Analysis Models of Concrete Slabs-on-Grade Considering Horizontal Resistance at Slab Bottom and Behavior under Thermal Loads

김성민,안주옥,Kim Seong-Min,An Zu-Og Computational Structural Engineering Institute of 2006 한국전산구조공학회논문집 Vol.19 No.3

The behavior of the concrete slabs on grade considering the horizontal resistance at the slab bottom, which exists due to the shear resistance of the foundation and the friction between the slab and the foundation, has been investigated when the slabs-on-grade are subjected to the thermal load. Analytical formulations have been developed to include the effect of the horizontal resistance at the slab bottom employing the thin plate on an elastic foundation that is widely used for the analysis of concrete slabs-on-grade and rigid pavement systems. Finite element formulations have then been developed using the plate bending elements and the flat shell elements. The solutions from the analytical and numerical models have been compared and showed very good agreement. The sensitivity of the horizontal resistance to the stresses of the concrete slab has been investigated with various values of the slab thickness, elastic modulus, and vortical stiffness of the foundation when subjected to the temperature gradient between the top and bottom of the slab and the uniform temperature drop throughout the slab depth. The analysis results show that the horizontal resistance at the plate bottom can significantly affect the stresses of the slab when the thermal loads are applied. 지반위에 놓인 콘크리트 슬래브가 온도하중을 받을 때 지반의 전단저항과 슬래브 하부와 지반과의 마찰 등에 의해 생기는 슬래브 하부의 수평저항을 고려하여 지반위에 놓인 콘크리트 슬래브의 거동을 분석하였다. 지반위의 콘크리트 슬래브와 강성도로포장의 해석에 널리 사용되는 탄성지반위의 얇은 판을 이용하여 슬래브 하부의 수평저항을 고려하기 위한 해석 공식을 유도하였다. 이를 이용하여 판요소와 쉘요소를 이용한 유한요소법에 의한 모델을 개발하여 수치해석 결과를 도출하였다. 해석 공식과 수치해석 모델을 이용한 해석 결과를 비교 분석하였고 매우 비슷한 결과가 도출 되는 것을 알 수 있었다. 슬래브의 상부와 하부에 온도 차이가 있을 때와 슬래브의 온도가 전체적으로 감소할 때, 콘크리트 슬래브의 응력 분포에 슬래브 하부의 수평저항이 미치는 민감성을 여러 가지의 다른 슬래브의 두께, 탄성계수, 그리고 지반의 수직탄성계수 등을 고려하여 분석하였다. 해석 결과에서 온도하중을 받을 때 슬래브 하부의 수평저항은 슬래브의 응력에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견하였다.

이방향 중공슬래브-기둥 접합부 뚫림전단성능의 해석적 평가

이영은,류재호,주영규,김상대,Lee,Yung Eun,Ryu,Jaeho,Ju,Young Kyu,Kim,Sang Dae 한국방재학회 2011 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2011 No.1

최근 국내외에서 친환경건축물에 관한 관심이 매우 높아짐으로 인해 콘크리트의 물량을 절감하여 이산화탄소량을 줄이는 중공슬래브는 다양한 형태로 세계적으로 개발이 되고 있는 추세이다. 특히 이방향 중공슬래브는 환경적인 측면에서 이방향 중공슬래브는 중공부 생성에 재생플라스틱을 활용하여 폐자원을 재사용하고, 콘크리트와 철근의 사용량 절감에 따른 화석에너지 및 이산화탄소 발생량을 감소한다는 장점이 있다. 또한 시스템 측면에서 이방향 중공슬래브는 기존의 철근콘크리트 플랫플레이트 바닥구조 시스템의 자중을 절감하여 구조체를 경량화 시키고, 이에 따라 장스팬 구현이 가능하며, 단열효과가 뛰어나다. 이와 같이 이방향 중공슬래브는 장점이 많지만 플랫플레이트 슬래브의 취약점인 뚫림전단 파괴에 주의해야 한다. 이에 본 연구에서는 선행으로 실시된 이방향 중공슬래브-기둥 접합부 뚫림전단 성능평가 실험을 바탕으로 하여 경량체가 이방향 중공슬래브-기둥 접합부 뚫림전단 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 경량체량 및 위치를 주요변수로 한 해석적인 변화를 검토하였다. 본 연구를 통해 경량체가 삽입된 이방향 중공슬래브의 뚫림전단 성능에 대해, 해석결과 경량체 량과 위치에 따라 최대 뚫림전단강도는 기준 실험체에 비해 74.3%, 73%의 강도저하를 나타내는 것으로 알 수 있었다. 이는 실험상의 강도저하 값인 84.1%, 56.4%와 다소 차이가 있으며, 해석에서 중공부 주위의 응력집중 현상이 제대로 반영되지 않은 것으로 판단된다. 또한 이방향 슬래브에 경량체를 삽입 할 경우 경량체가 시작하는 부분에서 응력이 급격히 감소하는 현상이 나타났으며, 이러한 급격한 응력감소는 기둥 주위 위험단면의 변화를 가져오는 것으로 추정된다. 즉, 위험단면의 변화는 기둥으로부터 경량체 사이의 거리에 따라 달라지며, 위험단면 내의 콘크리트 단면 손실은 뚫림전단 강도를 감소시킨다. 본 연구에서는 이방향 중공슬래브의 뚫림전단강도를 산정할 수 있는 근사식을 제안하였으며, 보다 정확한 이방향 중공슬래브의 뚫림전단강도의 산정식을 위해서는 위험단면의 변화와 콘크리트 단면손실로 인한 전단강도 저하의 관계에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

