2.1 실험변수

정모멘트에 대한 바닥판의 강도와 강성을 평가하기 위하여, 전형적인 4점 휨가력 실험을 계획하였다. 구조물의 경간과 설계하중에 따라 강재 데크의 형상과 상부 콘크리트의 두께, 하부 철근량을 결정한다. 실험계획은 순경간 7.2 m의 지하주차장 적용을 목표로 하였는데, 시공 과정에 CAP II는 동바리를 단부 1개소에 설치하고 CAP III는 동바리 없이 시공하중을 지지하도록 설계하였다.

실험변수는 Fig. 2의 강재 데크 형상 2가지와 각 강재 데크별 상부 콘크리트 두께 2가지로, 총 4개 강재 데크 합성바닥판 실험체를 제작하였다. 상부 콘크리트 두께 2가지는 지하주차장 일반층과 지붕층을 모사하여 결정하였다.

연구 목적이 강재 데크 합성 바닥판의 정모멘트에 대한 강도와 강성 평가이므로, 각 강재 데크 합성바닥판 실험체와 비교할 동일한 형상의 순수 철근콘크리트 장선바닥판도 제작하였다. 모두 8개 실험체로 구성하고 Table 1에 실험체별 설계 상세를 정리하였다. CAP II로 제작된 실험체 및 이와 비교할 순수 철근콘크리트 실험체를 CDII-series로, CAP III 실험체 및 비교 실험체를 CDIII-series로 표기하였다.

2.2 실험체 설계

각 실험체는 장선 3개로 구성하여, 장선이 반복되는 1방향 장선구조를 모사하였다. 따라서 CDII-series와 CDIII-series 폭은 각각 1,800 mm와 1,500 mm이다.

상부 콘크리트 두께는 CDII-series는 110 mm와 210 mm, CDIII-series는 120 mm와 180 mm로 설계하였다. 전단파괴를 방지하기 위하여 전단경간비가 4 이상으로, 순수 휨구간은 600 mm로 계획하였다. 실험체 전체 길이는 5,200 mm이다. CDII250- T110과 CDII250-T210 실험체 상세를 Fig. 3에 나타내었다.

콘크리트 압축강도는 휨강도에 큰 영향을 미치지 않기에, CDII-series는 24 MPa로 계획하였다. CDIII-series는 보다 긴 경간에 적용될 수 있기에 전단력이 크므로 50 MPa로 계획하였다.

Fig. 3 Details of specimens

하부 주철근량은 예상되는 휨모멘트에 대해 강재 데크의 효과를 무시하고 산정하였다. 상부 주철근과 직각방향 철근은 장선구조에 요구되는 최소철근량을 근거로 산정하였다. CDIII300- T180와 RC300-T180 실험체는 지점부 힌지철물 설치 오류로 전단경간이 다른 실험체와 약간 다른데, 실험결과 분석에서 이를 고려하여 평가하였다.

2.3 가력 및 계측계획

Fig. 4와 같이 전형적인 4점 휨실험 가력장치도를 구성하였다. 양 지점부에 설치된 힌지철물 위에 실험체를 설치하고, 2점 가력지점에 힌지철물과 가력철물을 올리고 순수 휨구간을 형성하였다. 양 지점부의 각 장선에 힌지철물을 두었고, 상부 가력지점에는 실험체폭 전체 길이에 힌지철물을 놓고 3개의 가력보를 실험체 길이방향으로 설치함으로써 실험체 전체 폭에 균일한 변형이 작용되도록 계획하였다. 3,000 kN 용량의 오일잭으로 단조 가력하고 오일잭 하부에 하중계를 설치하여 하중을 계측하였다. 실험체 폭이 넓기 때문에 실험체 길이방향 중앙의 양 끝에서 처짐을 측정하고 평균으로 분석하였다.

