본 연구의 목적은 공기 단축과 초기 공사비를 절감하기 위해 PC 긴장재를 사용하지 않고, 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 경제적이면서 시공성이 우수한 프리캐스트 교각 공법 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 신형식 철근이음 장치인 그라우팅형(形) 슬리브(Splice sleeve, 이하 슬리브)를 제안하고 최적의 슬리브를 개발하기 위하여 슬리브 길이, 철근직경, 양생방법 등을 변수로 하여 유한요소해석 및 인장실험을 수행하였다. 슬리브의 유한요소해석을 통하여 최적의 형상을 도출하였으며, 인장 성능 검토 결과, 철근의 인발에 의한 파괴는 발생하지 않았으며, 철근의 인장 파괴 혹은 슬리브의 기계적 결함에 의한 볼트 파단만이 관찰되었다. 제안된 슬리브는 우수한 인장성능을 갖고 있음을 확인하였으며 프리캐스트 교각에 무리 없이 적용할 수 있음을 검증하였다.
본 연구의 목적은 공기 단축과 초기 공사비를 절감하기 위해 PC 긴장재를 사용하지 않고, 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 경제적이면서 시공성이 우수한 프리캐스트 교각 공법 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 신형식 철근이음 장치인 그라우팅형(形) 슬리브(Splice sleeve, 이하 슬리브)를 제안하고 최적의 슬리브를 개발하기 위하여 슬리브 길이, 철근직경, 양생방법 등을 변수로 하여 유한요소해석 및 인장실험을 수행하였다. 슬리브의 유한요소해석을 통하여 최적의 형상을 도출하였으며, 인장 성능 검토 결과, 철근의 인발에 의한 파괴는 발생하지 않았으며, 철근의 인장 파괴 혹은 슬리브의 기계적 결함에 의한 볼트 파단만이 관찰되었다. 제안된 슬리브는 우수한 인장성능을 갖고 있음을 확인하였으며 프리캐스트 교각에 무리 없이 적용할 수 있음을 검증하였다.
This study aims to develop an economical precast hollow concrete column with high constructability which consists of only splice sleeve and general reinforcing bar without using PC tendons in order to reduce the construction period and cost. With this purpose, this study performed the finite element...
This study aims to develop an economical precast hollow concrete column with high constructability which consists of only splice sleeve and general reinforcing bar without using PC tendons in order to reduce the construction period and cost. With this purpose, this study performed the finite element analysis and tension test by using some variables such as length of sleeve, diameter of rebar and curing method for suggesting a grouting type splice sleeve which is a new type joint rebar and developing an optimized splice sleeve. As a result, the analysis on the tension performance of splice sleeve did not show any destruction caused by pull-out in reinforcing bar but it only occurred destruction of tension bar or bolt shear rupture from the mechanical defect of sleeve. Therefore, the experiment showed high performance in tension of the suggested splice sleeve and verified the application of precast hollow concrete column.
This study aims to develop an economical precast hollow concrete column with high constructability which consists of only splice sleeve and general reinforcing bar without using PC tendons in order to reduce the construction period and cost. With this purpose, this study performed the finite element analysis and tension test by using some variables such as length of sleeve, diameter of rebar and curing method for suggesting a grouting type splice sleeve which is a new type joint rebar and developing an optimized splice sleeve. As a result, the analysis on the tension performance of splice sleeve did not show any destruction caused by pull-out in reinforcing bar but it only occurred destruction of tension bar or bolt shear rupture from the mechanical defect of sleeve. Therefore, the experiment showed high performance in tension of the suggested splice sleeve and verified the application of precast hollow concrete column.
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문제 정의
또한 철근 정착을 위한 별도의 공법을 도입하지 않았기 때문에 슬리브의 직경과 길이가 커서 많은 철근을 필요로 하는 교각에는 부적합한 공법이다. 따라서 본 연구에서는 그림 2와 같이 슬리브 위치를 하부 블록에 두고 하부 블록에 미리 충진재를 충진한 후 상부 블록에서 나온 철근에 헤드를 부착하여 삽입하는 방법으로 연구를 진행하고자 한다. 이러한 공법은 블록 제작 시 보다 정밀한 제작이 요구되는 단점은 있으나, 슬리브에 별도의 관을 설치 할 필요가 없고 현장 시공 시 추가 작업을 필요로 하지 않아 시공성이 향상되며 보다 확실하게 슬리브 내부 충진을 실시할 수 있어 구조적 안전성을 도모할 수 있다.
