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문제 정의
- 한편, 용접길이 30mm 이상에서는 뚜렷한 강도의 증가가 보이지 않았다. 따라서 본 연구에서는 용접길이를 40mm이상 확보한 조건으로 전단연결재의 길이에 따른 전단성능을 실험적으로 검증하고 BEASTOBEAM의 전단 강도 설계식을 개선하여 제시하였다.
제안 방법
- BESTOBEAM 전단연결재의 전단성능을 평가하기 위하여 Push-out 실험을 수행하였다. 실험체 형상은 Fig.
- BESTOBEAM의 전단연결재 길이와 콘크리트 강도에 따른 전단 성능에 대해 실험적으로 측정하고 설계식을 제안 하였으며 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다.
- 제안식을 통해 계산된 전단연결재의 강도와 실험에서 측정된 강도를 비교하여 Table 5에 정리하였다. P10, P16, P22 실험체는 이전 연구[13]에서 사용된 실험체이며 앵글의 크기에 따른 강도를 알아보기 위해 비교되었다.
- U-Beam 코어는 콘크리트 슬래브 보다 상부로 100mm 돌출되어 있으며 이 코어에 하중을 가력하고 LVDT를 이용해 변위를 측정하였다.
- 7에 각 실험 변수에 따른 실험체의 거동을 그래프로 비교하였다. 각 실험체 군에서 첫 번째 실험체의 거동을 비교하였다. Fig.
- 합성부재에 가장 널리 사용되는 재료는 콘크리트와 강재이다. 경제적이며 사용성이 좋은 콘크리트의 장점과 고강도이며 시공성이 좋은 강재의 장점을 조합하여 합성보와 합성기둥을 제작한다. 콘크리트-강재 합성부재는 이종 재료간의 합성효과를 어떻게 이끌어 내느냐에 따라 매우 다양한 상세가 개발되어 있다[1],[2],[3].
- 이번 연구에 사용된 Push-out 실험체의 형상은 일반적으로 사용되는 실험체와 형상이 다르다. 따라서 스터드를 전단연결재로 사용한 실험체의 결과값과 강구조 설계기준에서 제시하는 강도식으로 산정한 값의 비교를 통해 실험의 적절 성을 평가하였다. 강구조 설계기준에서는 전단스터드의 강도를 다음과 같은 식으로 산정하도록 규정하고 있다.
- 실험 변수는 앵글 전단연결재의 길이와 콘크리트의 강도이다. 양 측 50mm씩 용접된 부분을 제외하고 순수한 경간 으로 길이를 측정하였고 BESTO Width라고 명명 하였다. BESTO Width는 250mm, 300mm, 350mm, 400mm 이며 콘크리트 강도는 24MPa와 30MPa를 사용하였다.
- BESTO Width는 250mm, 300mm, 350mm, 400mm 이며 콘크리트 강도는 24MPa와 30MPa를 사용하였다. 전단연결 재로 Stud를 사용한 실험체도 제작하여 성능을 비교하였다. Stud는 지름 16mm이며 200mm 간격으로 총 16개가 설치되었다.
- 모든 실험체는 콘크리트 슬래브와 U-beam 코어의 사이에 슬립이 발생하여 하중이 감소되었으며 콘크리트 슬래브의 뚜렷한 균열은 관측되지 않았다. 최대하중의 70% 이하로 떨어졌을 때 실험을 중지하였으며, 가력기에서 측정된 하중을 전단연결재의 개수로 나눠 전단연결재 한 개의 강도를 비교하였다.
- 4에 나타내었다. 콘크리트와 강재의 마찰력을 최소화하기 위해 U-Beam의 깊이를 30mm로 낮춘 형태의 코어에 전단연결 재를 용접하여 부착하고 콘크리트로 슬래브를 만들었다. 편심을 방지하기 위해 대칭 형태로 제작하였다.
- 콘크리트와 강재의 마찰력을 최소화하기 위해 U-Beam의 깊이를 30mm로 낮춘 형태의 코어에 전단연결 재를 용접하여 부착하고 콘크리트로 슬래브를 만들었다. 편심을 방지하기 위해 대칭 형태로 제작하였다. 전단연결재의 간격은 300mm이며 코어 한 면에 세 개씩 총 여섯 개가 설치되었다.
대상 데이터
- 양 측 50mm씩 용접된 부분을 제외하고 순수한 경간 으로 길이를 측정하였고 BESTO Width라고 명명 하였다. BESTO Width는 250mm, 300mm, 350mm, 400mm 이며 콘크리트 강도는 24MPa와 30MPa를 사용하였다. 전단연결 재로 Stud를 사용한 실험체도 제작하여 성능을 비교하였다.
- Stud는 지름 16mm이며 200mm 간격으로 총 16개가 설치되었다. Stud 실험체의 경우 U-Beam 코어의 너비는 300mm로 제작하였다. 같은 변수의 실험체를 세 개씩 제작하여 총 18개의 실험체에 대해 실험을 수행하였으며 Table 1에 실험 체와 변수에 대해 정리하였다.
- 전단연결 재로 Stud를 사용한 실험체도 제작하여 성능을 비교하였다. Stud는 지름 16mm이며 200mm 간격으로 총 16개가 설치되었다. Stud 실험체의 경우 U-Beam 코어의 너비는 300mm로 제작하였다.
- U-Beam 코어에는 6mm, 전단연결재에는 5mm 두께의 강판이 사용되었으며 콘크리트 슬래브에는 D10 철근이 사용되었다. 각 재료의 물성치는 Table 2에 정리하였다.