Fig. 4 Test setup

3.1 재료시험 결과

실험체에 사용된 철근의 인장실험을 실시하여 계측한 항복강도와 인장강도를 Table 2에 정리하였고, 실험체별 실험일 콘크리트 압축강도를 Table 3에 나타내었다.

실제 재료강도로 계산한 실험체별 휨강도에 실험체 무게를 고려한 예상 가력 하중 $P_{p}$을 Table 3에 정리하였다. Fig. 2의 CAP II와 CAP III는 표면 요철로 사용하중에서 콘크리트와 완전히 일체 거동을 예상하지만, 내화성능 미확인으로 강재 데크를 무시하고 순수 철근콘크리트 장선구조로 휨강도를 산정한다. 사다리꼴 장선 단면형상과 압축철근까지 모두 고려하여 예상 가력 하중을 산정하였다. 데크의 영향을 무시했으므로 동일 형상의 RC와 CD 예상 가력 하중은 같은데, CDIII-series는 RC와 CD 실험체 재료강도가 다르기 때문에 예상 가력 하중도 상이하다. 또한, CD 실험체는 강재 데크 무게가 하중에 포함되어 CDII-series의 CD 실험체 예상 가력 하중이 동일 형상의 RC에 비해 약간 낮다.

3.2 파괴 유형

모든 실험체는 휨 균열 발생, 하부철근 항복 이후 처짐이 발생하고 압축측 콘크리트 압괴의 전형적인 휨거동을 보였다. RC 실험체는 최대강도 발현 이후에 하부 철근 피복이 탈락되면서 하중이 감소되어 실험을 종료하였다. CD 실험체는 철근과 데크의 항복 이후 압축측 콘크리트에 압괴에 의해 최대강도가 발현되었다. 이후에 휨 변형에 의해 데크와 콘크리트가 일부 분리되어 하중이 저하되었다. Fig. 5는 최종파괴 사진이다.

Fig. 5 Failures of specimens

3.3 최대 강도와 하중-변위 관계

실험체별 최대 하중을 Table 3에서 예상값과 비교하였다. 모든 실험체가 예상보다 높은 강도를 발현하였다. RC 실험체는 충분한 연성 거동으로 인장철근의 변형경화까지 발생하여 예상하중을 상회하였다. 특히 부재 높이가 낮은 RC250-T110, RC300- T120 실험체는 예상 가력 하중 대비 각각 1.75배, 1.44배로 매우 높은 휨성능을 발현하였다. CD 실험체는 강재 데크와 콘크리트의 합성거동으로 동일 형상의 RC 실험체보다 높은 휨성능을 가졌다. 상부 콘크리트가 얇은 CDII250-T110, CDIII300-T120는 인장철근에 비해 강재 데크의 기여도가 높기 때문에 예상 가력 하중 대비 각각 3.34배, 3.13배의 매우 높은 휨강도가 발현되었다.

동일 단면 실험체별 하중-처짐 곡선을 Fig. 6에 나타내었다. 휨강도의 2/3에 해당하는 하중을 사용하중 $P_{s}$로 정하고 수평선으로 표시하였다. 앞에서 설명한 대로 CD 실험체는 강재 데크의 합성거동으로 동일 단면RC 대비 휨강도가 높고, 사용하중에서 처짐감소가 뚜렷하였다. 특히 상부 콘크리트가 얇은 CDII250- T110과 CDIII300-T120은 동일 단면 RC에 비해 최대하중과 강성 증가가 더욱 명확하였다. 그러나 CD 실험체는 강재 데크의 기여에 의해 인장보강량이 많아서 최대 하중 이후 하중이 일찍 감소하였다.

