2.1 합성슬래브의 거동

합성슬래브는 냉간 성형 강판인 데크플레이트와 콘크리 트의 합성작용에 의해 구조적으로 일체화되어 거동하도록 설계된 슬래브이다. 데크플레이트와 콘크리트는 완전히 일 체화되어 거동을 하며 경화된 후 데크플레이트가 인장력, 콘크리트가 압축력을 부담한다고 가정하여 그 구조적 거 동을 해석한다. 이 때, 합성슬래브의 최대응력은 수평전단 강도에 의해 결정되고, 이는 콘크리트와 데크플레이트의 부착강도에 의존적이며 합성슬래브는 이 부착강도 상실의 정도에 따라 파괴형태가 결정된다. 기존의 연구에서 제시 된 데크플레이트와 콘크리트 합성슬래브의 파괴양상은 휨, 수직전단 및 수평전단의 3가지 파괴양상으로 나타난다.

수평전단파괴는 Daniels가 Fig. 2 (a)와 같이 나사 강봉 을 콘크리트 블록에 매입한 합성슬래브를 양면으로 결합 하여 데크플레이트와 나사 강봉을 인장하는 방법으로 수 행한 Pull-Out실험에 의하면 Fig. 2 (b)의 전단응력 -슬립 관계에서와 같이 합성슬래브의 파괴양상은 초기슬립 발 생 후 데크플레이트와 콘크리트의 화학적 부착력 상실로 내력이 감소하였다가 엠보스먼트 등의 기하학적 형상에 의한 기계적 저항력에 의해 하중이 재 증가하여 최대하중 에 도달한 후, 최종파괴에 이르는 연성파괴의 형상을 나타 내는 것이 일반적이다(^{Daniels et al, 1993}).

Fig. 2

Daniels pull-out test: specimen (a), and typical shear stress vs. slip result (b).

2.2 수평전단성능 평가방법

데크플레이트는 제조회사에 따라 다양한 형태로 생산되 며 각 제조사별로 제품의 규격, 하중 및 스팬길이 등 사용 조건이 상이하다. 그러므로 전단응력에 대한 보편적인 규 준식을 제안하는 것은 불가능하고 제품별로 각각의 실험 을 통한 전단성능 평가만이 가능하다. 따라서 제조사가 제 시하는 매뉴얼을 참고하여 하중과 스팬에 따른 데크플레 이트를 선택하기 때문에 합성슬래브의 설계는 따로 수행 하지 않는 것이 보편적이다. 그러나 합성슬래브는 전단 또 는 휨에 의해 최대응력에 도달하여 파괴가 일어날 가능성 이 있기 때문에 전단파괴와 휨 파괴의 두 가지 한계상태에 대해 검토할 필요가 있다.

휨모멘트에 의한 수평전단성능을 평가하기 위한 실험적 방법으로는 실제 크기의 휨 실험과 축소모형을 이용한 실 험 두 가지가 있다. 실제 크기의 휨 실험방법으로는 미국 의 ASCE(^{Poter et al, 1976}) 유럽의 Eurocode 4에서 제시 하는 실험에 의한 m-k 방법과 부분접합방법(partial connection method)이 사용된다. 그리고 축소모형 수평전단 실 험으로 콘크리트 블록을 수평으로 Push-Out하거나, 데크플 레이트를 수직으로 Pull-Out하여 수평전단성능을 평가하는 방법이 있다.

전단내력은 합성슬래브의 데크플레이트와 콘크리트블록 이 접하는 부착면적을 대상으로 Eq. (1)과 같이 산정하여 수평전단성능을 평가하였다(^{Huh, 1997}).

여기서, b_sl_s는 데크플레이트와 콘크리트 부착면적(㎟) 이다.

3.1 실험개요

본 연구의 주 목적인 구조부재의 경량화를 고려하여 이 미 개발되어 현장에서 사용되고 있는 제품으로 제작된 기 본실험체의 수평전단성능을 평가한다. 또한, 엠보스먼트 (embossment)의 기능 상실에 대응하는 전단키로서 T-형 바와 전단보강 철근에 대한 효과를 파악하기 위하여 실험 을 통해 고찰한다. 추가적으로 보강요소 중 T-형 바가 전 단보강 철근 보다 경량인 점과 시공의 용이성 및 경제적 효율성을 감안하여 소음방지 요소를 삽입하고 T-형 바로 보강한 실험체의 수평전단성능 파악에 주안점을 두고 실 험을 실시한다.

