■ Flat Plate Slab 기둥 접합부 전단보강체 개발
보가 없는 2방향 슬래브(무량판) 형식은 지판 또는 주두가 있는 경우 플랫 슬래브(Flat Slab) 구조, 지판 (Drop Panel)과 주두(Column Capital) 등이 없는 플랫 플레이트(Flat Plate) 구조로 나뉘며, 지판이나 주두가 있는 경우 접합부 전단내력 보강효과는 있으나 플랫 플레이트에 비해 시공이 매우 복잡하며 시공속도 또한 지연되어 최근에는 플랫 플레이트 구조시스템이 주거용 (초)고층 건축물에 활발히 사용되고 있다.
이 구조 시스템은 보가 없기 때문에 바닥구조가 단순화됨으로써 시스템 거푸집의 사용 및 코어월 선행공법에 의한 바닥공사 구간 조닝 등의 방법으로 2일-4일 공정으로 골조공사를 수행할 수 있으며, 슬래브 콘크리트의 고강도화를 통해 공기단축을 도모 할 수 있다.
또한 층고의 절감과 설비계획의 융통성, 그리고 처짐 제한 기준에 의한 슬래브 최소 두께의 확보로 층간소음 완화 등 거주성 측면에서도 우수한 장점을 지진다.
슬래브 콘크리트 고강도화 통해 공기단축 도모 등
층간소음 완화 거주성 측면에서 우수한 장점 가져
현재 접합부 보강방법으로는 국내외에서 전단머리, 철근 스터럽, 전단 스터드레일, 레티스바 등 다양한 보강 방안이 개발됐으며 사용되고 있다.
스터럽의 경우 일반적인 보의 보강방법으로 슬래브 두께가 250mm 이내의 슬래브에서는 적용할 수 없으며, 시공이 편리한 스터드레일이 많이 이용되고 있다. Mokhtar등의 연구에 따르면 스터드 레일의 경우 강도는 1.2배, 변형 능력은 2.07배 증가시킬 수 있다고 한다.
그러나 기존 보강방법은 시공 및 비용적 측면에서 사용성이 매우 제한적이며 이로 인해 여러 장점을 갖는 무량판 슬래브에 대한 활용도가 높지 않다.
기존의 뚫림 전단 보강법보다 기둥-슬래브 접합부의 가장 취약한 취성거동을 완화시키면서 뚫림 전단 저항력도 함께 증가시킬 수 있는 전단보강체의 성능 평가를 목적으로 곡선으로 가공된 철근 전단보강체를 사용해 실험을 실시했다.
개발하고자 하는 전단보강근은 우수한 전단보강 성능을 지녀야 하며, 시공이 간편하고, 국산화가 가능하며, 기존의 지적소유권에 제한이 없어야 한다. 이를 바탕으로 개발된 보강상세는 보강체의 구조성능 실험을 실시해 뚫림 전단 및 슬래브-기둥 접합부의 구조적 성능을 평가했다.
개발의 주안점
전단 보강체의 개발은 기존의 전단 보강방법들이 지니고 있는 부적합한 성능상의 문제와 경제성 및 시공성의 문제를 국내 현실에 맞게 개선하고자 안출된 것으로 단순한 구조로 특히 철근 또는 봉재를 절곡하는 것만으로 제작 가능하게 해 제작과정이 단순하고 경제적이며 현장 적용성이 우수한 슬래브와 기둥 접합부의 전단 보강체를 제공하는데 그 목적이 있다.
전단 보강체의 개발에 있어 가장 먼저 고려된 점은 슬래브 상?하부철근과의 정착에 관한 것으로, 기존 연구결과의 분석으로부터 얻은 결론에 근거하여 전단 보강체로서 거동하는 부분이 슬래브 상,하부철근과 피복 사이의 공간에 유효하게 정착되어 충분한 정착성능을 발휘하도록 하는 구조를 채택했다.
