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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.21 No.3 pp.86-92
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2017.21.3.086

Evaluation on the Vibration Performance for Void-deck Slab Combined with Deck Plate and Polystyrene Void Foam

Seung-Ho Cho1, Young-Sook Roh2*

• 본 논문에 대한 토의를 2017년 6월 1일까지 학회로 보내주시면 2017년 7월호
에 토론결과를 게재하겠습니다.

Corresponding author:rohys@seoultech.ac.kr School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology, 232, Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea
February 17, 2017 March 11, 2017 March 13, 2017

Abstract

The possibility to development of floor vibration problem is larger in case of long span structure under service loads. Therefore, to improve the vibration performance of the floor, increasing of its thickness is a common method. But, increasing of thickness can lead to increase of slab self weight and reduce the effectiveness of the building. For this reason, attention for voided slab which reduces the self-weight is increasing. Hence, voided deck slab combined with deck plate and polystyrene void foam which has buoyancy prevention capacity and much developed construct ability has bee developed. By using the developed voided slab, vibration performance of a mock-up building structure has been investigated in the current study. The results according to analysis showed that they can be implemented in living and bedroom which are considered as 1st grade on the basis of “Residential Evaluation Guidelines for Vibration of Buildings” by the Architectural Institute of Japan.


데크플레이트와 경량성형재가 결합된 중공슬래브의 진동성능에 대한 실물실험 평가

조 승호1, 노 영숙2*
1정회원, 단국대학교 부설 리모델링연구소 연구교수, 공학박사
2정회원, 서울과학기술대학교 건축학부 건축공학과 교수, 공학박사, 교신저자

초록

장스팬 구조물은 사용하중 하에서 바닥진동 문제가 발생할 가능성이 크다. 따라서 구조물 바닥판의 진동성능을 향상시키기 위한 가장 일반적인 방법은 슬래브의 두께를 증가시키는 것이지만 기존의 구조시스템에서 슬래브의 두께를 증가시키면 슬래브 자중의 증가로 건축 물 전체의 효율성이 떨어지게 되는 문제점이 있다. 따라서 슬래브의 두께를 증가시키면서도 자중은 크게 증가하지 않는 바닥판 시스템으로 중 공슬래브에 관한 관심이 커지고 있는 상황이다. 이에 부력방지능력 및 시공성 향상을 위하여 데크플레이트와 경량성형재를 결합한 형태의 중 공슬래브를 개발하였고, 이 중공슬래브를 적용한 실물(mock-up) 건축물에 대한 사용성 검증을 위한 진동성능 평가를 수행하였다. 측정된 결과값을 분석한 결과, 일본건축학회의 “건축물의 진동에 관한 거주 성능 평가지침”에 의하면 1등급인 거실, 침실에 사용해도 될 수준 으로 평가되었다.


    1.서 론

    도심지의 인구집중으로 인하여 공동주택 및 오피스의 수요 가 점점 증가하고, 경제적, 기능적 요구를 만족시키기 위하여 건축물은 점차 고층화, 대형화되는 추세에 있다. 이에 장스팬 구조와 같은 넓은 바닥판에 대한 관심이 더욱 커지고 있는데 이러한 장스팬 구조물은 사용하중 하에서 바닥진동 문제가 발생할 가능성이 크다. 따라서 구조물 바닥판의 진동성능을 향상시키기 위한 가장 일반적인 방법은 슬래브의 두께를 증 가시키는 것이지만 기존의 구조시스템에서 슬래브의 두께를 증가시키면 슬래브 자중의 증가로 작은보가 추가되고 층고가 증가하여 건축물 전체의 효율성이 떨어지게 되는 문제점이 있다. 따라서 슬래브의 두께를 증가시키면서도 자중은 크게 증가하지 않는 바닥판 시스템으로 중공슬래브에 관한 관심이 커지고 있는 상황이다.(Hong et al., 2012)

    부력방지능력 및 시공성 향상을 위해 개발된 데크플레이트 와 경량성형재를 결합한 형태의 중공슬래브(이하 보이드데크 슬래브라 함) 시스템을 적용한 실물실험(Mock-up) 건축물을 충청북도 음성군 W사 내부에 시공하였으며, 보이드데크 슬 래브에 대한 바닥판의 사용성 검증을 위해 진동성능 평가를 수행하였다.

