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문제 정의
- 본 연구에 앞서 수행한 유공판재형 전단연결재와 스터드형 전단연결재의 수평전단저항 성능을 비교한 실험결과에 따르면 유공판재형 전단연결재가 강-콘크리트 합성 바닥판에 효과적으로 적용될 수 있는 것으로 검토되었다(Kim 등, 2005). 따라서 본 연구에서는 강-콘크리트 합성 바닥판에 적용할 수 있는 전단합성효과가 우수한 유공판재형 전단 연결재를 설계하고 그 성능을 파악하기 위하여 Eurocode 4(CEN, 2002)에 규정된 전단연결재 성능실험 방법과 유사한 방법을 적용하여 전단실험을 실시하였고 실험결과를 본 논문에 기술하였다.
- 본 연구에서는 유공판재형 전단연결재에 형성되는 홀 간격을 홀 직경(D)의 1.5배에서 3배까지 변화시켜 홀 간격이 수평전단성능이 미치는 영향을 검토하고자 하였으나, 실험결과에 따르면 홀 간격에 따른 전단성능의 차이는 크게 발생하지 않았다. 표 3에 나타낸 선단지지력을 제외한 PT-4B(3홀), PT-2B(4홀), PT-3A(5홀) 실험체의 콘크리트 다웰 1개당 전단지지력은 각각 66.
제안 방법
- 유공판재형 전단연결재와 관련된 기존 연구(Zellner, 1987; Oguejiofor 등, 1994; Valente 등, 2004)에 따르면 전단연결 재의 성능을 지배하는 인자는 홀 간격, 홀 위치, 홀 관통철근배근으로 알려져 있다. 또한, 기존 연구결과를 고찰한 결과 최대 전단합성 성능을 발휘하는 유공판재형 전단연결재홀 직경이 전단연결재 높이의 약 0.45배 정도로 알려져 있고, 강-콘크리트 합성 바닥판을 구성하는 수직보강재의 높이가 119 mm이므로 본 연구에서는 홀 직경을 50 mm로 설정하였다. 본 연구에서는 유공판재형 전단연결재의 홀 간격, 홀 위치 및 홀 관통 철근 유무를 실험변수로 설정하였다.
- 5배에서 3배까지 변화시켰다. 반면에 PT-1 실험체에는 유공판재형 전단연결재와 제원은 같으나 홀이 가공되지 않은 전단연결재를 적용하여 선단지지영향 및 무공판재형 전단연결재의 전단성능을 확인할 수 있도록 계획하였다. PT-5 실험체의 경우 다른 실험체와 다르게 홀의 위치를 수직방향으로 낮게 설치하였고, PT6 실험체에 대해서는 콘크리트 다웰을 보강시키고 시키고 단부 앵커(End Anchorage) 작용을 도모하기 위하여 실험체 최하단 홀 2개에 길이가 200 mm인 H16 철근을 관통시켜 삽입하였다.
- 본 연구에서 설정한 실험변수별 실험체의 거동을 정량적으로 분석하기에는 실험체 수량 및 데이터가 다소 부족하다고 판단되나, 제한적 범위 내에서 실시된 본 실험의 결과를 각 실험변수별로 분석하였다. 측정된 실험결과의 정량적 비교를 위하여 각 실험변수에 따른 실험체 2기중에서 실험결과 다른 실험체와 유사한 균열양상 및 파괴모드를 갖는 실험체 1기만에 대한 하중-상대슬립 측정결과를 이용하였다.
- 45배 정도로 알려져 있고, 강-콘크리트 합성 바닥판을 구성하는 수직보강재의 높이가 119 mm이므로 본 연구에서는 홀 직경을 50 mm로 설정하였다. 본 연구에서는 유공판재형 전단연결재의 홀 간격, 홀 위치 및 홀 관통 철근 유무를 실험변수로 설정하였다.
- 유공판재형 전단연결재의 형상 및 상세에 따른 수평전단저항 성능의 차이를 파악하기 위하여 Eurocode 4(CEN, 2002)에 규정된 방법과 유사한 방법으로 수직전단 실험을 실시하였다.
