최근 많은 교량들이 점증하는 교통량에 의해 상부슬래브 폭이 부족해지거나 침식으로 인해 하부구조가 구조적으로 취약해지는 경향이 있다. 이 경우 상부슬래브나 교각을 확장하여 보강하는 것이 경제적이기 때문에 실험 자료와 현장의 시공경험 등을 통해 적절한 교량의 확장방안을 확립할 필요가 있다. 그렇지만, 부착식 앵커를 사용하여 교량의 하부구조를 보수 보강하는 경우 신 구 콘크리트의 일체성 확보와 관련된 기존 실험자료는 매우 부족한 실정이며, 이에 따라 부착식 앵커를 사용하여 구조적인 일체성을 확보하기 위한 실험적인 연구가 매우 시급하다고 할 수 있다. 이와 관련하여 본 논문에서는 부착식 앵커를 사용할 경우의 인발 및 전단 특성을 실험을 통해 밝히고자 하였다. 이를 위해 부착길이, 앵커직경 및 앵커경사를 포함한 다양한 실험변수를 가진 시편을 제작하여 인발 및 전단실험을 수행하였다. 실험결과 부착길이가 길어지고 앵커직경이 커질수록 부착력은 증가하고 부착강도는 감소하였다. 또한, 앵커경사가 커질수록 부착력 및 부착강도가 증가하지만 경사가 $5^{\circ}$ 이상인 경우 경사에 의한 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 전단실험을 통해서는 앵커직경이 D19 이상을 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다. 결론적으로, 향후 모델실험을 포함한 관련 자료의 축적이 이루어지는 경우 본 연구에서 수행한 실험 자료와 함께 부착식 앵커를 사용하여 보강된 신 구 콘크리트의 일체성을 확보하는데 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 많은 교량들이 점증하는 교통량에 의해 상부슬래브 폭이 부족해지거나 침식으로 인해 하부구조가 구조적으로 취약해지는 경향이 있다. 이 경우 상부슬래브나 교각을 확장하여 보강하는 것이 경제적이기 때문에 실험 자료와 현장의 시공경험 등을 통해 적절한 교량의 확장방안을 확립할 필요가 있다. 그렇지만, 부착식 앵커를 사용하여 교량의 하부구조를 보수 보강하는 경우 신 구 콘크리트의 일체성 확보와 관련된 기존 실험자료는 매우 부족한 실정이며, 이에 따라 부착식 앵커를 사용하여 구조적인 일체성을 확보하기 위한 실험적인 연구가 매우 시급하다고 할 수 있다. 이와 관련하여 본 논문에서는 부착식 앵커를 사용할 경우의 인발 및 전단 특성을 실험을 통해 밝히고자 하였다. 이를 위해 부착길이, 앵커직경 및 앵커경사를 포함한 다양한 실험변수를 가진 시편을 제작하여 인발 및 전단실험을 수행하였다. 실험결과 부착길이가 길어지고 앵커직경이 커질수록 부착력은 증가하고 부착강도는 감소하였다. 또한, 앵커경사가 커질수록 부착력 및 부착강도가 증가하지만 경사가 $5^{\circ}$ 이상인 경우 경사에 의한 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 전단실험을 통해서는 앵커직경이 D19 이상을 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다. 결론적으로, 향후 모델실험을 포함한 관련 자료의 축적이 이루어지는 경우 본 연구에서 수행한 실험 자료와 함께 부착식 앵커를 사용하여 보강된 신 구 콘크리트의 일체성을 확보하는데 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, many bridges become not only functionally obsolete of bridge deck due to inadequate width but also structurally deficient of substructure due to erosion. In these cases, widening is almost always more economical than complete replacement, and therefore there is a need to make available the...
