2.1 국내 설계기준

국내 합성구조 부재 설계기준^{(KDS 14 31 80 : 2024)}에서는 외력이 축 방향으로 가해질 경우, 강재와 콘크리트 간에 전달해야 되어야 할 힘의 크기는 단면 내 조건에 따라 외력을 분배하여 평가하도록 규정하고 있다. 또한, 단면 내 조건에 따라 산정된 길이 방향 전단력은 직접 지압, 전단 연결, 직접 부착 작용에 의한 힘의 전달 기구 설계강도($\phi R_{n}$)을 초과하지 않아야 한다. 길이 방향 전단력이 직접 부착 작용에 의한 설계 전단강도를 초과하면 지압강도 및 전단 접합 등의 힘의 전달 기구를 사용하도록 규정하고 있다.

직접 부착강도는 매입형 또는 충전형 합성부재에 외력이 전달될 때, 강재와 콘크리트 사이의 공칭 부착강도는 식(1)에 따라 계산된다.

여기서, $\phi = 0.45$, $U_{in}$는 H형강 또는 강관의 전체 둘레 길이(mm)이며, $L_{in}$는 하중 도입부의 길이(mm)이다. $F_{in}$는 콘크리트와 접하는 강재 단면 표면에 도장, 기름, 윤활유 및 녹 등이 없는 경우의 가정된 공칭 부착응력(MPa)이다. 콘크리트에 완전 매입된 H형강 단면의 공칭 부착응력은 0.66 MPa로 제시하고 있다.

또한, 공칭 부착응력은 플랜지에 대한 최소 유효 피복두께가 40 mm보다 더 두껍고, 플랜지의 콘크리트를 충분히 구속시킬 수 있는 횡방향 철근과 길이 방향 철근이 있는 경우, 더 높은 부착응력 값을 사용할 수 있다. 피복두께를 고려한 공칭 부착응력은 실험으로 증명되지 않는 한, 식(2)에서 계산된 $\beta_{c}$값을 $F_{in}$곱하여 사용하도록 규정되어 있다.

$c_{e}$는 플랜지 면에 대한 콘크리트의 유효 피폭두께(mm)이다.

2.2 선행연구 고찰

^{Kennedy(1984)}는 강재와 콘크리트 간 하중 전달 특성을 파악하기 위해 전단연결재 없이 푸쉬아웃 실험을 수행하였다. 실험 결과, 수화반응 과정 중 모세관 현상에 의한 경계면의 화학적 반응 및 흡인력, 강재 단면의 불규칙성으로 인한 미세 맞물림, 수직력에 의한 콘크리트와 강재 사이의 마찰, 그리고 전체 변형에 따른 곡률 또는 결합 효과 등을 통해 강재와 콘크리트 간의 부착응력을 통한 하중 전달 특성을 규정하였다.

^{Min et al.(2005)}는 강재매입형 합성기둥을 대상으로 횡 방향 철근비, 강재 복부 단면의 천공 유무, 전단연결재 유무 등을 변수로 계획하여 푸쉬아웃 실험을 진행하였다. 실험 결과, 횡방향 철근의 구속, 천공된 복부 면의 지압 효과, 전단연결재 등에 의해 부착강도가 증가함을 나타내었다.

^{Wang et al.(2017)}은 콘크리트에 매립된 강판과 콘크리트 접촉면 사이에 발생하는 부착응력과 슬립 거동을 강판의 두께와 부착면적을 변수로 하여 푸쉬아웃 실험을 수행하였다. 실험 결과, 강재와 콘크리트 사이의 부착에 의한 최대 강도가 발현된 후 마찰에 의한 거동을 하는 것이 확인되었다.

^{Choi et al.(2024)}는 전단연결재 적용이 어려운 소형 ㄱ형강을 대상으로, 별도의 전단키 없이 부착강도를 평가하기 위해 푸쉬아웃 실험을 진행하였다. 실험 변수로 ㄱ형강의 종류, 피복두께, 콘크리트 압축강도, 부착길이 등으로 계획하였다. 실험 결과로부터 콘크리트 압축강도 제곱근($\sqrt{f_{ck}}$)과 부착응력 계수($k=0.1$)의 곱으로 구성된 공칭 부착강도 식을 식(3)과 같이 제안하였다.

이상의 선행연구와 마찬가지로, 대부분 강재 표면에 전단키가 없거나 스터드와 같은 전단연결재가 설치된 강재에 대해 부착 성능 평가가 이루어졌으며, ㄱ형강과 같은 소형 강재에 적합한 전단키 상세 개발 및 성능 평가가 미비한 실정이다.