    2.진동성능 측정 대상 공법 및 실물 건축물

    2.1.보이드데크 슬래브(Void-deck Slab)

    데크플레이트 공법의 시공 편의성 및 정밀시공, 중공슬래 브 공법의 공사비절감 및 사용성 향상 등의 장점을 모두 지닌 보이드데크 슬래브 공법(Void-deck Slab System)은 전체적인 콘크리트 물량의 감소로 인해 CO2의 발생을 감소시키므로 환 경적인 면에서도 긍정적인 평가를 받고 있다. 또한 데크플레 이트의 기능은 거푸집 대용 및 경량성형재의 고정에 국한되 어 있으므로 구조계산에서는 제외되지만 실제로는 여분의 내 력으로 작용하기 때문에 안전성의 향상에 도움이 된다.

    Fig. 1(a)에서 보는 바와 같이 보이드데크 슬래브 시스템은 T형 데크플레이트, 경량성형재, 경량성형재 고정장치로 구성 되어 있다. Fig. 1(b)는 보이드데크 슬래브의 시공단면으로 설 치방법은 하부 주근과 하부 보강근을 배치하고 T형 리브 위에 하부 배력근을 설치하여 하부 주근과 하부 보강근을 배력근 아래쪽으로 매달 듯이 설치한다. 경량성형재를 T형 리브사이 에 설치하고 경량성형재 고정장치를 이용하여 데크플레이트 와 고정시킨다. 이때 경량성형재 고정장치가 상부철근의 스 페이서 역할을 한다. 상부 주근과 상부 보강근을 배근한 후 콘 크리트를 타설하여 중공슬래브를 완성한다.(Roh, 2010)

    보이드데크 슬래브 시스템의 가장 큰 특징인 경량성형재 부력방지장치는 Fig. 2와 같이 경량성형재를 데크플레이트의 T형 리브사이에 배치한 후 경량성형재 부력방지장치를 경량 성형재 본체의 홈에 삽입하여 90도 회전시켜서 부력을 방지 하도록 고정하는 방식으로 슬래브 내의 중공부분에 대한 정 밀한 시공이 가능하고 작업자들도 쉽게 설치할 수 있어 시공 성이 좋아진다.

    2.2.바닥 구조

    바닥구조는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 보이드데크 슬래브 (두께 280mm)에 완충재, 경량기포콘크리트, 마감모르타르로 바닥 마감이 되어 있다.

    바닥구조를 구성하는 각 재료에 대한 품질항목 및 기준은 다음 Table 1 ~ 6에서 보는 바와 같다.Table 2Table 3Table 4Table 5

    2.3.실물실험 대상 건축물

    Fig. 4는 실물실험을 위한 건축물의 슬래브의 배근도, 단면 도 그리고 경량성형재 배치도이며, Fig. 5는 실물실험을 위한 건축물의 시공 모습이다.

    실물실험을 위한 건축물은 4.8 m 3경간, 5.5 m 1경간, 2층 규모이며, 사용된 콘크리트의 압축강도는 24 MPa, 철근의 항 복강도는 400 MPa이다.

    3.진동성능 평가 및 측정

    3.1.국내외 진동성능 평가 방법

    국내 건물의 진동성능 평가 방법은 Table 7과 같이 기준과 규준 및 법으로 구성되어 있다. 강구조한계상태 설계기준, 철 골철근콘크리트 구조계산 규준 및 KS규준은 기존 외국 규준 을 인용, 해석하는 수준에 그친다. 그 외의 합성데크 바닥구조 설계기준, 냉간성형강 구조설계 기준은 바닥판의 최소 고유 진동수만을 제한하고 있어 실제로 인간이 느낄 수 있는 사용 성을 평가하고 있다고 보기는 어렵다. 마지막으로 소음진동 규제법은 진동수대역에 상관없이 수평적인 한계값을 규정하 여 건물의 피해도를 평가하는 것으로 이 또한 사용성을 평가 하는 것은 아니다.

