2.1 실험체 개요

본 연구에서는 GFRP 보강근을 사용하는 슬래브-기둥 접합부에 대한 뚫림전단실험을 수행하였다. Fig. 2에 제시된 바와 같이 GFRP 보강근을 슬래브의 주 보강근으로 하는 전단무보강 슬래브-기둥 실험체 총 3개를 제작하였다. 슬래브-기둥 접합부 실험체의 형상은 가로 2,000 mm, 세로 2,000 mm, 두께 200 mm이며, 기둥은 슬래브 정중앙에 위치하고 있다. 기둥은 슬래브 표면으로부터 상하부로 각각 300 mm, 150 mm의 높이를 가진다. 기둥에는 400 MPa 항복강도의 D19 철근이 주방향으로 4개 배근되고, 횡구속을 위해 400 MPa 강도의 D10 철근이 50 mm 간격으로 배근되었다.

Table 1은 실험체의 주요 형상 및 재료 특성을 제시하고 있다. GFRP 보강근비($\rho_{f}$)와 기둥 크기($c$)가 주요 실험 변수이다. GS1은 기준 실험체로, 슬래브의 주인장 보강근으로 직경 13 mm의 GFRP 보강근이 사용되며 보강비는 0.65 %이다. GS2 실험체는 슬래브의 GFRP 주보강근비 감소에 따른 거동을 분석하기 위한 실험체로, GS1과 동일하게 G13 GFRP 보강근을 사용하되 보강비는 0.52 %이고 기둥 단면의 크기는 GS1과 동일하다. GS3은 GS1과 GFRP 주인장 보강비는 동일하지만 기둥 크기가 200 mm로 감소하며, 따라서 현행 ^{KDS 14 20 22 (2022)}에 따른 설계위험단면($b_{0}$)이 1,454 mm로 GS1과 GS2의 설계위험단면 1,854 mm보다 21.6 % 작다. 슬래브의 유효깊이($d$)는 163.5 mm으로 모든 실험체가 동일하다.

Fig. 2 Details of specimens

2.2 실험 방법 및 계측 계획

Fig. 3은 실험 셋업을 보여주고 있다. 슬래브의 4변에 힌지를 설치하여 단순지지하였으며, 기둥 상단부에 1,000 kN 용량의 액추에이터를 사용하여 평균 0.01 mm/s의 속도로 단조가력을 수행하였다.

Fig. 4는 실험의 계측 계획을 보여준다. 실험체의 변위를 측정하기 위해 총 9개의 LVDT를 설치하였다. 슬래브 중앙부의 변위는 기둥 하부에서 계측하였으며, 기둥표면에서 75 mm 떨어진 지점(L2, L4, L7, L8)과 기둥 중심으로부터 350 mm 떨어진 지점(L1, L5, L6, L9)에 슬래브 상하부 표면에서 수직 변위를 각각 측정하였다.

또한, 슬래브에 배근된 GFRP 보강근의 변형률을 계측하기 위하여 기둥 표면으로부터 $d/2$, $d$, 기둥 중심으로부터 525 mm 떨어진 지점의 GFRP 보강근에 총 6개의 변형률 게이지를 부착하였다. 기둥면에서 $0.25d$, $0.75d$ 만큼 떨어진 지점의 슬래브 상부면에 수직과 사선 방향으로 총 4개의 콘크리트 변형률 게이지를 부착하였다.

Fig. 3 Test set-up

Fig. 4 Details of measurement devices

2.3 사용 재료

실험체 제작을 위해 24 MPa의 일반 콘크리트를 사용하였으며, 콘크리트 압축강도를 측정하기 위해 직경 100 mm 높이 200 mm 공시체 3개를 제작하여 ^{KS F 2405 (2022)}에 따라 압축강도시험을 수행하였다. 뚫림전단실험은 실험체 재령 51-57일에 이루어졌으며, 실험결과 분석에 대한 콘크리트 압축강도는 재령 51일 강도인 25.7 MPa를 사용하였다.

G13 GFRP 보강근은 제조사 제공 공칭직경이 12.7 mm, 공칭단면은 126.7 mm²이며, 보강근의 보장인장강도는 971 MPa, 탄성계수는 50 GPa이다(Fig. 5).