도넛형 이방향 중공슬래브의 적용을 위한 해석적 연구 : 내화 성능

정주홍,조해정,최현기,최창식 한국방재학회 2011 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.10 No.-

이방향 중공 슬래브 공법이란 슬래브 내부에 중공을 형성시켜 일정 수준 이상의 구조성능을 확보하면서도 슬래브의 자중을 경감 시키는 공법이다. 이러한 이방향 중공 슬래브의 구조 성능은 다양한 연구를 통하여, 성능과 안전성이 평가되었다. 하지만 이방향 중공 슬래브의 실제 적용을 위해서는 구조 성능뿐만 아니라 화재시의 안전성과 같은 내화성능의 확보가 중요하다. 그러나 현재 중공슬래브에 대한 내화성능평가에 관한 연구는 미흡한 수준이다. 일반 철근콘크리트 슬래브는 콘크리트의 재료적 특성에 따라 우수한 내화 부재이다. 하지만, 이방향 중공 슬래브는 내부에 중공이 형성됨에 따라 일반 철근콘크리트 슬래브와는 다른 온도 분포 및 성능을 보일 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 Wickström’s method를 적용하여 이방향 중공슬래브에 대한 내화성능 평가 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 일반 철근콘크리트 슬래브 및 본 연구진에서 개발한 도넛형 이방향 중공 슬래브를 대상으로 Wickström’s method를 적용하여 간략한 방식으로 도넛형 이방향 중공슬래브의 내화성능 평가 방안을 제안하였다. 또한, 상용 유한요소해석 프로그램(Ansys v.11)를 이용하여 제안된 방안으로 도출된 결과에 대한 검증을 실시하였다. 본 연구 결과, 제안된 방법을 통하여 화재에 노출되어 있는 도넛형 이방향 중공슬래브의 내부 온도를 구체적으로 산출할 수 있었으며, 산출된 결과와 유한요소해석결과의 비교를 통하여 제안한 방안에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.

하프PC 슬래브에 발생한 균열이 합성 슬래브의 휨 내력에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

서태석,이문성,최창식 한국구조물진단유지관리공학회 2009 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.13 No.2

하프PC 슬래브는 시공중에 슬래브 판에 균열이 발생하기 쉽고 이러한 균열들을 보수보강 하지 않은 상태에서 덧침콘크리트를 타설할 경우 합성슬래브의 내력에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 하지만 하프PC 슬래브에 발생한 균열이 합성슬래브의 구조성능에 미치는 영향에 관한 연구는 아직까지 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 하프PC 슬래브에 발생한 균열이 합성 슬래브의 내력에 미치는 영향을 조사하기 위하여 덧침콘크리트를 타설하기 전에 하프PC 슬래브에 균열을 발생시킨 시험체와 균열이 없는 합성슬래브 시험체를 제작하여 슬래브의 휨 성능을 검토하였다. Recently, as the concern for the development of a construction method for an environmental protection and for tall building is increasing, the use of the half precast concrete(PC) slab that has the solution of environmental problems and the advantage such as reduction of construction period is being demanded. However, there is shortcoming that the crack can occur easily while constructing, and these cracks can have a bad influence upon the structural performance of PC composite slab. However, there is little studies on the influence of these cracks on the structural performance of composite PC slab. In this study, the specimen caused the crack before pouring topping concrete in the half PC slab and the PC composite slab without the cracks were produced to investigate the structural performance of PC composite slab with crack