3.1 실험체 계획

푸쉬아웃 실험체의 실험 변수는 형강 종류, 피복두께, 강섬유 혼입률, 부착길이 등으로 Table 1과 같이 총 24개로 계획하였다. 푸쉬아웃 실험체는 Fig. 1(a), (b)와 같이 정사각형 단면에 부착길이와 동일한 높이를 가지는 콘크리트 직육면체 형태로 제작하였다. Fig. 1(b)에 나타난 것처럼 실험체 상부 ㄱ형강을 30 mm 돌출한 후 동일한 하중을 가력 하기 위해 직사각형 강판(10 mm)을 용접하였다. 이형철근은 부착길이의 중심부에 CO₂ 아크 용접을 통해 ㄱ형강 표면에 용접 접합하였다.

Table 1의 실험체명에서 DA는 D10 이형철근이 용접 접합된 등변 ㄱ형강을 의미한다. DA 뒤의 수치는 ㄱ형강 폭으로, DA50은 SS275 L-50×50×4, DA75는 SS275 L-75× 75×6을 나타낸다. C는 Fig. 1(a), (b)에 나타난 이형철근이 용접되는 ㄱ형강 표면에서 콘크리트 연단까지의 최소거리인 피복두께($c_{e}$)로 C30은 30 mm, C50은 50 mm, C70은 70 mm를 나타낸다. F는 강섬유 혼입률(F0: 강섬유 혼입률 0%, F1: 강섬유 혼입률 1%), L은 부착길이(L140: 140 mm, L170: 170 mm, L280: 280 mm, L340: 340 mm)를 의미한다.

Fig. 1 Details of push-out specimens (Unit: mm)

3.2 재료 물성치

콘크리트의 재료 물성을 평가하기 위해 KS F 2403에 따라 높이 200 mm, 지름 100 mm 크기의 원기둥형 공시체를 제작하고 표준양생 후, KS F 2405 및 KS F 2423에 따라 압축강도($f_{ck}$) 및 쪼갬 인장강도($f_{sp}$)시험을 실시하였다. 실험 결과의 평균값은 Table 2에 나타내었다.

또한, ㄱ형강 및 이형철근에 대하여 KS B 0801에 명시된 규정에 따라 시험편 제작한 후, KS B 0802에 따라 인장시험을 실시하였으며, 그 결과의 평균값은 Table 3에 나타내었다.

본 연구에서 사용된 강섬유는 길이 35.0 mm, 섬유의 직경 0.55 mm이고, 최저 인장강도는 1,000 MPa이다.

3.3 가력 및 계측 방법

푸쉬아웃 실험을 위해 2000kN 만능구조실험기(UTM)를 사용하였으며, Fig. 2와 같이 ㄱ형강이 미끄러짐에 의한 변형이 발생할 수 있도록 실험체 하부에 ㄱ형태 개구부가 있는 강판을 설치하였다. 또한 강판 하부에는 가력 면의 편심하중이 발생하지 않도록 유공 힌지 구좌를 두었다.

ㄱ형강과 콘크리트 사이의 상대 변위는 개구부가 있는 강판과 유공 힌지 구좌를 관통하여 설치된 LVDT을 통해 측정하였다.

Fig. 2 Test setup of push-out specimens

4.1 푸쉬아웃 실험에 의한 파괴모드

두 개 실험체를 제외한 모든 실험체에서는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 ㄱ형강의 세 모서리 부분에서 콘크리트가 쪼개지는 쪼갬 파괴가 발생하였다. 이러한 파괴 패턴은 ㄱ형강에 용접 접합된 이형철근에 작용하는 지압응력에 의하여 콘크리트 외부 면으로 인장응력이 발생함으로써 나타난 것으로 사료된다. DA50-C70-F1-L280 실험체에서는 상부 ㄱ형강에서 국부 좌굴이 발생하여 좌굴이 발생한 시점에서 하중 가력을 중단하였으며, DA50-C50-F0-L280 실험체는 데이터 측정시스템 오류로 인해 데이터를 얻지 못하였다.

Fig. 3 Failure mode

4.2 하중-변위 곡선 및 내력

Table 4에는 푸쉬아웃 실험 결과를, Fig. 4에는 실험체의 하중-변위 곡선을 정리하여 나타내었다. Table 4 및 Fig. 4에서 피복두께 및 부착길이가 증가할수록 최대 하중은 증가하는 경향이 나타났다.

피복두께가 약 1.7~2.3배 증가할 경우, 최대 하중은 F0 계열은 평균 68.9~97.6% 증가하였으며, F1 계열 실험체에서 평균 98.4~132.8% 증가하였다. 부착길이가 2배로 증가할 경우, 최대 하중은 F0 계열 실험체에서 평균 약 73.2%, F1 계열 실험체에서 약 67.4% 증가하였다.

또한, 강섬유 보강이 최대 하중 이후 실험체의 연성적인 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 Fig. 5와 같이 최대 하중에서 최대 하중 이후 85%와 50% 지점에서의 직선 기울기($K_{0.85}$, $K_{0.50}$)를 산정하였다.

