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문제 정의
- 5) 이 연구에서는 기존의 연구를 바탕으로 마디 형상의 변화가 부착 성능에 미치는 효과를 분석하여 최적의 마디 형태를 제시하도록 하였다.
가설 설정
- 철근의 정착은 정착 길이 내에서 콘크리트와의 균등한 부착응력에 의하여 확보되는 것으로 가정하며, 이때 부착응력에 의한 부착강도 T는 철근의 항복강도 이상을 확보하여야 한다. 따라서, 정착을 위해 필요한 부착강도는 T ≥ Asfy를 만족하여야 하며, 이를 부착 응력으로 표현하면 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
제안 방법
- 한편, 각 실험체의 실험 결과를 국내 콘크리트설계기준에서 규정하고 있는 식 (4)와 AIC 408 위원회에서 제시하고 있는 식 (7)을 사용하여 분석한 결과를 Table 4에 정리하였다. 기존 설계식에 의한 실험체의 예상 파괴 하중은 정착 길이 ld를 실험에서 사용한 이음 길이로 대체하여 철근의 응력 fs를 산정한 후, 이를 하중으로 치환하여 계산하였다. 표에서 나타나듯이 국내 콘크리트설계기준에서는 철근의 마디면적비를 고려하는 항목이 없기 때문에 전반적으로 실험체의 저항 내력을 저평가하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 실제 실험체의 내력은 마디 형상에 따라 152~188%의 내력을 갖는 것으로 나타났다.
- 실험체는 경기도 여주군 소재 PC제작업체인 T사에서 제작하였다. 높고 낮은 마디가 혼합된 철근과 높은마디면적 철근은 실험에 사용되는 기존 철근의 마디 높이와 마디 간격 측정을 통해 철근 가공도를 작성하여 별도로 주문 제작하였다. 실험체별로 배근 상세에 따라 철근이 배근되고 콘크리트를 타설하기 전에 이음 부위의 철근응력 및 변형률을 측정하기 위해 철근용 변형률 게이지를 이음부 양끝에 4개, 하중점과 지점 사이를 3등분 하는 점에 2개 등 총 6개를 부착하였다.
- 높고 낮은 마디를 혼합한 철근의 부착 성능을 확인하기 위해 기존 연구자들의 실험 방법을 참고하여2,4,5) 보 이음 길이 실험체를 제작한 후 철근의 마디 형상 및 마디면적비(Rr)에 따른 부착 실험을 실시하였다.
- 각 실험체의 실험 결과로 측정된 파괴 하중을 단면 해석을 통하여 철근의 인장응력으로 환산한 후, 이를 부착강도 및 부착 응력 값으로 비교한 결과는 Table 5와 같다. 또한, CV 실험체의 콘크리트 강도가 상이함에 따라 콘크리트 압축강도 영향을 제외하고 철근의 마디 효과만을 분석하기 위하여 부착 응력을 #로 나누어 일반화 시킨 후, 이를 CV 실험체와 비교하도록 하였다. 그 결과, WA 실험체는 철근 마디 형태의 효과로 부착 응력이 약 23% 증가하는 것으로 나타났다.
- Table 1은 실험체 계획에 따른 변수들을 정리한 것으로 콘크리트의 설계기준 압축강도는 24 MPa, 주근은 SD500의 직경 25 mm, 압축 철근은 SD400인 직경 13 mm를 사용하였다. 또한, 실험체의 전단 파괴를 방지하기 위하여 SD400인 직경 10 mm의 전단 보강근을 배근하되, 겹침 이음 구간 내에는 횡 구속 조건을 동일하게 하기 위해 5개의 전단 보강근이 배근되도록 하였다. 인장 이음 길이는 선행 연구 자료에 따라 부착 파괴를 유도할 수 있도록 철근 직경의 16배인 400 mm, 주근의 피복 두께는 2db인 50 mm로 계획하였다.
