[논문]목재-콘크리트 하이브리드 부재의 전단성능 I - 목재 내 철근 정착 길이에 따른 전단성능 평가 -

이상준; 엄창득; 김광모

doi:10.5658/wood.2012.40.3.186

[국내논문] 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 전단성능 I - 목재 내 철근 정착 길이에 따른 전단성능 평가 -
Shear Performance of Wood-Concrete Composite I - Shear Performance with Different Anchorage Length of Steel Rebar in Wood - 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.40 no.3, 2012년, pp.186 - 193

이상준 (국립산림과학원 임산공학부 재료공학과) , 엄창득 (국립산림과학원 임산공학부 재료공학과) , 김광모 (국립산림과학원 임산공학부 재료공학과)

초록
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목재-콘크리트 하이브리드 부재는 특히 목조 거더교의 상부구조 등으로 유용하게 적용될 수 있으며, 이를 위한 핵심 사항은 상판으로 사용되는 콘크리트 및 거더로 사용되는 목재의 전단성능 부여에 따른 일체화 거동이다. 현재까지 북미 및 유럽 등을 중심으로 관련 연구가 진행되어 왔으나 대부분의 경우 시공성의 담보를 목적으로 한 것으로 목재와 콘크리트의 전단성능을 확보하기 위한 기초적인 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 목재-콘크리트 하이브리드 구조의 역학적인 거동을 평가하기에 앞서 가장 중요한 사항 중 하나인 부재 간 전단성능을 평가하기 위한 목적으로 수행되었다. 실제 시험에 앞서 EYM을 통해 목재 내 철근의 정착 길이별 항복모드 및 기준허용전단내력 값을 확인하였으며, 사용한 SD30A 철근에 대한 모드 전환이 이루어지는 철근의 정착 길이 등을 확인할 수 있었다. 전단시험을 통해 초기강성 및 항복하중 값은 정착길이 20 mm 이상인 경우 정착 길이에 무관하게 유사한 값을 나타냈으나, 최대하중의 경우에는 철근의 인발 저항과 복합적으로 작용하여 정착 길이 60 mm 이상과 이하에서 다른 거동을 나타냈다. 시험 후 X선 직접촬영법의 적용을 통해 이를 검증할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The wood-concrete composite can be effectively applied for bridge superstructure, and the concept of fully composite action between each member is one of the most important consideration. Until now, related researches have been done mainly in North America and EU countries not enough to cover the fundamental studies. Therefore, this study is planned to perform one of the important issue for using the wood-concrete composite. The objective of this study is evaluation of shear performance with different anchorage length of steel rebar in wood. Prediction of the yield mode and the reference design value was firstly performed as the preliminary investigation. Then, initial stiffness, yield load and maximum load were derived from the shear test due to different anchorage length of the steel rebar (SD30A in Korean Standard) in wood. It was found out from this study that initial stiffness and yield load are not related with the anchorage length over 20 mm of anchorage length while maximum load shows increasing tendency till 60 mm of anchorage length. Pullout strength of inserted steel rebar in wood is considered to be one reason and this was also verified with the x-ray radiography.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

특히 시공 상의 측면에서 철근을 이용한 전단 성능 부여와 관련한 실험적 연구들이 주로 북유럽을 중심으로 많이 수행되어 왔다(Mascia and Soriano, 2004; LeBorgne and Gutkowski, 2010). 그러나 이에 대한 이론적 고찰은 거의 이루어진 바가 없는 실정이며, 이에 본 연구는 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 역학적 거동을 연구하기에 앞서 구조적 성능에 가장 핵심적으로 작용하는 목재와 콘크리트의 일체화 거동을 분석하기 위한 목적으로 계획되었다. 목재 및 콘크리트 내 철근의 정착 길이 및 각도에 따른 전단성능 평가와 하이브리드 부재에 대한 평가를 단계적으로 수행할 예정에 있으며, 본 연구는 이에 대한 기초 연구로서 목재만으로 주부재 및 측면부재를 구성한 1면전단접합부에서 목재 내 철근의 정착 길이에 따른 합성 부재의 전단성능을 평가하였다.
그러나 이에 대한 이론적 고찰은 거의 이루어진 바가 없는 실정이며, 이에 본 연구는 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 역학적 거동을 연구하기에 앞서 구조적 성능에 가장 핵심적으로 작용하는 목재와 콘크리트의 일체화 거동을 분석하기 위한 목적으로 계획되었다. 목재 및 콘크리트 내 철근의 정착 길이 및 각도에 따른 전단성능 평가와 하이브리드 부재에 대한 평가를 단계적으로 수행할 예정에 있으며, 본 연구는 이에 대한 기초 연구로서 목재만으로 주부재 및 측면부재를 구성한 1면전단접합부에서 목재 내 철근의 정착 길이에 따른 합성 부재의 전단성능을 평가하였다. 실험에 앞서 EYM (European Yield Model)을 이용하여 전단 성능을 예측하고 실험을 통해 이를 검증하였다.
본 연구에서는 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 역학적 거동을 확인하기 위한 기초적인 연구로서 목재 내 철근의 정착길이에 따른 전단성능을 평가하였다. 시험에 앞서 EYM을 통해 철근의 정착 길이별 항복모드 및 기준허용전단내력의 산출을 통해 실제 시험체의 역학적인 거동을 예측하였다.

