전단 철근 형상에 따른 중공 PC 슬래브의 거동 특성 = Structural Behavior of Hollow PC Slabs with Different Shapes of Shear Reinforcement

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes an air-circulating precast concrete (PC) voided slab system as an alternative to conventional EPS-based voided slabs, aiming to fundamentally address their structural and constructability limitations as well as fire vulnerability and toxic gas generation under fire exposure. In the proposed system, void formers are eliminated and openings are introduced in the rib sections to enable internal air circulation. Beyond serving as simple voids, the internal air layers are intended to promote thermal diffusion and reduce heat concentration, while maintaining structural safety.
With increasing demand for long-span and lightweight floor systems, voided PC slabs have been widely adopted due to their ability to reduce self-weight by removing concrete near the neutral axis, thereby improving structural efficiency and construction productivity. However, EPS foam commonly used as a void former poses significant fire-related risks, including melting and toxic gas release, and mitigation measures such as increased cover thickness or reduced span length may compromise the advantages of lightweight design.
To overcome these limitations, this study evaluates a voided PC slab system without void materials, focusing on structural behavior and fire-related performance.
Finite element analysis is conducted as a preliminary assessment to identify governing structural responses and to reduce the risk of excessive damage during experimental validation. The analytical models consider sectional loss conditions, with the number of rib openings and shear reinforcement configurations selected as key parameters. Load–displacement responses, crack patterns, failure modes, and reinforcing steel strain behaviors are comparatively analyzed.
The results indicate that specimens with greater shear reinforcement exhibit higher peak load and more stable post-peak behavior. As the number of openings increases, a slight reduction in peak strength and deformation capacity is observed, accompanied by a more rapid post-peak strength degradation. Specimens with fewer openings show clearer load transfer paths, leading to localized crack concentration and strain localization, whereas those with more openings exhibit more distributed cracking and strain dispersion around the openings. These trends confirm that the structural response is governed by the interaction between opening configuration and shear resistance mechanisms.
Overall, the proposed air-circulating PC voided slab system achieves effective weight reduction without EPS-based void materials and offers a structurally viable means of mitigating fire-related risks, including toxic gas generation. While an increased number of openings leads to some reduction in strength and ductility, the rib opening configuration is shown to preserve shear load transfer paths and limit performance degradation. The system therefore demonstrates potential as a structurally sound and fire-resilient alternative to conventional voided slab systems.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기존 EPS 기반 중공 슬래브 시스템이 가지는 구조적·시공적 한계와 더불어 화재 시 내화 취약성 및 유독가스 발생 문제를 근본적으로 개선하기 위한 대안으로, 중공체를 제거하고 리브 단면에 개구부를 형성한 공기순환형 PC 중공슬래브 시스템을 제안하고 그 구조·내화 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 제안 시스템은 중공층을 단순한 빈 공간으로 두는 수준을 넘어, 슬래브 내부 공기 흐름을 유도하고 열교환 영역으로 전환하는 개념을 포함하며, 공기층 형성에 따른 열확산 효과 및 구조적 안전성 확보 가능성을 동시에 검토하였다.
연구의 배경으로, 장스팬화·공간 효율성 수요가 증가함에 따라 바닥판의 처짐·진동을 제어하면서도 자중을 경감할 수 있는 슬래브 시스템의 필요성이 확대되고 있다. 중공 PC 슬래브는 중립축 부근 콘크리트를 제거하여 자중을 절감하고, 층고 절감 및 공기 단축, 콘크리트 사용량 저감에 따른 탄소배출 감소 등 장점을 제공한다. 다만 기존 시스템에서 흔히 사용되는 EPS 폼은 화재 시 열변형·용융 및 유독가스(예: CO) 발생 위험을 내포하며, 이를 방지하기 위해 피복 두께를 증가시키거나 경간을 짧게 설계하는 방식은 중공 슬래브의 경량화 장점과 상충될 수 있다.
이에 본 연구는 중공재를 제거하고 리브 개구부를 통해 공기 순환이 가능하도록 설계한 중공 PC 슬래브를 대상으로, 유한요소해석 기반으로 지배 거동과 안전성을 사전 평가하여 실험 단계에서의 과도한 파손 위험을 줄이고, 동시에 화재 시 유독가스 유출 가능성을 억제하는 설계 타당성을 검증하고자 하였다.
연구 대상 슬래브는 단면 손실이 발생하는 조건에서 개구부 개수와 전단철근 배근방식을 변수로 하여 구조 거동 변화를 비교하도록 구성하였다.