    반면, 국외 진동성능 평가방법은 Table 8과 같이 2가지 평 가척도로 구분되어 있으며 고유진동수별 허용한계값을 사용 하는 평가방법은 주로 수정 Reiher-Meister 곡선(Lenzen, 1966) 을 기준으로 경험 및 실제 실험으로 구한 평균값을 적용하고 있으며, 고유진동수, 감쇠비, 한계가속도로 평가하는 방식 또 한 경험식에 근거한 평가식을 사용하여 평가한다. 특히 ISO 2631-2(1989)이 제안한 평가법과 일본건축학회(AIJ)에서 발 표한 “건축물의 진동에 관한 거주성능 평가지침” 및 DIN 4150-3(1999) 방식은 인간이 느끼는 직접적인 거주성에 대하 여 평가하는 지침으로서 본 연구에서는 일본건축학회(AIJ)에 서 제안한 식으로 바닥판의 사용성을 검토하였다.

    3.2.일본건축학회 평가기준

    일본건축학회의 평가기준은 ISO 2631-2, Reiher- Meister, GSA, CSA 등의 기준을 분석하여 일본의 설계조건에 맞추어 Fig. 6과 같은 반응곡선을 제안했다. Table 9와 Table 10에서 보는 바와 같이 건물에서 발생한 진동을 연속, 충격하중으로 구분하고 진동의 감쇠비 수준과 건물의 용도별로 허용진동의 등급을 V-0.75에서 V-30까지 나누었다.

    3.3.진동 측정 방법

    진동성능을 평가하기 위하여 뒤꿈치 충격하중 및 보행하중 2가지로 구분하여 실시하였다. 뒤꿈치 충격하중은 Fig. 7(a) 와 같이 체중이 700N인 한사람이 발뒤꿈치를 50mm 들어올 린 후 자유낙하에 의한 가진을 실시하여 바닥판의 진동을 측 정하였다. 또한 보행하중은 AISC 기준을 참고하여 Fig. 7(b) 와 같이 몸무게가 700N인 실험자가 약 2Hz의 속도로 벽면에 서 중앙부의 센서를 바라보며 걸어가는 방식으로 가진하였 다. 그림 Fig. 8(a)는 진동측정방법을 도면화한 것이고, 그림 Fig. 8(b), Table 11은 실험에 사용한 측정기기이다.

    이와 같은 진동측정방법으로 Fig. 8(a)의 위치에서 각각 3 회씩 1,000Hz 샘플링으로 측정하였다. 그 이유는 일반적으로 발생하는 진동의 경우 100~360 Hz구간으로 측정하면 충분하 나, 뒤꿈치 충격하중과 같이 순간적인 충격하중에 대해서는 1,000 Hz의 측정이 요구되기 때문이다.

    3.4.측정 결과 및 검토

    보이드데크의 슬래브의 진동성능을 평가하기 위하여 뒤꿈 치 충격하중 및 보행하중을 측정한 결과를 정리하면 Table 12, Table 13과 Fig. 9, Fig. 10에서 보는 바와 같다.

    측정 결과를 일본건축학회에서 제안한 진동성능평가 곡선 (Fig. 6)을 사용하여 검토한 결과 Fig. 11과 Fig. 12에서 보는 바와 같이 3차 실험결과 모두 1등급으로 측정되었다. 따라서 본 슬래브를 적용한 건물에서는 인간이 불쾌감을 느끼지 않 을 진동수준을 보유하여 주택 및 거실, 침실에 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

    보행하중의 2차 모드 진동수는 측정지역이 산업단지 내 공 장 옆으로 상시기계진동이 슬래브에 영향을 주는 것으로 판 단되었고, 실제로 기계가 정지하였을 때 25~26 Hz 응답이 사 라지는 것을 확인하였다. 하지만 실제 슬래브 설치 위치가 상 시진동이 있는 곳에 설치될 가능성이 있어 평가기준에 적용 하였다. 또한 3차 모드의 높은 진동수는 에너지소산능력이 높 아 슬래브 변위가 최소한으로 발생하고, 이로 인해 인간이 감 지하기 힘들 것으로 판단되어 평가기준에는 적용하지 않았다.

    3.결 론

    부력방지능력 및 시공성 향상을 위하여 데크플레이트와 경 량성형재를 결합한 형태의 보이드테크 슬래브를 적용한 실물 건축물에서 측정한 바닥판의 수직 진동 결과값을 일본건축학 회의 “건축물의 진동에 관한 거주 성능 평가지침”에 적용한 결과 1등급인 거실, 침실에 사용해도 될 수준으로 평가되었다.

