2.1 실험 계획

CSB 전단연결재의 전단 성능 평가를 위한 푸쉬아웃 실험은 CIP의 종류에 따라 H-형강 및 철근콘크리트 말뚝으로 나누었다(Fig. 2). H-형강 말뚝은 H - 298 × 201 × 9 × 14를 사용하였으며, 철근콘크리트 말뚝은 300 mm × 200 mm × 700 mm 크기로 제작하였다. 그리고 H-형강 및 철근콘크리트 말뚝 옆에는 지하외벽을 모사하기 위해 200 mm × 400 mm × 650 mm 크기의 철근콘크리트를 제작하였다. 이에 따라 전단면의 크기는 200 mm × 550 mm이었다.

H-형강 말뚝 실험체의 주요 변수는 CSB 전단연결재 종류, $L/d$, 무근 콘크리트 및 방수재이다. 그리고 철근콘크리트 말뚝 실험체의 주요 변수는 H-형강 말뚝 실험체의 변수와 함께 철근콘크리트 말뚝의 압축강도에 대한 변수를 추가하였다(Table 1). CSB 전단연결재 종류는 일반강도 볼트, 고강도 볼트 및 이형철근으로 계획하였다. 일반강도 및 고강도 볼트는 M20을 이용하였으며, 이형철근은 D19로 직경 18 mm로 나사 가공하였다. 이형철근의 CSB 전단연결재의 단부는 90도로 구부려서 갈고리 형태로 제작하였다. 그리고 전단연결재의 길이는 ^{KDS 14 31 10(2017)}에 따라 몸체직경의 5배인 90 mm로 계획하였으며, $L/d$의 영향을 평가하기 위해 전단연결재의 길이가 120 mm인 실험 변수를 추가하였다. CSB 전단연결재의 배치는 철근 콘크리트 말뚝의 경우 중심선에 맞추어, H-형강 말뚝의 경우 웨브로 인해 중심선에서 30 mm만큼 떨어진 위치에 엇갈리게 배치하였다. CSB 전단연결재의 전단 거동시 지하외벽의 수평 철근에 대한 간섭 영향을 평가하기 위해 철근을 배근하지 않은 실험체를 추가하였다. 그리고 CIP 말뚝과 지하외벽사이에서의 차수 성능확보를 위해 일반강도 볼트 및 이형철근의 CSB 전단연결재를 사용한 실험체는 전단면에 방수재를 추가 시공하였다. 푸쉬아웃 실험에서 지하외벽을 모사한 외부 콘크리트의 목표 압축강도는 모두 30 MPa로 계획하였다. 그리고 철근콘크리트 말뚝의 목표 압축강도는 18 MPa를 기준으로 하였으며, 철근콘크리트 말뚝의 압축강도 영향 평가를 위한 실험체의 목표 압축강도는 18 MPa, 21 MPa 및 30 MPa로 하였다.

Fig. 2 Details of push-out test specimens

2.2 재료 특성

지하외벽을 모사한 외부 콘크리트의 압축강도는 약 30.8 MPa이었다. 그리고 철근콘크리트 말뚝의 압축강도는 19.2 MPa 이었으며, 철근콘크리트 말뚝의 압축강도 영향 평가를 위한 실험체의 콘크리트 압축강도는 19.7 MPa, 25.2 MPa 및 32.4 MPa이었다. CSB 전단연결재의 역학적 특성은 Table 2에 나타내었다. 일반강도 볼트는 4.8 규격으로, 측정된 항복강도($f_{y}$) 및 인장강도($f_{u}$)는 각각 약 380 MPa 및 437 MPa이다. 그리고 고강도 볼트는 6.8 규격으로, $f_{y}$ 및 $f_{u}$는 각각 약 554 MPa 및 652 MPa이다. 이형철근은 SD400으로, $f_{y}$ 및 $f_{u}$는 각각 약 462 MPa 및 567 MPa이다.

2.3 가력 및 측정 상세

푸쉬아웃 실험의 가력 및 측정상세는 Fig. 3에 나타내었다. 가력은 2,000 kN 용량의 오일잭을 이용하여 수행하였으며, 1,000 kN 용량의 로드셀을 이용하여 하중을 측정하였다. 그리고 실험체 상부에는 300 mm × 300 mm 크기의 구좌를 설치하여 실험체에 가해지는 편심을 최소화하였다. 실험체 하부에는 L-형강 및 고장력 전산볼트를 설치하여 푸쉬아웃 실험 중 실험체의 벌어짐을 방지하였다. 상대 미끄러짐 변위는 실험체 중앙부에 50 mm 용량의 변위계 4개로 측정하였으며 평균값으로 산정하였다.

