수많은 건설 신공법들이 개발되고 있음에도 재래식거푸집 및 철근콘크리트 공법은 우수한 경제성과 오랜 기간 축적된 기술력을 바탕으로 여전히 국내·외 건설현장에서 경쟁력 있는 공법으로 활용되고 있다. 철근콘크리트 보 및 슬래브의 제작에는 합판거푸집과 철재 패널폼이 주로 사용되고 있다. 이와 같은 재래식거푸집은 추가적인 기계장비가 필요하지 않고 다양한 평면에 적용할 수 있다는 장점이 있으나, 최근 국내 건설시장에서는 가파른 임금상승으로 인하여 재래식거푸집의 설치비용이 크게 증가하고 있는 추세이다. 특히, 수평부재의 경우 거푸집의 가설재가 많이 사용되기 때문에 거푸집의 설치에 소요되는 노무비를 포함한 가설비용이 기하급수적으로 증가하여 경제성이 크게 떨어지고 있다. 또한, 거푸집 해체 및 재사용 과정에서 거푸집 자재들의 정리가 이루어지지 않아 현장의 공간관리에 어려움이 있으며, 훼손된 합판 및 가설재와 같은 폐건축자재가 다량 발생하여 환경적인 측면에서도 큰 문제를 야기하고 있는 실정이다. 기존 재래식거푸집 공법은 거푸집의 설치 및 해체 과정에서 거푸집 탈락 및 붕괴에 의한 안전사고에 노출되어 있는 경우가 많다.
이 연구에서는 기존의 철근콘크리트 수평부재 제작과정의 문제점을 해결하기 위해 강재 영구거푸집을 적용한 수평부재 시스템을 개발하였으며, 개발 부재는 강재 영구거푸집 보(Steel permanent formwork beam) 및 춤이 깊은 데크플레이트(Double deck plate, D-deck)로 구성되어 있다. 강재 영구거푸집을 적용한 수평부재 시스템은 용융아연도금강판 모듈을 영구거푸집으로 사용하여 기존 시스템 대비 폐건축자재를 크게 절감할 수 있는 친환경 및 경제성을 확보할 수 있는 철근콘크리트 수평부재이다. 거푸집과 수평부재에 배근되는 철근은 공장에서 조립되며, 현장에 운반 및 설치된 후 콘크리트를 타설하는 과정으로 제작된다. 따라서, 현장 거푸집 제작이 불필요하며, 가설재가 최소화됨으로써 현장관리가 용이한 시공 편의적인 기술이다. 재래식거푸집과 비교하여 거푸집 설치, 철근 배근 및 거푸집해체 작업 등이 생략되기 때문에 노무비 절감을 통한 경제성 확보와 동시에 공기절감의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 개발 철근콘크리트 수평부재는 영구적으로 존치되기 때문에 설치 및 해체 작업에서 발생하는 현장 내, 소음, 분진 및 목재, 철물 등의 폐건축자재를 대폭 감소시킬 수 있는 친환경적인 기술이다.
ACI, ASCE, KDS 및 기존의 연구에서는 강재 영구거푸집 및 춤이 깊은 데크플레이트의 단면형상에 따른 거동에 대한 이론 및 계산식이 명확하게 제시되어 있지 않으며, 강재 영구거푸집과 데크플레이트에 사용되는 강재의 두께가 매우 얇기 때문에 간단한 계산식으로는 국부좌굴을 고려한 부재의 거동을 파악하기가 힘들다. 개발된 강재 영구거푸집을 적용한 수평부재 시스템의 구조성능을 검증하기 위해 실험적 및 해석적 연구를 수행하였다. 먼저, 콘크리트와 합성 전 시공단계에서 강재 영구거푸집과 D-deck에 작용하는 콘크리트의 타설측압과 영구거푸집 측면부에 작용하는 슬래브 타설하중에 대한 저항성능을 검증하기 위해 콘크리트 타설 실험을 수행하였다. 또한, 목업실험을 통해 강재 영구거푸집을 적용한 수평부재의 제작 시 발생할 수 있는 문제점을 파악하여 이를 보완하였다. 콘크리트와 합성 이후의 강재 영구거푸집 보와 D-deck 슬래브에 대한 강성 및 강도 등의 구조성능을 평가하기 휨 및 전단 성능실험을 수행하였다. 실험 결과를 기반으로 해석적 연구를 수행하여 실험의 신뢰성을 확보하였으며, 추가적인 변수해석을 수행하고 회귀분석을 통해 처짐식 및 휨 강도 산정식을 제안하였다.
강재 영구거푸집의 경우에는 거푸집 리브의 간격, 고정철물의 간격, 깊이 두께 및 하중을 변수로 해석적 연구를 수행하고 수평변형 및 수직처짐에 대한 회귀식을 도출하였으며, D-deck의 경우에는 D-deck의 두께, 춤의 깊이, 스팬, 동바리 간격 및 하중을 변수로 해석적 연구를 수행하고 수직처짐에 대한 회귀식을 제안하였다. 또한, 콘크리트 타설 이후 합성단계에서 D-deck 슬래브에 대하여 콘크리트와 D-deck 간의 부착-슬립 관계, 합성재 적용 유무를 변수로 휨 해석을 수행하고 이를 기반으로 휨 강도 산정식을 제안하였으며, 콘크리트 손상 소성 모델(Concrete damaged plasticity model)의 입력변수인 팽창각(Dilation angle), 점도(Viscosity) 등을 변수로 해석을 수행하여 개발 D-deck 슬래브 전단에 대한 유한요소 해석기법을 도출하였으며, 결론은 다음과 같다.