    하지만 슬래브의 길이가 현재보다 증가하고 실의 크기가 커진다면 뒤꿈치 충격하중의 경우 1등급과 2등급 사이로 평 가될 가능성이 있으므로, 추후 장경간에 대한 추가 연구가 필 요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 한국연구재단 여성과학자 지원 사업(NRF- 2015 R1C1A2A01053267)에 의하여 연구되었습니다.

    Figure

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    Void-deck Slab System

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    Details of Void-deck Slab

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    Details of Finish Void-deck Floor

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    Mock-up Design for Void-deck Slab System

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    Construction of Void-deck Slab Mock-up

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    Vibration Performance Evaluation Curve of Architectural Institute of Japan(AIJ)

    JKSMI-21-86_F7.gif

    Heel Drop and Walking Load

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    Measuring Method and Equipment of Vibration

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    Test Results of Heel Drop and Walking Load

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    Natural Frequency of Heel Drop Load

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    Evaluation Result of Heel Drop Load

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    Evaluation Result of Walking Load

    Table

    Material Properties of Finish Mortar

    Autoclaved Light Weight Concrete

    Material Properties of Side Insulation

    Material Properties of Floor Insulation(CS-30G)

    Material Properties of EPS Void Foam(VDII-280)

    Material Properties of T-shaped Deck Plate

    Domestic Vibration Performance Evaluation Methods

    Foreign Vibration Performance Evaluation Methods

    Classification of Vibration Performance Evaluation Standards of AIJ

    Vibration Performance Evaluation Standards of AIJ

    Vibration Measurement Equipment

    Heel Drop Load Measurement Result

    Walking Load Measurement Result

    Reference

    1. Roh Y.G. (2010) Light weight assembly for hollow and light slab using the same, Patent No. 10-0936593,
    2. (1991) Recommendation for Residential Evaluation Guidelines for Vibration of Buildings, Architectural Institute of Japan,
    3. (1997) Steel Design Guide Series 11 - Floor Vibration Due to Human Activity, American Institute of Steel Construction,
    4. ANSI S3.29 (1983) Guide for the Evaluation of Human Exposure to Vibration in Buildings, American National Standards Institute,
    5. CAN/CSA-S16.1-M89 (1989) Appendix G – Guide for Floor Vibration, Canadian Standards Association,
    6. Chopra A.K. (2000) Dynamics of Structures, Prentice Hall,
    7. DIN 4150-3 (1999) Vibration in buildings – Part 3 : Effects on structures, Deutsches Institut für Normung,
    8. Hong E.A. , Chung L. , Paik I.K. , Yoon S.H. , Cho S.H. (2012) Structural Performance and Usability of Void Slab Established in T-deck Plate , Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.24 (6) ; pp.677-684
    9. (1989) ISO 2631-2 Mechanical vibration and shock : Evaluation of human exposure to whole body vibration Part 2 : Continuous and shock-induced vibration in buildings(1 to 80Hz), International Organization for Standardization,
    10. (1997) ISO 2631-1 Mechanical vibration and shock : Evaluation of human exposure to whole body vibration Part 1 : General requirements, International Organization for Standardization,
    11. Kim G.C. , Kim K.M. (2007) Light weight assembly for hollow and light slab using the same, Journal of the Architectural Institute of Korea , Structure & Construction, Vol.23 (4) ; pp.59-69
    12. Kim M.G. , Park H.J. , Lee D.G. , Hwang H.S. , Kim H.S. (2009) Performance Evaluation of Floor Vibration of Biaxial Hollow Slab Subjected to Walking Load , Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.13 (5) ; pp.11-21
    13. KS B 0712 (2001) Mechanical vibration and shock - Vibration of buildings - Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on buildings, Korean Standards Association,
    14. KS B 0726 (2001) Mechanical vibration and shock-Measurement and evaluation of shock and vibration effects on sensitive equipment in buildings, Korean Standards Association,
    15. Lee S.S. , Chun H.M. , Lee J.W. , Hong K.P. (2006) A Comparative Study on the Evaluation Scales Suggested in Floor Vibration Evaluation Methods, Journal of the Architectural Institute of Korea , Structure & Construction, Vol.22 (3) ; pp.3-10
    16. Lenzen K.H. (1966) Vibration of Steel Joist Concrete Slab Floors , Eng. J. (N.Y.), Vol.3 (1) ; pp.133-136
    17. Wise J.F. , Parmelee R.A. (1974) Human Perception of Transient Vibration , J. Struct. Div, Vol.100 (4) ; pp.773-787