- 또한, 하중에 따른 변위를 평가하기 위해 실험체의 중앙부와 하중점 직하부에 LVDT를 설치하여 수직 처짐을 측정하였으며, 실험 간 콘크리트의 변형률을 측정하기 위해 콘크리트용 변형률 게이지를 이음길이 보 압축부 측면에 2개소, 인장부 측면에 1개소를 부착하였다.
- 마디 높이로는 CV에 대하여 높은마디면적 철근인 HR의 경우 1.5배, 새로운 마디 형상을 갖는 WA, WB, WC에서 높은 마디는 각각 2배, 2.25배, 2.625배로 하였으며 낮은 마디는 CV와 같게 하여 설계하였다.
- 보 이음길이 실험체는 Fig. 3과 같이 실험체의 단면 300 × 400 mm, 길이 4,000 mm로 제작하였으며, CV를 제외한 모든 철근들은 제작 비용상의 문제로 이음 길이에 영향을 미치는 구간인 1,000 mm만 가공하여 배근하였다.
- 실험체에는 균열과 파괴 양상을 관찰하기 위하여 표면에 먹줄을 이용하여 일정한 간격으로 그리드를 그린 후, 작용 하중에 따라 균열의 개수 및 크기를 기록하였으며 이음부에서 부착 파괴가 발생되는 시점까지 실험을 실시하였다.
- 또한, 실험체의 전단 파괴를 방지하기 위하여 SD400인 직경 10 mm의 전단 보강근을 배근하되, 겹침 이음 구간 내에는 횡 구속 조건을 동일하게 하기 위해 5개의 전단 보강근이 배근되도록 하였다. 인장 이음 길이는 선행 연구 자료에 따라 부착 파괴를 유도할 수 있도록 철근 직경의 16배인 400 mm, 주근의 피복 두께는 2db인 50 mm로 계획하였다.
대상 데이터
- Table 1은 실험체 계획에 따른 변수들을 정리한 것으로 콘크리트의 설계기준 압축강도는 24 MPa, 주근은 SD500의 직경 25 mm, 압축 철근은 SD400인 직경 13 mm를 사용하였다. 또한, 실험체의 전단 파괴를 방지하기 위하여 SD400인 직경 10 mm의 전단 보강근을 배근하되, 겹침 이음 구간 내에는 횡 구속 조건을 동일하게 하기 위해 5개의 전단 보강근이 배근되도록 하였다.
- 실험에서 사용된 일반 철근과 강봉은 금속 재료의 인장 실험편(KS B 0801)에 규정되어 있는 2호 시험편을 기준으로 실험편의 기계적 성질 시험을 하였다. 시험한 결과를 통해 얻어낸 항복강도, 인장강도, 연신율 등 기계적 성질은 다음 Table 3과 같으며, 항복강도는 0.
- 실험체는 경기도 여주군 소재 PC제작업체인 T사에서 제작하였다. 높고 낮은 마디가 혼합된 철근과 높은마디면적 철근은 실험에 사용되는 기존 철근의 마디 높이와 마디 간격 측정을 통해 철근 가공도를 작성하여 별도로 주문 제작하였다.
- 높고 낮은 마디가 혼합된 철근과 높은마디면적 철근은 실험에 사용되는 기존 철근의 마디 높이와 마디 간격 측정을 통해 철근 가공도를 작성하여 별도로 주문 제작하였다. 실험체별로 배근 상세에 따라 철근이 배근되고 콘크리트를 타설하기 전에 이음 부위의 철근응력 및 변형률을 측정하기 위해 철근용 변형률 게이지를 이음부 양끝에 4개, 하중점과 지점 사이를 3등분 하는 점에 2개 등 총 6개를 부착하였다. 실험체는 콘크리트 타설 후 1일간 증기 양생 후 대기 중에서 기건 양생을 실시하였으며, 재령 28일 이상이 경과된 후 실험체별 실험 일정에 맞추어 실험 장소로 이동하였다.
- 총 5개의 실험체를 제작하였으며, 각 실험체의 디테일은 Table 1과 같다. 실험체의 주된 변수는 철근의 마디 형상으로 기존 이형 철근은 CV, 마디면적비를 0.