도넛형 중공 슬래브의 휨 및 전단 거동

정주홍,최창식 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

본 연구에서는 도넛 형상의 중공을 가지는 도넛형 중공슬래브의 휨 및 전단 거동을 파악하고 이를 기반으로 하여 설계식을 제안하였다. 중공슬래브는 슬래브 복부에 중공형성체를 삽입하고 콘크리트를 타설하여 슬래브 상부근과 하부근 사이에 중공을 형성하는 슬래브 시스템으로 콘크리트 물량 저감을 통해 슬래브 중량을 저감하면서, 두께의 변화가 발생하지 않기 때문에 물량의 절감, 지진하중의 저감 등 효율적인 건물의 설계를 가능하게 하는 장점이 있다. 이에 따라 전 세계적으로 다양한 중공슬래브 시스템이 개발되었으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 그러나 중공슬래브는 내부에 중공이 형성되면서 부재의 거동 특성이 일반 솔리드 슬래브와 다르며, 중공 형상 및 재료 등에 따라 그 거동 및 성능이 변하되는 특성을 보이고 있다. 본 연구에서는 해석적 연구를 통해 최적의 중공률 및 구조성능을 가지는 도넛형 중공슬래브를 개발하였으며, 실험적 연구를 통해 그 성능 및 거동을 파악하고자 하였다. 구조물에 있어서 슬래브 부재는 일반적으로 휨에 지배를 받는 부재이긴 하지만 지지조건 등의 경계조건에 따라 전단력이 높게 발생하거나 1방향 거동이 요구되는 등 다양한 조건에 노출될 수 있다. 따라서 도넛형 중공슬래브의 실 구조물 적용 및 설계를 위하여 이방향 슬래브에 필수적으로 요구되는 1방향 및 2방향 휨/ 전단 등의 필수적인 요소에 대한 구조거동을 살펴보고 그 성능을 평가하고자 하였다. 또한 이를 기반으로 효율적이고 안전한 도넛형 중공슬래브의 설계방법을 제안하고자 한다.

슬림 프리캐스트 슬래브 데크를 사용한 I-슬래브 시스템의 전단 성능에 관한 실험적 연구

김승훈 한국구조물진단유지관리공학회 2017 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.21 No.1

본 연구는 원형 천공된 플랫 형태와 팔각형 형태의 중공을 가지는 슬래브의 전단강도를 평가하고 있다. 최근 건축구조물에서 슬래 브 두께에 대한 증가와 품질관리에서 요구되는 수준이 상향됨에 따라 프리캐스트 중공 슬래브 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 중공 슬래 브 시스템은 널리 알려진 바와 같이 슬래브의 자중을 감소시킬 수 있는 효율적인 바닥시스템이다. 하지만 중공슬래브는 전단에 저항하는 슬래 브 웨브의 콘크리트 면적 감소로 전단강도 성능이 저하될 수 있다. 특히, 프리캐스트 중공슬래브는 PC 슬래브 데크의 접합면이 발생하며, 접합 면의 균열로 인한 전단파괴가 일어나지 않도록 방지하여야 한다. 본 연구에서는 I-슬래브 시스템의 전단강도를 평가하기 위하여 3점 가력에 의 한 주축 및 직교축에 대한 전단 실험을 실시하였다. 실험결과 I-슬래브가 PC 접합면이 포함되어짐에도 불구하고 이론강도에 대하여 충분한 전 단강도 성능을 보유하는 것으로 나타났다. This paper presents the shear capacities of hollow slab with plate and octagonal pillar type hollow sphere. Recently, the interest in precast hollow slab system for buildings is growing up according to the demand for high quality control and the increase in slab thickness. A hollow slab system is widely known as one of the effective slab system which can reduce self-weight of slab. However, hollow slabs are vulnerable to the deterioration in the shear strength due to the decrease of concrete at slab web which resists shear. Especially, in case of precast hollow slabs, it has joint surface between precast concrete slab modules along transverse axis of slab, and shear failure, that is caused by cracks at joints, has to be prevented. Therefore, in this study, shear capacity of the I-slab system is evaluated by 3-points-supported shear test along the longitudinal and transverse axis of slab specimen. Test results showed that I-slab had enough shear strength compared to theoretical shear strength even if it included the joint surfaces.