실험은 UTM의 그립으로 철근의 양쪽 끝을 잡고 인장시키는 방법으로 진행되었다. 실험 수행 시 철근에서의 파단 여부와 슬리브와 철근이 분리되는 현상이 나타나는 지를 세밀히 검토하였다. D16 계열 실험체는 D16-80-T1 실험체가 UTM 그립에서 철근이 이탈되는 접합 문제로 인하여 철근파단까지 실험을 실시하지 못하였다.
가설 설정
18 MPa를 적용하였다(ACI, 2005). Damaged plasticity model에서 Dilaton angle은 36.31, Eccentricity는 0.1로 가정하였고 초기 일축압축 항복응력과 초기 등 이축 압축 응력의 비를 1.16으로 가정하였다. 모르타르의 압축거동과 인장거동은 각각 그림 4, 그림 5와 같다.
철근과 슬리브는 von Mises의 파괴면을 따르는 탄소성 모델로 가정하였고 항복응력은 49.03 MPa로 1%의 경화변형률을 가지는 것으로 하였다. 탄성계수는 1.
제안 방법
D29 슬리브에서 발생한 모르타르의 파괴를 방지하고 철근에 파단이 발생하도록 유도하기 위해서 D29 슬리브의 형상을 개선하여 해석을 실시하였다. 본 연구에서는 슬리브의 내면 직경을 55.
D29 슬리브에서 발생한 모르타르의 파괴를 방지하고 철근에 파단이 발생하도록 유도하기 위해서 D29 슬리브의 형상을 개선하여 해석을 실시하였다. 본 연구에서는 슬리브의 내면 직경을 55.3 mm에서 60 mm로 증가시켜 모르타르의 용적을 늘였고 이를 유한요소 해석을 통하여 슬리브의 파괴모드를 확인하였다. 유한요소 해석결과 최종의 축하중은 508.
하중은 변위형태로 철근 하단에 재하시켰고 슬리브 상단을 고정단으로 고정하였다. 수치해석은 D29 및 D35 철근을 대상으로 유한요소 해석을 실시하였다.
실험체에 사용한 철근은 항복응력 400 MPa인 D16과 D35를 사용하였으며, 슬리브 길이와 양생방법을 실험 변수로 선택하였다. 슬리브 길이는 각 철근별 2 종류로 하였으며, 양생방법은 일반양생과 증기양생에 대하여 각각 실험을 실시하였다. 각 실험체는 2개씩 수행되었으며, 철근 직경 D35, 슬리브 길이 192 mm, 일반양생의 경우만 3개의 실험체가 수행되었다.
슬리브의 성능 검증을 위하여 D16 철근과 D35 철근을 사용하여 유한요소해석 및 인장실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험은 UTM의 그립으로 철근의 양쪽 끝을 잡고 인장시키는 방법으로 진행되었다. 실험 수행 시 철근에서의 파단 여부와 슬리브와 철근이 분리되는 현상이 나타나는 지를 세밀히 검토하였다.
D16 계열의 실험체는 본 연구에 적합하게 슬리브의 형상을 변화시키는 과정에서 슬리브에 부착되어 있는 너트의 직경을 잘못 설계하여 철근 직경보다 다소 크게 제작되었다. 이는 단순한 설계 착오에 기인한 것으로 판단하여 슬리브와 너트를 용접한 후 나머지 D16 계열 실험체에 대하여 실험을 실시하였다. 용접 후 실시한 D16 계열 실험체의 실험결과 모든 실험체에서 철근부분에서 파단이 발생하였다.
본 공법의 실용화를 위해서는 슬리브의 성능이 가장 우선 시 되어야 한다. 이를 위하여 슬리브 길이, 철근직경, 양생방법 등을 실험변수로 하여 인장성능 실험을 실시하였다.
대상 데이터
슬리브 길이는 각 철근별 2 종류로 하였으며, 양생방법은 일반양생과 증기양생에 대하여 각각 실험을 실시하였다. 각 실험체는 2개씩 수행되었으며, 철근 직경 D35, 슬리브 길이 192 mm, 일반양생의 경우만 3개의 실험체가 수행되었다. 본 실험체의 분류는 표 2와 같으며, 사용된 실험체의 사진과 실험전경은 각각 그림 13과 그림 14에 나타내었다.
슬리브의 성능 검증 실험엔 총 17개의 실험체가 수행되었다. 실험은 3,000 kN UTM(Universal Testing Machine)을 사용하였다.
슬리브 실린더 내면에 돌출부분을 설치하여 부착 성능이 증가되도록 하였으며, 슬리브 실린더 소경부 끝단은 나사식 이음형태로 철근과 연결되어있다. 실험에 사용된 모르타르는 압축강도 70 MPa로 해석에 적용한 물성과 동일한 물성치로 제작하였다.