Fig. 5 Stress–strain curve of glass-fiber reinforced polymer (GFRP) bar (G13)

3.1 하중-처짐 관계

Fig. 6은 실험체의 하중-처짐 관계를 내고 있으며, X축은 기둥하부에서 계측된 수직변위이고 Y축은 가력하중을 나타낸다. 실험결과, 세 실험체 모두 초기강성은 거의 동일하고 휨균열이 발생한 후 강성저하가 발생하였고, 최대 강도 도달 직후에 뚫림전단파괴되며 실험이 종료되었다. 기둥 크기가 작은 GS3은 10.23 mm의 작은 변위에서 가장 낮은 강도인 334.7 kN에서 파괴되었다. 보강비가 낮은 GS2는 변위 13.78 mm의 변위에서 401.7 kN의 최대강도를 나타냈다. 기준 실험체인 GS1은 초기구간 이후 상대적으로 높은 강성을 보였으며, 14.93 mm의 변위에서 505 kN 하중에 파괴되었으며 가장 높은 최대강도를 보였다(Table 2). GS1과 GS2를 비교한 결과, GFRP 보강비가 25 % 증가함에 따라 최대강도는 25.7 % 증가하였다. GS1과 GS3을 비교한 결과, 위험단면의 길이가 21.6 % 감소함에 따라 최대강도가 33 % 감소하였다. 즉 보강근비가 증가함에 따라 슬래브-기둥 접합부의 뚫림전단강도가 증가하고, 기둥 크기와 위험단면길이가 감소하게 되면 뚫림전단 강도가 저하된다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7은 최대강도 시점에서 슬래브 하부에 설치된 LVDT를 통해 계측된 슬래브의 처짐을 나타낸다. 슬래브 전체는 대부분 선형 분포의 처짐을 보이고 있으며, 이는 균열 손상이 슬래브-기둥 접합부 근처에 집중됨을 의미한다. GS1과 GS2는 유사한 처짐을 보였으며, 기둥 하부에서 계측된 변위와 기둥으로부터 0.5$d$ 만큼 떨어진 지점의 변위차가 0.76~1.10 mm 발생하였다. 하지만 GS3의 변위차는 0.3 mm로 비교적 적은 차이가 발생하였다.

Fig. 6 Load-deflection relationship

Fig. 7 Slab deflection at maximum load

3.2 균열 및 파괴 양상

Fig. 8는 실험종료 후 슬래브의 파괴 양상과 하부면의 균열을 제시하고 있다. 기둥을 중심으로 폐쇄형 뚫림전단파괴면이 나타났으며 방사형으로 가는 휨균열이 전방향으로 발생하였다. 가력 초기에는 기둥에서 슬래브 외곽으로 퍼져나가는 휨균열이 점진적으로 발생하였으며, 최대강도 도달 직전에 전단파괴면이 형성되면서 취성적으로 파괴되었다. 전단파괴는 모두 2d 외부에서 형성되었다. 이는 전단철근이 없는 철근콘크리트 슬래브-기둥 접합부 뚫림전단실험에서 발생하는 양상과 동일하다. 실험체 균열각은 28.1°~31.2°로 전단보강되지 않은 철근콘크리트 슬래브-기둥 접합부 실험^{(Youm et al. 2019)}과 유사한 결과이다.

GS2는 GS1에 비해 GFRP 보강비가 낮으며, 휨균열의 개수가 감소하였고 전단 파괴면의 크기는 소폭 증가하였다. 또한, 기둥 크기가 감소한 GS3 실험체에서는 GS1에 비해 전단파괴면의 크기가 소폭 감소하였고, 휨 인장 균열의 발생이 더 적게 나타났다.

Fig. 8 Crack patterns and angles

3.3 보강근 변형률 분석

Fig. 9은 변형률 게이지를 통해 계측된 GFRP 보강근의 변형률과 하중의 관계를 나타낸다. X축은 보강근의 변형률이며, Y축은 가력하중을 표시하고 있다. GS2의 E3와 GS3의 S3 변형률은 게이지 손상으로 인하여 데이터를 계측하지 못하였다.

GFRP 보강근의 변형률은 가력초기에는 변형률이 거의 증가하지 않다가 강도의 20~50 % 이후부터 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. GFRP 보강근의 변형률은 기둥 근처에서 대체로 큰 값을 보이지만 계측상 편차가 존재하였다. GFRP 보강근은 보장인장강도에 해당하는 $ε_{fu}$(=20000 $με$)에 도달하지 않았으며, 파단이 발생하지 않았다. GS1과 GS2의 보강근 최대변형률이 7673, 8315 $με$으로 최대변형률이 유사하였으며 처짐도 유사한 것으로 나타났다. 반면, 처짐이 가장 작았던 GS3은 보강근의 최대변형률도 5329 $με$로써 가장 작은 값을 나타났다.

