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문제 정의
- 고강도콘크리트를 65 MPa로 한 것은 60 MPa이상이면 보통강도와 다른 부착특성이 보였고, 현행 콘크리트기준의 정착설계를 69 MPa까지 적용하는 데에 문제점이 있다는 것을 제시하고자 했기 때문이다. c泌를 3.
- 본 연구에서는 콘크리트강도에 따른 부착거동을 파악하기 위한 기초적 연구의 일환으로 성능에 기초한 설계법* 의 관점에서 인장부재의 횡균열 사이를 모형화한 직접인 장실험을 수행하여 하중단계별로 콘크리트강도에 따른 부착특성의 차이점을 비교 분석하였고, 다수의 횡균열이 발생할 수 있는 직접인장실험을 수행하여 이 부착특성의 차이가 균열거동에 어떤 영향을 미쳤는가를 조사하였다. 또한 이 실험결과를 이용하여 고강도콘크리트를 사용할 때의 설계기준의 문제점을 제시코자하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트강도에 따른 부착거동을 파악하기 위한 기초적 연구의 일환으로 성능에 기초한 설계법* 의 관점에서 인장부재의 횡균열 사이를 모형화한 직접인 장실험을 수행하여 하중단계별로 콘크리트강도에 따른 부착특성의 차이점을 비교 분석하였고, 다수의 횡균열이 발생할 수 있는 직접인장실험을 수행하여 이 부착특성의 차이가 균열거동에 어떤 영향을 미쳤는가를 조사하였다. 또한 이 실험결과를 이용하여 고강도콘크리트를 사용할 때의 설계기준의 문제점을 제시코자하였다.
제안 방법
- 본 시험체는 좌우대칭으로 중앙부근에서 철근력의 변화가 거의 없고 부착응력도 0으로 줄어들 게 되어있다. 본 시험체의 평균부착응력을 계산할 때 이런 영향을 배제하기 위해서 하중단에서부터 55.42 mm 위치까지의 철근력 차이를 그 사이의 철근 표면적으로 나눈 응력을 평균부착응력 初, "으로 하고, 하중단계별로 HSC와 NSC의 평균부착응력을 Fig. 7에 나타냈다.
- HSC와 NSC의 부착성능의 차이를 좀 더 자세히 살펴 보기 위하여 하중단계별로 HSC와 NSC의 부착응력분포를 조사하였다. 본 연구의 부착응력은 인접 게이지 철근 력 차이를 게이지 사이의 철근 표면적으로 나눈 응력을 그 위치의 부착응력 犯로 하였고, 이렇게 계산된 부착응 력을 Table 4에 정리하고, Fig.
- 인장시험체의 양쪽 하중단에 철근과 같이 거동할 수 있는 변위계 지지판 설치용 클램프를 부착하고 4개의 전기식 변위계(LVDT)의 평균값을 이용하여 변위를 측정하고, 변위제어 방식으로 가력하였다. 각 하중단계마다 균열을 기록하여 전체적인 균열거동을 파악하였다.
- 2와 같이 단면은 200 mnx200 rim 이고, 철근의 묻힘길이는 D25(SD30) 철근 11개 마디가 매입되는 1汤8 mm이다 콘크리트 압축강도 시험값은 NSC 24 MPa, HSC 63 MPa이고 시험체명은 L「N, LT- H로 하였다. 변형률 게이지를 좌우대칭으로 5개씩 철근 리브에 부착하여 하중단계별로 철근의 변형률을 측정하였다.
- 본 연구는 8개의 직접인장실험을 수행하여 축방향 부재의 콘크리트강도에 따른 부착특성과 균열거동을 조사하였다. 주변수는 콘크리트강도로 보통강도 24-25MPa, 고강도 61~63MPa이다.
- HSC와 NSC의 부착성능의 차이를 좀 더 자세히 살펴 보기 위하여 하중단계별로 HSC와 NSC의 부착응력분포를 조사하였다. 본 연구의 부착응력은 인접 게이지 철근 력 차이를 게이지 사이의 철근 표면적으로 나눈 응력을 그 위치의 부착응력 犯로 하였고, 이렇게 계산된 부착응 력을 Table 4에 정리하고, Fig. 7에 나타내었다.