Recently, many bridges become not only functionally obsolete of bridge deck due to inadequate width but also structurally deficient of substructure due to erosion. In these cases, widening is almost always more economical than complete replacement, and therefore there is a need to make available the results of research and field experience pertaining to the widening of bridge substructure. But, an experimental study for the guarantee of unification between existing and new substructure with adhesive anchor is so insufficient that the development of adhesive anchor system for the unification should be settled promptly. The purpose of the present study is to explore pull out and shear characteristics of adhesive anchor system. For this purpose, several series of concrete specimens have been tested. Major test variables were the bonded length, anchor diameter and anchor slope. The pull out strength, bond stress and shear strength of adhesive faces were measured for the specimens. The present study indicates that the pull out strength increased with more bonded length and more anchor diameter, and that the bond stress decreased with more bonded length and more anchor diameter. The pull out strength and the bond stress increases with more anchor slope and it is considered that the slope of $5^{\circ}$ was more efficient. From the shear tests, it is supposed that anchor diameters more than D19 was proper to the adhesive anchor. Finally, it is expected that both experimental data in these tests and further study including mock-up tests will contribute to the establishment of the unification between existing and new substructure with adhesive anchor.
Recently, many bridges become not only functionally obsolete of bridge deck due to inadequate width but also structurally deficient of substructure due to erosion. In these cases, widening is almost always more economical than complete replacement, and therefore there is a need to make available the results of research and field experience pertaining to the widening of bridge substructure. But, an experimental study for the guarantee of unification between existing and new substructure with adhesive anchor is so insufficient that the development of adhesive anchor system for the unification should be settled promptly. The purpose of the present study is to explore pull out and shear characteristics of adhesive anchor system. For this purpose, several series of concrete specimens have been tested. Major test variables were the bonded length, anchor diameter and anchor slope. The pull out strength, bond stress and shear strength of adhesive faces were measured for the specimens. The present study indicates that the pull out strength increased with more bonded length and more anchor diameter, and that the bond stress decreased with more bonded length and more anchor diameter. The pull out strength and the bond stress increases with more anchor slope and it is considered that the slope of $5^{\circ}$ was more efficient. From the shear tests, it is supposed that anchor diameters more than D19 was proper to the adhesive anchor. Finally, it is expected that both experimental data in these tests and further study including mock-up tests will contribute to the establishment of the unification between existing and new substructure with adhesive anchor.
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문제 정의
본 논문에서는 철근의 뽐힘부착강도 실험방법을 이용한 앵커철근의 인발실험 및 전단실험을 실시하여 부착식 앵커의 성능에 대한 평가를 수행하였다. 본 연구를 통한 세부적인 결론은 다음과 같다.
제안 방법
이 경우 부착응력은 길이에 따른 변형률의 변화율에 따라 변화한다. 그러나 본 실험에서는 철근의 매입길이에 따라 응력이 일정하다는 가정 하에 철근에 변형게이지를 부착하지 않았으므로 최대하중에 의한 부착응력의 산정식을 적용하였다.
본 논문에서 수행된 부착식 앵커 성능실험의 실험계획 및 배합은 표 1 및 표 2에 각각 나타낸 바와 같다. 배합조건으로는 교각에서 일반적으로 사용되는 조건을 적용하기 위해서 설계기준압축강도를 24 MPa로 하였으며, 이를 위해 물-시멘트비 49.1%, 목표 슬럼프 12 cm, 목표 공기량은 4.5±1.5%로 하였다. 또한, 채움재로 사용된 무수축 모르타르는 국내 C사에서 생산한 시멘트계의 그라우트 재료를 사용하였으며, 폴리머 시멘트 모르타르는 국내 K사에서 생산된 제품을 사용하였다.
그림 2(a)에는 본 실험에서 사용된 부착강도 실험시편 규격이 나타나있으며, 그림 2(b)에는 실험방법이 제시되어 있다. 실험과정은 가력장치에 실험체를 설치한 후 철근에 직접 인발력을 가하였다. 철근의 실제 슬립을 측정하기 위하여 자유단에 LVDT를 설치하였고, 콘크리트 상부에도 LVDT를 설치하여 콘크리트의 변형을 측정하였다.
