건축물의 바닥구조는 기본적인 지지구조 역할 외에 진동저감 및 지진시 다이어프램 역할을 위해 대부분 콘크리트로 이루어진다. 콘크리트 공사는 타설시 시공하중 지지를 위하여 거푸집 및 가설지주가 필요한데 이는 건식재료에 비해 시간적, 경제적으로 불리한 요소이다. 국내 건설시장은 부가가치의 상승요구로 시공의 단순화, 공기단축 등을 위하여 데크플레이트 사용이 확대되고 있다. 데크플레이트는 4m 정도 스팬에 적용되는 높이 75mm 정도의 거푸집 및 구조용 데크와 높이 120mm의 철선일체형 데크를 시작으로 현재는 사잇보를 생략하여 골조공사의 시공성을 개선한 장스팬 춤이 깊은 데크 개발이 활발해지고 있다. 현재 적용되는 춤이 깊은 데크의 경우 대부분 시공시 동바리를 사용하고 있으며 일부 동바리 없이 최대 순스팬 6.5m 정도에 적용하고 있다. 하지만 구조물의 일반적인 모듈은 대부분 8m 내외로 계획되고 있으며 무동바리 적용시 이에 적합한 춤이 깊은 데크가 필요하다.
춤이 깊은 데크는 제작성 및 시공성을 고려하여 박판을 이용하는 것이 효과적이다. 박판의 부재는 대부분 국부좌굴, 단면형상변형좌굴, 후좌굴의 순서로 파괴가 발생한다. 현재 국내의 여러 업체가 춤이 깊은 데크를 사용하고 있지만 개발을 진행할 때 냉간성형강에 대한 설계기준이 마련되지 않아 박판의 특성을 고려하기 어려웠다. 장스팬 춤이 깊은 데크를 개발하기 위하여 박판에 대한 선행연구와 국내외 기준을 분석하였다. 특히 2022년 10월 미국의 AISI S100-16(2016)을 근간으로 제정된 냉간성형강 설계기준(KDS 41 30 30:2022)과 그 외 국내외 문헌 및 유로코드 등을 참고하여 데크 단면 성능을 분석하고자 한다. 또한 연구시 고려되는 조건중 건축의 기본모듈은 각 프로젝트를 통해 확인하고 시공시 작업하중 및 장스팬의 처짐한계는 국내외 문헌 및 기준 등을 분석하였다.
장스팬 구조에 적용하기 위한 춤이 깊은 데크 단면을 개발하기 위하여 선행연구 및 기준에서 제시하는 이론을 바탕으로 적합한 단면 형상을 제안하였다. 압축력이 작용하는 데크의 상부플랜지에 다양한 절곡 형상을 제안하고 각 단면의 효율성을 분석하였다. 또한 신형상 데크 단면의 결정은 제작성, 운반성 및 현장의 시공성을 고려하여 결정하였다. 최종 결정된 신형상 데크에 대하여 휨모멘트와 전단에 대한 단면성능을 분석하고 실험을 진행하여 이를 검증하였다. 추가로 현장 적용성을 고려한 분석을 위하여 실대구조물의 MOCK-UP 실험을 진행하였다. 실대구조물의 MOCK -UP 실험은 시공하중에 따른 데크 거동 특성을 확인하기 위해 모래재하 실험과 콘크리트 타설실험으로 진행하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 춤이 깊은 데크의 설계이론 및 기준분석
데크의 시공활하중은 대한건축학회의 합성데크 설계기준(안) 및 해설(1988)에서는 1.5kN/m²로 제시하였으나, 국외의 AISI/SDI C2017(미국)에서 0.96kN/m²를 EN1991-1-6과 EN1994-1-1(유럽)에서는 시공활하중을 0.75~1.5kN/m²으로 제시하고 있다. 국내의 거푸집 및 동바리(KCS 14 2012:2022), 거푸집 및 동바리 설계기준(KDS 21 50 00:2022)에서 2.5kN/m²로 규정하고 있다. 건축물 설계하중(KDS 41 12 00:2022)에서 하중재분배 효과로 하중 분산을 고려할 수 있으면 시공활하중을 1.0kN/m²를 저감을 허용하고 있다. 따라서 개발한 장스팬 춤이 깊은 데크와 같이 일체화 거동을 하는 경우 시공활하중을 1.5kN/m²로 적용할 수 있다.