Fig. 6 Load-deflection relationships

4.1 처짐 산정

사용하중에서 처짐 평가를 위해 강재 데크와 콘크리트의 합성거동을 가정하여 실험체 단면성능을 산정하였다. Steel Deck Institute^{(sdi 2017)} C-2017 Standard for Composite Steel Floor Deck-Slabs의 A5.5에서는 강재 데크 합성바닥판의 유효단면2차모멘트를 식 (1)과 같이 비균열단면과 균열단면의 평균으로 규정한다. 사용하중이 균열하중의 1.25배 수준이라면 간편하면서도 보수적으로 처짐을 평가할 수 있다. 그러나 사용하중이 균열하중의 2배이상이면 실제 유효단면2차모멘트는 거의 균열단면과 같아지므로 식 (1)은 실제 강성보다 높아서 처짐을 과소평가한다.

여기서, $I_{e}$와 $I_{g}$, $I_{cr}$은 각각 유효단면과 비균열단면, 균열단면의 단면2차모멘트이다.

이 연구에서는 철근콘크리트 휨부재의 유효단면2차모멘트 산정 방법^{(KCI 2021)}으로 처짐을 계산하였다. 실험결과와 비교를 위해 콘크리트와 인장철근, 압축철근, 강재 데크를 모두 고려하였다. 계산된 실험체별 단면성능을 Table 3에 정리하였다.

Fig. 7(a)와 (b)는 비균열단면과 균열단면의 구조요소 구분을 보여준다. 비균열단면에서 환산단면적 $A_{tran}$은 식 (2)와 같이 철근과 강재 데크 단면적에 탄성계수비 $n$를 곱하여 계산하고, 식 (3)으로 산정한 단면1차모멘트 $Q$를 환산단면적 $A_{tran}$으로 나누는 식 (4)로 중립축거리 $\overline{d}$를 산정한다. 중립축위치에서 각 구조요소별 단면2차모멘트를 산정하여 모두 합한 식 (5)로 비균열 단면2차모멘트 $I_{g}$를 산정하였다. 균열모멘트는 식 (7)로 구하였다.

여기서, $A_{d}$와 $I_{gd}$는 각각 강재 데크의 단면적과 단면2차모멘트, $A_{c}$와 $I_{gc}$는 각각 콘크리트 단면적과 단면2차모멘트, $n$은 탄성계수비(=$E_{s}/E_{c}$), $Q$는 단면1차모멘트, 그 외 기호는 Fig. 7을 참조한다.

Fig. 7 Notations of sectional dimension

균열단면은 Fig. 7(b)와 같이 중립축이 상부 콘크리트에 위치한다고 가정하고, 식 (8)과 같이 중립축위치에서 단면1차모멘트의 합이 0(영)이라는 조건을 이용하여 압축연단에서 중립축까지의 거리 $\overline{x}$를 구한다. 중립축에서 구조요소별 단면2차 모멘트를 산정하여 모두 합하는 식 (9)로 균열단면 2차모멘트 $I_{cr}$를 산정하였다.

4.2 처짐 비교

Fig. 8에서 예상 처짐값은 점선으로, 실험값은 실선으로 표시하여, 비교 실험체별로 사용하중에서 처짐을 비교하였다. Fig. 8에서 $M_{s}$와 $M_{s,\: w}$는 각각 사용하중에 의한 모멘트와 실험체 무게에 의한 모멘트를 의미한다. CD 실험체는 강재 데크와 압축철근까지 모든 구조요소를 고려하여 예상처짐을 산정하였고, 실험에서 계측된 처짐이 예상값과 매우 유사하였다. CD 실험체의 처짐은 상부 콘크리트가 110 mm, 120 mm로 얇은 경우 동일 단면 RC 실험체 처짐의 각각 36 %, 25 %에 불과했다. 상부 콘크리트가 210 mm, 180 mm인 CD 실험체는 동일 단면 RC 실험체 처짐의 각각 52 %, 64 %였다. 상부 콘크리트가 얇을수록 강재 데크의 기여가 높아서 강성 증대효과가 높았다. CD 실험체는 사용하중에서 강재 데크 표면 요철로 콘크리트와 완전 일체 거동하는 것으로 판단된다.

Fig. 8 Comparisons of measured deflections and predicted deflections