1. 서 론
1.1. 연구배경
건축물이 고층화되면서 내구성과 내진성이 우수한 철골구조 및 철골철근콘크리트 구조가 일반적으로 채택되고 있으며, 이들 고층건물의 바닥 슬래브 구조로 공사노무비의 상승에 따라 데크플레이트의 사용이 보편화되고 있다(Kim et al., 1997). 데크플레이트는 오래전부터 공기단축 등의 현장시공성 향상을 목적으로한 바닥판 공사의 재료로 이용되어 왔으며, 최근에는 초고층빌딩에서 중저층의 건물에 이르기까지 광범위하게 사용 되고 있으며(Kim et al., 1996), 구조용 데크플레이트를 사용한 합성슬래브 시스템의 적용이 점차 확산되고 있는 추세 이다. 건축물의 바닥구조로 데크플레이트가 사용될 경우 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다. 첫째, 데크플레이트는 시공중에 작업대로서 사용되어 다양한 공정에 참여하는 작업자가 위에서 필요한 물품을 야적하기도 한다. 둘째, 바닥 슬래브를 형성하는 콘크리트의 거푸집 역할을 한다. 셋째, 데크플레이트는 합성 슬래브의 휨에 대한 저항능력을 보유하여 바닥구조의 인장재 역할을 수행한다(Kim et al., 1997; Shim et al., 2004; Marimuthu et al., 2007).
하지만 데크플레이트 구조요소만으로 시공단계 하중을 지지 하고자 한다면 슬래브 두께가 비교적 크거나 6m 이상의 장스 팬에 적용될 경우 충분한 강도를 보유하지 못함에 따른 부재의 항복 혹은 과도한 처짐에 의한 사용성 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이 경우 불가피하게 가설지주를 설치하여야 하며 이는 공법의 전반적인시공성저하를야기시킨다(Lee et al., 2015).
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 역삼각 형태의 트러스 거더를 더블 골형 데크플레이트(가칭 ‘D Deck’) 에 추가하여 데크플레이트 바닥구조의 전반적인 강성 및 강도를 향상시키고자 한다. 삼각형 트러스 거더를 그대로 골형 데크플 레이트에 적용할 경우 춤이 증가하므로 이를 역방향으로 데크 플레이트의 골 부분에 고정시킨다. 그 결과 전반적인 바닥구조 춤의 증가 없이 트러스 거더 보강이 가능하며, 트러스 거더는 고정 플레이트(fixing plate) 혹은 L형 보강 플레이트(L-shape plate) 연결철물에 의해 데크플레이트로 연결된다. 이와 같은 공법의 핵심적인 개념을 Fig. 1에 나타내었다.
이와 같은 아이디어를 바탕으로 논문을 다음과 같이 구성 하였다. 2장에서는 제안된 데크플레이트 시스템의 시공단계 하중에 대한 성능 평가를 위한 실험계획 및 방법을, 3장에서는 실험적 평가 결과와 비교하기 위한 3차원 유한요소해석 모델 링에 대해 각각 논의하였다. 4장에서는 수행된 실험 및 유한 요소해석 결과를 비교 및 분석하였으며 각 시험체별 초기강성, 시공단계 하중에 대한 처짐, 데크플레이트 횡방향 처짐을 비교 하여 제안된 시스템의 성능을 평가하였다. 5장에서는 본 연구의 결론을 정리해 제시하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1. 시험체 계획
실험을 위해 총 5개의 시험체를 제작하였으며, 그 기본적인 형상 및 세팅을 Fig. 2에 나타내었다. 시험체는 폭 600mm, 두께 1mm 단위 데크 두 장을 함께 사용하여 전체 폭은 1200 mm, 순스팬 5.5m로 양단부가 지지된 형상이다. 하중 가력에 따른 변위 측정을 위해 LVDT(linear variable differential transformer)를 Fig. 2(c)에 나타난 것과 같이 스팬 중앙에 횡방향으로 서로 다른 두 개의 지점(M1 및 M2)에 설치하였다.