데크의 처짐한계는 국내의 합성데크 설계기준(안) 및 해설(1998)에서는 L/180을, 국외의 AISI/SDI C-2017(2017, 미국)와 EN1994-1-1, BS5950-4(1994, 유럽)에서는 L/180 혹은 19(or 20)mm중 작은 값으로 제시하고 있다. 국내 기준은 처짐한계를 L/180로만 제시하고 스팬이 3.6m를 초과할 경우 처짐 한계값 20mm를 초과하여 8m 장스팬의 경우 허용처짐을 과다하게 평가할 수 있다. 따라서, 장스팬 춤이 깊은 데크의 시공시 처짐한계로 L/180 혹은 20mm중 작은 값으로 평가하였다.
(2) 춤이 깊은 데크의 형상제안 및 성능분석
AISI S100-16과 EN 1993-1-3(2009) 기준으로 유효단면을 산정하여 단면의 효율성을 분석한 결과 상부플랜지의 단부가 높은 500x270-C 형상이 다른 형상과 비교하여 두께 1.1mm의 경우 2%~13%, 1.4mm의 경우 3%~18% 높게 나타났으며, 토핑 콘크리트 100mm 적용시 최대스팬 7.7~8.7m에 적용 가능한 것으로 나타났다.
스팬 6m와 4m에 대한 휨실험을 진행한 결과 공칭휨강도에 대비하여 6m의 경우 92~96%, 4m의 경우 97~99%의 수준의 휨강도를 보였다. 휨실험 결과를 이용하여 휨강성에 대한 분석 결과 6m 스팬 실험체의 휨강성은 전단면에 대한 휨강성 및 유효단면의 휨강성 사이에 분포하고 있고 4m 스팬 실험체의 휨강성은 전단에 대한 영향이 증가하여 유효단면의 휨강성 이하로 나타났다.
전단스팬 300mm, 600mm 실험체의 전단실험을 진행한 결과 데크의 전단좌굴계수는 13.7~30.1로 나타났으며, 이는 평판의 전단좌굴계수인 5.34를 크게 상회하는 값을 보였다. 웨브에 절곡이 있는 데크의 전단좌굴계수를 산정하기 위하여 EN 1993-1-5 Annex A의 제안식을 적용하여 보수적으로 전단강도를 평가할 수 있었다.
(3) 실대구조물의 MOCK-UP 실험
신형상 데크에 대한 시공 중 데크의 처짐성능을 검증하기 위하여 실대구조물의 MOCK-UP 실험을 진행하였다. 데크의 두께, 적용 스팬, 동바리 설치조건을 변수로 모래재하 실험과 콘크리트 타설실험을 진행하였으며, 데크의 처짐값을 데크의 유효단면2차모멘트를 적용하여 산정한 예상처짐값과 비교하고 데크의 변형률 게이지값을 분석하였다. 실험결과 재하 초기단계에서 상대적으로 큰 처짐이 발생하였으며, 최종단계 하중에서 6.6m 스팬(순스팬 6.1m)의 경우 모래재하 실험과 콘크리트 타설실험에서 예상처짐 대비 각각 1.25배와 1.29배 큰 처짐이 발생하였고, 8.4m 스팬(순스팬 7.9m)의 경우 각각 1.02배와 1.2배 큰 처짐이 발생하였다. 데크에 발생하는 처짐은 스팬의 1/180 이하로, 데크에 초기 캠버값을 도입하여 최종 처짐 발생량을 제어할 수 있었다. 변형률 계측결과 토핑 콘크리트 130mm의 최종하중 단계에서도 데크는 탄성상태에 있는 것으로 나타났다.