교량의 기초를 확장하는 경우 신구 콘크리트 접합부에는 전단력이 직접 작용하는 경우보다는 휨에 의해 인장력과 전단력이 동시에 작용하는 경우가 일반적이라고 판단된다. 이에 따라 본 논문에서는 그림 1에 나타낸 것처럼 250×250×250 mm인 정육면체 3개를 무수축 모르타르로 채운 10 cm 깊이의 앵커철근을 이용하여 연결한 후 부재 중앙에하중을 작용시켜 앵커철근을 이용한 접합부에 전단력을 작용시키는 실험을 수행하였다. 이 경우 3개가 연결된 부재는 일종의 보와 같은 작용을 하기 때문에 접합부에는 전단력과 함께 휨 모멘트가 작용하게 되며, 이것은 실제 현장에서 시공되는 기초 확대부의 접합부에도 동일하게 나타나는 현상으로 판단된다.
인발실험을 위한 실험변수로는 앵커철근의 천공깊이 및 직경, 앵커철근 기울임 각도 및 채움재 종류로 하여 이들 실험변수에 따른 부착력 변화를 검토하였다.
실험과정은 가력장치에 실험체를 설치한 후 철근에 직접 인발력을 가하였다. 철근의 실제 슬립을 측정하기 위하여 자유단에 LVDT를 설치하였고, 콘크리트 상부에도 LVDT를 설치하여 콘크리트의 변형을 측정하였다. 이때 하중은 자동 제어 재료시험기인 UTM에서 자동으로 기록되며, 하중의 재하속도는 0.
대상 데이터
5%로 하였다. 또한, 채움재로 사용된 무수축 모르타르는 국내 C사에서 생산한 시멘트계의 그라우트 재료를 사용하였으며, 폴리머 시멘트 모르타르는 국내 K사에서 생산된 제품을 사용하였다. 표 3에는 이들 그라우트 재료의 성분 및 품질이 제시되어있다.
데이터처리
한편, 그림 5 및 그림 6에는 실험데이터에 대한 회귀 분석 결과가 도시되어 있으며 부착길이의 증가에 따라 단조증가 (감소)하는 부착력 및 부착응력의 관계를 나타내고 있다. 이 경우 회귀분석 모델은 로그함수를 이용하여 수행하였으며 이들 회귀분석 모델 및 결정계수 값은 표 5에 나타낸 바와 같다.
이론/모형
본 논문에서는 철근의 부착강도를 측정하기 위해서 일반적으로 사용되는 인발시험법(ASTM C234: Pull Out Test Method)을 이용하여 철근을 사용한 부착식 앵커의 부착력를 측정하였다.
그렇지만, 부착식 앵커의 경우 설계방법의 표준화와 함께 적절한 성능평가를 위한표준적인 실험방법도 제시되지 않고 있는 실정이다. 이에 따라 본 논문에서는 기초의 확대보강이 필요한 경우 현장에서 일반적으로 시행되는 앵커철근 부착방식의 신구콘크리트 접합방법에 적합한 앵커철근의 부착길이, 앵커 직경 및 앵커 각도 등을 도출하기 위해 철근의 뽑힘부착강도 시험법 (Azizinamini, 1993; Tepfers, 2000)을 이용한 인발실험을 수행하였다.
콘크리트의 압축강도시험은 KS F 2405 콘크리트의 압축강도실험 규정에 따라 수행하였다. 그림 3에는 28일 압축강도 실험결과가 나타나있으며 재하시험을 수행한 공시체 모두 설계기준 압축강도 25 MPa을 만족시키고 있는 것을 알 수 있다.
성능/효과
1. 앵커철근의 부착길이를 5 cm, 10 cm 및 15 cm로 변화시켜 인발실험을 수행한 결과 앵커철근의 직경 및 경사에 상관없이 부착길이가 증가할수록 부착력은 증가하고 부착응력은 감소하는 것을 알 수 있다.
