Experimental Study on the Composite Beam Using U-shaped Steel Beam and Angle Shear Connectors

Abstract

Recently in Korea, because of the development of industry and demand for high floor area ratio associated with land price rise, buildings are becoming larger, higher, and adopting long-span. In response to this situation, applications of composite beam construction are increasing, and one of the beams used in Korea is the composite beam using a U-shaped steel beam and angle shear connectors. Conversely, despite the advantages of reducing construction duration and floor height, there is a lack of relevant studies and criteria. Therefore, in this study, flexural tests were conducted for the composite beam using U-shaped steel beam and angle shear connectors with the presence of transverse reinforcement in concrete slab, and the orientation and interval of angles were chosen as the main variables. Push-out tests were also conducted with the variables of orientation and interval of shear connectors, sectional shape of shear connector, and presence of shear connector as the main variables. The whole test program was conducted in two phases at an interval of one year. In material tests, concrete compressive strength was measured to be much lower than the specified strength of 24 MPa. It appears that the quality of the concrete was low and not reliable. In flexural test results, higher flexural strength was measured as angles were placed in the inverse direction and/or the interval of angles decreased. In push-out test results, the higher shear strength of push-out specimens was measured in the order of the right direction channel, the right direction angle, and the inverse direction angle. In previous studies, the shear connectors attached to the U-shaped steel beam showed the behavior of an angle member with fixed ends under uniformly distributed lateral loads. But in this study result, the deformation of angle shear connectors was predominantly either folding inward or outward. In all push-out tests, the web-to-web clear distance of the U-shaped steel beam was fixed to 384 mm, and in this condition, such a folding deformation was valid. This study results can be useful data for the development and update of relevant criteria, and basic research data for flexural performance of composite beams using a U-shaped steel beam and angle shear connectors and shear performance of shear connectors.

최근 한국에서는 산업의 발달과 지가 상승으로 인한 높은 용적률에 대한 요구로 건물들에 대해 고층화, 장스팬화, 층고절감, 경제성과 같은 사항들이 요구되고 있다. 이에 다양한 종류의 합성보의 건설현장 적용이 늘고 있으며, 그 중 하나가 전단연결 앵글과 U자형 강재보를 활용하는 합성보이다. 그러나 이 합성보는 공기단축과 층고절감이 가능하다는 장점에도 불구하고 아직 관련 기준 및 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 전단연결 앵글의 방향 및 간격, 콘크리트 슬래브의 횡 방향 철근의 유무를 휨 실험의 변수로, 전단연결재의 방향, 간격, 단면모양을 푸쉬아웃 실험의 변수로 설정하여 실험을 진행하였다. 실험은 총 2개의 단계로 계획되었으며 1년 간격으로 수행되었다. 재료 실험 결과, 콘크리트의 실제 압축강도가 공칭강도인 24MPa 에 크게 못 미치는 것으로 나타났다. 이는 실험에 사용된 콘크리트의 질이 낮고 신뢰성이 부족하였기 때문인 것으로 보인다. 휨 실험 결과, 전단연결 앵글을 역방향으로 배치하고 앵글간 간격이 감소할수록 높은 휨 강도가 측정되는 경향을 보였다. 푸쉬아웃 실험에서는 전단연결재의 단면모양과 방향에 대해서는 정방향채널, 정방향앵글, 역방향앵글 순으로 높은 전단강도가 측정되었다. 기존 선행연구들에서는 푸쉬아웃 시편에 부착된 전단연결재들이 양단이 고정된 보처럼 휘어지는 변형을 보여주었으나, 본 연구에서는 전단연결재의 길이방향의 수직방향으로 내측으로 접히거나 외측으로 벌어지는 거동이 지배적으로 나타났다. 그러나 푸쉬아웃 시편의 U자형 보의 웨브간 거리가 모두 384mm로 동일하였기에 이러한 조건 내에서만 앞에서 언급한 변형거동이 유효하다고 할 수 있다. 본 연구는 전단연결 앵글과 U자형 강재보를 활용한 합성보의 휨 성능과 전단연결재의 성능에 관한 기초연구자료를 제시함으로써 관련기준의 개정 및 추후 관련연구에 있어 유용한 자료가 될 것으로 기대된다.