Fig. 3 Push-out test set-up

3.1 전단하중-미끄러짐 관계

H-형강 말뚝 실험체의 파괴모드는 모두 전단연결재의 파단으로 실험을 종료하였다(Fig. 4(a)). 철근콘크리트 말뚝 실험체의 파괴모드는 RC21-N90 및 RC30-N90 실험체를 제외하고 철근콘크리트 말뚝의 파괴로 실험을 종료하였다(Fig. 4(b)). 반면, RC21-N90 실험체는 철근콘크리트 말뚝의 파괴 및 CSB 전단연결재의 파단(Fig. 4(c))으로, RC30-NV90 실험체는 전단연결재의 파단(Fig. 4(d))으로 실험을 종료하였다.

H-형강 말뚝 실험체들의 전단하중-미끄러짐 관계는 초기 균열 발생 하중 이전까지 상대 미끄러짐의 발생이 미미하였으며, 초기 균열 발생 하중 이후 최대 내력까지 비선형으로 증가하였다. 최대 내력 발생이후 H-형강 말뚝 실험체들의 하중은 급격한 기울기로 감소하였다(Fig. 5(a)). 실험체 S-H90 및 S-D90의 최대 내력 이후 하중 감소 기울기는 S-N90 실험체에 비해 가파랐다(Fig. 5(a)). 그리고 최대 내력 이후 하중 감소 기울기에 대해 전단연결재의 길이, 철근 중첩 및 방수재의 영향은 미미하였다(Fig. 5(b), (c) and (d)). 철근콘크리트 말뚝 실험체들의 전단하중-미끄러짐 관계도 H-형강 말뚝 실험체들과 유사하게 초기 균열 발생 이후 최대 내력까지 비선형으로 증가하였다. 하지만 최대 내력까지 하중 증가 기울기는 H-형강 말뚝 실험체들에 비해 다소 완만하였으며, 최대 내력 이후 하중 감소 기울기도 완만하였다. 철근콘크리트 말뚝 실험체들에서 최대 내력 이후 하중 감소 기울기에 대한 CSB 전단연결재 종류에 따른 영향은 H-형강 말뚝 실험체와 유사한 경향을 보였다(Fig. 5(a)). 그리고 최대 내력 이후 하중 감소 기울기에서도 전단연결재의 길이, 철근 중첩 및 방수재의 영향이 미미하였다(Fig. 5(b), (c) and (d)). 그리고 철근콘크리트 말뚝의 강도가 21 MPa 미만에서 최대 내력 이후 하중 감소 기울기는 완만하게 감소하는 경향을 보였으며, 21 MPa 이상에서는 급격하게 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5(e)).

Fig. 4 Failure mode of push-out test

Fig. 5 Relationship between the applied shear load and relative slip

3.2 균열 발생 하중(Table 3 and 4)

실험체 S-N90의 균열 발생 하중은 약 99.7 kN이었다. S-H90 및 S-D90 실험체의 균열 발생 하중은 각각 약 135.8 kN 및 136.2 kN으로 S-N90 실험체에 비해 각각 1.36배 및 1.37배 높았다. S-N120 실험체의 균열 발생 하중은 약 105.8 kN으로 S-N90 실험체의 1.06배 수준이었다. S-N90-N 실험체의 균열 발생 하중은 약 89.4 kN으로 S-N90 실험체의 0.90배 수준이었다. 그리고 S-N90-W 및 S-D90-W 실험체의 최대 하중은 각각 81.1 kN 및 91.6 kN으로 방수재를 시공하지 않은 실험체(각각 S-N90 및 S-N90)의 0.81배 및 0.67배 수준이었다.

실험체 RC-N90의 균열 발생 하중은 약 96.8 kN이었다. RC-H90 및 RC-D90 실험체의 균열발생 하중은 각각 약 138.8 kN 및 139.7 kN으로 RC-N90 실험체에 비해 각각 1.43배 및 1.44배 높았다.RC-N120 실험체의 균열 발생 하중은 약 105.4 kN으로 RC-N90 실험체의 1.09배 수준이었다. RC-N90-N 실험체의 균열 발생 하중은 약 85.9 kN으로 RC-N90 실험체의 0.89배 수준이었다. RC-N90-W 및 RC-D90-W 실험체의 균열 발생 하중은 각각 80.4 kN 및 89.1 kN으로 방수재를 시공하지 않은 실험체(각각 RC-N90 및 RC-N90)의 0.83배 및 0.64배 수준이었다. RC18-N90 실험체의 균열 발생 하중은 약 101.9 kN으로 RC-N90 실험체의 1.05배로 비슷한 수준이었다. 그리고 RC21-N90 및 RC30-N90 실험체의 균열 발생 하중은 각각 117.1 kN 및 126.1 kN으로 RC18-N90 실험체에 비해 각각 1.15배 및 1.24배 높은 수준이었다.