2. 앵커철근의 직경을 D13, D19 및 D25로 변화시켜 인발실험을 수행한 결과 앵커철근의 경사 및 부착길이에 상관없이 앵커철근 증가할수록 부착력은 증가하고 부착응력은 감소하는 것을 알 수 있다.
3. (1) 및 (2)항과 관련하여 부착길이 및 앵커직경이 증가하는 경우 콘크리트와의 부착면적이 커지기 때문에 인발력이 다소 증가하는 경우에도 부착응력이 감소하게 되는 것으로 판단된다.
4. 앵커철근의 경사를 0°, 5° 및 15°로 변화시켜 인발실험을 수행한 결과 앵커철근의 직경 및 부착길이에 상관없이 앵커철근의 각도가 증가할수록 부착력 및 부착응력이 증가하는 것을 알 수 있다. 이 경우 앵커철근의 각도에 따른부착력의 증가율은 0°~ 5° 사이에서 크게 나타나고 있으며 5°~ 15° 사이에서는 증가율이 상대적으로 작아지는 것을 알 수 있다.
이것은 부착 면에 수직으로 인발력을 작용시키는 경우 앵커가 수직으로 설치된 경우에는 철근과 주위 채움재 사이의 마찰력과 철근 리브와 채움재 사이의 기계적인 저항에 의해 부착기구가 형성되는데 비해서 앵커를 경사지게 설치하는 경우에는 기본적인 부착 기구에 더해서 철근과 콘크리트 시편사이에 직접적인 인발 저항기구가 형성되기 때문에 부착력이 급격히 증가하는 것으로 판단된다. 특히, 앵커의 경사가 0°인 경우에 비해서 5° 및 15°인 경우 부착력이 급격히 증가하는 데 비해서 앵커 경사가 5°와 15°인 경우 상호 간의 부착력의 차이는 크지 않은 결과를 나타내고 있으며, 이러한 결과는 그림 9 및 표 8 에 제시된 회귀분석 결과를 통해서 더욱 명확하게 알 수 있다.
후속연구
5. (1), (2) 및 (4) 항과 관련한 실험결과에 대한 회귀분석결과 로그함수를 이용한 회귀 모델을 제안하였으며 이를 통해 각각의 경우에 대한 부착력 및 부착응력의 단조증가 또는 단조감소 경향을 적절히 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
이것은 앵커 경사의 증가로 인한 콘크리트와의 부착면적 변동이 없고 수직방향으로의 기계적인 인발저항능력은 증가하게 되기 때문에 당연한 결과인 것으로 판단된다. 다만, 이 경우에도 인발력의 경우와 마찬가지로 초기 0°~ 5° 사이의 기울기 증가구간에서 부착응력의 증가가 현저히 이루어지는 것을 알 수 있으며, 이로부터 시공성이 확보되는 경우 앵커철근은 약 5°정도 기울여 시공하는 것이 신구 콘크리트 접합부의 일체성을 확보하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (12)
천병식, 강인성(1989) 앵커의 경사가 널말뚝의 거동에 미치는 영향, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제9권 제1호, pp. 79-87
오병환(1992) 철근콘크리트 부재의 뽐힘 부착특성 연구, 한국콘크리트학회 논문집, 한국콘크리트학회, 제4권 제3호, pp. 113-121
Azizinamini, A., Stark, M., Roller, J.J., and Ghosh, S.K. (1993) Bond performance of reinforcing bars embedded in high-strength concrete,. ACI Structural Journal, ACI, Sep.-Oct., pp. 554-561
Tepfers, R. et al. (2000) Bond of reinforcement in concrete, State of art report prepared by task group bond models, CEB-FIP, Case Postale 88, CH-1015 Lausanne, Switzerland, pp. 1-88
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