[논문]높은 마디면적 고강도 철근의 부착강도에 관한 실험적 연구

홍건호; 최동욱; 최완철; 홍기섭

doi:10.4334/jkci.2005.17.3.375

높은 마디면적 고강도 철근의 부착강도에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Bond Strength of High-Strength Reinforcing Bars with High Relative Rib Area 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.17 no.3, 2005년, pp.375 - 384

홍건호 (호서대학교 건축공학과) , 최동욱 (한경대학교 건축학부) , 최완철 (숭실대학교 건축학부) , 홍기섭 (홍익대학교 건축학과)

초록
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본 논문에서는 철근과 콘크리트 사이의 부착강도에 영향을 미치는 철근 마디의 효과를 실험적으로 연구하였다. 높은 마디면 적 철근에 관련된 기존 연구결과에 따르면, 철근과 콘크리트 사이의 부착강도는 철근 마디의 높이와 간격을 조정함으로써 향상시킬 수 있는 것으로 나타나고 있다. 그러나, 정착 및 이음길이 산정과 관련된 현행 국내 설계기준에서는 이러한 철근 마디모양의 효과를 반영하고 있지 못하다. 따라서, 본 연구에서는 철근의 상대마디면적이 부착강도에 미치는 영향을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 본 논문에서는 크게 2 종류의 실험적 연구를 실시하였다. 철근의 직경과 상대마디면적(0.112${\~}$0.162)의 효과를 분석하기 위하여, 30개의 보단부형 부착시험체와 12개의 단순보형 겹침 이음 시험체에 대한 실험을 수행하였다. 각 실험의 결과는 변수의 일반화과정을 통하여 ACI 408 위원회의 제안식과 비교$\cdot$분석하였다. 본 연구의 실험결과, 철근과 콘크리트 사이의 부착강도는 철근의 직경과 상대마디면적에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 휨균열의 발생이나 부재의 파괴양상에는 상대마디면적의 효과가 거의 없는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of bar deformation properties on bond of steel reinforcing bars to concrete are experimentally studied to predict the bond strength. Based on the previous research about high relative rib area, bond strength between reinforcing bars and concrete can be improved by the control of rib height and spacing. But, the equations in Korean code provisions to estimate development and splice length do not include these specifications of reinforcing bars. So the purpose of this paper is to determine the effect of relative rib area to the bond strength. This paper describes 2 kinds of experimental researches. Thirty beam-end specimens were tested to investigate the effects of bar size and relative rib areas ranging from 0.112 to 0.162. And, twelve lap-splice beam specimens were tested to the same variables. Each test results are normalized and compared with the proposed equations of ACI 408 committee. The results show that bond strength is increased as bar size and the relative rib area(Rr) increase. The distribution of flexural cracks and failure aspect do not appear to be affected by $R_r$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상대마디면적에 따른 부착강도의 증감효과를 실험하고, 그 결과를 ACI 408에서 제시한 정착 설계식에 의한 예상하중과 비교하여 보았다. ACI 408에 의한 예상 파괴하중의 계산은, 식 (1)을 九에 대하여 정리하고, 정리한 식에서 사용되는 우항의 정착길이를 실험에서 사용한 부착 및 이음길이로 대체하여 철근의 응력 九를 산 정한 후, 이러한 철근의 응력을 발생시킬 .
본 연구에서는 철근의 부착성능을 실제에 근접하게 관찰할 수 있도록 보 형태 실험체를 사용하되, 그 크기와 비용 을 줄이기 위한 보 단부형 실험체를 제작하여 높은마디면 적 철근의 부착강도를 실험하도록 하였다.$ 또한, 단순보 실험체를 제작하여 상대마디면적과 직경 변화에 따른 겹침 이음성능을 실험하도록 하였다.
이에 따라, 본 연구에서는 상대마디면적의 변화에 따른 부착성능의 개선효과를 실험적으로 연구하여 향후 고강도 철근의 현장적용을 위한 기초연구를 수행하도록 하였다.