- 콘크리트는 치기 후 4시간 동안 20oC에서 초기 경화를 유도한 다음 60oC에서 7시간동안 증기양생을 실시하였다. 증기양생이 완료된 후 5일 동안 양생포를 이용하여 추가 양생하고 총 30일 양생후 실험을 실시하였다. 그림 6은 제작이 완료된 전단 실험체 전체를 보여주고 있다.
- 본 연구에서 설정한 실험변수별 실험체의 거동을 정량적으로 분석하기에는 실험체 수량 및 데이터가 다소 부족하다고 판단되나, 제한적 범위 내에서 실시된 본 실험의 결과를 각 실험변수별로 분석하였다. 측정된 실험결과의 정량적 비교를 위하여 각 실험변수에 따른 실험체 2기중에서 실험결과 다른 실험체와 유사한 균열양상 및 파괴모드를 갖는 실험체 1기만에 대한 하중-상대슬립 측정결과를 이용하였다.
- 한편, 절곡강판과 콘크리트의 부착력을 최소화하고 유공판 재형 전단연결재의 전단저항 성능만을 측정하기 위해서 콘크리트 치기 이전 절곡강판 표면에 탈형제와 그리스를 1:1로 혼합하여 도포하였다. 콘크리트는 치기 후 4시간 동안 20oC에서 초기 경화를 유도한 다음 60oC에서 7시간동안 증기양생을 실시하였다. 증기양생이 완료된 후 5일 동안 양생포를 이용하여 추가 양생하고 총 30일 양생후 실험을 실시하였다.
- 표 1에 나타낸 바와 같이 실험변수에 따른 실험체의 종류는 총 6가지이며, 각 종류별로 2개씩 총 12개의 실험체를제작하였다. 특히, 홀 간격이 수평전단 성능을 지배할 것으로 예상되어 홀 간격을 홀 직경(D)의 1.5배에서 3배까지 변화시켰다. 반면에 PT-1 실험체에는 유공판재형 전단연결재와 제원은 같으나 홀이 가공되지 않은 전단연결재를 적용하여 선단지지영향 및 무공판재형 전단연결재의 전단성능을 확인할 수 있도록 계획하였다.
- 실험체 하단에는 두께 20 mm Neoprene패드를 설치하여 부등응력에 의한 콘크리트 파괴를 최소화 하였다. 하중은 수직방향으로 정적하중을 재하 하였 으며, 재하방법은 200 kN까지는 하중제어방법(Load Control) 을 이용하여 10 kN/min의 속도로 재하 하였으며, 이후 상대 슬립량 5 mm까지는 0.01 mm/sec, 상대슬립량 30 mm까지는 0.02 mm/sec의 재하속도로 변위제어(Displacement Control) 방법으로 가력하였다.
- 한편, 절곡강판과 콘크리트의 부착력을 최소화하고 유공판 재형 전단연결재의 전단저항 성능만을 측정하기 위해서 콘크리트 치기 이전 절곡강판 표면에 탈형제와 그리스를 1:1로 혼합하여 도포하였다. 콘크리트는 치기 후 4시간 동안 20oC에서 초기 경화를 유도한 다음 60oC에서 7시간동안 증기양생을 실시하였다.
대상 데이터
- 그림 1에는 본 연구에 앞서 수행한 연구(한국건설기술연구원, 2004)에서 강상자형교를 대상으로 개발하고 있는 고강성강-콘크리트 합성 바닥판의 형상을 나타내었으며, 바닥판 구조는 절곡강판, 수직보강재, 압축철근, 콘크리트로 구성되어 있다. 강-콘크리트 합성 구조에 일반적으로 적용되는 전단연결재는 스터드(Headed Stud)이나 그림 2에 나타낸 바와 같이 제안된 바닥판에 적용되는 강판은 두께가 6 mm이므로 강판두께에 비하여 직경이 큰 기존 스터드 전단연결재를 적용하는 경우 제작시 용접변형 또는 공용중 피로 등에 문제가 발생할 수 있으며, 직경이 작은 스터드 전단연결재를 적용할 경우 소요 전단저항 성능을 얻기 위해서는 많은 수량의 스터드가 필요하게 된다.