총 5개의 시험체는 Table 1에 정리된 것과 같이 트러스 거더로 보강되지 않은 기준 시험체 이외에 연결철물의 종류 및 트러스 거더의 개수를 실험변수로 설정된 4개의 시험체로 구분할 수 있다. 각각의 시험체는 Fig. 3에 설명된 시험체 표기법에 따라 표에 정리되었다. TG0-X 시험체는 데크플레이 트만 있는 시험체로 데크플레이트 자체의 성능을 평가하기 위한 기준 시험체이다. TG2-F 시험체는 데크플레이트에 고정 플레이트로 연결된 트러스 거더를 2개 적용한 시험체이며, TG2-L 시험체는 TG2-F 시험체에 고정 플레이트 대신 L형 보강 플레이트를 사용한 시험체이다. TG3-F 시험체는 TG2-F 시험체에 트러스 거더를 한 개 더 추가한 시험체이고, TG3-L 시험체는 TG2-L 시험체에 트러스 거더를 한 개 더 추가한 시 험체이다. 각 시험체별 단면형상을 Fig. 4에 나타내었다.
2.2. 실험방법
제작된 각각의 시험체는 크게 모래 재하 및 콘크리트 블록 재하의 두 단계에 걸쳐 분포하중이 적용되었다. 하중 재하는 Table 2에 제시된 것과 같이 순차적으로 진행되었으며, 1단계 부터 2단계까지는 모래로 재하하였고 3단계부터 6단계 까지는 미리 제작된 콘크리트 블록으로 단을 쌓아 하중을 증가시켰다. 마지막 단계인 7단계는 시험체별로 하중의 크기를 다르게 적용 시켰다. 가력 하중은 Fig. 2(a)에 나타난 것과 같이 스팬의 중앙으로부터 양 방향으로 각각 0.5m씩 총 1m에 걸쳐 적용되 었다. 실제 실험에서의 재하 과정을 촬영한 사진을 Fig. 5에 나타내었으며, 단면 방향에서 바라본 하중 재하 프로세스를 Fig. 6에 표현하였다.
Table 2
Distributed load application process
3. 유한요소해석 모델링
본 장에서는 실험 결과와의 비교를 위해 수행된 3차원 유한 요소해석의 요소, 재료 모델 및 물성치 그리고 지점 및 하중 조건에 대한 자세한 정보를 정리하였다.
3.1. 유한요소해석 모델 및 요소망
제안된 데크플레이트 시스템의 성능 평가를 위한 유한요소 해석은 상용 프로그램인 ABAQUS 6.17(ABAQUS, 2017)을 이용하여 수행되었다. 구조물의 모델링을 위해 shell 요소 (사각형요소: S8R, 삼각형요소: STRI65) 및 beam 요소 (B31)를 사용하였으며, 데크플레이트 바닥판과 연결 철물들은 shell 요소로 트러스 거더는 beam 요소로 모델링하였다. 유한 요소해석 모델에 3차원 solid 요소가 아닌 shell요소와 beam 요소를 사용한 이유는 비교적 충분한 정확성을 지니면서도 해석시간을 크게 단축시킬 수 있기 때문이다. 데크플레이트 바닥판 및 트러스 거더의 요소망을 Fig, 7에 나타내었다.
데크플레이트 바닥판 및 연결 철물들의 항복강도는 295 MPa이고 두께는 1.0mm로 동일하게 하였으며, 트러스 거더를 구성하는 래티스 철근 및 상하부근의 항복강도는 400MPa이다. 래티스 철근의 직경은 6mm, 하부근은 14mm이고 상부근은 8mm이다. 강재의 비선형 재료거동을 정확하게 묘사하기 위해 von Mises 항복 조건을 사용하였으며 탄성-완전소성(elasticperfectly plastic) 거동을 가정시켰다.