데이터처리
- 실험에서 사용된 일반 철근과 강봉은 금속 재료의 인장 실험편(KS B 0801)에 규정되어 있는 2호 시험편을 기준으로 실험편의 기계적 성질 시험을 하였다. 시험한 결과를 통해 얻어낸 항복강도, 인장강도, 연신율 등 기계적 성질은 다음 Table 3과 같으며, 항복강도는 0.2% off-set법을 사용하여 계산하였다. 그 결과 일반 철근은 520 MPa에서 항복하였고, 마디 형상을 가공한 강봉은 3개 시편의 평균 533 MPa에서 항복하여 강봉 샘플이 일반 철근보다 항복강도가 약 13 MPa 높게 측정되었으나 오차 범위 0.
성능/효과
- 전체 실험체를 종합한 Fig. 6(a)를 살펴보면, 균열이 발생하기 이전의 초기 강성은 모든 실험체가 유사한 강성을 가지고 있으나, 균열 이후 강성의 감소가 CV 실험체가 가장 적고 이후 W 계열 및 HR 실험체 순으로 나타났다. 한편 Fig.
- (b)로부터 높고 낮은 마디가 혼합된 WA, WB 및 WC 실험체는 저항 내력에 관계없이 모두 유사한 하중-처짐 곡선을 나타내는 것으로 분석된 반면, 마디면적비가 같지만 동일한 마디 높이를 유지하는 HR 실험체는 균열 이후 강성이 WA 실험체보다 저하되는 것으로 나타났다.
- 1) 마디면적비가 증가된 철근은 보통 철근보다 약 11%의 부착강도 향상을 나타내었으며, 동일 마디면적비로서 높고 낮은 마디를 혼합한 경우에는 23%의 부착강도가 향상되는 것으로 분석되었다. 한편 높고 낮은 마디를 혼합하더라도 일정 한도 이상의 마디면적비에서는 부착강도의 향상이 제한적인 것으로 나타났다.
- 2) 국내 설계기준에서 제시하고 있는 정착 길이 산정식은 마디 형상을 반영하지 못하여 실험 결과를 예측할 수 없었으며, ACI 408 식 등은 마디면적비 효과를 반영할 수 있으나, 높고 낮은 마디가 혼합된 마디의 형상 효과를 반영하지 못하여 새로운 설계식의 개발이 요구되는 것으로 분석되었다.
- 3) 균열의 개수 및 균열 폭 등 사용성 관점에서 살펴볼 때, 개선된 형태의 철근은 보통 철근과 유사한 거동을 나타내는 것으로 분석되었다.
- ACI 408위원회 식의 경우 철근의 마디면적비를 고려하도록 제안식이 구성됨에 따라 CV 실험체 대비 타 실험체의 내력이 큰 것으로 평가되었으나, (c + Ktr) / db ≤ 4로 제한하는 규정 때문에 WA, WB, WC 실험체의 내력은 동일한 것으로 평가되었다.
- 8에 나타낸 바와 같이, 초기 균열이 발생한 이후 균열의 개수가 증가하여 파괴시에는 최대 모멘트 구간에서 6~8개의 균열이 발생되는 것을 알 수 있다. CV, WB, WC 실험체의 경우에는 60~70 kN의 하중에 도달할 때까지 지속적으로 균열의 개수가 증가하는 현상을 나타낸 반면, HR 및 WA 실험체는 40 kN 이하의 하중에서 균열의 안정 상태에 도달하여 6개의 균열이 유지되었다.
- 실험 결과로부터 보통 철근보다 마디면적비가 향상됨에 따라 내력 이 향상됨을 알 수 있으며, HR 및 WA 실험체를 비교할 때 동일 마디면적비 상에서는 높고 낮은 마디를 혼합한 경우가 더 유리함을 알 수 있다. WA와 WC 실험체를 살펴보면, 마디면적비가 크게 증가하였음에도 실험체의 내력에 큰 변화가 나타나지 않아, 기존 연구에서 제기하고 있는 바와 같이4) 마디면적비 0.15 이상의 경우에는 높고 낮은 마디를 혼합하더라도 큰 효과를 기대할 수 없는 것으로 평가되었다.