- 실험 변수는 앵글 전단연결재의 길이와 콘크리트의 강도이다. 양 측 50mm씩 용접된 부분을 제외하고 순수한 경간 으로 길이를 측정하였고 BESTO Width라고 명명 하였다.
성능/효과
- (1) 전단연결재의 길이가 길어질수록 전단 강도는 낮아졌다. BESTOBEAM의 전단연결재는 양단이 고정된 보와 같은 거동을 보이므로 길이가 길어질수록 강도는 저감된 다.
- (3) 콘크리트 강도가 24MPa에서 30MPa로 증가할 경우 전단강도는 약 12% 증가하였고 연성능력은 21%정도 감소하였다. 전단강도 설계식에도 콘크리트의 강도가 고려 되어 있으며 두 가지 콘크리트 강도에 대해 계산된 값과 실제 값이 최대 7% 오차범위 이내에서 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 전단연결재의 길이가 길어질수록 연성능력은 향상되었다. 이번 연구에서는 BESTO width가 350mm인 실험체의 경우 연성능력이 저하되는 경향성을 보였는데, 이는 추가적인 연구를 통해 입증할 필요가 있다.
- BESTOBEAM의 전단연결재는 양단이 고정된 보와 같은 거동을 보이므로 길이가 길어질수록 강도는 저감된 다. BESTO Width가 50mm 길어질수록 전단연결재의 강도는 약 8%씩 줄어들었다.
- 약 2mm정도의 초기 변형 이후 콘크리트 슬래브와 U-beam 코어가 미끄러지면서 앵글 전단연결재의 거동을 확인할 수 있다. BESTO Width의 길이가 길어질수록 강성과 강도가 감소하는 경향을 확인할 수 있으며 연성은 증가하는 경향을 보인다.
- (4) Eurocode 4에서는 앵글을 전단연결재로 사용한 경우의 전단 강도 설계식을 제시하고 있다. BESTOBEAM의 실험결과를 반영하여 Eurocode 4의 설계식을 수정하였고 수정된 설계식을 이용해 계산된 전단강도는 실험값과 10% 오차 범위 이내에서 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 설계식을 BESTOBEAM의 전단연결재 설계에 활용할 수 있을것으로 판단된다.
- Table 3은 각 실험체 별 실험 결과를 정리한 것이다. 각 변수 별로 세 개 실험체의 성능이 측정되었으며 각 실험체군의 표준편차는 10% 이내로 Eurocode 4에서 정하는 제한을 만족한다. 각 실험체군의 대표 성능을 Eurocode 4에서 정의한 방법으로 계산하여 PRk와 δuk로 나타내었다.
- 이전 연구[9]에서 앵글 전단연결재는 양단고정보와 같은 변형 형상을 보였다. 그러므로 전단연결재의 길이가 길어질수록 전단성능은 감소될 것으로 예측되었고 실험결과도 이와 같았다.
- 1kN)과 실험값은 10% 이내의 오차로 실험값을 예측하였다. 따라서 본 Push-out 실험체는 기존의 실험체처럼 전단연결재의 전단강도를 측정하는데 적절한 것으로 판단된다.
- 모든 실험체는 콘크리트 슬래브와 U-beam 코어의 사이에 슬립이 발생하여 하중이 감소되었으며 콘크리트 슬래브의 뚜렷한 균열은 관측되지 않았다. 최대하중의 70% 이하로 떨어졌을 때 실험을 중지하였으며, 가력기에서 측정된 하중을 전단연결재의 개수로 나눠 전단연결재 한 개의 강도를 비교하였다.
- (3) 콘크리트 강도가 24MPa에서 30MPa로 증가할 경우 전단강도는 약 12% 증가하였고 연성능력은 21%정도 감소하였다. 전단강도 설계식에도 콘크리트의 강도가 고려 되어 있으며 두 가지 콘크리트 강도에 대해 계산된 값과 실제 값이 최대 7% 오차범위 이내에서 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 제한된 실험을 통해 확인할 결과이므로 추가적인 연구가 필요하다.
후속연구
- 전단강도 설계식에도 콘크리트의 강도가 고려 되어 있으며 두 가지 콘크리트 강도에 대해 계산된 값과 실제 값이 최대 7% 오차범위 이내에서 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 제한된 실험을 통해 확인할 결과이므로 추가적인 연구가 필요하다.
- BESTOBEAM의 실험결과를 반영하여 Eurocode 4의 설계식을 수정하였고 수정된 설계식을 이용해 계산된 전단강도는 실험값과 10% 오차 범위 이내에서 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 설계식을 BESTOBEAM의 전단연결재 설계에 활용할 수 있을것으로 판단된다.
- 2) 전단연결재의 길이가 길어질수록 연성능력은 향상되었다. 이번 연구에서는 BESTO width가 350mm인 실험체의 경우 연성능력이 저하되는 경향성을 보였는데, 이는 추가적인 연구를 통해 입증할 필요가 있다. Eurocode 4 에서는 연성능력이 6mm이상이면 연성적인 전단연결재로 규정하고 있다.
- 하지만 BESTOBEAM의 전단연결재는 Fig. 3과 같이 양단이 고정된 보와 같은 거동을 보였으며 전단연결재의 길이에 따른 성능의 변화도 고려되어야 할 것으로 판단되었다. 한편, 용접길이 30mm 이상에서는 뚜렷한 강도의 증가가 보이지 않았다.
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