3.2. 지점 및 하중 조건
유한요소해석 모델의 지점 조건은 실험과 동일하게 데크플 레이트의 양단부에서 중앙쪽으로 80mm 지점까지의 데크플레 이트 하부면의 Y변위를 구속하였고 양단부의 끝 선의 X, Y, Z 변위를 구속하였다. 그리고 실험에서 모래 재하를위해서 설치한 하중 보조 철물에 의한 데크플레이트 바닥판 상부 플랜지의 양 끝 부분의 횡변위에대한 구속 조건을 해석모델에서도동등하게 적용하기 위해 해당하는 부분의 X변위에 대해서 추가적으로 구속을 주었다. 모델링한 유한요소해석 모델에서의 지점 조건을 Fig. 8에 나타내었다.
유한요소해석 모델의 하중 조건은 등분포 수직하중으로 데크플레이트 바닥판에 해당하는 부분에만 적용하였다. 유한 요소해석 모델에서 분포하중은 실험과 동일하게 모래가 재하 되는 영역에 적용시켰다.
4. 실험 및 유한요소해석 결과 분석
4.1. 하중-변위 그래프 비교
본 장에서는 시험체별 실험결과와 해석결과간의 하중-변위 그래프를 비교 및 분석하였다. Fig. 9는 5개의 시험체별 실험결 과와 유한요소해석 결과의 비교 그래프들이다. 각각의 시험체 별 실험결과와 해석결과의 일치성을 비교하기 위해서 구조물 의 허용 처짐까지의 구간을 비교하였다.
건축구조기준(Architectural Institute of Korea, 2016)에 의한 최대 허용 처짐량은 스팬의 1/180로, 이에 근거한 시험 체의 최대 허용 처짐량은 30.5mm이다. 하중-변위 그래프의 결과로부터 5개의 시험체 모두 실험과 유한요소해석 결과가 비교적 서로 잘 일치하며 전반적으로 최대 허용 처짐량 범위 까지는 선형탄성 거동을 하는 것을 알 수 있다. 유한요소해석 결과로부터 L형 보강 플레이트로 보강되지 않은 TG0-X, TG2-F 및 TG3-F 시험체의 경우 최대 허용 처짐 범위 이상 으로 하중을 증가시킬 경우 강성이 점차 감소하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 고정 플레이트가 L형 보강 플레이트에 비해 구조물의 일체화 및 강성 증대 효과가 상대적으로 적기 때문에 나타나는 것으로 판단된다.
4.2. 초기 강성 비교
4.1장에 나타난실험 및 해석 결과의하중-변위 그래프로부터 각 시험체의 초기 강성을 도출하고 이들을 비교 및 분석하였다. 초기강성은 5개의 시험체 모두에서 뚜렷하게 선형탄성거동을 보이는 것으로 판단되는 변위 10mm를 기준으로 계산하였다. 그림의 그래프로부터 5개의 시험체 모두 실험과 해석에 의한 초기 강성이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 각각의 시험체에 대한 실험 및 해석 결과의 초기강성을 Table 3에 정리하였다. 연결철물 및 트러스 거더에 의한 보강 효과를 확인하기 위해 기준 시험체인 TG0-X의 초기 강성 값에 대한 나머지 시험체 들의 상대적인 초기 강성 비율을 표에 요약하였고 이를 Fig, 10에 그래프로 나타내었다.
Table 3
Comparison of the relative initial stiffnesses of the test specimens
Table 3의 결과로부터 연결철물 및 트러스 거더의 사용으로 인해 초기 강성이 증가한 것을 알 수 있고 트러스 거더의 개수가 2개일 때 고정 플레이트 시험체는 104%, L형 보강 플레이트 시험체는 146%로 고정 플레이트로 보강한 시험체보다 L형 보강 플레이트로 보강한 시험체가 초기강성의 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다. 그리고 트러스 보강체의 개수가 3개일 때 보강 플레이트 시험체는 118%, L형 보강 플레이트 시험체는 196%로 트러스 보강체의 개수가 2개일 때보다 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다. 트러스 보강체의 개수가 2개에서 3개로 증가함에 따라 2개 일 때의 초기강성 증가율보다 고정플레이 트는14%, L형보강플레이트는50%의초기강성증가효과를 보이고 있다. 그리고 연결 철물이 고정 플레이트일 경우 시험 체는 TG0-X 시험체의 초기강성의 4%와 18% 밖에 증가하지 않으므로 트러스 거더의 성능이 충분히 발휘되지 않는 다는 것을 알 수 있다. 유한요소해석 결과로부터 얻은 시험체의 초기 강성 또한 실험에 의한 결과와 유사함을 알 수 있다.