- 2% off-set법을 사용하여 계산하였다. 그 결과 일반 철근은 520 MPa에서 항복하였고, 마디 형상을 가공한 강봉은 3개 시편의 평균 533 MPa에서 항복하여 강봉 샘플이 일반 철근보다 항복강도가 약 13 MPa 높게 측정되었으나 오차 범위 0.56%의 근사한 값을 나타내었다.
- 또한, CV 실험체의 콘크리트 강도가 상이함에 따라 콘크리트 압축강도 영향을 제외하고 철근의 마디 효과만을 분석하기 위하여 부착 응력을 #로 나누어 일반화 시킨 후, 이를 CV 실험체와 비교하도록 하였다. 그 결과, WA 실험체는 철근 마디 형태의 효과로 부착 응력이 약 23% 증가하는 것으로 나타났다. 마디면적비를 WA 실험체와 동일하게 증가시킨 HR 실험체는 11%의 응력 증가를 나타내었으며, 마디면적비를 0.
- 한편, 앞에서 제시된 국내 콘크리트설계기준에 의 한 설계식(식 (4)), Orangun(식 (3)), Darwin(식 (6)) 및 ACI 408 위원회 설계식(식 (7))으로부터 부착강도를 산정한 결과를 실험 결과와 비교하면, Table 5에서 나타나듯이 국내 설계식은 설계상의 안전율이 반영된 결과로 기존 이형 철근 실험체 CV와 같은 경우 약 70%의 부착강도 차이를 나타낸 반면, Orangun의 제안식은 약 9%의 부착강도 차이를 나타냈다. 그러나 두 식 모두 마디 형상 또는 마디면적비에 대한 효과는 반영하지 않음으로 인해 국내 설계식에 대해서는 최대 약 2.1배, Orangun의 제안식에 대해서는 최대 약 1.4배의 차이를 나타내었다.
- 1과 같다. 그림에서 국내 설계식은 마디면적비를 고려하지 않고 있기 때문에 ACI 408 위원회의 설계식보다 높은마디면적 철근의 정착 길이가 길게 나타나는 것을 알 수 있으며, 철근 직경이 증가할수록 (c + Ktr) / db항의 영향으로 요구되는 정착 길이의 차이가 증가하는 것으로 나타났다.
- 8(b) 및 Table 6와 같다. 그림에서 나타나듯이 실험체별 균열폭의 진전 현황은 철근 종류에 관계없이 유사한 것으로 판단되며, 60 kN의 하중이 작용할 때 마디 형상이 개선된 실험체는 CV 실험체에 대하여 86~100%의 균열폭을 나타내고, 80 kN의 하중 작용시에는 111~143%의 균열폭을 나타낸 것으로 분석되었다. 이상의 결과와 실제 구조물에서 철근의 사용 응력 수준을 고려할 때 마디 형상이 개선된 철근 사용시 균열의 형상은 보통 철근의 경우와 유사한 것으로 판단된다.
- 그 결과, WA 실험체는 철근 마디 형태의 효과로 부착 응력이 약 23% 증가하는 것으로 나타났다. 마디면적비를 WA 실험체와 동일하게 증가시킨 HR 실험체는 11%의 응력 증가를 나타내었으며, 마디면적비를 0.161까지 증가시킨 WC 실험체는 WA 실험체와 유사하게 21%의 응력 증가를 나타내었다.
- 마디면적비를 고려한 Darwin의 제안식 및 ACI 408 위원회 식과 실험 결과를 비교해보면, 높은마디면적 철근 실험체 HR의 경우 각각 약 5%, 17% 향상된 부착강도 실험 결과를 나타내었다. 두 식의 차이점은 ACI 408 위원회의 설계식에서 안전성을 고려하여 보다 보수적으로 부착강도를 산정하기 때문인 것으로 분석된다.