슬리브의 성능 검증 실험엔 총 17개의 실험체가 수행되었다. 실험은 3,000 kN UTM(Universal Testing Machine)을 사용하였다. 실험체에 사용한 철근은 항복응력 400 MPa인 D16과 D35를 사용하였으며, 슬리브 길이와 양생방법을 실험 변수로 선택하였다.
실험은 3,000 kN UTM(Universal Testing Machine)을 사용하였다. 실험체에 사용한 철근은 항복응력 400 MPa인 D16과 D35를 사용하였으며, 슬리브 길이와 양생방법을 실험 변수로 선택하였다. 슬리브 길이는 각 철근별 2 종류로 하였으며, 양생방법은 일반양생과 증기양생에 대하여 각각 실험을 실시하였다.
03 MPa로 1%의 경화변형률을 가지는 것으로 하였다. 탄성계수는 1.96 GPa을 적용하였다. 하중은 변위형태로 철근 하단에 재하시켰고 슬리브 상단을 고정단으로 고정하였다.
이론/모형
모르타르의 탄성계수는 ACI 콘크리트 탄성계수 추정식에 의해서 계산된 3.51×102 GPa, 압축강도는 71.20 MPa 그리고 인장강도는 11.18 MPa를 적용하였다(ACI, 2005).
슬리브에 대한 수치 해석을 위하여 ABAQUS v6.5.1 (2006)을 사용하여 그림 3과 같이 슬리브를 모델링하였다. 해석에는 3차원 축대칭(Axi-symmetric) 요소를 적용하였고 모르타르의 구성방정식은 콘크리트의 구성모델에 근거하여 Concrete Damaged plasticity model을 사용하였다.
1 (2006)을 사용하여 그림 3과 같이 슬리브를 모델링하였다. 해석에는 3차원 축대칭(Axi-symmetric) 요소를 적용하였고 모르타르의 구성방정식은 콘크리트의 구성모델에 근거하여 Concrete Damaged plasticity model을 사용하였다. 모르타르의 탄성계수는 ACI 콘크리트 탄성계수 추정식에 의해서 계산된 3.
성능/효과
또한 양생방법에 의한 실험결과의 차이는 발생하지 않은 것으로 보아 슬리브 양생 시 증기양생 등 특수한 방법이 필요하지 않고 일반 양생으로 충분하다는 것을 확인할 수 있었다. D16 철근에서는 슬리브 길이가 80 mm인 경우와 86 mm인 경우 모두에서 철근이 파단되고 파괴하중의 차이도 발생하지 않아, D16 철근의 슬리브 길이는 80 mm로 제작하여도 무방한 것으로 나타났으며 D35 철근에서는 슬리브 길이가 175 mm인 경우와 192 mm인 경우 모두에서 철근이 파단되고 파괴형상의 차이도 발생하지 않아, D35 철근의 슬리브 길이는 175 mm 이상으로 제작하면 성능 발휘에 문제가 없는 것으로 나타났다.
유한요소 해석 결과 D29 슬리브의 경우 하중 증가에 따라서 철근이 항복한 이후에 모르타르에 발생한 균열의 진전에 따라서 더 이상을 하중을 견디지 못하였다. D29 슬리브의 내면 직경만을 55.3 mm에서 60 mm로 증가시키고 나머지 부분들은 동일하게 모델링하여 해석한 결과 슬리브의 파괴가 모르타르의 파괴가 아닌 철근의 파단으로 지배되는 것이 확인되었다.
또한, D35-192-T2 실험체는 슬리브 너트를 완전히 체결하지 않고 실험을 실시하여 철근이 슬리브에 빠져 나와 철근파단까지 실험을 실시하지 못하였다. D35-192-T1 실험체는 실험도중 계측장치의 전원이 끊어져 계측은 실패하였지만 철근이 파단이 파단 되는 것을 확인할 수 있었다. 이 외의 실험체는 모두 정상적으로 실험을 종료하였으며, 모든 실험체가 그림 15와 같이 슬리브 상단에 매설된 철근에서 파단이 발생하였다.
하지만 슬리브 입구 부근에서는 인장균열이 발생하지 않았다. 그림 10의 변형 형상에서도 알 수 있듯이 슬리브의 최종 변형 모습이 실험에서 관찰된 것과 유사하며, 특히 철근에서 넥킹으로 인하여 단면이 줄어드는 것이 유한요소해석에서도 관찰되어, D35 철근 슬리브는 기존 단면형상만으로 충분한 인장 저항 능력이 있는 것으로 나타났다.