제안 방법

이음 실험결과, 기준 실험체와 높은마디면 적 철근을 사용한 실험체의 균열 양상을 분석하여 보면 Table 5와 같다. Table 5에서 실선으로 표시된 +563mm 부분은 실험체에서 철근의 이음구간을 의미하며, 이 이음구 간 내에서 발생된 균열의 개수 및 평균 간격을 변수별로 분석하도록 하였다. 실험체에 발생된 균열의 전체적인 형태 는 모든 실험체에서 휨모멘트 구간 내에 전형적인 수직방 향의 휨균열로 발생하였으며, 파괴 시 이음구간 내에서의 균열 개수는 대체적으로 5~7개로 나타나 상대마디면적의 변수에 따른 변화가 크게 관찰되지 않았다.
실험체의 크기는 D19의 경우 200x300x470mm, D25는 230x31(*550mm로 제작하였으며, 콘크리트의 쪼갬강도에 직접관계가 있는 콘크리트의 피복두께는 2由로 계획하였다. 또한 부착길이 확보를 위해 매립 철근 양단에 P.V.C. 파이 프를 삽입하였고, 접합부내 보조철근으로 4-D13을 배근하였다. 부착 구간 내 스더럽은 200mm 간격으로 배치하였다 (Fig.
부착실험에서는 철근의 상대마디면적(0.112 ~ 0.162)과 직 경(D19, D25) 등 2가지의 실험변수에 대하여 보 단부형 실 험체를 사용하여 실험하였다.
2개의 오일잭을 이용하는 방법은 실험체에 매립된 철근의 직접 인장 시 발 생될 수 있는 편심을 최소화하기 위한 방법이다. 실험 시 철근의 미끄럼 량은 하중단과 자유단에서 측정하였으며 실 험체의 하중-미끄럼 관계는 자유단의 변위를 사용하였다.
이음실험에서의 주 실험 변수는 보 단부 부착실험과 동일한 2가지 변수에 대한 실험을 실시하였다.
철근의 이음구간 내에서 부착응력의 변화를 관찰하기 위해 Fig. 15와 같이 이음 구간을 4개의 등간격으로 구분하여 철근의 변형률을 측정하였다.
하중에 따른 변위를 측정하기 위해 실험체의 중앙부와 양단부에 LVOT를 설치하여 수직 처짐을 측정하였다. 철근게이지는 이음부위 철근의 응력 및 변형률의 변화를 측정하기 위해 기준 실험체에 대하여 겹침 이음 구간을 4등분하여 설치하였으며, 콘크리트 변형률의 측정위치는 Fig.

대상 데이터

기존 철근을 사용한 D19와 D25 실험체를 각각 기준 실 험체로 제작하였으며, 철근의 마디높이와 간격을 변수로 하는 실험체는 4개의 그룹으로 형성하여, Table 4와 같이 총 30개의 실험체를 제작하였다.
실험체의 크기는 D19의 경우 200x300x470mm, D25는 230x31(*550mm로 제작하였으며, 콘크리트의 쪼갬강도에 직접관계가 있는 콘크리트의 피복두께는 2由로 계획하였다. 또한 부착길이 확보를 위해 매립 철근 양단에 P.
실험체의 크기는 D19의 경우 240x 320x 3000mm, D25 는 300x400x4000mm로 제작하였으며, 이음길이는 기존의 연구결과7)를 분석하여 철근의 항복이전에 실험체의 부 착 파괴를 유도하기 위해 D19는 1&九 D25는 1就로 하였다. 재하 하중은 보 철근의 겹침 이음부분에 일정한 휨모멘 트가 작용되도록 4점 재하로 하였으며, 이음 구간 내 균열 의 진행상황 및 파괴형태의 관찰을 위하여 Fig.

데이터처리

수 있는 하중의 값을 산정하도록 하였다. 보 단부형 실험체에 의한 부착실 험은 3개의 실험체에 대한 실험을 수행하여 그 평균값 및 표준편차를 분석함으로써 실험의 신뢰성을 평가하도록 하였으며, 그 결과는 Table 6에서 나타나듯이 대체적으로 모든 실험의 결과가 5% 내외의 표준편차를 보임으로써 실험 결과에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.

