하프 프리캐스트 콘크리트 슬래브의 전단거동에 대한 마이크로 강섬유 및 중공형성의 영향

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 하프 프리캐스트 콘크리트(precast concrete, PC) 슬래브의 전단거동에 대한 마이크로 강섬유의 보강 및 중공부 형성의 영향을 실험적으로 평가하고 이를 기반으로 전단 내력 모델을 제시하는데에 있다. 이를 위해 수행한 세부 연구의 주요 내용과 범위는 1) 기존 연구 및 설계기준 분석; 2) 설계 절차 제시; 3) 하프 PC 슬래브 전단 거동 실험 및 분석; 4) 하프 PC 슬래브의 전단 내력 모델 제시이다.
주요 변수는 하프 PC 슬래브의 전단 거동에서 수평 전단 저항을 향상하기 위해 마이크로 강섬유의 혼입률, 슬래브의 자중을 감소하기 위해 중공부 형성 유·무 및 인장 보강재의 종류(이형철근 및 긴장재)로 설정하였다. 콘크리트 배합은 실험체의 하부 하프 PC 슬래브에 타설되는 콘크리트는 보통중량 콘크리트로 설계 압축강도 40 MPa을 사용하였으며, 상부의 토핑 콘크리트는 전경량 콘크리트로 설계 압축강도 30 MPa을 사용하였다. 마이크로 강섬유의 혼입률은 0%, 0.25% 및 0.75%를 혼입하였으며, 사용된 중공체는 종이 허니콤 단열재를 사용하였다. 하프 PC 슬래브의 전단 거동 실험은 전단경간비()를 2.5로 설정하여 상부 2점 가력으로 수행되었으며, 균열 진전 및 파괴모드, 하중-처짐 관계, 인장 보강재의 변형률 거동 및 전단 내력을 평가하였다. 전단 내력은 ACI 318-25(2025) 설계기준과 비교하였다. 하프 PC 슬래브의 전단 내력 모델은 실험 결과, 본 연구 결과 및 기존 연구 결과를 이용하여 상계치 해석을 기반으로 전단 내력 모델 식을 제시하였다.
하프 PC 슬래브의 마이크로 강섬유 및 중공형성에 대한 전단 거동 평가 및 전단 내력 모델 제시를 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 중공부의 설치는 상부 및 하부 PC 단면 사이의 계면에서 대각선 및 수평 균열을 발생시켰다. 그러나 하부 PC 단면에서 마이크로 강섬유의 혼입률이 증가됨에 따라 균열의 감소 및 균열 저항성 향상되었다. 2) 하부 하프 PC 단면에서 마이크로 강섬유의 혼입은 전단 강성을 향상시켰으나, 최대 내력 이후 균열 저항성에 미치는 영향은 작았다. 또한, 중공부의 도입됨에 따라 최대 내력 직후에 하중이 급격하게 감소하였다. 3) 중공부를 형성하지 않은 하프 PC 슬래브 실험체의 전단 내력은 마이크로 강섬유가 0.75% 혼입됨에 따라 1.41배 증가하였다. 그러나 전단 내력의 향상에 있어 중공부가 도입된 실험체에서는 그 영향이 감소하여 마이크로 강섬유의 혼입률이 0.25%에서 0.75%로 증가할 때, 전단 내력은 1.13배 증가하였다. 4) ACI 318-25(2025) 및 fib 2010(2012)는 모든 하프 PC 슬래브 실험체의 전단 내력을 과소평가 하였다. 이는 마이크로 강섬유의 혼입률이 더 높은 실험체에서 현저하였으며, 중공부가 있는 실험체에서는 크지 않았다. 5) Khuntia et al.(1999)의 모델은 전단 면적을 계산할 때 중공부를 제외하였음에도 중공부가 도입된 하프 PC 슬래브 실험체의 전단 내력을 과대평가 하였다. 6) 하프 PC 단면에 마이크로 강섬유의 혼입은 중공부가 도입된 실험체에서도 전단 내력을 향상시킬 수 있으며, 이때의 마이크로 강섬유의 혼입률은 0.75% 이상을 권장한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objective of this study is to experimentally evaluate the effects of micro steel fiber reinforcement and void formation on the shear behavior of half-precast concrete (PC) slabs and to propose a shear strength model based on the experimental findings. To achieve this objective, the scope of the study included: (1) a review of previous studies and design codes; (2) the establishment of a design procedure; (3) experimental investigation and analysis of the shear behavior of half-PC slabs; and (4) the development of a shear strength model for half-PC slabs.