산정된 결과는 Table 4에 정리하였으며, 최대 하중 이후 85% 지점에서의 평균 기울기는 F0 계열 실험체에서 257.04 kN/mm, F1 계열 실험체에서 221.45 kN/mm으로 약 13.9% 차이를 보이며 유사하게 평가되었다. 그러나 50% 지점에서의 평균 기울기는 F0 계열 실험체에서 223.29 kN/mm, F1 계열 실험체에서 55.00 kN/mm으로 약 75.4% 감소하여 강섬유 보강이 최대 하중 이후 균열 억제와 연성적인 거동에 기여하는 것으로 확인되었다.

Fig. 4 Load-displacement curves

Fig. 5 Load-displacement curve with slope analysis at 85% and 50% of maximum load

4.3 실험 변수에 따른 부착응력의 변화

Table 4에서 최대 부착응력($\tau_{\max}$)는 식(4)과 같이 최대 하중($P_{\max}$)에 부착면적($A_{b}$)을 나누어 산정하였다.

Fig. 6은 피복두께 증가에 따른 부착응력을 나타내며, 실선은 각 피복두께에서의 평균 부착응력을 의미한다. F0 계열 실험체의 경우, 피복두께가 약 1.7배 증가하면 평균 부착응력은 약 55.4% 증가하였고, 약 2.3배 증가 시 약 87.1% 향상되었다. F1 계열 실험체의 경우 1.7배 증가할 때 약 90.7%, 약 2.3배 증가 시 약 116.7% 증가하였다. 이를 통해 피복두께는 부착응력에 직접적인 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 7은 부착면적비에 따른 평균 부착응력의 변화를 나타낸다. 부착면적이 2배로 증가함에 따라 F0 계열 실험체에서는 평균 부착응력이 17.0%, F1 계열 실험체에서는 19.3% 감소하였다. 이는 ^{Choi et al.(2024)}의 연구에서도 부착면적과 부착응력이 서로 반비례하는 경향을 보였으며, 본 연구에서도 동일한 경향이 나타났다.

강섬유 보강하지 않은 F0 계열 실험체의 평균 부착응력은 3.98 MPa, 표준편차 1.18 MPa로 평가되었으며, 강섬유 1% 혼입된 F1 계열 실험체는 3.45 MPa, 표준편차 1.13 MPa로 약 15.4% 감소하였다. 이러한 경향을 정량적으로 평가하기 위해, 콘크리트 압축강도의 제곱근($\sqrt{f_{ck}}$)과 피복두께에 대한 보정계수($\beta_{c}$)로 나누어 부착응력 계수($k$)를 산정하였으며, 그 결과는 Table 4에 나타내었다. F0 계열 실험체의 평균 부착응력 계수가 0.592로 F1 계열 실험체의 0.550보다 약 7.1% 높게 나타났다. 이를 통해 강섬유 보강이 부착응력 계수에 미치는 영향이 상대적으로 크지 않음을 확인하였다.

Fig. 6 Effect of cover thickness on bond stress

Fig. 7 Effect of bond area ratio on bond stress

4.4 설계식 적용을 위한 부착응력 계수 제시

푸쉬아웃 실험체의 하위 5% 부착응력을 평가한 결과 1.75 MPa로 평가되었다. 이는 KDS 14 31 80에서 제시된 부착응력(0.66 MPa) 및 ^{Choi et al.(2024)}의 하위 5% 부착응력(0.76 MP a)에 비해, 약 2.30~2.65배 더 높게 나타났다. 이러한 결과는 이형철근 전단보강근이 강재와 콘크리트 접촉면에서 발생하는 전단력에 효과적으로 저항하여 부착 성능을 크게 향상시킨 것으로 사료된다.

이형철근 전단 상세를 가지는 소형 ㄱ형강 부재의 설계식 적용을 위해, 하위 5% 부착응력을 고려하여 식(3)에서 부착응력 계수($k$)을 0.383으로 제시하고자 한다.

Fig. 8은 본 연구에서 24개 실험체에 대해 실험 부착강도($P_{\max}$)을 식(1)의 현행 기준식에 의한 부착강도($R_{n}$), ^{Choi et al.(2024)}에서 제시한 부착응력 계수($k=0.1$)을 식(3)에 적용하여 평가한 부착강도($R_{n_{-}k=0.1}$), 본 연구에서 제안한 부착응력 계수($k=0.383$)을 식(3)에 적용하여 평가한 부착강도($R_{n_{-}k=0.383}$) 등과 비교하여 나타낸 것이다. $P_{\max}$/$R_{n}$의 평균은 4.67, 표준오차는 0.99이며, $P_{\max}$ /$R_{n_{-}k=0.1}$의 평균은 5.70, 표준오차는 1.14이다. 이에 비하여 본 연구에서 제안한 부착강도에 대해, $P_{\max}$ /$R_{n_{-}k=0.383}$의 평균은 1.49, 표준오차는 0.30으로 평균이 실험 강도에 더 근접하고, 표준편차 또한 더 적은 것으로 평가한다.

Fig. 8 Comparison nominal bond strength and $P LSUB\max$