1. 강재 영구거푸집 보의 시공단계 하중에 대한 수직처짐 및 수평변형은 약 5 mm 이내로써 콘크리트의 하중 및 측압에 대한 우수한 저항성능을 나타내었다. 또한, 해석적 연구를 통하여 도출된 강재 영구거푸집 보의 시공단계 수평변형 산정식의 결정계수는 0.92로써 제안된 산정식이 강재 영구거푸집 보의 시공단계 수평변형을 매우 정확하게 예측하는 것으로 판단된다.

2. 데크플레이트의 시공단계 하중에 대한 수직처짐은 한계처짐값(L/180=39.4 mm, 19 mm)의 약 25% 수준인 5 mm로 나타났으며, 상부 및 하부 플랜지의 상대처짐은 약 1 mm, 수평변형(골 배부름)은 약 2 mm로써 데크플레이트의 시공단계 구조성능이 매우 우수한 것으로 판단된다. 또한, 해석적 연구를 통해 도출된 데크플레이트의 시공단계 수직처짐 산정식의 결정계수는 0.98로 나타나 제안 데크플레이트 수직처짐 산정식이 비교적 우수한 정확도를 확보한 것으로 판단되며, 산정식에 스팬의 길이 동바리 간격이 동시에 반영이 되어 있어 실무 등에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.

3. 강재 영구거푸집 보와 데크플레이트 슬래브의 합성단계 휨 성능은 공칭강도(RC 기준)를 60%~203% 상회하는 결과를 나타내었으며, 합성재를 배치한 실험체들의 경우에는 합성재를 배치하지 않은 실험체들과 비교하여 약 5%~16% 높은 휨 강도를 나타내었다. 또한, 항복변형률에 도달한 위치까지의 강재 영구거푸집과 데크플레이트를 인장저항요소로 간주한 휨 강도 산정방법은 강재 영구거푸집 보와 데크플레이트 슬래브 실험체들의 휨 강도를 안전측이면서도 정확하게 평가하였다.