가설 설정

6) 기준허용전단내력(Z)을 산출하였다. 철물 및 주부재․측면부재에 나타나는 네 가지의 항복모드에 따라 기존 EYM에서 제안된 식에 적용하여 항복하중을 계산하였으며, 이 중 최소값이 나타나는 모드 및 이때의 하중을 해당 시험체의 항복모드 및 기준허용전단내력으로 가정하였다. 투입되는 각 재료의 물성치는 목재의 장부촉지압내력(F_ew)은 31.

제안 방법

목재 및 콘크리트 내 철근의 정착 길이 및 각도에 따른 전단성능 평가와 하이브리드 부재에 대한 평가를 단계적으로 수행할 예정에 있으며, 본 연구는 이에 대한 기초 연구로서 목재만으로 주부재 및 측면부재를 구성한 1면전단접합부에서 목재 내 철근의 정착 길이에 따른 합성 부재의 전단성능을 평가하였다. 실험에 앞서 EYM (European Yield Model)을 이용하여 전단 성능을 예측하고 실험을 통해 이를 검증하였다.
2). 주부재 내 철근 정착길이를 고정(180 mm)하고 측면부재 내 철근 정착길이를 8단계(반복수 1회)로 설정하여 시험체를 제작하였다(Fig. 3).
준비된 목재 시편의 폭 중앙 및 시편 길이의 50 mm 지점(Fig. 3)에 지름 11 mm의 드릴 구멍을 철근 정착 길이에 따라 천공하고, 드릴구멍에 독일 Fischer사에서 제작된 FIS V 360S 케미칼앵커를 주입하고 철근을 정착하였다. 2일 간의 양생 과정을 통해 시험체 제작을 완료하였다.
목재 내 철근 정착 길이에 따른 전단 성능을 예측하기 위해 EYM을 적용하여 각 시험체의 항복모드 별(Fig. 6) 기준허용전단내력(Z)을 산출하였다. 철물 및 주부재․측면부재에 나타나는 네 가지의 항복모드에 따라 기존 EYM에서 제안된 식에 적용하여 항복하중을 계산하였으며, 이 중 최소값이 나타나는 모드 및 이때의 하중을 해당 시험체의 항복모드 및 기준허용전단내력으로 가정하였다.
1면전단접합부에 대한 시험을 수행하기 위해서 시험체의 제작 및 시험 방법은 기존연구(Julita and Salokangas, 2010)를 참조하여 설계하였다. 준비된 시험체에 대해 미국 Instron사의 만능강도시험기(최대하중 200 kN)를 이용하여 전단시험을 수행하였으며, 하중속도는 3.5 mm/min.로 하였다.
전단시험 이후 시험체의 파괴모드를 분석하고, 특히 시험체 내부 철근의 변형 형태 및 정도를 확인하기 위하여 X선 직접촬영을 수행하였다. X선 선원은 벨기에 ICM사의 CP100을 이용하였고, 명도 데이터 획득을 위한 디지털디텍터는 일본 RF사의 NX06을 이용하였다(Fig.
EYM에 의해 각 시험체의 항복모드별로 산출한 전단내력의 결과를 Table 1에 제시하였다. 항복내력이 최소가 되는 모드에서의 하중을 해당 시험체에 대한 기준허용전단내력(Reference Design Value)으로 결정하였다.
I_s모드가 나타날 것으로 예측된 15 mm 이하의 정착길이를 갖는 시험체는 철근의 휨과는 무관하게 목재의 지압강도(F_ew) 및 측면부재 내 관입길이(t_s)에 의해서만 전단강도가 좌우되고 또한 예비실험을 통해 확인해 본 결과 관입길이가 너무 짧아 항복점까지 하중이 재하되기 전에 철근이 빠져버리는 현상이 나타났다. 따라서 실제 전단시험은 IV모드가 나타날 것으로 예측된 정착길이 20 mm 이상의 시험체에 대해 수행하였다.
본 연구에서는 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 역학적 거동을 확인하기 위한 기초적인 연구로서 목재 내 철근의 정착길이에 따른 전단성능을 평가하였다. 시험에 앞서 EYM을 통해 철근의 정착 길이별 항복모드 및 기준허용전단내력의 산출을 통해 실제 시험체의 역학적인 거동을 예측하였다. 이를 통해, 사용된 SD30A D10 철근의 경우 목재 내 정착길이 15∼20 mm 사이에서 I모드에서 IV모드로 모드의 전환이 이루어지는 것을 알 수 있었다.