Fig. 10의 결과로부터 트러스 거더의 개수가 증가할수록 초기 강성이 증가하며, 고정 플레이트보다는 L형 보강 플레이 트가 초기 강성 증대에 더 효과적이라는 것을 알 수 있다. L형 보강 플레이트가 초기강성의 증가에 더 효과적인 이유는 플레 이트 설치 위치에만 트러스 거더가 데크플레이트에 연결된 고정 플레이트의 경우와 달리 전체 스팬에 걸쳐 트러스 거더가 데크플레이트에 고정되어 있어 트러스 거더와 데크플레이트의 일체화 정도가 더 뛰어나기 때문인 것으로 판단된다.
4.3. 시공단계 하중에 대한 처짐 비교
본 장에서는시공단계의하중에대한 시험체별처짐발생량을 비교 및 분석하고자 한다. 시공단계 하중은 크게 세 가지로 시공 작업 하중, 강재 하중 그리고 콘크리트 하중으로 구성된다. 타설 콘크리트는 경화되지 않아 시공단계에서는 부재의 강도를 증가시키지 못하고 하중만 증가시키게 된다. 시공단계에 데크 플레이트에 작용하는 총 하중 Pc는 아래의 식으로 표현할 수 있다.
여기서, Uw는단위면적당시공작업하중, Us는강재의단위중량, Uc는 콘크리트의 단위 중량이다. L은 콘크리트 부분의 폭을 의미하며, At, As 그리고Ac는각각트러스거더, 데크플레이트 그리고 콘크리트의 면적을 의미한다. 수식에 포함된 시공단계 하중을 구성하는 요소 각각의 단면적을 Fig. 11에 나타내 었다.
Table 4는 실험과 유한요소해석에 의한 시공단계 하중에 대한 시험체 별 처짐량을 정리하고 이들 값의 최대 허용 처짐 량에 대한 상대적인 비율 또한 나타내었다. 시험체의 최대 허용 처짐량은 4.1장에서 언급한 바와 같이 30.5mm이다. 표에 나타난 결과로부터 실험과 유한요소해석 모두 시공단계 하중에 대한시험체의처짐이최대허용처짐량보다작음을알수있다. 4.1장의 초기강성의 비교 결과와 유사하게 트러스 거더의 보강 효과로 인해 TG0-X 시험체를 제외한 다른 시험체의 처짐량이 전부 TG0-X의 경우 보다 적은 것을 알 수 있다.
Table 4
Deflections under loadings at construction stage
최대 허용 처짐량에 대한 각 시험체의 상대 처짐비를 살펴 보면 트러스 거더의 개수가 2개일 때 고정플레이트는 73.8%, L형 보강 플레이트는 54.8%로 L형 보강 플레이트가 효과적 이란 것을 알 수 있다. 트러스 거더의 개수가 3개일 때는 각각 71.1%, 42.9%로 트러스 거더의 개수 증가로 인한 처짐량의 감소 효과가 고정플레이트보다 L형 보강플레이트에서 크다는 것을 알 수 있다. 유한해석결과 역시 실험 결과와 유사한 경향을 보여준다.
표에나타난값을이용하여 트러스거더의개수에대한 시험체 별 상대 처짐비를 Fig. 12에 나타내었다. 이로부터 4.2장의 경우와 유사한 거동을 보임을 알 수 있다.
