실험체에 사용된 강재 및 콘크리트에 대해서 재료시험을 수행하였다. 강재의 재료시험은 한국공업규격의 금속재료 인장시험편(KS B 0801)에서 판모양 정형 시험편 5호를 따라 제작하였으며^[11], 금속재료 인장시험방법(KS B 0802)에서 제시한 시험방법에 준하여 실험을 진행하였다^[12]. Fig. 3은 제작된 시험편과 설치 모습을 나타낸다.

Fig. 3. 
Steel material test

전단연결재에 사용된 강재는 SS275이며, Fig. 4와 Table 2는 재료시험 결과를 나타낸다. 평균 항복강도는 341.7 MPa 이며 평균 인장강도는 485.4 MPa이다.

Fig. 4. 
Stress-strain curve of material test

콘크리트의 경우 한국공업규격의 콘크리트 강도 시험용 공시체를 제작하여, 콘크리트 압축 강도 시험방법(KS F 2405)에서 제시하는 방법에 준하여 진행하였다^[13]. Fig. 5는 제작된 시험편과 설치 모습을 나타내며, 압축강도 실험결과는 Table 2에 함께 나타내었다. 콘크리트의 평균 압축강도는 29.2 MPa이다.

Fig. 5. 
Concrete material test

실험을 수행하기 위해 용량 3,000 kN의 만능재료시험기(UTM) 위에 설치하였다. Fig. 6(a)는 실제 실험체 설치 모습을 나타내며, Fig. 6(b)는 콘크리트와 강재의 상대변위를 측정하기 위해 설치한 LVDT의 설치 위치를 나타낸다. 실험은 변위제어로 진행하였으며, 속도는 1.5 mm/min이다.

Fig. 6. 
Test set-up

다음은 실험종료 후 실험체의 모습이다. 파괴형상은 주로 콘크리트 슬래브 부분의 파괴가 일어났으며, 모든 실험체에서 콘크리트 슬래브와 강재 단면사이의 횡단분리를 확인할 수 있었다. 콘크리트 슬래브의 균열은 전단연결재의 설치 위치에서 발생하였으며, 전단연결재의 저항으로 발생했다고 판단된다. 추가로 강재 단면과 콘크리트 슬래브 사이의 전단에 의해 상부 콘크리트에서의 균열도 확인할 수 있었다.

먼저, Fig. 7은 AN-160-60-4.5 실험체의 실험결과 사진이다. 전단연결재 부근 콘크리트에서 파괴가 일어났으며, 콘크리트 슬래브와 강재단면 사이의 횡단분리와 콘크리트 상부에서 전단에 의한 균열도 나타났다.

Fig. 7. 
Failure mode (AN-160-60-4.5)

다음으로 Fig. 8은 위 실험체와 연결재의 높이가 동일한 AN-160-60-6 실험체의 실험결과 사진이다. 앞선 실험체보다 콘크리트 슬래브 부분의 파괴가 심하게 나타났으며 슬래브와 강재단면 사이의 횡단 분리도 눈에 띄는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8. 
Failure mode (AN-160-60-6)

Fig. 9는 AN-160-80-4.5 실험체의 실험결과 사진으로 높이 60 mm의 실험체에 비해 전체적으로 균열 및 횡단분리가 눈에 띄지 않으나, 전단연결재 근처 콘크리트 부분에서의 파괴 및 균열을 확인할 수 있었다.

Fig. 9. 
Failure mode (AN-160-80-4.5)

Fig. 10은 AN-160-80-6 실험체의 실험결과 사진이다. 4.5 t 실험체에 비해 콘크리트 슬래브 부분 균열 및 횡단분리가 눈에 띄게 나타났으며 전체적으로 4.5 t 실험체보다 6 t 실험체에서 콘크리트 슬래브 부분의 파괴가 심하게 나타났다.

Fig. 10. 
Failure mode (AN-160-80-6)

앵글형 전단연결재의 높이와 두께에 따른 강도 및 성능 평가를 위해 각 변수를 통일하여 비교하였다.

먼저, Fig. 11은 연결재의 높이는 60 mm로 동일하며 두께가 각각 6 t, 4.5 t인 경우 두께에 따른 결과 그래프를 나타낸 것이다. 초기 강성은 유사하게 나타났으나 하중이 가해짐에 따라 6 t의 경우가 최대강도 및 변형 능력이 뛰어난 것을 알 수 있다. 수치상으로는 6 t의 경우 최대강도가 1,877 kN으로 4.5 t의 1,561 kN에 비해 약 21 % 정도 증가하였으며, 항복 후 연결재의 변형 능력에 대해서도 4.5 t의 경우 약 8 mm정도의 변형 능력을 보이는 것에 비해 6 t의 경우 약 11 mm정도로 변형 능력도 증가하였다.

