2.1 실험체 상세

일체타설된 실험체와 분리타설된 실험체 모두 단면의 전체 높이는 650 mm, 폭은 300 mm로 동일하게 계획하였다. 모든 합성보 실험체에 대하여 프리캐스트 콘크리트 단면의 높이는 500 mm, 현장타설 콘크리트 단면의 높이는 150 mm로 동일하게 계획하였다. 프리캐스트 콘크리트 부에는 40 MPa의 설계기준압축강도 콘크리트를, 현장타설 콘크리트는 24 MPa의 설계기준압축강도를 갖는 콘크리트를 계획하였다. 실험체의 전단철근의 배근 간격(200 mm 및 400 mm) 중 400 mm는 최소전단철근량 이하의 간격으로 설정하여 전단보강이 필요하지 않은 보를 모사하였다. 이 실험체군은 전단보강이 필요한 실험체의 전단 성능 차이를 비교하기 위함이며 최소전단보강근을 만족하지 않더라도 이론상 수평전단파괴는 발생하지 않는다. 또한 모든 실험체의 주철근은 요구 정착길이를 확보하도록 하여 전단파괴 전 부착파괴는 발생하지 않도록 계획하였다.

지점과 가력점 사이의 거리는 1,600 mm로 전단파괴를 유도하기 위해 실험체의 전단경간비($a/d$)를 2.78로 설정하였고 또한 주인장철근은 SD500으로 D25 철근을 하부에 8개 배근하였다. PC와 CIP의 계면에서 수평전단파괴가 발생하지 않도록 수평전단강도가 수직전단강도 보다 크게 계획하였고 전단철근은 SD400으로 D10 철근을 사용하였다. Fig. 1은 실험체 상세도면을 나타낸다.

Fig. 1 Specimen detail (unit: mm)

실험체의 예상강도와 변수는 Table 1에 나타내었다. 실험체 명의 400, 200은 횡보강철근의 mm 단위 간격을 나타낸 것이고, 40, 24는 콘크리트 압축강도를 나타낸 것이다. 또한, SP, SN은 분리타설 된 실험체 중 정모멘트를 받는 실험체, 분리타설 된 실험체 중 부모멘트를 받는 실험체를 나타낸 것이다.

2.2 재료시험

실험체의 주인장철근으로는 설계기준항복강도가 500 MPa인 SD500의 D25가 사용되었으며, 전단철근으로는 설계기준항복강도가 400 MPa인 SD400의 D10을 사용하였다. 철근의 인장시험은 KS B 0801^{(KATS 2017)}의 금속재료 인장시험 규정에 따라 제작하여 KS B 0802^{(KATS 2018)}에 따라 인장시험을 수행하였다. 인장시험에 따른 철근의 기계적 특성은 Table 2에 나타냈다. SD500 철근의 항복강도는 589.76 MPa, SD400 철근의 항복강도는 459.89 MPa로 시험 결과 모든 철근은 설계기준항복강도를 상회하는 결과를 나타냈다.

실험체에 사용된 콘크리트는 설계기준압축강도 40 MPa, 24 MPa를 사용하였으며, Table 3에 콘크리트 배합설계를 나타내었다. 콘크리트 압축강도 평가를 위해 KS F 2403^{(KATS 2019)}에 따라 $\phi$100 mm×200 mm의 원주형 공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생 후 KS F 2405^{(KATS 2022)}에 따라 콘크리트의 압축강도를 평가하였다. 공시체의 압축강도 시험 결과는 Table 4와 같이 각각 28.54 MPa, 32.54 MPa로 나타났다.

2.3 실험체 제작 및 실험 세팅

분리타설 실험체는 40 MPa 콘크리트를 1차로 타설한 후 KDS에 따라 현장타설콘크리트가 타설 될 계면에 약 6 mm의 거칠기를 내어 증기양생 하였다. 증기양생 후 24 MPa 현장타설 콘크리트를 2차 타설하였다.

실험은 전단성능평가를 위해 Fig. 2와 같이 보의 중앙부에 800 mm 간격으로 가력점을 계획하였고, 보의 양 단부 500 mm 지점에 힌지를 설치하여 4점 가력 실험을 수행하였다. 주인장철근과 전단철근의 항복 여부와 변형률을 확인하기 위해 주인장 철근 중앙과 전단철근 중앙에 변형률 게이지를 부착하여 실험 시 측정하였다.

Fig. 2 Test configuration

실험체의 처짐을 측정하기 위해 실험체의 하부 중앙과 양쪽으로 400 mm 간격으로 200 mm 변위 측정이 가능한 LVDT를 설치하였고, 전단변형을 측정하기 위해 실험체의 가력점과 지점 사이를 500 mm로 나눠 6개의 LVDT를 대각선으로 설치하였다. 실험 시 가력은 2,000 kN 용량의 만능재료시험기(universal testing machine, UTM)을 이용하여 실험체가 최대하중에 도달하기 전까지 가력속도 0.35 mm/min으로 변위제어 하였다.