두 번째 개발의 주안점은 전단 보강체가 2방향으로 배근되는 슬래브철근과 동일한 레벨에 위치하도록 설치가능하게 해, 이로써 슬래브의 피복두께를 유지할 수 있도록 한 슬래브-기둥 접합부의 전단 보강체 및 이를 이용한 전단보강 상세를 제공하는 것.
또한 이러한 전단 보강체를 이용하는 보강방법은 통상적으로 배근되는 슬래브 철근과 간섭되지 않아 용이하게 설치 가능하도록 해 우수한 시공성을 확보할 수 있도록 했다.
세 번째 개발의 주안점은 전단 보강체의 구조를 채택함에 있어서 자립이 가능한 구조를 채택하여 슬래브의 상,하부철근과 간섭이 발생하지 않도록 하는 것이며, 보강 후 구조적으로 휨 강도를 증가시키지 않도록 해 전단 보강체의 설치로 인한 설계요소의 변화가 없도록 하는 것이다. 마지막으로 고려된 점은 구성 상 제작이 용이하도록 하여 경제성을 확보하는 구조를 채택하는 것.
전단 보강체 구성 특징
절곡철근 전단보강체의 구성은 철근을 휘어서 상부근의 하부에 정착되는 상부 정착재와 상부 정착재와 하부정착재의 사이에 수직으로 용접해 전단저항력을 발휘하는 중간 전단재, 그리고 철근을 휘어서 하부에 상부 정착재와 같은 방향으로 배치되는 하부 정착재로 되어 있다.
상부 정착재와 하부 정착재는 슬래브의 상ㆍ하단 주 철근과 사선 방향으로 배치되어 슬래브 상부에서 정착 역할을 담당하는 요소이며, 중간 전단재는 상부 정착재와 하부 정착재를 서로 연결하면서 슬래브의 뚫림전단에 대하여 전단 저항력을 발휘하는 부분이다.
상부 정착재와 하부 정착재는 일정 간격을 가지고 서로 배치 구성되며, 이 간격은 슬래브의 두께 및 휨 철근의 배근간격에 따라 결정된다.
슬래브 상ㆍ하단 주 철근은 상부 정착재의 상부와 하부 정착재의 하부에 배근된다. 즉 하부철근을 설치하고 보강체를 위치에 맞게 설치하고 상부철근을 설치한다.
이것은 철근작업시 약간의 노동력을 투입하여 설치를 하고, 이후 시공 상의 제약을 받지 않으므로 손쉽게 현장에서 시공하고 이용할 수 있어 경제적인 시공이 가능하다는 것을 의미한다.
균열 파괴상황
콘트롤 실험체의 초기 균열은 기둥 모서리에서 대각선 방향으로 시작되어 기둥면에서 슬래브 지지단부를 향해 방사형으로 형성되었고 기둥면으로부터 d/2이내에서 기둥면 주위를 연결하는 균열이 형성된 이후 이 지점과 3d-4d 위치까지의 인장측 피복 콘크리트가 박리되는 뚫림전단 균열이 크게 형성되다가 극한하중 이후 급격히 취성적 거동으로 최종 파괴가 일어났다.
기둥의 단변방향의 유효 전단면적이 장변에 비하여 상대적으로 작기 때문에 단변에 면한 슬래브에서 균열발생이 장변에 비하여 상대적으로 많았고, 추가 발생 균열과 균열폭의 확장도 더욱 빨리 진행됐다.
CS/bar실험체의 초기균열은 기준실험체와 마찬가지로 기둥 모서리에서 대각선 방향으로 시작되어 기둥면에서 슬래브 단부를 향해 방사형으로 균열이 생성되다가 기둥면의 d/2 위치에서 기둥면 주위를 연결하는 균열이 형성되고 그 후 기둥면 주위의 균열들의 폭이 넓어 지지 않고 슬래브 단부쪽으로 확장됐다.
