2.1 사용재료

Table 1은 HCS의 휨성능 평가를 위하여 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 배합설계를 나타낸 것으로 HCS의 콘크리트와 합성을 위한 덧침 콘크리트의 압축강도는 각각 45 MPa과 24 MPa를 목표로 배합설계 하였다. HCS에 대한 콘크리트 압축강도는 D사로부터 사전에 제작된 제품을 받아 실험체에서 직접 55×55 mm 크기의 큐브(cube) 시험편을 채취하여 확인하였다. 또한, 콘크리트의 역학적 특성 및 큐브 시험편과의 압축강도 비교를 위해 합성 HCS 실험체 제작 시 덧침 콘크리트 및 HCS와 동일하게 배합한 콘크리트를 이용하여 $\phi$100×200 mm 크기의 원형 실린더형 공시체를 제작하였으며 실험체와 동일한 조건으로 양생을 하였다.

콘크리트 압축강도 시험은 HCS의 휨실험에 맞추어 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다. HCS 및 덧침 콘크리트의 압축강도는 배합강도를 상회하는 수치인 큐브 시험편에서 평균 48.2~48.7 MPa, 동일 배합한 콘크리트는 평균 46.8 MPa, 덧침 콘크리트는 평균 28.1 MPa를 나타내었다. HCS의 큐브 시험편은 동일 배합한 콘크리트와 평균 1.4~1.9 MPa의 차이를 보여 유사함을 확인하였다.

실험체 제작에 사용된 강연선은 SWPC 7BL로 직경($\phi$) 12.7 mm와 9.5 mm를 사용하여 단면의 상･하부에 배근하였으며, 물리적 특성은 항복강도 1,581 MPa, 인장강도 1,860 MPa를 나타내었다.

2.2 실험체

단면 높이와 덧침 콘크리트 유･무에 따른 HCS의 휨성능 평가를 위하여 Table 2

와 같이 동일한 실험체를 3체씩 계획하였다. Table 2에 나타낸 실험체명에서 F와 CF는 각각 덧침 콘크리트 유･무에 따른 비합성 및 합성 HCS를 의미하며, 숫자 265와 320 및 400은 HCS의 높이를 나타낸 것이다.

Table 2와 Fig. 2에 나타나듯이 구조성능 평가를 위한 휨 실험체는 단면 1,200×265(320, 400) mm, 길이 5,400(7,600) mm이며, 순 경간은 5,000(7,000) mm를 갖도록 계획하였다. HCS의 전단경간비(a/d)는 휨이 지배적이도록 계획하여 비합성 HCS의 경우 유효깊이에 따라 7.14~8.70, 합성 HCS는 덧침 콘크리트의 영향으로 5.00~6.45를 나타내었다.

Fig. 2에 나타낸 바와 같이 덧침 콘크리트의 유･무에 관계없이 F265(CF265)의 하부에는 6-$\phi$12.7과 2-$\phi$9.5를, 상부에는 4-$\phi$9.5의 긴장재를 배근하였다. F320(CF320)과 F400(CF400)은 단면의 하부에 $\phi$12.7를 각각 8대와 10대를, 상부에는 $\phi$9.5를 각각 2대와 3대를 배근하였다. 실험체에 도입된 긴장력은 긴장재 인장강도의 65 % 적용하여 제작하였다. 모든 실험체는 휨파괴가 선행하도록 계획하여 전단보강근과 같이 전단에 대한 보강을 고려하지 않았으며, 합성 HCS는 덧침 콘크리트와의 일체화를 위하여 휨 실험체 상부면에 높이 6 mm의 거친 마감을 하였다.