The primary test parameters were the volume fraction of micro steel fibers to enhance horizontal shear resistance, the presence or absence of voids to reduce slab self-weight, and the type of tensile reinforcement (deformed reinforcing bars and prestressing tendons). For the concrete mixture, normal-weight concrete with a target compressive strength of 40 MPa was used for the bottom half-PC slab, while lightweight concrete with a target compressive strength of 30 MPa was used for the topping layer. The volume fractions of micro steel fibers were set to 0%, 0.25%, and 0.75%, and paper honeycomb insulation was employed to form the voids. Shear tests were conducted under a two-point loading configuration with a shear span-to-depth ratio of 2.5. The experimental evaluation focused on crack propagation and failure modes, load–deflection relationships, strain behavior of tensile reinforcement, and shear strength. The measured shear strengths were compared with the predictions of ACI 318-25 (2025).
Based on the experimental findings, a shear strength model grounded in upper-bound analysis was developed by integrating the results of this study with previously reported experimental data. The experimental observations revealed that the presence of voids promoted the formation of diagonal and horizontal cracks along the interface between the upper and lower PC layers. Nevertheless, an increase in the micro steel fiber content in the bottom PC section was found to mitigate crack propagation and improve overall crack resistance. Although the incorporation of micro steel fibers contributed to an increase in shear stiffness, their effectiveness in enhancing crack resistance after peak load was relatively limited. In contrast, specimens with voids exhibited a sudden drop in load-carrying capacity immediately after reaching the maximum strength.
For half-PC slabs without voids, the shear strength increased by up to 1.41 times when the micro steel fiber volume fraction reached 0.75%. However, the strengthening effect was less pronounced in specimens containing voids, with the shear strength increasing by only 1.13 times as the fiber content increased from 0.25% to 0.75%. Comparisons with existing design provisions showed that both ACI 318-25 (2025) and the fib Model Code 2010 (2012) consistently underestimated the shear strength of the half-PC slab specimens, particularly those incorporating higher fiber contents, while the discrepancy was smaller for voided specimens. Furthermore, although the model proposed by Khuntia et al. (1999) excludes the void region when calculating the effective shear area, it was found to overestimate the shear strength of half-PC slabs with voids. Overall, the results confirm that micro steel fiber reinforcement is effective in enhancing the shear capacity of half-PC slabs, even in the presence of voids, and a minimum fiber volume fraction of 0.75% is suggested to achieve a meaningful improvement.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 목적 3
• 1.3 연구의 중요성 3
• 1.4 연구의 내용 및 범위 3
• 1.5 연구의 방법 4
• 제 2 장 설계기준 및 기존 연구 분석 7
• 2.1 설계기준 분석 7
• 2.1.1 콘크리트 일방향 슬래브의 전단 내력 7
• 2.1.2 하프 PC 슬래브의 수평전단력 8
• 2.2 기존 연구 분석 9
• 2.2.1 하프 프리캐스트 콘크리트 슬래브 9
• 2.2.2 강섬유 보강 콘크리트 10
• 2.2.3 섬유 보강 콘크리트의 전단 내력 모델 12
• 제 3 장 하프 PC 슬래브의 전단거동 실험 15
• 3.1 일반사항 15
• 3.2 실험체 상세 15
• 3.3 재료 22
• 3.3.1 골재 및 시멘트 22
• 3.3.2 콘크리트 배합 및 역학적 특성 24
• 3.3.3 강섬유의 역학적 특성 28
• 3.3.4 강재의 역학적 특성 29
• 3.4 실험체 가력 및 측정 방법 30
• 3.5 실험 결과 30
• 3.5.1 균열 진전 및 파괴모드 30
• 3.5.2 하중-처짐 관계 33
• 3.5.3 전단 내력 34
• 3.5.4 인장 보강재 변형률 거동 39
• 3.5.5 설계기준 및 예측 모델과의 비교 39
• 제 4 장 강섬유 보강 하프 PC 일방향 슬래브의 전단 내력 모델 46
• 4.1 일반사항 46
• 4.2 단순화된 파괴 메커니즘 46
• 4.3 전단 내력 48
• 4.4 균열 콘크리트의 압축 및 인장 유효계수 평가 50
• 4.5 설계기준 및 예측 모델과의 비교 53
• 제 5 장 결 론 57
• 참고문헌 59
• 부 록 64
• Abstract 66