- 실험체 길이방향 및 길이 직각방향으로 배근된 구속철근은 항복강도 400 MPa인 H19와 H16을 사용하였으며, 그림 5(b)에 나타낸 것과 같이 실험체 하단 콘크리트에는 간격 100×100 mm 와이어 매쉬를 배치하여 재 하시 지압응력에 의한 콘크리트 하부의 파괴를 최소화하였다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트는 굵은 골재 최대 치수 25 mm, 슬럼프 120 mm, 압축강도 30 MPa인 콘크리트를 사용하였다. 절곡강판 및 전단연결재는 두께가 6 mm이고 항복 강도가 245 MPa 강종 SS400 강판을 사용하였고, 전단연결재의 홀은 플라즈마(Plasma Jet)로 가공하였다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트는 굵은 골재 최대 치수 25 mm, 슬럼프 120 mm, 압축강도 30 MPa인 콘크리트를 사용하였다. 절곡강판 및 전단연결재는 두께가 6 mm이고 항복 강도가 245 MPa 강종 SS400 강판을 사용하였고, 전단연결재의 홀은 플라즈마(Plasma Jet)로 가공하였다. 사용강판의 인장강도시험 결과에 따르면 인장강도는 368 MPa, 극한강도는 488 MPa이었다.
- 표 1에 나타낸 바와 같이 실험변수에 따른 실험체의 종류는 총 6가지이며, 각 종류별로 2개씩 총 12개의 실험체를제작하였다. 특히, 홀 간격이 수평전단 성능을 지배할 것으로 예상되어 홀 간격을 홀 직경(D)의 1.
성능/효과
- 1. 유공판재형 전단연결재는 무공판재형 수직보강재에 비해약 180% 정도 높은 수평전단저항 성능을 나타내었으며, 그 차이는 유공판재형 전단연결재에 형성된 콘크리트 다웰 작용의 영향으로 판단된다.
- 2. 본 연구에서 수행한 실험의 결과를 고려할 때 유공판재형 전단연결재에 형성되는 홀 간격은 홀 직경의 약 2배가 적절할 것으로 판단되며, 실험결과에 따르면 홀 간격이 더 조밀하여도 수평전단저항 성능에는 큰 차이가 없었다. 그러나 콘크리트 다웰 작용에 대한 정확한 이해를 위해서는 보다 면밀한 역학적 검토가 이루어져야 하며, 전단저항 성능에 미치는 홀 간격의 영향을 정확하게 검토하기 위해서는 최소한 3개 이상의 실험체에 대한 실험결과를 분석하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 3. 유공판재형 전단연결재에 형성되는 홀의 수직위치에 따른 수평전단저항 성능의 차이는 크지 않으나, 콘크리트 다웰을 강판과 콘크리트 경계면에 근접시키는 것이 수평전단 저항 성능면에서 유리한 것으로 판단된다.
- 4. 유공판재형 전단연결재에 형성된 홀을 관통하는 철근의 영향은 비교적 뚜렷하게 나타났으며, 수평전단저항 성능을 15%이상 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서 유공판재형 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰의 성능을 증가시키고 합성단면에 단부 앵커(End Anchorage)를 제공하기 위하여관통 철근을 배근하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 그림에서 알 수 있듯이 홀 간격과 상관없이 유공판재형 전단연결재는 무공판재형 전단연결재에 비하여 약 180%의 전단저항 성능을 보여주고 있다. 결과적으로 콘크리트 다웰의 영향이 수직전단저항 성능에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 그림 11에는 수직방향 홀 위치에 따른 전단저항성능을 검토하기 위하여 실험체 PT-2B와 PT-5B의 하중-상대슬립 거동을 나타내었다. 두 실험체의 하중-상대슬립 거동 상에 큰 차이는 없었으나, 실험결과에 따르면 실험체 PT-2B에 비하여 홀의 위치가 수직방향으로 낮게 설치된 실험체 PT-5B의 전단저항성능이 비교적 크게 나타났다. 전단 실험체에 작용 하는 전단응력은 절곡강판과 콘크리트 경계면(Interface)에서 가장 크게 분포하게 되므로 유공판재형 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰이 절곡강판에 근접할수록 전단저항 성능이 크게 발휘되는 것으로 판단된다.
