중공 슬래브의 최적 중공형성체 형상 도출을 위한 변수 분석

Abstract

본 연구는 유한요소해석 프로그램을 사용하여 중공 슬래브에 중공형성체 형상이 미치는 영향 및 최적 중공형성체 형상을 제안하였다. 중공 슬래브란 슬래브 콘크리트 타설 전 슬래브의 상부근과 하부근 사이에 중공(Hollow)을 형성할 수 있는 중공형성체를 설치하고 콘크리트를 타설함으로써 슬래브의 복부에 중공을 형성하는 바닥 구조 시스템이다. 이러한 중공 슬래브는 감소된 물량에 의한 구조 성능 저하 및 차음성능에는 큰 문제가 없으며, 경감된 슬래브 중량에 따라 벽체와 기둥 등과 같은 수직 구조부재 및 기초와 파일의 물량을 감소시킬 수 있어 건축물의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 기존에 제안된 중공 슬래브의 경우, 원형 또는 타원형 관을 중공체로 사용하여 콘크리트 물량 및 중량을 저감시키는 일방향 중공 슬래브가 주로 이용되어 왔다. 하지만 이러한 일방향 중공 슬래브는 방향성을 갖고 있어 건축물 적용에 있어서 제한적이었고, 교량 등에 주로 사용되어져 왔다. 최근 'BubbleDeck Technology'1)와 ‘Cobiax Technologies AG’1)는 구형 또는 타원형 플라스틱 볼을 중공체로 사용하여 슬래브의 방향성을 없애면서 콘크리트 물량 및 슬래브의 자중을 감소시킬 수 있는 이방향 중공 슬래브 공법을 개발하였다. 이와 같은 이방향 중공 슬래브에 있어서 중공형성체의 형상 및 부피는 슬래브의 콘크리트 물량 및 자중 감소량을 좌우하게 되고, 응력집중 현상 등과 같은 슬래브 성능에 부정적인 영향을 주는 현상을 유발 할 수 있는 중요한 요소이다. 하지만 이러한 중공형성체의 형상에 관한 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 슬래브의 중량을 효과적으로 저감시키면서도 구조적 성능 저하를 방지 할 수 있는 중공형성체 형상을 개발하고자 유한요소해석 기법을 통하여 중공형성체 형상변수를 변수로 한 총 8가지 형상의 중공형성체를 적용한 중공 슬래브를 분석하였으며, 유한요소해석을 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 'LUSAS ver.14'을 사용하였다. 중공형성체의 형상변수를 도출하기 위하여 이차원 해석 모델을 사용하였으며, 기본형상(중공률), 중공형성체 모서리 곡률반경, 중공형성체 내부코어 직경 등 총 3가지 의 중공형성체 형상 변수를 도출하였다. 이 3가지의 형상변수를 바탕으로 중공형성체가 적용되지 않은 일반 슬래브를 포함한 총 9가지의 중공 슬래브를 3차원 입체 모델을 형상화하여 유한요소해석을 수행하여, 중공 슬래브의 강도, 처짐 등의 구조 성능을 비교분석하였다.

본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 제 1장은 서론, 제 2장은 중공형성체의 형상 변수 도출, 제 3장은 중공형성체 형상 제 4장은 중공 슬래브 유한요소해석 기법, 제 5장은 결과 분석 및 최적 중공형성체 형상 도출, 제 6장 결론 등으로 나누어 기술하였으며, 각 장의 내용을 간략히 요약하면 다음과 같다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 연구의 내용 및 범위를 명시하였다.

제 2장에서는 중공형성체 형상 변수 도출을 위한 2차원 유한요소 해석 방법 및 결과를 기술하였다. 또한 해석 결과를 바탕으로 도출한 중공형성체 형상 변수를 도출해 내었으며, 각 형상 변수의 영향에 관하여 분석하였다.

제 3장에서는 변수별 중공형성체 형상 및 제원을 도출하였다.

제 4장에서는 중공 슬래브 해석 모델 및 해석방법을 기술하였다.

제 5장에서는 해석 결과를 변수별로 비교하여, 강도, 강성, 처짐 등의 중공 슬래브 구조 성능을 분석하였으며, 이 결과를 바탕으로 중공 형성체 형상 변수의 영향 파악 및 최적 중공 형성체 형상을 도출하였다.

제 6장에서는 이상과 같은 해석․ 분석을 통하여 얻은 결론을 기술하였다.