3.3 최대 내력(Table 3 and 4)

실험체 S-N90의 최대 내력은 약 392.8 kN이었다. S-H90 및 S-D90 실험체의 최대 내력은 각각 약 479.2 kN 및 469.4 kN으로 S-N90 실험체에 비해 각각 1.22배 및 1.20배 높았다. S-N120 실험체의 최대 내력은 약 403.4 kN으로 S-NV90 실험체의 1.03배로 비슷한 수준이었다. S-N90-N 실험체의 최대 내력은 약 371.4 kN으로 S-NV90 실험체의 0.95배로 비슷한 수준이었다. S-N90-W 및 S-D90-W 실험체의 최대 내력은 각각 371.2 kN 및 419.4 kN으로 방수재를 시공하지 않은 실험체(각각 S-N90 및 S-D90)의 0.95배 및 0.89배 수준이었다.

실험체 RC-N90의 최대 내력은 344.2 kN으로, S-N90 실험체의 0.88배 수준이었다. RC-H90 및 RC-D90 실험체의 최대 내력은 각각 약 378.8 kN 및 400.3 kN으로 RC-N90 실험체에 비해 각각 1.10배 및 1.16배 높았다. RC-NV120 실험체의 최대 내력은 각각 약 403.4 kN 및 359.5 kN으로 RC-NV90 실험체의 1.04배로 비슷한 수준이었다. RC-N90-N 실험체의 최대 내력은 약 330.0 kN으로 RC-N90 실험체의 0.96배 수준이었다. RC-N90-W 및 RC-D90-W 실험체의 최대 내력은 각각 325.9 kN 및 350.4 kN으로 방수재를 시공하지 않은 실험체(각각 RC-N90 및 RC-D90)의 0.95배 및 0.88배 수준이었다. RC18- N90 실험체의 최대 내력은 약 351.6 kN으로 RC-N90 실험체의 1.02배로 비슷한 수준이었다. RC21-N90 및 RC30-N90 실험체의 최대 내력은 각각 373.4 kN 및 383.7 kN으로 RC18-N90 실험체에 비해 각각 1.06배 및 1.09배 높은 수준이었다.

4.1 전단마찰설계 기준(KDS 14 20 22)

^{KDS 14 20 22(2022)}에서 전단마찰 내력설계는 전단내력에 대해 전단마찰철근만을 고려하여 나타내고 있으며, sin과 cos함수를 통해 전단마찰철근의 배근각도를 고려하고 있다. 그리고 전단마찰거동에서 철근콘크리트의 영향은 철근콘크리트 강도의 20% 수준으로 상한값을 두고 있다.

여기서, $V_{n}$은 전단내력을, $A_{sc}$는 전단연결재량을, $f_{y}$는 전단연결재의 항복강도를, $\theta_{s}$는 전단면과 전단연결재 사이의 각도를, $\mu$는 마찰계수(일체타설 된 콘크리트 = 1.4, 거친 면을 가지는 콘크리트 = 1.0, 부드러운 면을 가지는 콘크리트 = 0.6, 전단연결재가 설치된 강재단면 = 0.7)를, $A_{c}$,는 전단면 단면적을 나타낸다. 실험결과에 대한 ^{KDS 14 20 22(2022)}의 전단마찰 예측값($\left(V_{n}\right)_{Exp}/\left(V_{n}\right)_{Pre}$)의 평균 및 표준편차는 H-형강 말뚝 실험체의 경우 각각 약 1.45 및 0.10으로, 철근콘크리트 말뚝 실험체의 경우 각각 약 1.31 및 0.15로 실험결과를 과소평가하였다(Table 5 and 6).

4.2 전단연결재 공칭내력(KDS 14 31 10, 2017)

^{KDS 14 31 10(2017)}에서 노출형 합성보의 전단연결재 전단내력은 최대 인장력의 75%(골데크플레이트를 사용하지 않은 경우) 수준으로 평가하며, 콘크리트 압축강도에 대해 상한선을 두고 있다.

여기서, $E_{c}$는 콘크리트 탄성계수를 나타낸다. H-형강 말뚝 실험체에 대해 전단연결재 전단내력은 모두 전단연결재($0.75A_{sc}f_{u}$)에 의해 지배되었으며, 철근콘크리트 말뚝 실험체에 대해 전단연결재 전단내력은 RC21-N90 및 RC30-N90 실험체를 제외하고 모두 콘크리트 상한($0.5A_{sc}\sqrt{f_{ck}E_{c}}$)에 의해 지배되었다. 실험 결과에 대한 ^{KDS 14 31 10(2017)}의 전단응력재 전단내력 예측값($\left(V_{n}\right)_{Exp}/\left(V_{n}\right)_{Pre}$)의 평균 및 표준편차는 H-형강 말뚝 실험체의 경우 각각 약 1.17 및 0.08로, 철근콘크리트 말뚝 실험체의 경우 각각 1.18 및 0.07로 실험결과를 과소평가하였다(Table 5 and 6).