- 전단 실험체에 작용 하는 전단응력은 절곡강판과 콘크리트 경계면(Interface)에서 가장 크게 분포하게 되므로 유공판재형 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰이 절곡강판에 근접할수록 전단저항 성능이 크게 발휘되는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 실험결과에 따르면 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰의 위치는 전단연결재 중앙보다는 강판과 콘크리트 경계면에 근접하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 절곡강판 및 전단연결재는 두께가 6 mm이고 항복 강도가 245 MPa 강종 SS400 강판을 사용하였고, 전단연결재의 홀은 플라즈마(Plasma Jet)로 가공하였다. 사용강판의 인장강도시험 결과에 따르면 인장강도는 368 MPa, 극한강도는 488 MPa이었다. 실험체 길이방향 및 길이 직각방향으로 배근된 구속철근은 항복강도 400 MPa인 H19와 H16을 사용하였으며, 그림 5(b)에 나타낸 것과 같이 실험체 하단 콘크리트에는 간격 100×100 mm 와이어 매쉬를 배치하여 재 하시 지압응력에 의한 콘크리트 하부의 파괴를 최소화하였다.
- 실험체의 거동은 최대하중에 도달 전까지는 상대슬립량에 비해 하중이 급격히 증가하고 최대 하중 이후에는 연화 현상을 나타내었다. 상대슬립이 15 mm이상 발생된 후 PT-1A 실험체의 하중-상대슬립 거동은 PT2B, PT-3A, PT-4B 실험체와 유사한 것으로 나타났다.
- 그림 12에는 유공판재형 전단연결재에 형성된 홀을 관통 하는 철근의 영향을 검토하기 위하여 실험체 PT-2B와 PT6A의 하중-상대슬립 거동을 나타내었다. 실험결과에 따르면 최대 하중에 미치는 관통 철근의 영향은 비교적 뚜렷하며, 관통 철근은 유공판재형 전단연결재의 수평전단저항 성능을 15%이상 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서 유공판재형 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰의 성능을 증가시키고 합성단면에 단부 앵커(End Anchorage)를 제공하기 위하여 관통 철근을 배근하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 선단지지력이 상실된 이후에는 전단연결재에 형성된 콘크리트 다웰 작용과 마찰력에 의해서만 수평전단력에 저항한 것으로 판단된다. 실험체의 거동은 최대하중에 도달 전까지는 상대슬립량에 비해 하중이 급격히 증가하고 최대 하중 이후에는 연화 현상을 나타내었다. 상대슬립이 15 mm이상 발생된 후 PT-1A 실험체의 하중-상대슬립 거동은 PT2B, PT-3A, PT-4B 실험체와 유사한 것으로 나타났다.
- 본 실험의 결과만으로 그 원인을 명확하게 설명할 수는 없으나 홀의 간격이 일정한 값보다 작아지는 경우 전체 전단저항력에는 큰 영향이 없는 것 판단된다. 제한된 범위에서 수행된 본 연구에 따르면 유공판재형 전단 연결재의 홀 간격은 2.0D가 적절할 것으로 판단된다. 그러나 본 실험의 결과만으로 전단저항 성능에 미치는 홀 간격의 영향을 보다 명확하게 분석하는데는 무리가 있다고 판단되므로 콘크리트 다웰 작용에 대한 보다 면밀한 역학적 분석이 필요하다고 판단된다.
