휘는 콘크리트를 이용한 장경간 RC 복합바닥기술
- 고연성복합체 적용 RC 복합슬래브의 현장적용 사례 -
Technology of Long-Span RC Composite Slabs Using Bendable Concrete
- Field Application of RC Composite Slabs with High Performance Composites -
조 창 근 * Cho, Chang-Geun
문 형 주**
Moon, Hyung-Joo
1)
1. 서 론
콘크리트는 압축강도에 비해 인장강도가 낮아 균 열 발생 이후에 곧바로 인장응력을 부담할 수 없는 취성적 단점을 가지고 있다. 일명 휘는 콘크리트인 고연성 시멘트 복합체 콘크리트(High-Performance Cementitious Composites)란 균열이 발생하면 콘 크리트가 곧바로 인장강도를 발휘하지 못하는 일반 콘크리트와 달리 인장변형률 2~5% 정도에 도달해 도 인장강도를 유지할 수 있다.
* 정회원, 조선대학교 건축학부 건축공학, 부교수
** 조선대학교 건축공학, 박사과정
2. 일명“휘는 콘크리트”인 고연성 시 멘트 복합체
휘는 콘크리트의 제조에 있어서 일반 콘크리트와 다른 점은 길이 10mm 내외의 PVA 및 PP 등과 같은 합성섬유를 1.5~3.0% 정도 추가적으로 혼합하여 배 합한다는 점인데, 휘는 콘크리트가 굳고 난 이후 고 무나 플라스틱과 같은 고연성 거동을 할 수 있는 이 유는 이러한 합성섬유가 균열 면을 서로 잡아당겨 다중미세균열로 균열의 진전을 억제시키는 브리징 현상 때문이다. 이를 콘크리트 구조 부재에 적용할 경우 휨 및 전단에 의한 균열 및 파괴를 억제할 수 있고, 높은 내력 및 변형 능력을 발휘하게 한다.
고연성 시멘트복합체 콘크리트는 인장력 하에서 곧바로 균열로 취성 파괴되는 것이 아니라 마치 “고
<그림 1> PVA섬유 및 고연성시멘트 복합체의 고유동성
무나 플라스틱과 같은 탄성체”처럼 늘어나고 휘는 고인성 변형을 발휘할 수 있다. 일반 콘크리트와 달 리 합성섬유가 공학적 원리에 의해 설계 배합 및 혼 입되어 섬유의 브리징현상을 유도, 균열이 발생해도 인장변형률 2% 이상에서 인장강도를 유지하도록 개 발되었다. 따라서 건축 구조부재의 기둥, 보, 슬래브 및 접합부에 적용할 경우 휨, 전단 내력 및 변형 능 력 개선에 우수하다. 프리캐스트화 공법 적용에 의 해 다양한 구조 디테일 개발이 가능하여 향후 고성 능 콘크리트 적용 건축설계의 한 축으로 발전될 전 망이다.