4.4. 횡 방향 측정 위치에 따른 수직 처짐 변화
본 장에서는 데크플레이트 시험체 횡 방향 측정 위치에 따른 수직 처짐의 변화를 비교 및 분석하였다. 2장에서 언급한 바와 같이 시험체의 수직 처짐을 Fig. 2(c)에 나타난 M1 및 M2의 두 위치에서 측정하였으며, 7단계 하중 작용 시 시험체 별 수직 처짐 및 상대 처짐비를 Table 5에 정리하였다.
Table 5
Vertical deflections at span center
| Specimen | Load (kN/m) | M1(mm) | M2(mm) | M2/M1*100(%) |
|---|---|---|---|---|
| TG0-X | 9.6 | 48.4 | 38.3 | 79.1 |
| TG2-F | 9.7 | 38.2 | 29.8 | 78.0 |
| TG2-L | 10.2 | 29.4 | 23.9 | 81.4 |
| TG3-F | 10.4 | 39.1 | 33.1 | 84.5 |
| TG3-L | 10.7 | 25.3 | 22.2 | 87.7 |
표에 나타난 결과로부터 횡방향으로 중앙에 위치한 M1 위치에서 이로부터 약간 떨어진 M2 위치보다더 큰 수직 처짐이 발생함을 알 수 있다. 또한 M1 처짐량에 대한 M2 위치에서의 상대 처짐량은 트러스 거더의 개수가 늘어날수록 그리고 L형 보강 플레이트를 사용할 경우 그렇지 않은 경우보다 더 커짐을 알 수 있다. 예를 들면 고정 플레이트와 L형 보강 플레이트 시험체의 상대 처짐량은 트러스 거더가 2개일 때보다 3개일 때 각각 6.5%, 6.3% 만큼 증가하였다.
이는 4.2장 및 4.3장에 나타난 현상과 유사하며, 트러스 거더 개수 증가 및 연결철물에 의한 데크플레이트 구조 요소의 일체화 증대 효과가 스팬 방향 뿐 아니라 횡 방향으로도 나타남을 보여준다.
5. 결 론
본 연구에서는 더블 골 데크플레이트를 역삼각 형상의 트러스 거더로 보강한 바닥 구조시스템(가칭 ‘D Deck’)의 성능을 실험 및 3차원 유한요소해석을 통해 평가하였다. 실험 변수로 트러스 거더와 데크플레이트 바닥판을 이어주는 연결철물의 종류 및 트러스 거더의 개수를 설정하였으며, 총 5개의 시험체를 제작 하였다. 각 시험체 별 하중-변위 그래프를 작성하고 실험변수에 따른 구조 시스템의 성능을 비교 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
1) 총 5개의시험체 모두실험과 유한요소해석결과가 비교적 서로 잘 일치하며 전반적으로 최대 허용 처짐 범위까지 선형탄성 거동을 보인다.
2) 트러스 거더의 개수가 증가할수록 초기 강성이 증가하며, 고정 플레이트보다는 L형 보강 플레이트가 초기 강성 증대에 더 효과적이라는 것을 알 수 있다. L형 보강 플레 이트가 초기강성의 증가에 더 효과적인 이유는 플레이트 설치 위치에만 트러스 거더가 데크플레이트에 연결된 고정 플레이트의 경우와 달리 전체 스팬에 걸쳐 트러스 거더가 데크플레이트에 고정되어 있어 트러스 거더와 데크플레 이트의 일체화 정도가 더 뛰어나기 때문인 것으로 판단 된다.
3) 실험 및 유한요소해석 모두 시공단계 하중에 대한 처짐을 감소시키는데 L형 보강 플레이트가 고정 플레이트 보다 더 효과적이라는 것을 알 수 있다.
4) 데크플레이트 시험체 횡 방향 측정 위치에 따른 수직 처 짐의 변화를 비교 및 분석한 결과 트러스 거더 개수 증가 및 연결철물에 의한 데크플레이트 구조 요소의 일체화 증대 효과가스팬 방향뿐 아니라횡 방향으로도 나타남을 알 수 있다.