- 5배에서 3배까지 변화시켜 홀 간격이 수평전단성능이 미치는 영향을 검토하고자 하였으나, 실험결과에 따르면 홀 간격에 따른 전단성능의 차이는 크게 발생하지 않았다. 표 3에 나타낸 선단지지력을 제외한 PT-4B(3홀), PT-2B(4홀), PT-3A(5홀) 실험체의 콘크리트 다웰 1개당 전단지지력은 각각 66.0 kN, 50.5 kN, 36.8 kN로 파악되어 홀 간격이 작아질수록 콘크리트 다웰의 전단저항력은 상대적으로 감소하는 경향을 뚜렷하게 나타내었다. 홀 간격에 의한 최대 하중변화는 뚜렷하지 않았으나 PT-3A를 제외하면 홀 간격이 클수록 동일 하중에 대하여 상대슬립이 크게 발생함을 알 수 있었다.
- 8 kN로 파악되어 홀 간격이 작아질수록 콘크리트 다웰의 전단저항력은 상대적으로 감소하는 경향을 뚜렷하게 나타내었다. 홀 간격에 의한 최대 하중변화는 뚜렷하지 않았으나 PT-3A를 제외하면 홀 간격이 클수록 동일 하중에 대하여 상대슬립이 크게 발생함을 알 수 있었다. 본 실험의 결과만으로 그 원인을 명확하게 설명할 수는 없으나 홀의 간격이 일정한 값보다 작아지는 경우 전체 전단저항력에는 큰 영향이 없는 것 판단된다.
후속연구
- 5. 본 연구에서는 전단실험체를 대상으로 유공판재형 전단연결재의 성능을 검토하였으나, 향후 연구에서는 휨과 전단 력을 동시에 받는 강-콘크리트 합성 바닥판 실험체에 대한 수평전단성능 검증 실험이 필요할 것으로 판단된다.
- 0D가 적절할 것으로 판단된다. 그러나 본 실험의 결과만으로 전단저항 성능에 미치는 홀 간격의 영향을 보다 명확하게 분석하는데는 무리가 있다고 판단되므로 콘크리트 다웰 작용에 대한 보다 면밀한 역학적 분석이 필요하다고 판단된다.
- 본 연구에서 수행한 실험의 결과를 고려할 때 유공판재형 전단연결재에 형성되는 홀 간격은 홀 직경의 약 2배가 적절할 것으로 판단되며, 실험결과에 따르면 홀 간격이 더 조밀하여도 수평전단저항 성능에는 큰 차이가 없었다. 그러나 콘크리트 다웰 작용에 대한 정확한 이해를 위해서는 보다 면밀한 역학적 검토가 이루어져야 하며, 전단저항 성능에 미치는 홀 간격의 영향을 정확하게 검토하기 위해서는 최소한 3개 이상의 실험체에 대한 실험결과를 분석하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 표 3에 나타낸 ‘경험적인 제안 값’은 강부재가 완전하게 콘크리트에 매입된 경우 강-콘크리트 합성 압축부재에 적용하는 전단연결재의 경험적인 설계전단강도 값이다. 기존 연구들은 물론 본 연구의 실험이 제한된 범위에서 수행되었기 때문에 유공판재형 전단연결재의 수평 설계전단강도를 산정할 수 있는 경험식을 제안하지는 못하였으나, 향후 다양한 실험변수를 적용하여 유공판재형 전단연결재에 대한 전단연결실험 결과를 확보할 수 있다면 설계자가 활용할 수 있는 경험식을 제안할 수 있을 것으로 기대된다.
- 실험결과에 따르면 최대 하중에 미치는 관통 철근의 영향은 비교적 뚜렷하며, 관통 철근은 유공판재형 전단연결재의 수평전단저항 성능을 15%이상 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서 유공판재형 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰의 성능을 증가시키고 합성단면에 단부 앵커(End Anchorage)를 제공하기 위하여 관통 철근을 배근하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 실험결과에 따르면 최대 하중에 미치는 관통 철근의 영향은 비교적 뚜렷하며, 관통 철근은 유공판재형 전단연결재의 수평전단저항 성능을 15%이상 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서 유공판재형 전단연결재에 형성되는 콘크리트 다웰의 성능을 증가시키고 합성단면에 단부 앵커(End Anchorage)를 제공하기 위하여 관통 철근을 배근하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
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