일부 슬리브 너트의 제작 및 체결 과정에서 오류가 발생한 실험체를 제외하면 모든 실험체에서 철근이 파단되어 본 실험에서 사용한 슬리브의 성능을 확인할 수 있었다. 또한 양생방법에 의한 실험결과의 차이는 발생하지 않은 것으로 보아 슬리브 양생 시 증기양생 등 특수한 방법이 필요하지 않고 일반 양생으로 충분하다는 것을 확인할 수 있었다. D16 철근에서는 슬리브 길이가 80 mm인 경우와 86 mm인 경우 모두에서 철근이 파단되고 파괴하중의 차이도 발생하지 않아, D16 철근의 슬리브 길이는 80 mm로 제작하여도 무방한 것으로 나타났으며 D35 철근에서는 슬리브 길이가 175 mm인 경우와 192 mm인 경우 모두에서 철근이 파단되고 파괴형상의 차이도 발생하지 않아, D35 철근의 슬리브 길이는 175 mm 이상으로 제작하면 성능 발휘에 문제가 없는 것으로 나타났다.
각 실험체별 실험결과를 표 3에 나타내었다. 실험변수로 선택한 슬리브 길이와 양생방법에 의한 실험결과를 비교해 보면, 슬리브 길이와 양생방법에 의한 파괴형상 차이는 나타나지 않았다.
일부 슬리브 너트의 제작 및 체결 과정에서 오류가 발생한 실험체를 제외하면 모든 실험체에서 철근이 파단되어 본 실험에서 사용한 슬리브의 성능을 확인할 수 있었다. 또한 양생방법에 의한 실험결과의 차이는 발생하지 않은 것으로 보아 슬리브 양생 시 증기양생 등 특수한 방법이 필요하지 않고 일반 양생으로 충분하다는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이중 슬리브 이음 방식이 프리캐스트 공법 적용시 어떠한 문제점이 있는가?
하지만 이 방법은 철근 삽입 후 상부 슬리브에 에폭시 모르타르 등을 충진하기 위하여 슬리브에 그림 1의 ⑪, ⑫와 같이 별도의 관이 설치되어야 하는 단점이 있다. 이러한 공법은 모르타르 타설 및 관 설치부 마감 그리고 길게 노출된 돌출철근 등으로 인해 시공성이 현저히 저하되어 프리캐스트 공법 적용시의 문제점으로 대두되고 있다. 또한 철근 정착을 위한 별도의 공법을 도입하지 않았기 때문에 슬리브의 직경과 길이가 커서 많은 철근을 필요로 하는 교각에는 부적합한 공법이다.
최적의 그라우팅형(形) 슬리브를 개발하기 위해 수행한 유한요소해석 및 인장실험에서 선정한 변수는 무엇인가?
본 연구의 목적은 공기 단축과 초기 공사비를 절감하기 위해 PC 긴장재를 사용하지 않고, 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 경제적이면서 시공성이 우수한 프리캐스트 교각 공법 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 신형식 철근이음 장치인 그라우팅형(形) 슬리브(Splice sleeve, 이하 슬리브)를 제안하고 최적의 슬리브를 개발하기 위하여 슬리브 길이, 철근직경, 양생방법 등을 변수로 하여 유한요소해석 및 인장실험을 수행하였다. 슬리브의 유한요소해석을 통하여 최적의 형상을 도출하였으며, 인장 성능 검토 결과, 철근의 인발에 의한 파괴는 발생하지 않았으며, 철근의 인장 파괴 혹은 슬리브의 기계적 결함에 의한 볼트 파단만이 관찰되었다.
본 연구에서 개발한 프리캐스트 교각 공법에 사용된 슬리브의 형태는 무엇인가?
본 연구의 목적은 공기 단축과 초기 공사비를 절감하기 위해 PC 긴장재를 사용하지 않고, 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 경제적이면서 시공성이 우수한 프리캐스트 교각 공법 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 신형식 철근이음 장치인 그라우팅형(形) 슬리브(Splice sleeve, 이하 슬리브)를 제안하고 최적의 슬리브를 개발하기 위하여 슬리브 길이, 철근직경, 양생방법 등을 변수로 하여 유한요소해석 및 인장실험을 수행하였다. 슬리브의 유한요소해석을 통하여 최적의 형상을 도출하였으며, 인장 성능 검토 결과, 철근의 인발에 의한 파괴는 발생하지 않았으며, 철근의 인장 파괴 혹은 슬리브의 기계적 결함에 의한 볼트 파단만이 관찰되었다.
참고문헌 (8)
김형기 (1998) 반복하중을 받는 철근이음용 스플라이스 슬리브의 구조성능에 관한 연구, 대한건축학회논문집, 제14권, 제9호, pp. 73-81.
김형기, 안병익, 남재현, 박복만 (2001) 고강도 모르타르 충전식 철근이음의 구조성능에 관한 실험연구, 한국콘크리트학회논문집, 제13권, 제5호, pp. 516-524.
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