프리스트레싱을 통한 도로용 복층터널 중간슬래브 단면감소 방안

박희범,조영교,이영훈,문수환,김성민 한국도로학회 2016 한국도로학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.06

해외에서 운용 중인 복층터널 중간슬래브의 경우 핵심 설계・시공 기술은 공개되지 않고 있다. 국내의 경우 도심지 교통정체 및 지상공간의 부족문제 등으로 복층터널의 수요가 증가할 것으로 예상되므로 복층 터널 중간슬래브 설계에 대한 국내 기술을 보유함으로써 복층터널 기술 보유국으로부터의 국내 건설시장 잠식을 방지하고 기술선점 및 세계 일류 원천기술 확보가 시급한 분야라고 할 수 있다. 복층터널의 중간슬래브는 터널 라이닝에 브래킷을 설치하여 그 위에 지지되는 구조이므로 하부층에 전 면 지지되는 콘크리트 도로 포장 슬래브와 교각과 거더에 지지되는 교량 슬래브와는 다른 구조적 형식을 가진다. 따라서 슬래브가 자중에 의해 과다한 응력이 발생하게 되는데 슬래브의 두께를 늘리게 되면 중간 슬래브에 발생하는 응력을 어느 정도 감소시킬 수 있다. 하지만 중간슬래브의 응력에 지배적인 영향이 미 치는 인자는 슬래브의 자중이기 때문에 슬래브의 두께를 늘 리는 것으로 응력을 감소시키는 데에는 한계가 있다. 실제 중간 슬래브의 설계를 위해서는 프리스트레싱과 같은 방법을 통해 응력을 감소시키는 방안이 필요하다. 본 연구에서는 중간슬래브 최적 단면 설계 방안을 도출 해 내기 위하여 프리스트레싱을 통한 복층터널 중간 슬래브의 단면 감소 방안에 대하여 검토하였다. 우선 그림 1과 같이 강선 배치 간격에 따른 주인장 응력을 검토 하였으며, 그림 에서 볼 수 있듯이 강선배치 간격이 1m인 경우 강선이 없는 중간슬래브에 비해 최대 인장응력이 약 16% 감소하였으며, 간격이 0.5m인 경우 강선이 없는 중간 슬래브에 비해 최대 인장응력이 약 31% 감소하는 것을 알 수 있다. 프리스트레싱에 따른 중간슬래브의 슬래브 두께 감소 효과 를 분석하였다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 프리 스트레싱이 가 해지지 않은 두께 40cm의 슬래브에서 발생 하는 응력과 프리 스트레싱이 가해진 두께 30cm의 중간 슬래브에서 발생하는 응력이 유사하게 나타난다. 이와 같이 프리 스트레싱을 통해 서 중간슬래브의 두께 조절이 가능 하다는 것을 알 수 있다. 하지만 슬래브의 두께가 과도하게 얇아질 경우에는 차량하중 에 의한 처짐량을 제어할 수 없기 때문에 적정한 두께를 유지 하면서 프리스트레싱을 적용해야 할 것으로 판단된다.

화재 시 중공슬래브의 온도분포 예측을 위한 1방향 열전달 모델

정주홍,최현기 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.23 No.5

In general, a reinforced concrete slabs are known to have a high fire resistance performance due to thermal properties of concrete materials. However, according to previous research, the thermal behavior of voided slabs is reported to be different from that of conventional RC solid slabs, and the differences seem to be caused by the air layer formed inside the voided slab. Therefore, it is difficult to estimate the temperature distribution of the voided slab under fire by using the existing methods that do not take into account the air layer inside the voided slab. In this study, a numerical analysis model was proposed to estimate the temperature distribution of voided slabs under fire, and evaluated. Heat transfer of slabs under fire is generally caused by conduction, convection and radiation, and time-dependent temperature changes of slab can be determined considering these phenomena. This study proposed a numerical method to estimate the temperature distribution of voided slabs under fire based on a finite difference method in which a cross-section of the slab is divided into a number of layers. This method is also developed to allow consideration of heat transfer through convection and radiation in air layer inside of slabs. In addition, the proposed model was also validated by comparison with the experimental results, and the results showed that the proposed model appropriately predicts the temperature distribution of voided slabs under fire. 일반적으로 철근콘크리트 슬래브는 콘크리트 재료의 열적특성에 의해 높은 수준의 화재 저항 성능을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존연구에 따르면 중공슬래브의 열적거동은 일반 슬래브와 상이한 것으로 보고되고 있으며, 이는 중공슬래브 내부에 형성된 공기층 때문인 것으로 판단된다. 따라서 슬래브 내부의 공기층을 고려하지 못하는 기존의 방법을 통해서 화재 시 중공슬래브의 내부온도를 추정하는 것은 어려울 것으로 판단된다. 본 연구에서는 화재 시 중공슬래브의 내부온도 분포를 산정하기 위한 수치해석 모델을 제안하고 이를 평가하였다. 기본적으로 화재 시 슬래브의 열전달은 전도, 대류, 복사 등을 통해 발생하며, 이를 기반으로 시간에 따른 슬래브 내부 단면 온도분포를 산정하게 된다. 이에 본 연구에서는 슬래브를 유한개의 층으로 분할하여 각 층의 온도를 산정하는 유한차분법을 도입한 중공슬래브의 수치해석적 모델을 개발하였으며, 슬래브 내부 공기층에서의 대류 및 복사에 의한 열전달 경로를 고려할 수 있도록 개발하였다. 또한 제안된 모델을 실험결과와의 비교를 통해 검증하였으며, 그 결과 제안된 모델은 화재 시 중공슬래브의 온도변화를 적절히 예측하고 있는 것으로 나타났다.

