3.1. 실험체 설계

실험체의 소요휨강도를 계산하기 위해 실제 구조물을 역학적 으로 단순화하였다. 강-PC형 복합보는 주로 장스팬 보의 중앙부 에 사용된다. 장스팬 주차전용 건물에서 통로에 해당하는 부분 인 중앙부에 강-PC형 복합보를 적용하고, 양단부는 철근콘크리 트보, 강재보, 합성보 등 일반적인 여러 가지 구조의 보를 적용할 수 있는 형태이다. 이를 역학적으로 단순화한 것이 Fig. 4와 같 다. 즉, 강-PC형 복합보는 정모멘트를 받는 단순보와 같이 해석 할 수 있다. 따라서 소요휨강도 M_u는 Fig. 4와 같이 등분포하중 을 받는 단순보의 중앙부 최대 휨모멘트인 wL²/8이 된다.

강재 내부에 배근된 트러스 철선은 강재보 하부 플랜지에 용 접되므로, 강-PC형 보는 완전합성보로 가정하여 소성응력분포 로 한다고 볼 수 있다. Fig. 5와 같이 소성중립축 산정 시, 강재의 전단면뿐만 아니라 보의 하부 보강철근과 슬래브 상부철근도 각 각 항복하는 것으로 가정한다. 단, 보의 상부 보강철근은 중립축 의 위치에 따라 결정하도록 한다.

소성중립축이 보의 상부 보강철근 아래에 위치하고, 모든 철 근이 항복하는 것으로 가정하면 식 (1)과 같이 구할 수 있다.

그러나 식 (1)로 부터 구해진 중립축을 적용할 경우 트러스 상 부철근은 항복하지 않을 수 있다. 따라서 변형률 분포를 고려하 여 항복하지 않은 철근에 대해서는 변형률과 응력을 재계산해야 한다(^{Namdeo, 2012}; ^{CEN, 2004}).

여기서, 트러스 상부철근의 응력 f_s를 중립축에 대한 식으로 나타내면,

식 (3)의 f_s를 식 (2)에 대입하여 y_p에 대한 2차방정식의 근을 구하면 소성중립축이 계산된다. 각 응력에 면적을 곱한 힘들은 강재보 상단까지의 모멘트 팔길이를 구하여 공칭강도를 계산할 수 있다.(4)

공칭강도를 구하기 위한 모멘트 팔길이는 각 응력의 중심에서 부터 강재보 상단까지의 거리로 하였다. Fig. 6은 각 응력중심에 서 강재보 상단까지의 거리를 나타낸 것이다(^{ACI, 2014}; ^{BS, 5950}; ^{Chen, 2003}; ^{Calixto, 1998}).

3.2. 실험체 변수 및 실험방법

실험체의 주요변수는 강재보의 강판두께(6 mm, 9 mm), 슬래 브 걸침부 형상(ㄱ형강, ㄷ형강), 보 보강철근의 형태(삼각형, 사 각형)이며 총 7개의 실험체를 설계하였다.

SPC6-C-P는 보 보강철근이 없는 기준 실험체이며, 보 보강철 근을 배근한 6개의 실험체를 Table 1과 같이 계획하였다. 실험체 모두 보춤은 350 mm, 스팬 6.0 m로 설계하였으며, 실험 시 지점 을 고려하여 순스팬은 5.8 m가 되도록 하였다. 또한 슬래브 유효 폭은 1,000 mm로 하였다.

모든 용접은 필렛사이즈 6 mm인 필렛(모살)용접을 하고, 강 종은 SM490, 철근은 SD400을 적용하였다. 채움 콘크리트의 설 계기준강도는 35 MPa로 하여 단기 양생으로 실험 시 목표 강도 는 24 MPa이상이 되도록 하였으며 실험체 상세는 Fig. 7과 같다.

실험 가력은 Fig. 8과 같이 2800 kN의 Actuator를 실험체의 중앙부에 설치하고, 반력점을 실험체의 양단부 1/4지점에 만들 어 초당 0.04 mm의 속도로 간접하중이 가해지도록 하는 2점가 력 단순보 실험으로 계획하였다. 변위측정을 위한 변위계는 길 이의 1/4, 2/4, 3/4지점에서의 수직처짐을 측정할 수 있도록 설치 하였다.

4.1. 파괴양상 및 하중-변위

각 실험체의 이론 강도는 슬래브 걸침부를 제외한 나머지 휨 저항 요소들의 휨강도를 합산하여 구하였으며, 재료시험 결과를 반영하였다. 실험체의 이론강도, 최대강도와 최대변위(중앙부 처짐, 최대강도일 때의 변위를 기준으로 산정함)와 항복강도 및 항복변위(주철근 변형률 0.002를 기준으로 산정함)를 Table 2 및 Figs. 9, 10에 나타내었다.

4.2. 처짐 분석

강-PC형 복합보는 주차전용 건물에서 보행자 통로부분에 설 치되는 보이다. 따라서 사용성에 문제가 없을 정도의 처짐기준 을 만족해야 한다.

사용성 한계상태에서의 처짐한계는 국내 기준에는 없으나 AISC 기준을 적용하면, 사용하중 상태에서 L/240 이내로 본다. 이는 본 실험에서의 L=5,800 mm를 적용하면 24.16 mm이다. 대상건물인 주차전용 건물의 하중은 ^KBC2016에 준하여 고정 하중은 콘크리트와 강재의 체적을 구하여 비중을 곱한 값으로 구하였고, 활하중은 옥내 주차구역 승용차 전용에 해당하는 4.0 kN/m²을 적용하였다. 이에 따라 단순보의 탄성처짐식으로 구한 값은 SPC6-C-P의 경우 2.05 mm로서 허용처짐의 1/12정 도로 매우 작은 값이다.Table 4

탄성처짐은 휨모멘트에 의한 처짐이므로, 휨처짐 외의 다른 요인들로 인한 실제 처짐은 탄성처짐으로 구한 값보다 클 수 있 다. 따라서 실험 시 사용하중 상태에서의 처짐값을 살펴보고자 한다. SPC6-C-P는 사용하중 10.6 kN/m²이므로, 이를 실험체의 형상을 고려하여 유효폭 1000 mm와 실험체의 길이 5800 mm를 곱하여 하중 P로 환산하면 P=61.48 kN이 된다. 실험 결과에서 이때의 중앙부처짐은 Table 5와 같다. 사용하중 상태는 최대강 도에 비해 약 1/10미만으로 탄성구간으로 볼 수 있다. 실험에서 측정된 처짐값은 이론값으로 구한 값과 거의 비슷하지만 약간 큰 값을 가지며, 75% 강성으로 구한 이론값보다는 약간 작은 값 을 가진다.

이로써 실제 구조물에 하중이 가해질 때 사용하중 상태에서 발생하는 처짐은 허용값인 L/240보다 작은 값을 가지므로 사용 성에 문제가 없다고 판단할 수 있다.