<그림 2> 고연성 복합체의 1축 응력-변형률
<그림 3> 휘는 콘크리트의 휨성능
<그림 4> 휘는 콘크리트의 압출성형 과정(상) 및 패널(하)
RC 슬래브 인장측 휘는 콘크리트적용 휘는 콘크리트 압출성형 패널
휘는 콘크리트의고인성휨 및 인장 능력 + 철근콘크리트의 조합
장경간화, 철근량 저감 균열제어, 내구성향상
RC 슬래브 인장측 휘는 콘크리트적용 휘는 콘크리트 압출성형 패널
휘는 콘크리트의고인성휨 및 인장 능력 + 철근콘크리트의 조합
장경간화, 철근량 저감 균열제어, 내구성향상
<그림 5> 휘는 콘크리트 압출성형 Half-PCa 복합 슬래브
3.“휘는 콘크리트”의 압출성형 하프 프리캐스트 복합바닥구조
휘는 콘크리트는 압출성형 가공으로 제작될 경우 성형이 용이하고 섬유복합체의 배합 조직이 더욱 치 밀하게 된다. 따라서 고인성 변형 및 균열제어 효과 가 더욱 우수하고 내구성이 향상되는 장점을 높일 수 있다. 압출성형 가공으로 제작된 패널 디테일의 개발을 통해 무지주 ․ 무거푸집 방식 및 하프 프리캐 스트 방식으로 적용 가능한 철근콘크리트 복합 슬래 브 공법을 그림과 같이 시도하였다. 휘는 콘크리트 패널은 두께 10~20mm 정도에 양측과 내부에 리브
<그림 7> 무지주․무거푸집 복합슬래브 시공 공법 개요 (Rib)를 가진 단면 형상으로, 압출성형 과정을 거쳐
적정 경간의 길이로 제작된다. 리브는 현장에서 후 타설 콘크리트와의 일체화를 높이도록 하였다. 철근 콘크리트 및 철골 보에 모두 적용 가능하다. 시공방 법은 휘는 콘크리트 압출성형 패널을 시공 경간에 거치한 후, 슬래브의 상하부 철근을 배근하여 고정 하고, 다음으로 레미콘에 의한 상부 후타설 콘크리 트 타설 및 양생에 의해 간단히 시공 공정이 완료된 다. 현장타설 철근콘크리트 슬래브에 비해 장점은 거푸집 및 지주가 필요치 않아 슬래브의 가설공사비 용이 크게 감소되고, 슬래브의 사용 하중에 따른 처 짐 및 균열제어 효과가 우수하여 일반 업무용 건축 물 이외에, 공장형아파트, 주차장의 바닥 및 물류센
휘는 콘크리트 하프 Precast 휘는 콘크리트 하프 Precast
<그림 6> 휘는 콘크리트 Half Precast 디테일
터 등에 활용 가능하다. 장경간화에 유리하여 슬래 브 두께 절감 및 기둥의 시공 개수를 절감할 수 있 고, 대공간의 바닥 구조 창출에도 유리하다.
4.“휘는 콘크리트”활용 하프 프리캐 스트 복합바닥의 현장적용
휘는 콘크리트 기술의 적용사례로서, 조선대학교 건축학부의 철근콘크리트복합구조 연구팀(조창근 교 수)은 국토해양부, 국책 및 대기업 등과 수년간 지속 된 연구개발을 통해, 휘는 콘크리트를 활용한 고성 능의 프리캐스트 복합 슬래브의 다양한 공법 개발을 꾸준히 시도해 왔다. 그 결과 무지주 및 무거푸집 방 식의 하프 프리캐스트 슬래브 구조공법을 신축 공공 청사의 설계 및 현장적용에 성공하였다.
실 설계 및 시공 사례로서는, 휘는 콘크리트를 철 근트러스와 조합한 하프 프리캐스트 디테일로 설계 제작한 철근콘크리트 복합 슬래브 공법을 광주 서구 치평동에 소재한 광주OO법원 신축 공공청사의 슬래 브에 시공하여, 국내에서 휘는 콘크리트 기술을 신 축건축의 구조부재로 설계 및 시공하는 두 번째 사 례가 되었다. 본 슬래브 공법은 시공시 거푸집 및 철 제 지주 등이 전혀 사용되지 않는 무지주 ․ 무거푸집
<그림 9> 휘는 콘크리트 적용 무지주․무거푸집 복합슬래브 현장적용
구 분 내 용
사 업 명 광주 OO 공공청사 신축 설계용역
대지위치 광주광역시 서구 치평동
지역지구 도시지역, 중심상업지역, 지구단위계획구역
용 도 업무시설 (공공청사)
대지면적
이전공사 (등기국)
금회공사
(가정지원) 계
3,510㎡
(1,061.78평)
7,020.4㎡
(2,123.67평)
10,530.4㎡
(3,185,45평) 건축면적 2,138.56㎡ (646.91평)
면 적
지상 6,072.55㎡ (1,836.95평) 지하 538.43㎡ (162.88평) 총계 6,610.98㎡ (1,999.82평)
건 폐 율 30.46%
용 적 률 83.52%
규 모 지하 1층, 지상 5층
최고높이 27.6m
<표 1> 개발 복합슬래브 적용 현장
휘는 콘 크 리트 적용 슬래 브 휘는 콘 크 리트 적용 슬래 브 휘는 콘 크 리트 적용 슬래 브
<그림 8> 상무지구 광주 ㅇㅇ법원(적용현장)
공법으로서, 가설공사비 절감을 극대화 할 수 있다.