2.3 가력방법

가력은 Fig. 3에 나타나듯이 2,000 kN 용량의 만능재료시험기(UTM)을 이용하여 단순지지 보 형태의 4점 가력을 하였다. 가력은 변위제어 방법으로 1.0 mm/min 속도로 지속적인 하중을 가하였으며, HCS의 휨파괴 양상을 고려하여 안정적인 실험 수행을 위해 최대하중의 95 % 이하로 내력이 감소하면 실험을 종료하였다. 가력에 의한 실험체의 처짐을 계측하기 위하여 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 최대 변형이 발생하는 실험체 중앙부 하단과 양 가력지점 하단에는 LVDT를 설치하였으며, 가력지점 사이인 중앙부의 압축 연단에는 콘크리트의 압축변형률 계측을 위한 콘크리트용 스트레인 게이지를 부착하였다.

3.1 하중-처짐 관계

HCS의 하중-처짐 관계는 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 하중은 만능재료시험기의 유압셀을 통해 측정하였으며, 처짐은 실험체 중앙 하단에 설치한 LVDT로부터 계측된 변위를 나타낸 것이다. 모든 실험체의 휨거동은 단면 높이 및 덧침 콘크리트의 유･무에 관계없이 최대내력 시까지 선형적인 거동을 보였으며, 균열발생 이전 휨강성은 휨균열 발생 이후부터 최대내력 시까지의 휨강성에 비해 높게 나타났다. 최대하중 이후에는 프리스트레스의 영향으로 내력 저하와 함께 휨파괴가 나타났다.

Fig. 4와 Table 2에 나타나듯이 HCS의 휨균열은 F265 의 경우 평균 145.1 kN에서 발생하였으며, 처짐은 평균 6.17 mm를 나타내었다. F265의 최대하중은 평균 279.0 kN을 나타내었으며, 이때의 처짐은 72.89 mm를 보였다. F320과 F400는 휨균열이 각각 평균 233.8 kN과 218.6 kN으로 나타났으며, 처짐은 각각 평균 7.05 mm와 9.51 mm를 보였다. F320과 F400의 최대하중은 각각 평균 380.0 kN과 377.5 kN을 보였으며, 이때의 처짐은 각각 평균 57.05 mm와 73.48 mm로 나타났다.

합성 HCS의 CF265와 CF320는 휨균열이 각각 평균 189.4 kN과 409.0 kN에서 발생하였으며, 처짐은 각각 평균 4.34 mm와 5.96 mm를 나타내었다. CF265와 CF320의 최대하중은 각각 평균 356.2 kN과 684.6 kN을 나타내었으며, 이때의 처짐은 40.09 mm와 27.46 mm를 보였다. CF400은 휨균열이 220.8 kN으로 이때의 처짐은 평균 5.87 mm를 보였으며, 최대하중과 처짐은 각각 평균 495.9 kN과 67.61 mm를 나타내었다.

Fig. 4와 Table 2에 나타낸바와 같이 HCS의 경우 동일한 실험 구간(경간)을 갖는 F265와 F320는 유효깊이가 높아짐에 따라 전단경간비의 감소로 최대하중일 때 하중은 평균 36.2 % 증가하는, 처짐은 평균 21.7 % 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 경향은 덧침 콘크리트를 반영한 합성 HCS인 CF265와 CF320에서 최대하중일 때 하중이 평균 92.2 % 증가와 처짐은 평균 31.5 % 감소하여 유사하게 나타났다. 휨균열 발생할 때는 덧침 콘크리트의 유･무에 관계없이 유효깊이가 증가함에 따라 하중은 증가하였으나 처짐은 HCS와 합성 HCS에서 각각 평균 약 14.3 %와 37.3 %의 높은 처짐을 보여 감소되는 경향이 나타나지는 않았다.

덧침 콘크리트를 반영한 CF400은 덧침 콘크리트가 반영되지 않은 F400과 비교해 최대하중일 때 하중과 처짐이 각각 평균 31.4 % 증가와 8.0 % 감소하여 모든 실험체에서 유사한 경향을 나타내었는데 이는 합성 HCS의 경우 덧침 콘크리트에 의한 단면2차모멘트의 증가로 HCS보다 휨강성이 크게 증가되었기 때문에 나타난 결과로 판단된다.