대상 데이터

공시수종은 잣나무(Pinus koraiensis Sieb.)였고 22°C, 상대습도 50%의 항온항습실에서 조습하여 이용하였다.
시편의 크기는 두께, 폭, 높이를 각 120, 180, 200 mm로 하였으며, 1면전단접합부를 구성하기 위한 시편의 형상은 Julita and Salokangas (2010)의 선행 연구내용을 토대로 18.4°의 경사재로 제작하여 이용하였다(Fig. 2).
전단 성능을 부여하기 위한 연결 철물로서 KS D3504 (철근 콘크리트용 봉강) 표준에 의거하여 SD30A, 호칭명 D10 철근을 사용하였다. SD30A 철근의 항복 내력은 294 MPa 이상으로 규정되며, 공칭단면적(D10 철근의 경우 71.
투입되는 각 재료의 물성치는 목재의 장부촉지압내력(Few)은 31.6 MPa(목조건축구조설계매뉴얼, 2008)로 하였으며 철근의 휨항복강도(Fyb)는 실제 시험에 적용된 SD30A, 호칭명 D10 철근의 물성치인 294 MPa로 하였다.
전단시험 이후 시험체의 파괴모드를 분석하고, 특히 시험체 내부 철근의 변형 형태 및 정도를 확인하기 위하여 X선 직접촬영을 수행하였다. X선 선원은 벨기에 ICM사의 CP100을 이용하였고, 명도 데이터 획득을 위한 디지털디텍터는 일본 RF사의 NX06을 이용하였다(Fig. 9). 관전압 및 관전류는 각 60 kVp, 1.

이론/모형

1면전단접합부에 대한 시험을 수행하기 위해서 시험체의 제작 및 시험 방법은 기존연구(Julita and Salokangas, 2010)를 참조하여 설계하였다. 준비된 시험체에 대해 미국 Instron사의 만능강도시험기(최대하중 200 kN)를 이용하여 전단시험을 수행하였으며, 하중속도는 3.