3.1 하중-변위 관계

Table 5에 최대강도와 기준식에 따른 공칭강도를 비교한 결과를, Fig. 3에는 하중-변위 관계를 나타냈다. Fig. 3에서 실선과 점선은 실험결과, 원형은 최대 전단강도이다. 실험체 최대강도는 전단철근이 400 mm로 배근된 실험체 4개 중 분리타설 실험체의 부모멘트를 받는 400-SN, 일체타설 실험체의 콘크리트 설계압축강도 40 MPa로 타설한 400-40, 24 MPa로 타설한 400-24, 분리타설 실험체의 정모멘트를 받는 400-SP 순으로 크게 나타났다. 전단철근이 200 mm로 배근된 실험체는 부모멘트를 받는 200-SN, 콘크리트 압축강도 40 MPa로 타설한 200-40, 정모멘트를 받는 실험체 200-SP, 200-24 순으로 크게 나타났다.

Fig. 3 Load-displacement relationship

전단철근이 400 mm로 배근된 실험체 400-SP와 400-SN은 설계전단강도는 동일하지만 400-SP는 설계전단강도 대비 약 1.49배, 400-SN은 약 2.06배 큰 것으로 나타났다. 400-SN의 최대강도가 400-SP의 최대강도 대비 약 38 % 크게 나타났다. 400-SP는 일체타설 실험체 400-24보다 약 6 %, 400-40보다 약 14 % 낮은 최대강도를 나타냈으나, 최대강도 도달 이후에 일체타설 실험체보다 상대적으로 큰 변형을 보이며 파괴되었다.

전단철근이 200 mm로 배근 된 실험체 200-24, 200-40, 200- SP, 200-SN은 초기 전단균열 발생 시점에서 차이를 보였고, 이후 하중을 받는 동안의 변형 및 변위 거동은 유사했다. 200-SN의 최대강도가 200-SP의 최대강도 대비 약 12 % 높았으며, 200-SP는 일체타설 실험체 200-24보다 약 2 %, 200-40보다 약 10 % 높은 강도를 보였다. 최대강도 이후 변형에서도 일체타설 실험체보다 큰 변형을 보이며 파괴되었다. 분리타설 실험체는 모두 부모멘트 실험체가 더 높은 최대강도를 나타냈으며, 모멘트 방향에 따라 전단강도의 차이가 발생하는 것으로 보인다. 전단철근량에 따른 최대강도는 정모멘트 실험체 400-SP와 200-SP의 경우 약 38 %, 부모멘트 실험체 400-SN와 200-SN의 경우 약 22 %의 차이를 보였다.

3.2 파괴패턴

Fig. 4에 파괴패턴을 나타내었다. 파괴패턴을 관찰한 결과 전단철근 배근 간격과 모멘트 방향에 따라 파괴 양상이 다르게 나타났다. 전단철근이 400 mm 간격으로 배근된 400-SP와 400-SN은 두 실험체 모두 초기 휨 균열 발생 이후 계면의 수평균열 발생, 사인장균열폭 및 수평균열 폭의 확장을 경험하였다. 두 실험체 중 정모멘트가 작용하는 400-SP의 경우 실험체 하부 휨균열에서 연장된 사인장균열이 PC-CIP 계면에서 발생한 수평 균열을 관통하지 못하여 압축역으로 진전되지는 못하였다. 부모멘트 작용을 모사한 400-SN의 경우 휨균열이 복부로 진전되지 못하여 사인장균열의 발달이 억제되면서 수평방향 균열폭의 확장이 더 두드러지게 나타났다. 이후 수평균열을 따라 가력점과 수평거리가 가까운 계면에서 사인장균열이 시작되어 가력점으로 이어졌고 이로 인해 전단경간비가 짧아진 형상을 보이며 전단균열의 각도가 높아지는 패턴을 보였다. 또한 수평균열이 발생하였지만 사인장균열로 인하여 최종 파괴되었다.

Fig. 4 Crack pattern at failure

반면, 전단철근이 200 mm 간격으로 배근된 200-SP와 200-SN의 경우 400 mm 간격으로 배근된 실험체들과는 달리 계면에서 휨균열 및 전단균열의 진전을 방해하는 수평균열의 균열폭 확장이 이루어지지 않고, 휨균열 및 전단균열이 계면을 관통하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 균열의 폭이 좁고, 전단경간을 따라 균열이 균일하게 분포된 패턴을 보였다. 이는 전단철근 간격이 좁아짐에 따라 전단철근이 더 많은 균열을 지나가고, 합성보의 일체성을 확보하며 균열 폭을 제어하는 데 기여하여 나타난 결과인 것으로 판단된다.