3.2 실험체 계획

수평전단성능 실험을 수행하기 위한 실험모델의 재료로 데크플레이트는 현재 국내 Y사에서 생산되고 있는 합성구 조용 역리브형 데크플레이트 P제품을 기본적인 합성바닥 판으로 선정한다. 건축물의 경량화와 차음성능의 개선을 고려하여 데크플레이트와 콘크리트 접촉 면 사이에 국내 Y사에서 생산되고 있는 단열재(경질우레탄 폼)를 방음재 로 치환하여 콘크리트 바닥과 데크플레이트 사이에 삽입 한다. 방음재의 삽입으로 인한 데크플레이트 하부 면에 프 레스 가공된 엠보스먼트의 기계적 전단부착 저항성능의 상실에 대한 보강으로 T-형 바와 전단보강 철근을 데크플 레이트 상부플랜지에 웨브와 가로방향으로 설치한다. 이렇 게 구성된 새로운 개념 합성슬래브 단면의 상세로 실험체 를 제작하여 실험을 수행한다. 본 연구의 실험에서는 직접 가력에 의한 수평전단성능에 대한 고찰만을 연구범위로 하였는바, 데크플레이트의 두께는 1.0 mm, 콘크리트의 두 께는 100 mm로 통일한다. 각 실험체 일람표는 Table. 1과 같으며, T-형 바의 설치 깊이, 전단보강 철근(HD10)의 정 착위치, 방음재 두께 등을 변수로 하여 ①기본 실험체, ② T-형 바의 (상부 플랜지 면으로부터)설치 깊이 20 mm와 30 mm, ③전단보강 철근 (상부 플랜지 면으로부터)설치 깊이 20 mm와 30 mm 에 정착한 실험체를 제작하여 실 험하며 주요 실험체의 형상과 치수는 Figs. 3과 같다.

Table 1

Specimen schedules

Fig. 3

Specimen Details ( unit : mm )

3.3 가력 및 측정방법

본 실험은 Push-Down 실험을 위한 지그를 별도 제작하 여 Fig. 4 (a)와 같이 실험체를 지그의 양면에 대칭으로 결 합하고 만능시험기(UTM)를 사용하여 가력속도 1 mm/sec 의 변위제어로 가력한다. 실험체의 단면형상과 가력상황은 Fig. 4 (a), (b)와 같으며 전단슬립으로 인한 변위를 측정하 기 위하여 200 mm의 변위까지 측정할 수 있는 총 3개의 선형 변형측정기(LVDT)를 Photo. 1 과 같이 지그의 양측 면과 UTM 가력 판에 각각 설치하고, 콘크리트의 거동을 파악하기 위하여 실험체 콘크리트 표면의 중앙부와 데크 플레이트 웨브 면에 스트레인게이지를 각각 2개를 설치한 다. 또한 T-형 바의 변위를 파악하기 위해 스트레인게이지 를 실험체 내부 T-형바와 데크플레이트 웨브의 접촉면에 설치한다.

Fig. 4

Section of specimen (a), and elevation of specimen (b)

Photo 1

Test set up

4.1 재료시험결과

실험체 제작에 사용된 데크플레이트 강재 및 콘크리트 의 물리적 성능에 대한 시험결과는 Table. 2와 같다. 본 연 구에서 사용한 콘크리트의 설계기준강도는 24 MPa이며, 시험에 의한 공시체의 평균 압축강도 값은 24.23 MPa, 탄 성계수는 24,518 MPa로 나타났다.

Table 2

Material properties of Steel deckplate and Concrete

단열재는 Y사의 P 경질우레탄 폼으로 물리적 성질은 한 국건설자재 시험연구원의 시험성적서에 의하면 겉보기 밀 도 37 kg/㎡, 압축강도 1.2 kN/㎟, 휨강도 2.3 kN/㎟, 열전 도율 0.020 W/m·k, 흡수량 g/100 ㎠, 연소시간 62 sec, 연 소길이 47 ㎜의 물성치를 가지는 것으로 나타났다.