슬래브 두께가 다른 다층지지 RC 구조 시스템에서의 슬래브 시공 하중 분포

한상민,김재요 한국구조물진단유지관리공학회 2024 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.28 No.2

최근 콘크리트 타설 중 구조체, 거푸집 및 동바리 사고가 계속해서 발생하고 있으며, 특히 슬래브 두께가 증가하는 다층지지 RC 구조에서 붕괴 사고가 빈번하게 발생하였다. 이전 연구에서는 모든 슬래브 두께가 일정한 경우에 대한 연구가 주로 수행되었으나 일부 슬래브의두께가 다른 경우, 슬래브 단면 강성의 변화로 전체 슬래브 강성 비율이 달라져 시공 하중의 분포가 달라질 수 있어 이에 대한 연구가 요구된다. 이 연구에서는 슬래브 두께를 변수로 설정하여 슬래브 두께 변화가 콘크리트 강성과 구조물에 미치는 영향을 고려하여 시공 하중의 분포를 분석하였으며, 슬래브 두께가 변화하는 경우 콘크리트 재료 강성 뿐만이 아닌 슬래브 단면 강성도 시공 하중 산정에 고려되어야 함을 확인하였다. 슬래브 두께가 증가 할 경우 두께가 증가하는 층에 작용하는 최대 시공 하중과 최대 손상 변수는 크게 증가하였으며 두께 증가가 클수록 더욱높은 비율의 시공 하중이 작용함을 확인하였다. In recent times, accidents involving structural elements, formwork, and shore have been persistently occurring during concrete pouring, especially in multi-story reinforced concrete (RC) structures. In previous studies, research on construction load analysis was mainly conducted for cases where the thickness of all slabs is constant. However, when the thickness of some slabs is different, the variation in the stiffness of slab cross-sections can lead to different distributions of construction loads, necessitating further investigation. In this study, the slab thickness was set as a variable, and the analysis of the distribution of construction loads was conducted, taking into account the influence of changes in slab thickness on the concrete stiffness and structure. It was confirmed that not only the concrete material stiffness but also the slab cross-section stiffness should be considered in the estimation of construction loads when the slab thickness changes. As the slab thickness increases, the maximum construction load and maximum damage parameter on the layer with increased thickness significantly increase, and it was observed that a thicker slab results in a higher proportion of construction load.

SHCC 및 철근콘크리트 복합슬래브의 휨 실험 및 비선형 해석

조창근,문형주,임현진,서정환,김광석 대한건축학회지회연합회 2013 대한건축학회연합논문집 Vol.15 No.1

새롭게 개발된 현장타설된 변형경화형시멘트복합체(SHCC) 및 철근콘크리트 일방향 복합슬래브의 4점 슬래브 휨 실험 및 층상화모델에 기초한 비선형 슬래브 휨 해석에 의한 평가를 수행하였다. 비선형 해석 모델을 위해, SHCC 재료의 인장 거동은 인장변형률이 고인성 인장변형률 2%에 도달될 때까지는 균열 인장응력을 받을 수 있는 것으로 고려하였다. 슬래브의 수직 처짐 해석은 모멘트 면적법에 의해 비선형 곡률 분포로 부터 예측하도록 정식화 되었다. 실험 및 해석 결과의 비교에서, 실험에 의한 수직 하중 및 처짐 거동은 해석에 의한 결과를 잘 예측해 주었으며, SHCC의 고인성 인장 특성은 철근콘크리트 슬래브의 사용 및 극한 내력을 개선하는데 효과가 있었다.