2.1 적용 대상 건물

본 연구에 사용된 U-형 복합보가 적용되는 주차장 대상건물의 입면을 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 주차공간 및 통로구간을 고려하면 주차장 폭은 최소 17m 경간이 필요하며, 높이는 8m로 제한되기 때문에 3개 층까지 가능하다. 3층으로 계획된 층고는 2660mm에 불과하기 때문에 슬래브 두께 및 슬래브를 지지하는 보의 춤을 가능한 작게 계획하여야 한다. U-형 복합보의 단부는 주차공간으로 계획하고, 중간부분은 통로로 하여 U-형보의 단부와 중앙부분의 춤을 서로 달리 계획하여 효율성 및 안전성이 확보되도록 하였다.

2.2 실험체 계획

Fig. 2(a)는 U-형 복합보 타설 전 강재 부분을 나타낸 것이고, (b)는 타설 후 강재 부분의 형상을 구간별 단면을 보여준 것이다. 그림에서와 같이 단부는 H형강(H-400x200x8x13)으로 되어 있고, 중앙부(A-A section)에는 6mm 강판으로 U형태로 제작한 철물이 위치하고 있다. C-C section은 단부의 H형강과 중앙부의 U 형 철물이 서로 접합되기 때문에 이 부분에서의 시공성 및 구조성능 확보가 중요하다. 콘크리트 타설 후 복합보의 단부는 철근콘크리트구조의 슬래브와 철골구조의 H 형강보로 이루어진 합성보로 설계가 가능하지만, 중앙부분은 철근콘크리트 구조의 T형보 인장측 표면을 강판으로 둘러싸인 복잡한 형태로 되어 있기 때문에 설계하는데 많은 어려움이 따른다.

이에 본 연구에서는 단부 부분의 H 형강은 동일하게 계획하고 중앙부분에 단면형태를 변화시킨 3개의 실험체와 하중방향을 변화시킨 2개의 실험체를 포함하여 총 5개의 실험체를 계획하였다. 계획된 실험체 일람은 Table 1과 같다. Table 1에 나타난 바와 같이 1번 실험체(U400-6-F-PM)는 기준실험체로서 U-형 보의 춤과 폭이 각각 200mm, 400mm 이고, 2번 실험체(U300-6-F-PM)는 1번 실험체와 비교하여 U-형 보의 춤은 400mm로 2배 증가되고, 폭은 300mm로 25% 감소시킨 실험체이다. 3번 실험체(U250-6-F-PM)는 폭을 300mm에서 250mm로 더 감소시킨 것을 제외하고는 2번 실험체와 동일하다. 4번 실험체는 1번 실험체와 동일하고 5번 실험체는 2번 실험체와 동일하나 역방향 하중을 가하기 위해 실험체를 거꾸로 설치한 실험체이다.

기준실험체(1번 실험체) 및 2번 실험체의 형상 및 배근 상황을 Fig. 3및 Fig. 4에 각각 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 두 실험체 모두 양 단부는 높이 400mm인 H형강(H-400x200x8x13)과 150mm인 RC 슬래브로 되어 있고, 중앙부에서의 춤은 기준실험체는 350mm, 2번 실험체는 550mm로 계획되어 있다.

실험체 제작에 사용된 강재(철판 및 철근)의 응력도-변형률 곡선 Fig. 5~Fig. 6에 나타내었으며, Table 2는 재료시험 결과를 표로 정리하여 나타났으며, 콘크리트 28일 압축강도는 30.3MPa로 나타났다.

2.3 실험체 설치 상황

Fig. 7과 같이 U-형 복합보 중앙부 위치에 철근(슬래브 및 트러스 근), 강재, 콘크리트 표면 등에 스트레인 게이지를 부착하였다. Fig. 8은 하중가력에 따른 변위계의 위치를 나타낸 그림이며, Fig. 9는 실험체 설치상황을 나타낸 것이다.

3.1 실험체 균열 및 최종파괴 상황

정가력으로 가력한 실험체(No.1∼No.3)의 인장 콘크리트 초기균열은 콘크리트가 U형 강판 속에 존재하기 때문에 육안으로 확인할 수 없었다. 압축부분의 콘크리트 균열은 하중이 증가할수록 플랜지 아래(콘크리트 하부면)에서 압축연단 방향으로 진행하였다. 최대하중에 도달했을 때 U형 강판은 인장을 받아 연성거동을 보이고 상부 콘크리트는 지지점에서 압괴가 발생되었다. Fig. 10(a)에서 보는 바와 같이 U형 강판의 유효깊이 400mm인 No.1 실험체는 콘크리트와 강재가 만나는 부분에서 분리되는 현상은 나타나지 않았으나, 유효깊이가 상대적으로 큰 No.2 실험체는 콘크리트가 분리되는 현상이 발생하였고, No.3 실험체에서는 U형 강판에서 국부적인 좌굴현상 나타났다. Fig. 10(b)는 콘크리트 바닥이 인장을 받도록 설치한 실험체로서 초기균열은 인장을 받는 콘크리트에서 발생하였으며, 하중이 증가함에 균열이 다수 발생하고 균열폭도 증가하였다. 최대하중에 도달해서는 인장철근이 보일 정도로 균열폭이 크게 발생하였으며, U형 강판은 중앙부분과 가력점 근처에 국부좌굴이 극명하게 발생하였다.