- 5와 같다. 모든 경우에 대하여 실험 결과는 계산 결과를 상회하는 값을 나타내어 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단되며, (c + Ktr) / db 혹은 Atrfyt / 500sdb의 제한값을 적용한 경우보다 적용하지 않은 경우가 실험 결과에 더 근접하여, 뽑힘 파괴를 제한하기 위한 (c + Ktr) / db 항의 제한값은 완화시켜도 무방할 것으로 판단된다. 특히, 국내의 설계기준에서 제시하고 있는 설계식의 경우에는 상기 항의 제한 유무에 따라 큰 차이를 나타내는 것으로 분석되었다.
- ACI 408위원회 식의 경우 철근의 마디면적비를 고려하도록 제안식이 구성됨에 따라 CV 실험체 대비 타 실험체의 내력이 큰 것으로 평가되었으나, (c + Ktr) / db ≤ 4로 제한하는 규정 때문에 WA, WB, WC 실험체의 내력은 동일한 것으로 평가되었다. 실제 실험 결과에서도 WA와 WC 실험체의 내력이 유사하여 이 규정은 타당한 것으로 평가되나, 동일 마디면적비를 갖는 HR 실험체와 WA 실험체의 마디 형상을 반영할 수 없는 한계를 갖는 것으로 분석되었다.
- WB 실험체의 경우 약 2%의 내력 증가에 불과하였는데, 이는 실험체 제작 시의 오류로 2db의 피복 두께가 확보되지 못함에 따라 조기에 이음부에서 할렬 파괴가 발생된 것으로 분석되었다. 실험 결과로부터 보통 철근보다 마디면적비가 향상됨에 따라 내력 이 향상됨을 알 수 있으며, HR 및 WA 실험체를 비교할 때 동일 마디면적비 상에서는 높고 낮은 마디를 혼합한 경우가 더 유리함을 알 수 있다. WA와 WC 실험체를 살펴보면, 마디면적비가 크게 증가하였음에도 실험체의 내력에 큰 변화가 나타나지 않아, 기존 연구에서 제기하고 있는 바와 같이4) 마디면적비 0.
- 총 5개의 실험체를 제작하였으며, 각 실험체의 디테일은 Table 1과 같다. 실험체의 주된 변수는 철근의 마디 형상으로 기존 이형 철근은 CV, 마디면적비를 0.133까지 증가시킨 높은마디면적 철근은 HR이고, 동일한 마디면적비를 유지하면서 높고 낮은 마디를 혼합한 철근은 WA, 높고 낮은 마디를 혼합하면서 높은 마디의 높이를 증가시켜 마디면적비를 0.144, 0.161까지 증가시킨 철근을 WB 및 WC로 표현하였다. 마디면적비는 Darwin 등의 논문4)에서 제시된 개념으로 지압 면적에 대한 마디 사이의 전단 면적의 비를 의미하며, 다음의 식 (8)과 같이 정의된다.
- 이상의 결과를 종합할 때 부착강도의 추정식은 국내의 설계기준 식보다 Orangun 등이 제안한 식이 보다 타당한 것으로 분석되나, 두 식 모두 마디면적비에 대한 고려를 하지 않고 있어 마디면적비가 증가된 철근에 적용하기에는 부적당한 것으로 판단된다. 또한, 마디면적비의 효과가 고려된 Darwin의 제안식 및 ACI 408 위원회 식 등은 마디 형상의 변화를 반영하지 못하여 이 연구에서 개발된 철근의 부착강도를 추정하기 위해서는 새로운 설계식의 도출이 필요할 것으로 판단된다.
- 그림에서 나타나듯이 실험체별 균열폭의 진전 현황은 철근 종류에 관계없이 유사한 것으로 판단되며, 60 kN의 하중이 작용할 때 마디 형상이 개선된 실험체는 CV 실험체에 대하여 86~100%의 균열폭을 나타내고, 80 kN의 하중 작용시에는 111~143%의 균열폭을 나타낸 것으로 분석되었다. 이상의 결과와 실제 구조물에서 철근의 사용 응력 수준을 고려할 때 마디 형상이 개선된 철근 사용시 균열의 형상은 보통 철근의 경우와 유사한 것으로 판단된다.