Fig. 11. 
Load-displacement curve about thickness (60 mm)

Fig. 12는 연결재의 높이를 80 mm로 동일하게 했을 경우 두께에 따른 결과 그래프를 나타낸 것이다. 연결재의 높이가 60 mm인 경우와 유사하게 6 t의 경우 최대강도 및 변형 능력이 증가하였으며, 최대강도가 1,996 kN으로 4.5 t의 1,670 kN에 비해 약 20 % 정도 증가한 것을 확인할 수 있다. 항복 후 연결재의 변형 능력에 대해서도 약 7 mm에서 약 10 mm로 증가하였다.

Fig. 12. 
Load-displacement curve about thickness (80 mm)

전체적으로 연결재의 두께가 증가함에 따라 최대강도 및 변형 능력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 최대강도의 경우 평균적으로 20 % 정도 증가하였으며 항복 후 변형 능력 부분에서도 약 3 mm - 4 mm 정도 증가한 것을 확인할 수 있었다.

다음은 실험결과를 전단연결재의 높이(h_s)에 따라 나타낸 것이다. Fig. 13은 연결재의 두께는 4.5 t로 동일하게 하였으며 높이가 각각 80 mm, 60 mm인 경우 높이에 따른 결과 그래프를 나타낸 것이다, 초기강성은 유사했으며, 최대강도 부분에서 수치상으로 높이가 80 mm인 실험체의 최대강도가 1,670.6 kN으로 1,561.6 kN에 비해 크게 나타났다. 변형 능력 부분에서는 오히려 높이가 낮은 실험체가 더 뛰어난 변형 능력을 보여주었다.

Fig. 13. 
Load-displacement curve about height (4.5 t)

Fig. 14의 경우 연결재의 두께가 6 t인 경우를 동일하게 나타낸 것이다. 두 실험체가 거의 유사한 실험결과를 보여주었으나 최대강도 부분에서 높이가 60 mm인 실험체의 최대강도가 1,996.4 kN으로 1,877.5 kN에 비해 크게 나타났다.

Fig. 14. 
Load-displacement curve about height (6 t)

두 가지 경우 모두 두께를 변수로 하는 경우에 비해 뚜렷한 차이는 확인할 수 없었지만 높이가 증가함에 따라 최대강도가 증가한다고 판단하였다. 하지만 신뢰성 부분에서 실험에 사용된 네 개의 실험체만으로 결과를 판단하기 어려우며 연결재의 높이에 대해 추가적인 실험을 진행할 필요가 있다. 연결재의 변형 능력 부분에서는 큰 차이를 보이지 않았으며 변형 능력은 연결재의 두께에 많은 영향을 받는 것으로 판단된다.

실험결과에 따른 앵글형 전단연결재의 강도 및 성능은 Table 3에 나타냈다. Q_y는 초기 기울기에서 기울기가 갑작스럽게 변화하는 지점으로 산정하였고, Q_u는 최대강도로 산정하였다. Fig. 15에서 두께 및 높이가 증가함에 따라 전단연결재의 최대강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 15. 
Bar chart of push-out test result

일반적으로 합성부재에서 전단연결재의 역할은 콘크리트와 강재를 일체화시키는 것이지만, 동시에 연성적인 거동을 하는 것을 목표로 한다. 따라서 본 연구에서는 앵글형 전단연결재의 연성능력을 평가하기 위해 EN 1994-1-1^[14]에서 제시하는 전단연결재의 연성능력(slip capacity, δ_u) 평가 방법을 통해 실험에 사용된 앵글형 전단연결재의 연성능력을 평가하였다. 연결재의 연성능력(δ_u)은 최대하중의 90 %에 해당하는 하중(P_Rk)에 대한 변위로 측정되며, Fig. 16은 Eurocode에서 제시하는 δ_u의 측정 방법을 나타낸다. 연결재의 연성능력(δ_u)이 6 mm 이상이면 연성적인 연결재로 평가되며, 본 실험에 사용된 4개의 실험체 모두 6 mm를 상회하여 연성 연결재로 판단되었다. 연성능력 평가를 위해 참고한 EN 1994-​1-1에서는 push-out 실험방법에 대해서도 제시하고 있으며, 제시하는 실험방법에 따르면 예상 파괴하중의 5 % - 40 % 사이에서 25회 반복가력을 하게 되어 있다. 그 과정은 콘크리트와 강재를 분리하는 과정으로 최대강도 및 변형 능력에 영향을 미치지 않는다고 판단하여 본 실험에서는 진행하지 않았다.