4.2 실험결과

합성슬래브의 수평전단저항성능 평가를 위한 Push-Out 실험으로부터 얻은 각 실험체의 실험결과를 Table. 3과 같 으며, 하중-변위 관계 곡선 결과는 Fig. 5에 나타냈다. 전 단응력은 전단스팬을 따라 균등하게 분포한다고 가정하여 Eq. (1)과 같이 수직압축력(N)을 데크플레이트와 콘크리트 의 부착면적(㎟)으로 나누어 계산하였다. Table. 3에서 A_s 는 전단부착면적, P_max는 최대하중, τ_max는 최대전단응 력, K_s는 초기강성(초기변위 1mm의 기울기), δ_max는 최 대하중시의 변위를 나타낸다. 합성슬래브의 초기강성 (K_s) 값은 Fig. 5의 하중-변위 관계에서 원점과 변위 1mm에 대 응하는 하중 점을 연결한 선분의 기울기로 정의하였다.

Table 3

Test results

Fig. 5

Load vs Displacement relationship of test result

4.2.2 파괴양상

합성슬래브의 실험결과는 Fig. 5에서 알 수 있듯이 모든 실험체가 가력초기에는 탄성변형만 지속하다 최대하중에 이르러 화학적 부착력과 마찰력의 상실에 의한 초기슬립 이후, 내력의 감소 없이 최대내력에 도달하여 수평전단파 괴의 특징인 콘크리트의 사인장 균열과 데크플레이트의 국부좌굴이 발생하면서 완만한 내력의 저하와 함께 슬립 량이 크게 증가하면서 파괴되는 형상으로 나타났다. 모든 실험체가 연성파괴 전형적인의 양상과 유사한 모습을 보 여주고 있고 파괴형상은 Photo. 2에 나타내었다.

Photo 2

Shape of failure

4.3 실험결과분석

4.3.3 수평전단성능 평가

본 연구에서는 실험체의 최대전단응력을 작용하는 최대 하중과 합성슬래브의 데크플레이트와 콘크리트 블록의 부 착면적의 비로 Eq. (1)과 같이 산정하여 평가하였다. 또한 본 연구에 적용한 실험체의 단면 형상인 콘크리트 블록 (폭: 400 mm × 두께: 100mm)과 데크플레이트(펼친 폭: 752 mm×두께: 1mm)로 구성된 합성슬래브 축소모형을 이 용하였다. 그런데 실제 슬래브의 임의의 점에 1 kN∙m 크 기의 양의 휨 모멘트가 작용하고 있다고 가정하면 환산단 면법을 사용하여 데크플레이트에 작용하는 최대인장력을 산정할 수 있다 (Lee, 2013). 환산단면법에 의해 구해진 최 대인장력(T_d,max)에 저항하기 위한 데크플레이트와 콘크리 트 블록의 필요부착면적(AA_r)을 구하면, 데크플레이트의 펼친 폭은 같으므로 각 실험체별 데크플레이트의 필요부 착길이(AL_r)의 상이 정도에 따라 수평전단성능(LSC)을 평 가할 수 있다고 할 수 있다.

예를 들어, 전단응력( τ_max )은 인장력( T_d,max)을 필요 부착면적( AA_r )으로 나눈 값일 때, 필요부착면적은 전단 응력을 인장력을 나눈 값이 되므로 T0-P0 실험체의 경우 필요부착면적은 792,200mm²이 되고, 면적은 폭 곱하기 길 이이므로 필요부착면적을 실험체의 펼친 폭 752mm로 나 누면 필요부착길이는 1053.5mm가 된다. 또한 동일한 방법 으로 T2-P1의 필요부착길이를 구하면 416.5mm가 된다. 앞 에서 구한 T0-P0 실험체와 T0-P1 실험체의 필요부착길이 를 대비하면 T2-P1의 필요부착길이가 T0-P0 실험체보다 적으므로 T2-P1 실험체의 수평전단성능이 T0-P0보다 2.53 배 우수하다고 평가할 수 있으며 그 결과를 Table. 4에 나 타내었다.

Table 4

Longitudinal Shear Capacity

Table. 4 에서 T_d,max는 데크플레이트에 작용하는 인장력 을, AA_r은 최대인장력에 저항하기 위한 필요면적을, AL_r은 최대인장력에 저항하기 위한 필요부착길이를, LSC는 각 실험체별 필요부착길이를 T0-P0의 필요부착길이로 나눈 비 로 수평전단성능을 의미한다.