, 모든 해석모델에서 슬래브 콘크리트 타설 후 거푸집 동바리를 9일 이상 존치해야 하는 것으로 나타났다.
콘크리트의 설계기준 압축강도에 따른 거푸집 동바리의 존치기간의 차이가 없다. 4층 구조물의 경우, 설계기준 압축강도 24 MPa 해석모델은 13일
이상 거푸집 동바리를 존치해야 하며, 27 MPa 및 30 MPa, 35 MPa의 경우, 11일 이상 존치해야 한다. 40 MPa의 해석모델은 슬래브
콘크리트 타설 9일 후 거푸집 동바리를 제거할 수 있다.
전반적으로 콘크리트가 고강도일수록 처짐과 균열이 감소하여 거푸집 동바리의 존치기간이 감소하는 경향이 나타났다. 현행 기준에서 큰 안전율을 적용하고
있는 2층과 3층 구조물과 비교하여 단층 및 4층 이상의 구조물에서 콘크리트의 설계기준 압축강도에 대한 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
Fig. 13 Influence of Concrete Compressive Strength
Table 11 Form-work Shoring Period According to Compressive Strength of Concrete (Days)
Story
|
Concrete Design Compressive Strength (MPa)
|
24
|
27
|
30
|
35
|
40
|
1
|
5(+1)
|
4(0)
|
3(-1)
|
3(-1)
|
2(-2)
|
2
|
5(-9)
|
4(-11)
|
4(-11)
|
4(-12)
|
4(-13)
|
3
|
9(-5)
|
9(-6)
|
9(-6)
|
9(-7)
|
9(-8)
|
4
|
13(-1)
|
11(-4)
|
11(-4)
|
11(-5)
|
9(-8)
|
5~
|
13(-1)
|
11(-4)
|
11(-4)
|
11(-5)
|
9(-8)
|
( ) : Analysis Result - KCS
4.3 슬래브의 두께에 따른 영향
Fig. 14에 슬래브 두께에 따른 해석모델의 처짐 및 균열을 나타낸다.
단층 구조물의 경우, 슬래브 두께가 200 mm일 때, 처짐은 39% 감소하였으며, 150 mm 슬래브에서는 43% 증가하였다. 균열은 150 mm
슬래브에서 재령 3일까지, 300 mm 슬래브에서는 재령 5일까지 발생하였다. 2층 구조물에서는 층당 3일 시공주기를 적용할 경우, 200 mm 슬래브에서
11.86 mm, 300 mm 슬래브에서는 6.12 mm의 처짐이 나타났으며, 150 mm 슬래브에서는 처짐이 17.00 mm로 증가하였다. 균열은
150 mm 슬래브에서는 발생하지 않았으며, 다른 슬래브에서는 모두 발생하였다. 3층 구조물에서는 층당 3일의 시공주기의 경우, 200 mm 슬래브에서
16.98 mm, 300 mm 슬래브에서는 9.01 mm의 처짐이 발생하였고, 150 mm 슬래브에서는 처짐이 20.02 mm로 증가하였다. 균열은
슬래브 두께가 두꺼울수록 증가하였다. 4층 이상의 구조물에 대하여, 층당 5일 시공주기의 경우, 200 mm 슬래브에서 16.81 mm의 처짐이 발생하여
최대 허용처짐 규정을 초과하였으나, 250 및 300 mm 슬래브에서는 각각 15.95, 14.82 mm로 최대 허용처짐 규정을 만족하였다. 150
mm 슬래브에서는 처짐이 24.95 mm로 크게 증가하였다. 슬래브 두께가 두꺼울수록 균열이 증가하였으며, 150 mm 슬래브에서도 균열이 증가하였다.
이는 슬래브의 두께가 콘크리트구조 사용성 설계기준에 따른 슬래브의 최소 두께 규정을 만족하지 못했기 때문으로 판단된다.
슬래브 두께에 따른 거푸집 동바리 존치기간을 Table 12에 나타낸다.