극한하중이전까지 계속적으로 균열이 단부쪽으로 확장되었고 극한하중이후 콘크리트의 균열폭이 점점 확장되다가 하중이 감소하는 연성적 거동으로 최종파괴가 일어났다.
극한하중 후 급격히 취성거동으로 최종파괴가 일어난 control실험체에 비해 CS/bar실험체는 극한하중 이후 완만하게 내력이 저하된 후에 파괴가 되는 양상이 관찰됐다. 이것은 전단보강체가 기둥과 슬래브 접합부에서 취성파괴에 대해 저항하는 메커니즘으로 판단된다.
기존문헌 연구
전단보강체의 보강효과를 규명한 11개의 논문 43개의 실험체를 통해 K값을 추정해 보았다. 슬래브 두께가 두꺼워지고 수직전단근의 정착길이가 커질수록 연구에서 제안하고 있는 K factor의 값이 높아짐을 확인 할 수 있다.
이는 정착길이가 길어짐에 따라 수직전단근의 능력을 크게 발휘 시킬 수 있음을 의미한다. 보강체는 상부근과 하부근을 감싸는 상세를 가지고 있어서 보다 높은 전단보강능력을 갖는 것으로 나타났다.
그러나 슬래브 두께가 두꺼워짐에 따라 상부근과 하부근의 사이에 위치하는 보강체의 능력과 큰 차이를 보이지 않는다.
이것은 충분한 정착길이를 확보하지 못한 실험체에서는 상부근과 하부근을 감싸는 상세를 가진 전단보강체는 그렇지 않은 보강체에 비하여 보다 높은 정착성능을 발휘할 수 있다는 것이다. 반면 슬래브 두께가 증가함에 따라 상부근과 하부근 사이에 위치한 보강체 역시 정착성능이 높아져서 일정한 두께가 되면 상부근과 하부근을 감싸지 않아도 그와 동등한 효과를 나타낼 수 있음을 의미한다.
정착성능을 확보한 실험체는 수직전단근의 능력을 발휘하여 전단보강을 할 수 있지만 충분한 정착능력을 확보하지 못한 실험체에서는 수직전단근의 능력을 100% 발휘하기 전에 뽑힘 파괴가 발생했다.
연구에서 제안하고 있는 CS/Bar의 보강성능을 규명하기 위해 Beutel의 실험체 중 CS/Bar와 유사한 정착상세를 지니고 있는 B 실험체의 실험결과를 바탕으로 연구에서 제안하고 있는 전단보강체의 상세를 FEM 해석을 통해 제안 할 수 있을 것이라 판단된다.
실험체의 경우 슬래브의 두께가 180mm에 불과하여 기준에서 제시하고 있는 스터럽이 효과적이고 실용적으로 보강되기 위한 최소조건을 만족하지 못하고 있다. 180mm 두께의 슬래브에서도 하중, 변형능력의 보강효과가 나타나지만 규준식에 의한 검토를 해본 결과 K factor가 0.5에 불과했다.
Beutel의 연구결과에 비추어 보면 본 연구에서 행해진 실험체에서 CS/Bar의 수직전단제의 정착길이가 62mm에 불과하여 충분한 정착효과를 발휘하지 못하여 수직전단제가 항복하기 이전에 Slip파괴가 일어났다. 또한 횡방향으로 용접된 수평철근의 구속효과 또한 발휘되지 못했다.
결 론
Flat Plate Slab 공법 시스템으로 변경시 슬래브 180mm Depth에서 기존의 스터럽으로 전단 보강하기는 제작 상 어려울 뿐만 아니라, ACI나 국내 규준에서는 250mm 이상에서만 사용하도록 권장하고 있다.
개발된 전단 보강체는 기존에 개발된 전단 보강체에 비해 경제성에서 우수할 뿐 아니라 국책과제 공기단축형 복합구조시스템 건설기술개발 연구에서Mockup실시한결과 시공성에서도 우수한 것으로 나타났다. (현대산업개발 기술연구소)