Fig. 16. 
Determination of P_Rk and δ_u of Eurocode

실험결과에서 알 수 있듯이 앵글형 전단연결재는 두께에 비례하여 강도 및 변형 능력이 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 실험결과를 통해서 연결재의 두께가 설계식에 반영되어야 한다. 연결재의 높이의 경우 높이가 높아짐에 따라 강도가 약간 증가하였다. 본 실험에서는 눈에 띄는 큰 차이가 나지 않았지만 연결재의 높이가 더 높아질 경우 강도가 증가할 것으로 예상된다. 따라서 연결재의 높이가 강도에 영향을 미친다고 판단하여 설계식에서 연결재의 높이에 대한 고려도 필요하다고 판단된다.

본 연구에 사용된 앵글형 전단연결재에 적합한 설계식을 찾기 위해서 유사한 형태의 전단연결재에 대한 설계식과 다양한 연구 및 제안식들을 통하여 설계식 검토를 진행하였다.

Fig. 17은 국내 구조 설계기준인 건축구조기준^[15]에서 제시하는 ㄷ형 전단연결재의 상세이며, 식 (1)은 ㄷ형 전단연결재의 설계식이다. ㄷ형 전단연결재는 본 실험에 사용된 앵글형 전단연결재와 비슷한 형상을 하고 있지만 설계식에서 전단연결재의 높이를 고려하지 않고 있다.

Fig. 17. 
C channel shear connector as used in KBC 2016

• 여기서, Q_n : 전단연결재의 공칭강도(kN)
• t_f : 전단연결재의 플랜지 두께(mm)
• t_w : 전단연결재의 웨브 두께(mm)
• L_c : 전단연결재의 용접길이(mm)
• f_ck : 콘크리트의 강도(MPa)
• E_c : 콘크리트의 탄성계수(MPa)

다음으로 식 (2)는 캐나다의 설계기준인 CAN/CSA a16^[16]이며 식 (3)은 그것을 참고하여 Pashan^[6]이 제안한 설계식이다. ㄷ형 전단연결재와 같은 형태의 연결재를 사용하여 실험 및 설계식을 제안하였으며, Pashan이 제안한 설계식은 전단연결재의 높이까지 고려하고 있다.

여기서, H_c : 전단연결재의 높이(mm)

마지막으로 식 (4)는 Eurocode^[17]에서 제시하는 앵글을 전단연결재로 사용했을 경우에 대한 설계식이며, Fig. 18은 앵글의 형태를 나타낸다. 본 설계식에서는 앵글의 두께를 고려하고 있지 않지만 높이를 고려하고 있다.

Fig. 18. 
Angle shear connector as used in Eurocode

여기서, H_c : 전단연결재의 높이(mm)

마지막으로 식 (4)는 Eurocode^[17]에서 제시하는 앵글을 전단연결재로 사용했을 경우에 대한 설계식이며, Fig. 18은 앵글의 형태를 나타낸다. 본 설계식에서는 앵글의 두께를 고려하고 있지 않지만 높이를 고려하고 있다.

• 여기서, b : 전단연결재의 길이(= L_c)(mm)
• h : 전단연결재의 높이(mm)
• γ_v : 부분안전계수(= 1.25)

따라서, 본 논문에서는 세 가지 설계식을 비교하여 앵글형 전단연결재에 가장 적합한 설계식을 찾고자 한다. Table 4는 각 설계식에 의한 강도를 계산한 것이며, 실제 실험결과와 비교한 것이다. 건축구조기준의 경우 연결재의 높이에 대한 변수를 반영하지 못하고, Eurocode의 경우 연결재의 두께에 대한 변수를 고려하지 못하고 있다.

Fig. 19는 위의 Table 4를 그래프로 나타낸 것이다. 실제 실험에서 연결재의 두께에 따라 실험결과가 큰 차이를 보였던 만큼 두께를 고려하지 않는 Eurocode의 설계식의 경우 실제 실험결과와 큰 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 두께를 고려한 건축구조기준과 Pashan이 제안한 설계식의 경우 비교적 유사한 값이 나온 것을 확인할 수 있다. 건축구조기준의 경우 연결재의 높이를 고려하지 않기 때문에 두께에 따른 강도변화를 따라가지 못하며, 전단연결재의 높이를 고려하는 Pashan의 제안식의 경우 높이 변화를 고려하기 때문에 실험값과 가장 유사한 경향을 보여주었다.

Fig. 19. 
Comparison of theoretical and experimental values

그럼에도 전단연결재의 강도가 저평가되는 이유는 전단연결재 사이의 콘크리트가 추가적으로 전단에 저항하기 때문이라고 판단된다. 본 실험에 사용된 앵글형 전단연결재는 충전형 합성보에 사용을 목적으로 하고 있으며 전단연결재 사이에 콘크리트가 채워진 형태를 가지게 된다. 따라서 콘크리트가 가지는 전단내력을 고려해야하며 이에 대해서는 추후에 추가적인 연구를 진행할 예정이다.