성능/효과

철근의 정착길이가 짧은 경우(15 mm 이하)에는 철물의 변형없이 목재에서 지압파괴가 일어나는 Is모드가 발생하며, 철근의 정착길이가 20 mm 이상인 경우에는 주부재 및 측면부재 모두에 철물의 소성회전지점이 형성되는 IV 모드가 발생하는 것으로 확인되었다.
초기강성과 항복하중은 각 1.63 ± 0.19 kN/mm, 7,360 ± 778 N의 값을 나타내었으며, 정착길이와는 특별한 경향이 확인되지 않았다(Fig. 10).
EYM을 통한 본 예측을 통해 측면부재 내 정착길이 15 mm에서 20 mm 사이에서 모드 변환이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
EYM을 통한 본 예측을 통해 측면부재 내 정착길이 15 mm에서 20 mm 사이에서 모드 변환이 이루어짐을 확인할 수 있었다. I_s모드가 나타날 것으로 예측된 15 mm 이하의 정착길이를 갖는 시험체는 철근의 휨과는 무관하게 목재의 지압강도(F_ew) 및 측면부재 내 관입길이(t_s)에 의해서만 전단강도가 좌우되고 또한 예비실험을 통해 확인해 본 결과 관입길이가 너무 짧아 항복점까지 하중이 재하되기 전에 철근이 빠져버리는 현상이 나타났다. 따라서 실제 전단시험은 IV모드가 나타날 것으로 예측된 정착길이 20 mm 이상의 시험체에 대해 수행하였다.
이는 EYM을 통해 예측된 바와 같이, 정착길이 20 mm 이상에서는 하중 재하 시 항복까지의 초기 거동은 IV모드로서 같은 양상이 나타나기 때문인 것으로 판단된다. 기준허용전단내력의 경우에는 EYM을 통해 5,565 N의 값이 예측되었는데 측정된 항복하중은 이에 비해 약 32% 가량 크게 나타났다. 이를 통해 EYM을 통한 접합부 설계가 타당한 결과를 도출함을 확인할 수 있었다.
이를 통해 EYM을 통한 접합부 설계가 타당한 결과를 도출함을 확인할 수 있었다.
11에는 항복하중과 최대 전단하중을 함께 나타냈다. 최대 전단하중의 경우에는 항복하중과 달리 정착길이가 증가함에 따라 정착길이 60 mm까지는 증가하는 경향이 나타났다. 정착길이 60 mm 이후에는 비교적 일정한 값을 보였다.
12)을 통해서도 확인할 수 있다. 시험체의 최대 전단하중은 약 18,100 N으로 확인되었는데 이는 실험적으로 확인된 철근의 전단항복하중인 22,060 N의 약 82% 수준이었다.
정착길이 20 mm에서 60 mm까지의 결과를 확인해 본 결과 측면부재 쪽 철근이 기존의 드릴 구멍에서 하중 방향으로 크게 벗어나 있음을 알 수 있다. 이는 항복점 이후 하중 재하가 지속되면 철근이 빠지는 효과가 나타났기 때문으로 판단된다.
이는 항복점 이후 하중 재하가 지속되면 철근이 빠지는 효과가 나타났기 때문으로 판단된다. 그러나 정착길이 80 mm 이상에서는 측면부재 내부의 기존 드릴구멍에 철근이 상당부분 보존되고 있음을 확인할 수 있으며, 이는 전단시험을 통해 확인된 최대 전단하중의 결과를 반증하는 것으로 판단하였다.
정착길이 20 mm 이상의 시험체를 제작하여 실제 전단시험을 통해 이를 검증하였으며, 도출된 초기강성 및 항복하중은 각 1.63 ± 0.19 kN/mm, 7,360 ± 778 N로 정착길이의 증가에 무관한 값을 나타냈다.
19 kN/mm, 7,360 ± 778 N로 정착길이의 증가에 무관한 값을 나타냈다. 이를 통해 항복하중까지의 초기거동은 EYM에서 예측된 바와 같이 정착길이 20 mm 이상의 경우 동일한 것을 알 수 있었다. 그러나 항복하중 이후 하중 재하가 지속되어 시험체 최종 파괴 시에 도출된 최대하중은 정착길이 약 60 mm 이상과 이하에서 다른 거동을 나타냈으며, 이는 철근의 인발저항과도 관계가 있음을 X선 직접촬영법을 통해 확인할 수 있었다.
이를 통해 항복하중까지의 초기거동은 EYM에서 예측된 바와 같이 정착길이 20 mm 이상의 경우 동일한 것을 알 수 있었다. 그러나 항복하중 이후 하중 재하가 지속되어 시험체 최종 파괴 시에 도출된 최대하중은 정착길이 약 60 mm 이상과 이하에서 다른 거동을 나타냈으며, 이는 철근의 인발저항과도 관계가 있음을 X선 직접촬영법을 통해 확인할 수 있었다.
97 kN 이상이 되어야 하는 것으로 계산되었다. 사용되는 철근의 이중전단시험을 통해 실제 발현되는 전단강도를 확인해 본 결과(Fig. 4), 측정된 전단 항복하중은 22.06 kN으로 규정치를 만족하는 것으로 확인되었다. 철근은 목재 내 정착길이 8단계에 맞춰 200 mm에서 340 mm까지 20 mm 간격으로 절단하여 실험에 이용하였다(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서는 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 역학적 거동을 확인하기 위한 기초적인 연구로서 평가한 것은?	본 연구에서는 목재-콘크리트 하이브리드 부재의 역학적 거동을 확인하기 위한 기초적인 연구로서 목재 내 철근의 정착길이에 따른 전단성능을 평가하였다. 시험에 앞서 EYM을 통해 철근의 정착 길이별 항복모드 및 기준허용전단내력의 산출을 통해 실제 시험체의 역학적인 거동을 예측하였다.
	본 논문에서 철근의 전단시험 결과 초기강성과 항복하중은?	초기강성과 항복하중은 각 1.63 ± 0.19 kN/mm, 7,360 ± 778 N의 값을 나타내었으며, 정착길이와는 특별한 경향이 확인되지 않았다(Fig. 10).
	실제 전단시험은 IV모드가 나타날 것으로 예측된 정착길이 20 mm 이상의 시험체에 대해 수행한 이유는?	EYM을 통한 본 예측을 통해 측면부재 내 정착길이 15 mm에서 20 mm 사이에서 모드 변환이 이루어 짐을 확인할 수 있었다. Is모드가 나타날 것으로 예측된 15 mm 이하의 정착길이를 갖는 시험체는 철근의 휨과는 무관하게 목재의 지압강도(Few) 및 측면부재 내 관입길이(ts)에 의해서만 전단강도가 좌우되고 또한 예비실험을 통해 확인해 본 결과 관입길이가 너무 짧아 항복점까지 하중이 재하되기 전에 철근이 빠져버리는 현상이 나타났다. 따라서 실제 전단시험은 IV모드가 나타날 것으로 예측된 정착길이 20 mm 이상의 시험체에 대해 수행하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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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