4. 해석적 연구를 통하여 도출된 데크플레이트 슬래브의 합성도는 합성재를 배치하지 않은 경우에는 약 34%~43%의 합성도를 보였으며, 합성재를 배치하였을 경우에는 휨 성능이 다소 증진되어 약 45%~57%의 합성도을 나타내었다 또한, 부착강도, 데크플레이트의 두께 및 합성재의 배치유무를 변수로 제안한 데크플레이트 슬래브의 휨 강도 산정식의 결정계수는 약 0.97로써 제안식이 데크플레이트 슬래브의 휨 강도를 매우 정확히 평가하는 것으로 판단된다.

5. 강재 영구거푸집 보와 데크플레이트 슬래브의 합성단계 전단 성능은 공칭강도(RC 기준)를 약 40%~50% 상회하는 결과를 나타내었으며, 전단저항 요소별 기여분을 산정한 결과, 강재 영구거푸집 보와 데크플레이트의 전단기여분은 약 10%~35% 수준인 것으로 나타났다. 또한, 합성재를 배치함에 따라 약 2%~8% 높은 전단강도를 보였다.

6. 강재 영구거푸집 보와 데크플레이트 슬래브 설계 시에는 강재 영구거푸집과 데크플레이트를 구조저항요소로 간주하지 않지만, 이 연구에서의 실험결과를 기반으로 강재 영구거푸집과 데크플레이트의 휨 강도 기여분을 반영하여 설계함으로써 보다 경제적이고 효율적인 설계결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

Despite the development of numerous construction methods, conventional formwork and reinforced concrete methods based on economic feasibility and technology accumulation have still been used competitively at domestic and overseas construction sites. Materials such as plywood formwork and steel panel form are mainly used for reinforced concrete beams and slabs. The conventional formwork has advantages it does not require additional mechanical equipment and can be applied to various planes. However, in the domestic construction market, the installation cost of conventional formwork has significantly increased due to a steep rise in wages. Particularly in the case of horizontal members for which the temporary materials of formwork are mostly used, construction costs, including labor costs required to install formwork, have been increasing exponentially, resulting in a significant drop in economic feasibility. In addition, it is difficult to manage the site’s space because the formwork materials are disorganized when being disassembled and reused, and large amounts of waste construction materials such as damaged plywood and temporary materials cause drastic environmental problems. Moreover, conventional formwork construction workers are often exposed to safety hazards due to failures during the formwork installation and disassembling procedures.
Hence, this study developed a horizontal member system using a permanent formwork to address the problems of the existing reinforced concrete horizontal member production process. The proposed member system consists of a steel permanent formwork beam and a deep-deck plate slab. The horizontal member system applied with the steel permanent formwork is a reinforced concrete horizontal member that uses a hot-dipped galvanized steel sheet module as a permanent formwork and can thus further reduce waste construction materials compared to the existing system. The reinforcing bars to be placed in the formwork and horizontal member are assembled in the factory, transported, and installed at the site, and then concrete is poured. Therefore, on-site formwork production is unnecessary, and the quantity of temporary materials is minimized to facilitate on-site management. Unlike in the conventional formwork, formwork installation, reinforcement placement, and formwork dismantling procedures are omitted; therefore, reducing labor costs and shortening construction time is possible, increasing economic feasibility. In addition, the developed reinforced concrete horizontal member, which ensures permanent maintenance, is an eco-friendly technology capable of reducing noise, dust, and waste building materials such as wood and hardware generated from installation and disassembling work at the site.
Meanwhile, ACI(American Concrete Institute), ASCE(American Society of Civil Engineers), and previous studies do not present theories and calculation formulas for the behavior according to the cross-sectional shape of steel permanent formwork and deep deck plate, and it is difficult to identify the behavior of the member considering local buckling with a simple calculation formula because the steel used in the steel permanent formwork and deck plate is very thin. Therefore, experimental and analytical studies were conducted to verify the structural performance of the horizontal member system applied with the developed steel permanent formwork. First, a concrete pouring test was performed to verify the resistance performance to the slab placement load applied to the side of the permanent formwork and the lateral pressure of concrete placement acting on the steel permanent formwork and D-deck in the construction stage before composite with concrete. In addition, a mock-up test was carried out to identify problems that may arise in manufacturing horizontal members applied with permanent steel formwork and address them. Flexural and shear performance tests were also performed to evaluate the structural performance, such as stiffness and strength of the steel permanent formwork beam and D-deck slab after composite with concrete. Based on the test results, analytical research was conducted to secure the reliability of the test. An additional variable test was done, and deflection and flexural strength calculation equations were proposed via regression analysis.
In the case of the steel permanent formwork, analytical research was conducted using the formwork rib spacing, fixed hardware spacing, depth/thickness, and load as variables, and regression equations for horizontal deformation and vertical deflection were derived. In the case of the D-deck, analytical research was conducted with the thickness of the D-deck, depth, span, shore spacing, and load as variables, and a regression equation for vertical deflection was proposed. In addition, flexural analysis was performed using the presence of composite materials and the bond-slip relationship between concrete and D-deck for the D-deck slab in the composite stage after concrete placement, and a flexural strength equation was proposed based on the result. An analysis was performed with variables such as dilation angle and viscosity, the input variables of a concrete damaged plasticity model, and a finite element analysis method for the developed D-deck slab shear was derived. The study’s conclusions are as follows:

1. The vertical deflection and horizontal deformation of the steel permanent formwork beam under the load at the construction stage was less than 5 mm, indicating superior resistance to concrete load and lateral pressure. In addition, the coefficient of determination of the horizontal deformation calculation formula for the steel performant formwork beam construction derived from analytical research was 0.92, suggesting that the proposed equation predicts the horizontal deformation in the steel permanent formwork beam construction with a high level of accuracy.

2. The vertical deflection under the construction load of the deck plate was 5 mm, which is about 25% of the limit deflection value (L/180 = 39.4 mm, 19 mm). The relative deflection of the top and bottom flanges was about 1 mm, and the horizontal bulge deformation was about 2 mm. These results imply that the structural performance of the deck plate is excellent. Additionally, the vertical deflection equation''s coefficient of determination in the deck plate construction stage derived from the analysis research was 0.98, indicating that the proposed deck plate vertical deflection equation has secured a relatively high level of accuracy. And as the equation reflects both the span length and the shore spacing, it is expected to be widely used.

3. The flexural performance at the composite stage of the steel permanent formwork beam and the deck plate slab exceeded the nominal strength (based on RC) by 60% to 203%, and the flexural strength of specimens with composite materials placed was about 5% to 16% higher than that of specimens without composite materials. In addition, the flexural strength calculation method, which regarded the deck plate and steel permanent formwork up to the point of reaching the yield strain as tensile resistance elements, accurately evaluated the flexural strengths of the steel permanent formwork beam and deck plat slab specimens, and the results are on the safe side.

4. The composite rate of the deck plate slab derived from the analytical research was about 34% to 43% with no composite materials placed, while it was about 45% to 57% when composite materials were placed. In addition, the coefficient of determination of the flexural strength equation for the deck plate slab with the bond strength, the thickness of the deck plate, and the presence of composite materials as variables was about 0.97. This suggests the proposed equation accurately evaluates the flexural strength of the deck plate slab.

5. The shear performance in the composite stage of the steel permanent formwork beam and deck plate slab exceeded the nominal strength (based on RC) by about 40% to 50%. And the result of calculating contributions for each shear resistance element showed that the shear contribution of the steel permanent formwork beam and deck plate was about 10% to 35%. Also, when the composite material was placed, the shear strength increased by about 2% to 8%.

6. In the design of steel permanent formwork beams and deck plate slabs, the steel permanent formwork and the deck plate are not considered structural resistance elements. However, it is expected that if the flexural strength contribution of the steel permanent formwork and deck plate is reflected in the design process, more economical and efficient design results can be obtained.