3.3 전단강성

계면에서의 변형 집중에 따른 전단강성 감소를 확인하기 위해 Fig. 5와 같이 실험체에 설치된 LVDT로 측정된 데이터를 식 (6)을 바탕으로 산정하여 전단변형을 도출하였다.

Fig. 5 Shear distortion measurement X configuration

전단철근이 400 mm 간격으로 배근된 일체타설 및 분리타설된 실험체들의 하중-전단변형 관계를 Fig. 6(a)에 나타내었다. 정모멘트가 작용하는 400-SP의 경우 작용하중 409 kN까지는 일체타설된 실험체와 유사한 거동을 하는 것으로 확인되었으나, 부모멘트가 작용하는 400-SN의 경우 초기에 전단변형량이 급격하게 증가하여 다른 실험체 대비 전단강성이 작았다. 그러나 사인장균열 발생 이후에는 다른 실험체의 전단강성이 급격하게 감소하였다. 반면, 전단철근이 200 mm 간격으로 배근된 분리타설된 모든 경우가 일체타설된 경우와 유사한 것으로 확인되었다. 이는 전단철근 간격이 좁아짐에 따라 슬립이 발생하지 않거나 미미한 수준에 머물러, 전단강성에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다. 또한, 부모멘트가 작용하는 200-SN은 400-SN과 마찬가지로 하중 증가에 따른 전단변형량의 증가 속도는 더 작은 것으로 나타났다.

Fig. 6 Shear distortion

3.4 전단철근 변형률

Fig. 7에 분리타설 실험체의 전단철근에 부착한 변형률 게이지의 데이터를 이용하여 전단파괴가 발생한 전단경간의 전단철근 변형률을 보의 길이에 따라 나타내었다. 변형률은 전단철근 중앙에 부착한 게이지의 변형률을 사용하였다. 실험체 400-SP, 400-SN, 200-SP, 200-SN 각각에 대해, 초기 사인장균열, 첫 번째 항복시점, 최대강도 시점의 변형률을 나타냈다.

Fig. 7 Strain distribution of shear reinforcement

200-SP와 200-SN은 400-SP와 400-SN보다 변형률이 균일하게 분포되어 있으며, 이는 전단철근이 계면에서 응력을 효과적으로 균등하게 전달하였기에 나타난 현상으로 판단된다. 400-SN의 경우 사인장균열이 발생하지 않은 부분에서 큰 변형은 발생하지 않았고 수평균열에서 시작된 사인장균열이 발생한 부분의 철근이 가장 큰 변형률을 보였다.

3.5 전단강도 기여분

각각의 실험체마다 전단파괴가 발생한 전단경간의 전단철근을 이용하여 기여분을 평가하였다. 전단철근이 400 mm로 배근된 실험체는 각각 4개의 전단철근, 전단철근이 200 mm로 배근된 실험체는 각각 7개의 전단철근의 변형률을 사용하였다. 모멘트 방향과 전단철근 간격에 따른 전단철근과 콘크리트의 기여분은 다음 식 (7)과 같이 전단철근 변형률($\epsilon_{st}$)에 철근 탄성계수($E_{s}$) 200,000 MPa을 곱하여 철근의 기여분을 평가하여 Table 6에 나타내었다.

또한, 콘크리트의 기여분은 식 (8)과 같이 전체 전단강도에서 전단철근의 기여분을 빼 콘크리트 기여분으로 평가하였다.

이를 Table 6에 나타내었다. 전단철근 간격이 좁아질수록 전단철근의 기여분이 증가하며, 실험체의 전체 전단강도 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다.

또한 전단철근이 400 mm로 배근된 실험체인 400-24와 400- 40은 콘크리트 압축강도에 따라 콘크리트의 전단강도 기여분이 일정하게 나타난 반면, 부모멘트 실험체인 400-SN은 정모멘트 실험체인 400-SP와 일체타설 실험체인 400-24, 400-40보다 콘크리트 기여분이 차지하는 비율이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 파괴패턴에서 설명한 것과 같이 수평균열로 인해 전단경간에 사인장균열이 진전되지 않아 전단철근이 작용하중을 지지하는 데 기여하지 않게 되고 콘크리트 기여분이 커진 것으로 판단된다. 부모멘트를 받는 보의 콘크리트 전단기여분이 큼에 따라 타설 방향에 따른 콘크리트 전단기여분을 다르게 적용해야 할 필요가 있을 것으로 사료 된다.

200-40의 파괴패턴을 살펴보면 200-24 실험체보다 전단철근을 지나가는 사인장균열이 더 많이 발생한 것을 확인 할 수 있다. 이로 인해 전단철근의 기여분이 더 크게 나타난 것으로 판단된다.