- 5이상이면 쪼갬균열의 영향을 무시할 수 있다고 하였다. 본 연구의 시험체도 조속한 쪼갬균열의 영향을 방지하고 횡균열만을 유도할 수 있도록 ddt를 3.5로 하였다. NSC는 횡균열하중에 대한 쪼갬균열하중의 비가 1.
- 본 연구의 직접인장실험에서 철근직경에 대한 피복두께 비는 3.5로, 콘크리트는 보통강도 24-25 MPa, 고강도 61-63 MPa의 2종류로 하여 콘크리트강도에 따른 부착특성과 균열거동을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 콘크리트 압축강도 시험값은 NSC 25 MPa, HSC 61 MPa이고 시험체명은 IM-N, 珈-H로 하였다. 양생 중에 발생하는 건조수축량을 줄이기 위하여 타설 후 거푸집 탈형까지 3일 동안은 습윤양생을 하였고, 그 후부터 시험 전까지의 약 4주에서 6주까지는 수중양생 을 하였다. 인장시험체의 양쪽 하중단에 철근과 같이 거동할 수 있는 변위계 지지판 설치용 클램프를 부착하고 4개의 전기식 변위계(LVDT)의 평균값을 이용하여 변위를 측정하고, 변위제어 방식으로 가력하였다.
- 양생 중에 발생하는 건조수축량을 줄이기 위하여 타설 후 거푸집 탈형까지 3일 동안은 습윤양생을 하였고, 그 후부터 시험 전까지의 약 4주에서 6주까지는 수중양생 을 하였다. 인장시험체의 양쪽 하중단에 철근과 같이 거동할 수 있는 변위계 지지판 설치용 클램프를 부착하고 4개의 전기식 변위계(LVDT)의 평균값을 이용하여 변위를 측정하고, 변위제어 방식으로 가력하였다. 각 하중단계마다 균열을 기록하여 전체적인 균열거동을 파악하였다.
- 주변수는 콘크리트강도로 보통강도 24-25MPa, 고강도 61~63MPa이다. 직접인장시험체는 2종류로서 짧은 시험체는 횡균열 사이의 인장부 재를 모형화하였고, 긴 시험체는 다수의 횡균열이 발생하는 인장부재를 모형화하였다. 이러한 직접인장실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 61 이라 할 수 있다. 콘크리트강도에 따른 부착특성을 평 가하기 위하여 각 하중단계에서 HSC와 NSC의 평균부착 응력비 佑를 구해 Fig. 8과 같이 인장강도비와 비교하여 보았다.
대상 데이터
- 국부인장 시험체는 Fig. 2와 같이 단면은 200 mnx200 rim 이고, 철근의 묻힘길이는 D25(SD30) 철근 11개 마디가 매입되는 1汤8 mm이다 콘크리트 압축강도 시험값은 NSC 24 MPa, HSC 63 MPa이고 시험체명은 L「N, LT- H로 하였다. 변형률 게이지를 좌우대칭으로 5개씩 철근 리브에 부착하여 하중단계별로 철근의 변형률을 측정하였다.
- 인장부재 시험체는 Fig. 3과 같이 단면은 150mmX155 mm, 길이는 1500 mm이고, D19(SD40) 철근 1개를 단면의 중심에 배치시켰다. 콘크리트 압축강도 시험값은 NSC 25 MPa, HSC 61 MPa이고 시험체명은 IM-N, 珈-H로 하였다.
- 본 연구의 두 가지 직접인장실험을 구별하기 위해서 횡균열 사이를 모형화한 실험을 국부인장(local tension, LT) 실험이라 하고, 다수의 횡균열이 발생할 수 있는 실험을 인장부재(tension member, TM)실험이라 하였다. 철근직 경에 대한 피복두께의 비 ddb를 3.5로 하고, 콘크리트의 배합설계는 Table 1과 같이 목표압축강도를 NSC 25 MPa, HSC 65 MPa의 2종류로 하여 각각 2개씩 총 8개의 시험체를 제작하였다.
- 3과 같이 단면은 150mmX155 mm, 길이는 1500 mm이고, D19(SD40) 철근 1개를 단면의 중심에 배치시켰다. 콘크리트 압축강도 시험값은 NSC 25 MPa, HSC 61 MPa이고 시험체명은 IM-N, 珈-H로 하였다. 양생 중에 발생하는 건조수축량을 줄이기 위하여 타설 후 거푸집 탈형까지 3일 동안은 습윤양생을 하였고, 그 후부터 시험 전까지의 약 4주에서 6주까지는 수중양생 을 하였다.