무지주 방식에 의한 시공하중 검토에서도 기존의 철 판 데크 슬래브에 비해 시공 중의 처짐량 감소에 유 리하고 높은 시공하중을 고려할 수 있다.
대상 신축 공공청사에 하프 프리캐스트 방식의 휘 는 콘크리트를 적용한 슬래브 공법을 5층 슬래브에 적용하여 시공 완료하였다. 내균열 및 내구성이 우 수하여 바닥 누수에도 유리하다. 본 적용 공법은 그 림과 같이 하프슬래브 거치 및 상부 철근 조립 후 1 개 층의 기둥, 보 및 슬래브를 일체로 레미콘 타설하 도록 한 공법으로서 시공의 효율성을 높였다.
참고문헌
1. Li, V.C. (1993), From Micromechanics to Structural Engineering - The Design of Cementitious Composites for Civil Engineering Applications, Journal of Structural Mechanics and Earthquake, Vol.1-24, No.417.
2. 이방연, 한병찬, 조창근, 권영진, 김윤용, 압출성형 ECC 패널의 섬유분산 특성과 그에 따른 휨 성능, 콘크리트학회 논문집, Vol. 21, No. 5, 2009, pp.573-580
3. 조창근, 김윤용, 섬유보강 고인성시멘트복합체패 널의 2축 전단 비선형 모델, 한국전산구조공학회 논문집 제22권 제6호, 2009, pp. 597-605.
4. 조창근“초고층 미래건설의 고부가가치 및 첨단 사 고혁신 전략”, 한화건설 기술지, 한화건설, Vol.
1, pp.35-39, 2008
5. 조창근, 한병찬, 이정한, 김윤용, 압출성형 ECC 패 널을 이용하여 제작된 복합 바닥 슬래브의 휨 성능, 콘크리트학회 논문집, 2010
6. 김윤용, 조창근, 하기주, 배수호 (2006) 고성능 섬 유복합재료HPFRCC의 개발전략, 콘크리트학회 지, 18(3), pp.82~86.
7. 조창근 (2004) FRP 콘크리트 복합구조 부재시스템 의 휨 및 전단거동예측, 대한건축학회 구조계 논문 집, 20(8), pp.35~42.
8. Cho, C.G., Ha, G.J., Kim, Y.Y. (2008) Nonlinear Model of Reinforced Concrete Frames Retrofitted by In-Filled HPFRCC Walls, Structural Engineering and Mechanics, 30(2), pp.211~223.
9. Cho, C.G., Kwon, M. (2004) Development and Modeling of Frictional Wall Damper and Its Applications in R/C Frame Structures, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 33(7), pp.821~838.
10. Cho, C.G., Kwon, M. (2008) Prediction of Nonlinear Bending Behavior for FRP Concrete Beams Based on Multi-Axial Constitutive Laws, Engineering Structures, 30, pp.2311~
2320.
11. Cho, C.G., Kwon, M., Spacone, E. (2005) Analytical Model of Concrete-Filled Fiber- Reinforced Polymer Tubes based on Multiaxial Constitutive Laws, ASCE Journal of Structural Engineering, 131(9), pp.1426~
1433.
12. Kim, Y.Y., Lee, B.Y., Bang, J.W., Han, B.C., Feo, L. Cho, C.G. (2014) Flexural performance of reinforced concrete beams strengthened with strain-hardening cementitious composite and high strength rein-forcing steel bar, Composites: Part B 56, 512-519