3.2 균열양상

단면 높이 및 덧침 콘크리트의 유･무에 따른 HCS의 균열양상을 Figs. 5~6에 나타내었다. 모든 HCS는 단면 높이 및 덧침 콘크리트의 유･무에 관계없이 가력 초기 가력지점 사이인 실험체 중앙부 하단의 인장영역에서 휨균열이 발생하였다. 균열은 하중이 증가함에 따라 압축 연단으로의 성장과 동시에 실험 구간의 양단부로 진전되는 양상을 보였으며, 최종적으로는 발생된 휨균열의 폭이 크게 성장하여 내력이 저하되는 휨파괴를 나타내었다.

덧침 콘크리트의 유･무에 따른 HCS 휨균열은 HCS의 경우 하중 평균 145.1~233.8 kN에서 발생을 하였으나 합성 HCS는 덧침 콘크리트에 의한 영향으로 휨강성이 크게 증가되어 하중 평균 189.4~409.0 kN의 높은 내력에서 발생하였다. 실험 구간에서 발생한 균열의 수는 HCS의 단면 높이 265 mm와 320 mm를 갖는 실험체에서 알 수 있듯이 덧침 콘크리트의 유･무에 관계없이 유효깊이가 높을수록 적은 수의 균열이 관찰되었으며, HCS의 단면 높이 265 mm와 400 mm와 같이 유사한 전단경간비를 갖는 실험체 또한 단면의 높이가 증가함에 따라 적은 수의 균열을 나타내었다.

3.3 휨강도

Table 3은 단면 높이 및 덧침 콘크리트의 유･무에 따른 HCS의 휨 실험결과에 대하여 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)⁽⁵⁾에 의하여 예측한 균열모멘트와 계수 휨강도를 비교하여 나타낸 것으로 실험결과에 의한 모멘트는 만능재료시험기의 유압셀로부터 측정된 하중을 이용하여 산출하였다.

Table 3에 나타낸 콘크리트구조 학회기준에 의한 균열모멘트($M_{cr}$)와 계수 휨강도($\phi M_{n}$)는 다음의 식(1)과 (2)를 이용하여 예측하였으며, 균열을 허용하는 부재는 연성적인 파괴를 유도하기 위하여 계수 휨강도가 균열모멘트의 1.2배 이상이 되도록 요구되고 있다. 덧침 콘크리트가 고려된 합성 HCS에 대한 정확한 휨강도 예측을 위하여 Table 4에 나타나듯이 슬래브 두께($h_{T}$)의 실측값을 결과에 반영하였다.

여기서, $f_{r}$은 콘크리트의 휨균열강도($0.63\sqrt{f_{ck}}$, MPa)이며, $f_{ck}$는 콘크리트의 압축강도(MPa), $S_{b}$는 단면 중립축에서 단면 하부면까지의 단면계수(mm$^{3}$), $P_{e}$는 긴장재의 유효긴장력(kN), $r_{c}$는 단면 2차 반경(mm), $y_{b}$는 단면 중립축에서 단면 하부면까지의 거리(mm), $e$는 단면 중립축에서 긴장재의 중심까지 거리(mm), $A_{ps}$는 긴장재의 단면적(mm$^{2}$), $f_{ps}$는 긴장재의 응력(MPa), $A_{s}$는 인장철근의 단면적(mm$^{2}$), $f_{y}$는 철근의 항복강도(MPa), $d_{p}$는 압축 연단에서 긴장재 단면 중심까지의 거리(mm), $d_{s}$는 압축 연단에서 인장철근 단면 중심까지의 거리(mm), $a$는 등가응력블럭의 깊이(mm), $\phi$는 강도감소계수이다.

휨성능 평가를 위한 HCS는 실험체 제작 시 부착긴장재를 사용하였으며, 긴장력은 긴장재 인장강도의 65 % 적용으로 식(2)에서 긴장재의 응력($f_{ps}$)은 식(3)에 나타낸 바와 같이 $f_{ps}\ge 0.5f_{pu}$일 때 도입 긴장재의 응력을 이용하여 예측하였다.