성능/효과
- (1) 이형철근의 부착저항은 본질적으로 철근 마디가 콘크리트에 작용하는 지압저항이므로 쪼갬균열이 발생하지 않는다면 부착강도는 압축강도에 비례하여 증가한다.
- (2) 부착강도가 압축강도에 비례하여 증가한다면 부착 강도비는 인장강도비보다 더 크므로 HSC가 NSC보다 철 근력의 일부를 더 효과적으로 인접콘크리트로 전달하게되고 이로 인해서 응력교란구간의 길이는 더 짧아지고 횡균 열 간격이 줄어든다.
- (3) 횡균열과 쪼갬균열은 모두 인장균열이므로 균열하중이 인장강도에 비례하여 증가하여야하나 횡균열하중은 인장강도에 비 례하여 증가하지만 쪼갬균열하중은 증가함이 없이 거의 같게 나타났다.
- (4) 쪼갬을 일으키는 방사방향 압력비가 인장강도비와 같다고 가정하면 NSC에 대한 HSC의 평균부착응력의 비가 방사방향 압력비보다 크므로 NSC와 HSC의 쪼갬균열 하중이 같아지려면 지압력 작용각 3는 HSC가 NSC보다 작아야 한다.
- (5) HSC는 쪼갬균열하중이 쪼갬인장강도비만큼 증가하 지 못하고 훨씬 낮은 하중이므로 쪼갬균열의 영향을 무시 할 수 없고, 쪼갬균열로 인해 균열면에서 일부분 구간에 부착이 손상되었다하더라도 인접 구간에서 부착응력의 집 중현상이 유지되므로 쪼갬균열이 계속 진전될 수 있다.
- (6) 따라서 현행 구조설계기준의 정착길이 산정방법은 고강도콘크리트를 사용할 때는 적용할 수 없는 방법이라 고 할 수 있고, 고강도콘크리트 구조의 안전을 확보하기 위해서는 정착부에 횡보강철근의 의무화 또는 피복두께와 순철근간격을 현행보다 더 크게 하기를 권장한다.
- 56으로 이에 비하면 횡균열 발생하중비가 10% 정도 작았으나 단 면응력분포의 불균등과 시험체의 편심 등을 고려한다면 거의 유사함을 알 수 있다. 각 계열별 평균 횡균열간격은 TM-N 257 mm, TM-H 169 mm으로 NSC에 비해 HSC가 횡균열간격은 대략 35 % 짧아졌다. 이는 국부인장실험에서 조사된 바와 같이 NSC에 대한 HSC의 평균부착응력 비가 인장강도비보다 크므로 응력교란구간의 길이는 HSC 가 NSC보다 더 짧아져서 횡균열 간격이 줄어든 것이다.
- 10으로 쪼갬균열의 영향을 거의 받지 않았다. 그러나 HSC는 ddb를 3.5로 하였음에도 불구하고 횡균열하중에 대한 쪼갬균열하중의 비가 1.26으로 NSC보다 훨씬 작고, 시험체 전체길이에 대한 쪼갬균열 길이의 비가 0.38으로 NSC보다 훨씬 크게 나타났으므로 HSC를 사용하는 콘크리트는 c/(爲가 2.5이상일 때에도 쪼갬균열의 영향을 무시 할 수 없다고 판단되었다.