단층 구조물의 경우 슬래브 두께가 150 mm인 해석모델의 거푸집 동바리 존치기간이 4일, 200 및 250 mm인 해석모델은 5일, 300 mm
해석모델은 6일로 나타났다. 2층 구조물의 경우, 150 및 200 mm 해석모델은 5일, 250 mm 해석모델은 6일, 300 mm 해석모델은 7일로
나타나 현행 기준과 차이가 크다. 3층 구조물의 경우, 두께 150 mm 해석모델은 거푸집 동바리를 11일 이상 존치해아 하며, 200, 250,
300 mm 해석모델은 각각 9, 11, 13일 존치해야 하는 것으로 나타났다. 4층 구조물과 5층 이상의 구조물의 경우, 두께 150 mm의 슬래브는
모든 재령에서 처짐과 균열을 모두 만족하지 못했다. 200 및 250 mm인 슬래브의 경우 현행 기준과 유사한 13일, 300 mm인 슬래브의 경우
15일로 유사하다.
Fig. 14 Analysis Result for Effect of Slab Thickness
Table 12 Minimum Form-work Shoring Period According to Slab Thickness (Days)
Story
|
KCS
|
Slab Thickness (mm)
|
150
|
200
|
250
|
300
|
1
|
4
|
4(0)
|
5(+1)
|
5(+1)
|
6(+2)
|
2
|
14
|
5(-9)
|
5(-9)
|
6(-8)
|
7(-7)
|
3
|
11(-3)
|
9(-5)
|
11(-3)
|
13(-1)
|
4
|
-
|
13(-1)
|
13(-1)
|
15(+1)
|
5~
|
-
|
13(-1)
|
13(-1)
|
15(+1)
|
( ) : Analysis Result - KCS
5. 결 론
RC 플랫 플레이트 구조물을 대상으로 시공 중 다양한 하중조건에 따른 구체적인 거푸집 동바리 존치기간을 검토하기 위하여 구조물의 층수 및 층당 시공주기를
변수로 슬래브에 작용하는 하중을 산정하고, 유한요소해석을 통해 국내 최대 허용처짐 규정을 만족하며 균열이 발생하지 않는 거푸집 동바리 존치기간을 알아보았다.
본 연구에서 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 거푸집 동바리 존치기간에 관한 현행 기준은 단층 및 다층 구조로 구분하여 압축강도 발현에 따라 규정하고 있으나, 구조물의 층수와 층당 시공주기에
따라 최소 거푸집 동바리 존치기간이 달라진다. 따라서 단층과 다층으로 단순하게 구분하는 것은 불합리하다고 판단된다.
2) 유한요소해석을 통해 거푸집 동바리 존치기간을 검토하였으며, 현행 기준은 2층 및 3층 구조물에 대해 큰 안전율이 적용되고 있었다. 이는 상부층
슬래브 콘크리트에 의한 하중이 다른 다층 구조물과 비교하여 상대적으로 작았으나, 현행 기준은 모든 다층 구조물에 대하여 획일화된 규정을 적용하고 있기
때문이다.
3) 콘크리트가 고강도일수록 거푸집 동바리 존치기간이 단축될 수 있지만, 현행 기준은 콘크리트가 고강도일수록 거푸집 동바리 존치기간이 증가한다. 따라서
압축강도 발현에 따라 거푸집 동바리 존치기간을 규정하는 것은 불합리하다고 판단된다.
4) 슬래브 두께가 두꺼울수록 초기에 큰 하중이 작용하여 거푸집 동바리의 존치기간이 증가한다, 현행 기준은 모든 구조물에 대해 일관된 규정을 적용하고
있으며, 슬래브 두께에 따른 영향을 고려한 구분이 필요하다.
향후 연구에서는 본 연구의 해석모델 및 방법과 해석결과를 바탕으로 기둥의 경간이나 크기, 슬래브의 종류, 콘크리트의 양생 온도, 동바리 동시존치 층수
등 시공 현장 상황에 따라 발생할 수 있는 다양한 요인에 대한 세부적인 검토가 필요하다고 판단된다.
감사의 글
이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.
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