- 실험에 사용된 콘크리트의 배합설계는 Table 2와 같다. 콘크리트 공시체의 제작은 KS F 2403 콘크리트 강도 시험용 공시체 제작 방법에 따랐으며, 부재 실험 전후에 강도 실험을 실시한 결과, 평균 압축강도는 CV의 경우 23.4 MPa, 나머지는 21.6 MPa로 나타났다.
- 기존 설계식에 의한 실험체의 예상 파괴 하중은 정착 길이 ld를 실험에서 사용한 이음 길이로 대체하여 철근의 응력 fs를 산정한 후, 이를 하중으로 치환하여 계산하였다. 표에서 나타나듯이 국내 콘크리트설계기준에서는 철근의 마디면적비를 고려하는 항목이 없기 때문에 전반적으로 실험체의 저항 내력을 저평가하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 실제 실험체의 내력은 마디 형상에 따라 152~188%의 내력을 갖는 것으로 나타났다. ACI 408위원회 식의 경우 철근의 마디면적비를 고려하도록 제안식이 구성됨에 따라 CV 실험체 대비 타 실험체의 내력이 큰 것으로 평가되었으나, (c + Ktr) / db ≤ 4로 제한하는 규정 때문에 WA, WB, WC 실험체의 내력은 동일한 것으로 평가되었다.
- 1) 마디면적비가 증가된 철근은 보통 철근보다 약 11%의 부착강도 향상을 나타내었으며, 동일 마디면적비로서 높고 낮은 마디를 혼합한 경우에는 23%의 부착강도가 향상되는 것으로 분석되었다. 한편 높고 낮은 마디를 혼합하더라도 일정 한도 이상의 마디면적비에서는 부착강도의 향상이 제한적인 것으로 나타났다.
- 두 식의 차이점은 ACI 408 위원회의 설계식에서 안전성을 고려하여 보다 보수적으로 부착강도를 산정하기 때문인 것으로 분석된다. 한편, Darwin의 제안식으로부터 높고 낮은 마디를 혼합한 철근의 실험체 WA, WC의 실험 결과 값과 비교해보면, 각각 약 17%, 16%의 부착강도가 증가하는 결과를 나타내었다. 이는 마디면적비뿐만 아니라 마디 형상도 부착 성능에 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.
- 한편, 앞에서 제시된 국내 콘크리트설계기준에 의 한 설계식(식 (4)), Orangun(식 (3)), Darwin(식 (6)) 및 ACI 408 위원회 설계식(식 (7))으로부터 부착강도를 산정한 결과를 실험 결과와 비교하면, Table 5에서 나타나듯이 국내 설계식은 설계상의 안전율이 반영된 결과로 기존 이형 철근 실험체 CV와 같은 경우 약 70%의 부착강도 차이를 나타낸 반면, Orangun의 제안식은 약 9%의 부착강도 차이를 나타냈다. 그러나 두 식 모두 마디 형상 또는 마디면적비에 대한 효과는 반영하지 않음으로 인해 국내 설계식에 대해서는 최대 약 2.
후속연구
- 이상의 결과를 종합할 때 부착강도의 추정식은 국내의 설계기준 식보다 Orangun 등이 제안한 식이 보다 타당한 것으로 분석되나, 두 식 모두 마디면적비에 대한 고려를 하지 않고 있어 마디면적비가 증가된 철근에 적용하기에는 부적당한 것으로 판단된다. 또한, 마디면적비의 효과가 고려된 Darwin의 제안식 및 ACI 408 위원회 식 등은 마디 형상의 변화를 반영하지 못하여 이 연구에서 개발된 철근의 부착강도를 추정하기 위해서는 새로운 설계식의 도출이 필요할 것으로 판단된다.
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