성능/효과

1) 상대마디면적의 증가는 고강도철근의 부착강도를 개선 시킬 수 있다. 이때, 상대마디면적 0.
2) 철근의 직경이 클수록 상대마디면적 증가에 따른 부착 및 이음강도의 효율성이 높아진다.
3) 높은마디면적 고강도철근을 사용한 실험체의 파괴양상 을 살펴볼 때, 보 단부 실험체의 경우에는 기준 실험체 에 비해 상대마디면적이 증가할수록 주근 직각방향의 균열이 많아졌으나, 이음 실험체는 기준 실험체의 파괴 양상과 거의 유사한 형태를 나타내었다.
4) 보통강도의 콘크리트에 대한 높은마디면적 고강도철근 의 부착응력은 부착구간 내에서 균등하게 분포하며, 그 값은 8~12MPa 정도의 값을 갖는다.
13 및 14와 같다. Fig. 13에서 실험체의 부 착강도는 D19의 경우 상대마디면적의 변화에 따라 기준 실 험체보다 최소 4%(MR)에서 최대 15%(LS, HR)까지 증가 하였으며, D25의 경우에는 최소 17%(MR)에서 최대 27% (MS)까지 증가되었다.
13까지는 대체적으로 상대마디면적에 비례하여 증가하며, 그 이후에는 증가량이 둔화되는 양상을 나타내었다. 또한 보 단부형 부착실험체에 의한 부착응력은 8.99 ~ 11.55 MPa, 이 음실험에 의한 부착응력은 6.31 ~8.99MPa로 분포되었으며, 이음실험에 의한 부착응력이 적게 나타나는 이유는 겹침이음 에 따른 부착면적의 감소에 기인하는 것으로 판단된다.
13까 지는 대체적으로 상대마디면적에 비례하고, 그 이후에는 강 도증가량이 둔화되는 것으로 분석할 수 있다. 또한, 부착 및 이음실험의 결과로부터 상대마디면적의 영향은 철근의 직경이 큰 경우가 철근의 직경이 작은 경우보다 더 유리함 을 알 수 있다.
8과 같다. 모든 실험체는 대부분 0.1mm 이내의 미끄럼량에서 최대강도에 도달하며, 최대강도 이후 급격한 변위의 증가를 나타내며 저항내력이 떨어지는 취성적인 부착파괴의 양상 을 보였다. Fig.
3 mm까지만 도식하도록 하였다. 상대마디면적의 변화에 따른 하중-미끄럼 곡선을 비교하여 보면, 최대강도에 도달하는 미끄럼량과 최대강도 이 후의 거동은 유사하나, 하중-미끄럼 곡선의 초기 기울기는 상대마디면적이 큰 MS 실험체가 기준실험체의 경우보다 크게 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 상대마디면적 이 큰 경우에는 철근마디에 의한 콘크리트의 지압면적이 증가함에 따라 하중-미끄럼의 콘크리트에 의한 초기강성이 증가함에 기인하는 것으로 분석된다.
상대마디면적이 증가된 MR 및 MS 실험체의 균열형태를 기준 실험체의 경우와 비교하여 보면, 주근과 직각방향의 균열이 많아지며, 균열의 간격이 좁아짐을 알 수 있었다. 이와 같은 파괴 형태는 앞 절의 하중-미끄럼 곡선에 대한 강성을 약간 증가시킬 수 있으나, 전체적인 부착거동의 변 화에는 크게 기여하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
Table 5에서 실선으로 표시된 +563mm 부분은 실험체에서 철근의 이음구간을 의미하며, 이 이음구 간 내에서 발생된 균열의 개수 및 평균 간격을 변수별로 분석하도록 하였다. 실험체에 발생된 균열의 전체적인 형태 는 모든 실험체에서 휨모멘트 구간 내에 전형적인 수직방 향의 휨균열로 발생하였으며, 파괴 시 이음구간 내에서의 균열 개수는 대체적으로 5~7개로 나타나 상대마디면적의 변수에 따른 변화가 크게 관찰되지 않았다.
이와 같은 결과를 종합할 때, 철근의 상대마디면적은 부 착 및 이음강도의 개선에 영향을 미치고 있음을 알 수 있으며, 그 영향성은 각 실험에서 공히 상대마디면적 0.13까 지는 대체적으로 상대마디면적에 비례하고, 그 이후에는 강 도증가량이 둔화되는 것으로 분석할 수 있다. 또한, 부착 및 이음실험의 결과로부터 상대마디면적의 영향은 철근의 직경이 큰 경우가 철근의 직경이 작은 경우보다 더 유리함 을 알 수 있다.
이와 같은 부착 및 이음실험에 대한 결과를 종합할 때, 상대마디면적의 증가는 지압면적의 증가에 따라 초기부착 강성을 약간 증가시킬 수 있으나, 전체적인 부착거동의 변 화에는 크게 기여하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
이음실험의 결과는 Fig. 14에서 나타나듯이 상대마디면적 의 변화에 따라 D19의 경우에는 기준 실험체에 대하여 최소 6%(LS)에서 최대 19%(HR)까지 증가하였으며, D25 실험체 는 최소 19% (HR)에서 최대 25%(LS)까지 증가되었다.
그림을 살펴보면, 철근의 직경과 상관없이 마디 높이와 마디간격을 달리한 각 변수에 대하여 각각의 기준 실험체와 유사한 형태의 하중-처짐곡선을 나타내고 있다. 즉, Fig. 9 (b)에서 D25의 경우를 살펴보면, 상대마디 면적이 큰 MS와 LS 시험체의 최대내력 및 최대변위는 증 가하였으나, 곡선의 기울기는 기준실험체의 경우와 유사한 것으로 나타나고 있으며, 최대내력 이후 실험체의 파괴거동 의 형태도 큰 변화가 없는 것으로 분석되었다.

참고문헌 (9)

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홍건호, 최완철, '이형철근의 부착강도에 대한 마디형태의 영향', 콘크리트학회지, 16권 4호, 2004, pp.95-99
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Darwin. D. et al., 'Splice Strength Of High Relative Rib Area Reinforcing Bars,' ACI Structural Journal, Vol.93, No.1, Jan.-Feb. 1996, pp.95-107
Tefers, R., 'Cracking of Concrete Cover Along Anchored Deforrred Reinforcing Bars,' Magazine of Concrete Research, Vol.31, No.106 Mar. 1979, pp.3-12

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Skorbogatov, S. M. and Edwards. A. D., 'The Influence of Geometry of Deformed Steel Bars on Their Bond Strength in Concrete: Bar Parameters,' ACI Materials Journal, Vol.88, No.2, Mar.-Apr. 1979, pp.207-217

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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