여기서, $f_{pu}$는 긴장재의 인장강도(MPa), $\gamma_{p}$는 긴장재의 종류에 따른 계수로 $f_{py}/f_{pu}\ge 0.8$인 경우 $\gamma_{p}=0.55$, $f_{py}/f_{pu}\ge 0.85$인 경우 $\gamma_{p}=0.40$, $f_{py}/f_{pu}\ge 0.9$인 경우 $\gamma_{p}=0.28$, $\beta_{1}$은 등가응력블럭 계수, $\rho_{p}$는 긴장재의 비($\rho_{p}=A_{ps}/(bd_{p})$), $\omega$는 인장철근의 강재지수($\omega =\rho f_{y}/f_{ck}$), $\omega^{'}$은 압축철근의 강재지수($\omega^{'}=\rho^{'}f_{y}/f_{ck}$)이다.

Table 3에 나타나듯이 균열모멘트에 대한 예측결과를 실험결과($M_{cr,\:\exp}/M_{cr,\: KCI}$)와 비교한 결과, HCS의 경우 F265는 실험결과에 의한 균열모멘트가 평균이 145.1 kN･m로 예측결과에 대한 실험결과의 비는 평균 0.95를 나타내었다. F320과 F400은 실험결과 각각 평균 233.8 kN･m와 327.9 kN･m로 예측결과에 대한 실험결과의 비가 각각 평균 1.09와 0.99로 나타났다. 덧침 콘크리트가 반영된 합성 HCS는 CF265와 CF320의 실험결과가 각각 평균 189.4 kN･m와 409.0 kN･m로 나타나 예측결과에 대한 실험결과의 비가 각각 평균 0.86과 1.19를 보였다. CF400의 실험결과 평균은 331.2 kN･m로 다른 실험체와 비교해 평균 0.73의 큰 차이를 나타내었다.

계수 휨강도는 HCS의 F265 경우 실험결과와 예측결과가 각각 평균 279.0 kN･m와 228.2 kN･m로 나타나 예측결과에 대한 실험결과($M_{peak,\:\exp}/\phi M_{n,\: KCI}$)의 비는 평균 1.22를 보였다. F320과 F400은 실험결과가 각각 평균 380.0 kN･m와 566.3 kN･m, 예측에 의한 휨강도는 각각 평균 314.9 kN･m와 495.7 kN･m로 예측결과에 대한 실험결과의 비가 각각 평균 1.21과 1.14를 나타내었다. 덧침 콘크리트가 반영된 합성 HCS의 계수 휨강도는 CF265 경우 실험결과가 평균 356.2 kN･m, 예측결과는 평균 302.4 kN･m를 보여 예측결과에 대한 실험결과와의 비가 평균 1.18로 나타났다. CF320과 CF400의 실험결과는 각각 평균 684.6 kN･m와 743.9 kN･m, 예측결과는 각각 평균 445.5 kN･m와 624.5 kN･m로 각각 평균 1.54와 1.19의 비를 나타내었다.

Table 3과 같이 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)⁽⁵⁾에 의하여 계수 휨강도를 비교한 결과, HCS는 예측결과에 대한 실험결과의 비가 평균 1.14~1.22를, 합성 HCS는 평균 1.18~1.54의 비로 HCS 부재의 높이 및 덧침 콘크리트의 유･무에 관계없이 요구되는 휨성능에 만족하는 결과를 보였으며, 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)⁽⁵⁾은 비교적 안전측으로 예측하는 경향을 나타내었다. 또한, HCS와 합성 HCS의 휨강도($M_{peak}$)는 균열모멘트($M_{cr}$)보다 각각 평균 1.63~1.92배와 1.68~2.25배의 높은 내력을 나타내 부재가 균열등급일 때 연성적인 파괴를 위하여 균열모멘트의 1.2배 이상 확보할 수 있도록 하는 규정에 만족하는 결과를 확인할 수 있었다.