해석 결과(하중-변위)에서 TLOB 계열은 40–60 mm 변위까지 가파른 내력 증가 이후 최대내력 도달, 이후 완만한 포락 구간을 형성하고 일정 변위 이후 점진적 또는 국부 급강하 형태의 내력 저하를 보였다. TLAB 계열도 유사한 형태의 응답을 보이나, 최대내력 수준과 최대내력 이후 유지 구간이 TLOB 대비 낮고 짧게 나타났다. 이는 전단 저항 메커니즘에서 전단철근 기여도의 차이가 포락곡선 수준에 직접 반영된 결과로 해석된다.
개구부 개수 영향은 두 계열에서 일관되게 확인되었다. 개구부가 증가할수록(8→14) 최대내력은 소폭 감소하고, 최대내력 이후 내력 유지 성능이 저하되는 경향이 나타났다. 특히 연성능력 관점에서 개구부가 적은 실험체는 내력 저하 시작 변위가 더 크게 나타나 최대내력 이후에도 더 긴 변위 구간 동안 잔존 내력을 유지하는 반면, 개구부가 많은 실험체는 최대내력 이후 저하가 빠르고 저하 구간 기울기가 크게 나타났다. 표 4 기준으로 TLOB는 최대하중이 417.7kN에서 404.5 kN으로, 최대변위는 208.7mm에서 186.2 mm로 감소하고, TLAB는 최대하중이 283.1kN에서 270.4 kN으로, 최대변위가 175.1mm에서 156.0 mm로 감소하는 경향을 보였다.
균열 및 파괴 양상 역시 하중-변위 경향과 대응되었다. 최대변위 시점의 균열 분포를 비교한 결과, 개구부 개수가 적은 실험체에서 균열이 특정 구간에 집중되는 경향이 뚜렷했으며, 이는 하중 전달 경로가 상대적으로 명확하게 형성되면서 전단 전달 및 응력 집중 지점에 균열이 국부적으로 밀집한 것으로 해석된다. 반대로 개구부가 증가한 실험체에서는 균열이 개구부 주변 및 인접 부재로 분산되며 균열 발생 영역이 확장되는 경향이 나타났고, 결과적으로 최대하중 시점의 균열 집중도는 개구부 개수에 의해 지배되며 개구부가 적을수록 집중도가 증가하였다.
철근 변형률 거동 또한 하중-변위 및 균열 분포와 정성적으로 일치하였다. 변위 증가에 따라 철근 변형률이 단계적으로 증가하고, 최대하중 도달 전후 구간에서 증가가 두드러졌다.
개구부가 적은 실험체는 하중 전달에 직접 관여하는 일부 철근 구간에 변형률이 집중되는 반면, 개구부가 많은 실험체는 개구부 주변 및 인접 구간 여러 측정점으로 변형률이 분산되어 증가하는 ‘집중–분산’ 패턴을 보였다. 또한 계열별로는 전단철근량이 상대적으로 큰 TLOB가 동일 변위 수준에서 변형률 증가 양상과 최대 변형률 수준이 더 안정적으로 나타났고, TLAB는 낮은 내력 수준과 함께 최대하중 이후 변형률 증가 및 국부 손상 진전이 더 이른 변위에서 나타나는 경향이 확인되었다.
결론적으로, 제안된 공기순환형 PC 중공슬래브는 중공체를 사용하지 않음에도 경량화 효과를 확보하고, 리브 개구부를 통한 공기층 형성으로 열확산 및 열응력 집중 완화 효과를 기대할 수 있으며, EPS 기반 중공재에서 우려되는 화재 취약성과 유독가스 문제를 구조적으로 제거할 수 있는 대안 시스템으로 판단된다. 특히 구조 성능 측면에서는 개구부 증가가 최대내력과 변형능력을 저하시킨다는 기존 경향을 따르되, 리브 개구부 설계가 전단 전달 경로를 유지·보완하여 성능 저하를 억제할 수 있음을 확인하였고, 내화 거동 측면에서도 하부 철근 온도 상승의 완만화와 균열·파괴 지연 가능성을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 연구의 목적 및 내용 4
• 1.3 연구의 진행 방향 7
• Ⅱ. 기존 중공 PC 슬래브 시스템 및 제안 PC 슬래브 개요 8
• 2.1 기존 중공 슬래브의 개념 및 분류 8
• 2.2 중공 PC 슬래브 시스템 15
• Ⅲ. 유한요소해석 프로그램 16
• 3.1 프로그램 개요 16
• 3.2 해석 모델 17
• 3.2.1 콘크리트 모델 17
• 3.2.2 철근 모델 21
• Ⅳ. 중공 PC 슬래브 시스템 해석 24
• 4.1 해석 변수 24
• 4.2 해석 결과 29
• 4.2.1 하중-변위 30
• 4.2.2 균열 및 파괴패턴 33
• 4.2.3 철근 변형률 36
• Ⅴ. 결론 40
• 참고문헌 44
• Abstract 46
• 감사의글 48