3.2 하중-변위 곡선

각 실험체의 하중-변위 곡선을 Fig. 11에 나타내었으며, 그래프 안에 항복하중($P_{y}$), 항복변위($\delta_{y}$), 최대하중($P_{u}$), 최대변위($\delta_{u}$), 콘크리트 압축변형률($\epsilon_{c}$), U형 강판 항복변형률($\epsilon_{y}$)을 같이 나타내었다. 항복하중은 인장측의 U형 강판( Fig. 11(a)∼(c)∼(c)) 또는 플랜지 인장철근(Fig. 11(d)∼(e))이 항복변형률에 도달될 때의 하중으로 정의하였다. U형 강판 및 플랜지 인장철근의 항복변형률은 각각 0.002244, 0.002614으로 인장시험결과로부터 구한 값이다(Fig. 5및 Fig. 6참조).

U형 강판이 항복변형률에 도달했을 때 압축연단의 콘크리트 변형률 값에 대해 U400-6-F-PM 실험체는 0.001514, U300-6-F-PM 실험체는 0.00925, U250-6-F-PM 실험체는 0.001136으로 콘크리트 극한 변형률($\epsilon_{cu}$) 값인 0.003보다 작은 값을 보여주고 있다(Fig. 11(a)∼(c) 참조). 이는 강재와 콘크리트가 모두 탄성구간에 있음을 의미하며 이 구간의 하중-변위 곡선은 선형임을 Fig. 11(a)∼(c)을 통해 알 수 있다. Fig. 11(d)∼(e)는 U형 강판이 압축을 받고 콘크리트 바닥부분이 인장력을 받도록 한 실험체의 하중-변위 곡선을 보여준다.

두 실험체(No. 4, No.5)체는 콘크리트 바닥이 인장측에 있어 초기 균열 이후 강성이 조금 감소되는 것을 그래프 상에서 확인 할 수 있다. 초기균열 이후 인장부분의 최외단 철근이 항복할 때까지 압축연단에서의 변형률과 콘크리트 극한변형률 값 모두 선형으로 증가함을 알 수 있으며, 항복변형률에 도달했을 때 압축측 변형률(U 형 강판의 변형률) 값은 콘크리트 극한 변형률 값의 50% 이하 수준이어서 이 실험체들도 선형임을 확인할 수 있다.

각 실험체의 하중-변위 곡선을 비교하여 Fig. 12에 나타내었다. U형 강판의 폭이 400mm, 춤이 350mm인 실험체(U400-6-F- PM, U400-6-F-NM)보다 유효깊이가 550mm인 실험체(U250-6 -F-PM, U300-6-F-PM, U300-6-F-NM)가 매우 우수한 구조성능이 나타나고 있음을 알 수 있다(Fig. 12(a) 및 (b) 참조). Fig. 12(c) 는 하중방향(정가력 No.1, 부가력 No.4)만 제외하고 나머지는 모두 동일한 실험체의 하중-변위 곡선을 비교하여 나타낸 것이다. 그림(Fig. 12(c)참조.)에서 보는 바와 같이 정가력 실험체(U400-6-F-PM, No.1)가 부가력(U400-6-F-NM, No.4)보다 강성 및 최대강도가 매우 우수함을 알 수 있다. 그러나 최대강도 이후 연성거동은 부가력 실험체가 우수하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 정가력 실험체는 최대 강도 후 압축 콘크리트의 압괴에 의한 취성파괴가 발생하고, 부가력 실험체는 최대강도 후 U형 강판에 의한 연성거동으로 최종파괴 되었기 때문이다.

3.3 변형률 분포

Fig. 7에 나타낸 강판, 철근, 콘크리트 등에 부착한 변형률 게이지에 대한 변형률 분포를 하중단계별로 Fig. 13에 나타내었다. Fig. 13(a)∼(c) 그림에서 보는 바와 같이, 정가력 실험체들(No.1∼No.3)의 인장측 변형률은 하중과 비례하여 변형률 값이 증가하고 있음을 알 수 있으며 모두 항복 변형률을 초과하였다. 그러나 압축연단에서의 콘크리트 변형률은 모두 극한변형률 값에는 미치지 못하였다.

중립축 위치는 기준실험체(No.1)는 100mm∼130mm로 철근콘크리트 슬래브 내에 존재하며, 춤이 상대적으로 큰 실험체(U300-6-F-PM, U250-6-F-PM)들의 중립축은 190mm로 나타났다. 부가력인 두 실험체(Fig. 13(d)∼(e) 참조.)의 인장측 변형률은 정가력 실험체 보다 훨씬 큰 변형률 값을 보였다.

각 실험체의 실험결과는 Table 3에 나타내었다. Table에서 보듯이 기준실험체와 비교하여 춤을 2배, 폭을 0.75배로 변화시킨 U300-6-F-PM(No. 2) 실험체의 항복 및 최대하중이 각각 1065.2kN, 1510.3kN으로 나타나 기준실험체 보다 항복하중은 56.2%, 최대하중은 70.3% 증가하였다. 또한, 기준실험체를 부가력으로 가한 U400-6-F-NM실험체의 항복 하중 및 최대하중이 각각 484.5kN, 603.5kN으로 나타나 기준실험체보다 항복하중은 71.1%, 최대하중은 68.1% 로 나타났다.