Fig. 9 Strains of longitudinal glass-fiber reinforced polymer (GFRP) bars

3.4 해외설계기준과 강도 비교

Table 3은 ^{ACI Committee 440 (2022)}, ^{JSCE (2007)}, ^{CSA (2021)}의 이방향 전단강도식을 제시하고 있다. Table 4는 실험결과 최대강도값을 설계기준식에서 평가하는 뚫림전단강도로 나눈 강도비($V_{\exp}/ V_{pred}$)를 제시하고 있다. ACI 440.11-22은 평균강도비 2.37로 가장 큰 값을 보였으며, CSA S806-12도 2.03으로 유사한 경향을 나타냈다. JSCE의 경우 강도비의 평균이 1.71로 기준식 비교적 실험결과에 근사한 값으로 뚫림전단강도를 예측하였다. 결과적으로 GFRP 보강근 슬래브-기둥 접합부 뚫림전단강도에 대하여 대부분의 설계기준이 실제 실험강도의 절반 정도로 저평가함을 알 수 있다.

또한 현행 설계기준식들은 보강근비와 기둥 크기의 영향을 정확히 반영하여 뚫림전단강도를 평가하고 있지 못하며, 따라서 주요 변수의 영향을 고려하여 설계기준의 개선이 필요하다.

4.1 비선형유한요소해석 재료 및 모델링

콘크리트는 DIANA에서 제공하는 2차 보간 및 가우시안 적분 기반 20절점 등매개 요소인 CHX60를 사용하여 모델링하였으며, GFRP 보강근은 3차원 트러스 요소로 모델링하였다. 실험에서 사용한 경계조건을 모사하기 위하여 슬래브 모서리 4면에 힌지조건을 부여하고 기둥 상부에 가력 지그를 모델링하였다(Fig. 10). 콘크리트 재료 구성 모델로는 ^{Selby and Vecchio (1993)}의 수정압축장이론(modified compression field theory)이 적용되었으며, 균열 이후 거동은 고정균열모델(fixed crack model)을 따른다. 콘크리트의 압축응력-변형 거동을 모사하기 위해 ^{Feenstra (1993)}의 Parabolic 곡선 모델을 사용하였고, 최대강도 이후의 인장거동은 Fig. 11에 나타낸 ^{Cornelissen et al. (1986)}의 모델을 적용하였다. 한편, GFRP 보강근 거동은 선형 탄성 후 파단 모델로 모사되었으며, 보강근의 부착-미끄러짐을 고려하기 위하여 ^{Gooranorimi et al. (2018)}의 모델을 사용하였다(Fig. 12). 해석에 사용된 재료 물성 값은 Table 5에 나타나 있다.

Fig. 10 Three-dimensional FE model for specimens

Fig. 11 Material constitutive models for concrete (adapted from Hordijk et al. 1986, and ^{Feenstra et al. 1993)}

Fig. 12 Material constitutive models for glass-fiber reinforced polymer (GFRP) reinforcement (adapted from ^{Gooranorimi et al. 2018)}

4.2 해석 및 실험결과 비교

Fig. 13은 GS2에 대한 실험과 해석 결과의 균열양상을 비교하고 있다. 비선형유한요소해석 결과, 실험에서 관측된 균열양상과 동일하게 슬래브 밑면에 다수의 휨균열이 방사형으로 발생하였고 기둥 주변의 위험단면에 주요 손상이 집중되는 현상이 발생되었다.

Fig. 14는 실험과 해석 결과의 하중-처짐 관계를 비교한 결과를 나타낸다. 실험강도 대비 해석결과의 강도비($V_{FE}/ V_{test}$)는 0.92~0.95로써 최대강도 뿐만 아니라 하중-변위 거동이 유사하게 나타났다. Fig. 15는 기둥 인근 위치에서 실험과 해석결과의 보강근 변형률을 비교한 결과를 제시하며, 균열 전후 전 과정에서 GFRP 보강근의 선형적 변형 특성과 변형률 변화를 잘 모사하였다. 보강근의 최대인장응력은 실험체의 휨보강근비와 관계없이 기둥 주위 위험단면에 집중되었다. 해석모델 결과는 실험결과를 뒷받침하며 GFRP 보강근의 인장 응력이 파단 변형률 이하로 유지됨을 보였다.

Fig. 13 Comparison between FE analysis and experimental results for failure modes of specimen (GS2)

Fig. 14 Comparison between FE analysis and experimental results for load-deflection curves of test specimens

Fig. 15 Comparison between FE analysis and experimental results for strains of glass-fiber reinforced polymer (GFRP) reinforcement