- 44배이므로 부착강도는 인 장강도에 비례하지않고있다는 것이다. 본 시험체의 압축강 도비는 2.62(63 MPa/24 MPa)로 평균부착응력비는 오히려 압축강도비에 가까웠다. 이는 이형철근의 부착저항은 본질 적으로 철근 마디가 콘크리트에 작용하는 지압저항이고, 이 지압강도는 압축강도에 비례하기 때문이다
- 초기하중수준일 때는 HSC와 NSC 모두 최대 부착응력 위치가 하중단 쪽에 있고 하중단 쪽의 부착응력 집중현상 이 분명하므로 부착에 대한 손상이 거의 없고 전체적인 부착응력분포가 유사하게 나타났다 고정하중수준일 때 NSC는 하중단으로부터 철근직경(1必)거리 내에서 부착 이 부분적으로 손상되면서 최대 부착응력 위치가 중앙단면 쪽으로 이동하고 있으나, HSC는 최대 부착응력 위치 가 하중단 쪽에 있으면서 전체적인 부착응력분포가 NSC 에 비해 크게 나타났다. 사용하중수준일 때 NSC는 하중 단에서 철근직경거리 내의 부착손상이 더욱 심화되고 최대 부착응력 위치도 중앙단면 쪽으로 더욱더 이동하고 있으나, HSC는 하중단 쪽의 극히 일부분의 손상을 제외하고 최대 부착응력 위치가 하중단 쪽에 유지되고 있으면서 전체적인 부착응력분포도 NSC에 비해 더욱더 크게 나타났다.
- 이 인장력의 비가 모두 1보다 작은 것으로 보아 NSC, HSC 모두 시험체 중앙단면의 위치는 응력연속구간이 아니고 응력교란구간에 해당됨을 알 수 있다. 하중이 증가함에 따라 이 비가 작아짐은 하중단쪽의 부착손상이 점점 심화되었기 때문이며, 이로 인하여 응력교란구간이 점점 길어질 수 있다.
- 이런 현상으로 보아 HSC는 쪼갬균열하중이 쪼갬인장강 도비만큼 증가하지 못하고 훨씬 낮은 하중이므로 쪼갬균 열의 영향을 무시할 수 없고, 짧은 응력교란구간에 큰 부 착 응력을 유발시킴으로써 하중단쪽에 쪼갬균열이 발생하 면서 순차적인 부착파괴를 유발하므로 균열발생 후의 인장강성은 HSC가 오히려 NSC보다 작게 나타났다. 따라서 현행 구조설계기준의 정 착길이 산정방법은 고강도콘크리 트를 사용할 때는 적용할 수 없는 방법이라고 할 수 있고, 고강도콘크리트 구조의 안전을 확보하기 위해서는 정착부 에 횡보강철근의 의무화 또는 피복두께와 순철근간격을 현행보다 더 크게 하기를 권장한다.
- 초기하중수준일 때는 HSC와 NSC 모두 최대 부착응력 위치가 하중단 쪽에 있고 하중단 쪽의 부착응력 집중현상 이 분명하므로 부착에 대한 손상이 거의 없고 전체적인 부착응력분포가 유사하게 나타났다 고정하중수준일 때 NSC는 하중단으로부터 철근직경(1必)거리 내에서 부착 이 부분적으로 손상되면서 최대 부착응력 위치가 중앙단면 쪽으로 이동하고 있으나, HSC는 최대 부착응력 위치 가 하중단 쪽에 있으면서 전체적인 부착응력분포가 NSC 에 비해 크게 나타났다. 사용하중수준일 때 NSC는 하중 단에서 철근직경거리 내의 부착손상이 더욱 심화되고 최대 부착응력 위치도 중앙단면 쪽으로 더욱더 이동하고 있으나, HSC는 하중단 쪽의 극히 일부분의 손상을 제외하고 최대 부착응력 위치가 하중단 쪽에 유지되고 있으면서 전체적인 부착응력분포도 NSC에 비해 더욱더 크게 나타났다.
- 평균부착응력비는 하중이 증가하면 거의 직선비례하여 증가하고 있어서 사용하중 수준일 때에는 평균부착응력비 가 2.32이고, 작용하중이 증가하면 이러한 현상이 더욱 심 화되리라 판단되었다. 여기서 주목할 사항은 평균부착응력 비 232는 인장강도비 1.
후속연구
- 본 연구의 인장부재의 횡균열 사이를 모형화한 국부인장실험에서는 시험 체 전부가 응력교란구간내에 있으므로 균열이 발생하지 않는다. 그러므로 균열하중과 균열간격에 대한 경향은 다수의 횡균열이 발생할 수 있는 인장부재실험을 수행하여 확인할 수 있다. 본 장의 인장부재실험에서 조사한 초기균열하중, 횡균열간격, 부재 전길이에 대한 쪼갬균열 길이의 비 IJ I을 Table 5에 정리하였고, 균열 형상을 Fig.
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