[논문]SD500 철근용 충전식 슬리브 철근이음에 대한 해석 및 실험적 연구

오영훈; 문정호

doi:10.4334/jkci.2013.25.2.165

문제 정의

USB에 대한 해석목적은 슬리브 자체만의 구조적 거동을 평가하기 위한 것이며, CSB는 철근의 항복강도 대비 어느 정도의 강도를 발휘할 수 있는지를 평가하기 위함이다. USB에 대한 해석에서는 슬리브에 취약부위가 있는지를 검토하여, 보완이 필요한 부위를 찾고자 하였다. 그리고 슬리브가 구조체에서 사용될 때에는 철근 및 그라우트와 함께 복합체로 거동할 것이므로, 이때에는 철근이 없는 슬리브 중앙부위와 단면의 크기가 작은 협구측에서 충분한 강도를 가질 수 있는지를 평가하고자 하였다.
USB에 대한 해석에서는 슬리브에 취약부위가 있는지를 검토하여, 보완이 필요한 부위를 찾고자 하였다. 그리고 슬리브가 구조체에서 사용될 때에는 철근 및 그라우트와 함께 복합체로 거동할 것이므로, 이때에는 철근이 없는 슬리브 중앙부위와 단면의 크기가 작은 협구측에서 충분한 강도를 가질 수 있는지를 평가하고자 하였다.
슬리브를 제작하기 위해서는 주형을 제작하여야 하는데 주형제작에는 많은 비용이 소요된다. 따라서 이 연구에서는 슬리브를 제작하기 이전에 슬리브의 적절한 형상을 결정하기 위한 구조해석을 수행하였다. 이를 위하여 적용 대상 슬리브를 대상으로 비선형해석을 실시하여 취약부위 혹은 응력이 작게 작용하는 부위들을 찾아 시행착오 방법으로 수정하면서 적절한 형상의 주형을 선정하였다.
스플라이스 슬리브는 경제성 및 시공성을 고려했을 때, 대구경의 철근을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 이 연구에서는 직경 25 mm와 직경 32 mm의 철근에 적합한 슬리브를 개발하고자 하였다. 철근의 설계기준 항복강도는 500 MPa로 하였으며, 슬리브의 재질은 제작 및 경제성을 고려하여 주물로 선정하였다.
선정된 슬리브는 철근의 종류 및 그에 따른 슬리브의 길이, 그라우트 강도, 철근의 정착길이 등을 변수로 하여 총 18개의 실험체를 제작하여 구조실험을 실시하였다. 이 때, 동일한 변수의 실험체를 3개씩 제작하여 실험에서 발생할 수 있는 오차를 해소하고자 하였다. 그리고 실험이 종료된 후에는 실험체에 대한 비선형 유한요소해석을 다시 실시하여 구조실험 결과와 비교하였다.
이 연구에서는 설계기준항복강도 500 MPa의 SHD25철근과 SHD32 철근에 사용할 수 있는 스플라이스 슬리브에 대한 실험 및 해석 연구를 수행하였다. 주물로 제작 하게 되는 슬리브의 형상을 결정하기 위하여 사전에 비선형 유한요소해석을 실시하여 구조성능을 검증하였다.
따라서 슬리브부분이 이와 같은 강도를 발휘할 수 있는지를 평가할 수 있어야 하지만, 실제 실험을 통하여 이를 평가하기는 매우 어렵거나 복잡한 실험 장치를 사용하여야 한다. 이러한 이유로 이 연구에서는 첫 단계로 비선형 유한요소해석을 실시하여 슬리브 부분이 설계기준을 만족하는지 평가하였다.
또한 슬리브의 구멍에 철근을 삽입하게 되므로 철근의 직경보다 슬리브의 구멍을 크게 하여, 현장 조립단계에서 발생할 수 있는 시공오차를 흡수 할 수 있는 장점도 있다. 이상과 같은 장점으로 인하여 이 연구에서는 SD500 철근의 연결장치로 사용될 스플라이스 슬리브에 대하여 구조 해석과 실험을 실시하여 그 성능을 평가하고자 하였다.
4와 5에 나타내었다. 해석 결과는 철근의 변형경화를 고려하지 않은 설계기준항복강도에 대한 비율로 나타내어, 설계기준에 대한 상대적인 강도 특성을 평가하고자 하였다. 그림에는 철근의 이상적인 응력-변형률 관계도 함께 표현하였다.

가설 설정

2(a)와 같으며, 대칭성을 반영하여 1/2 만을 모델 하였다. 슬리브, 철근, 그라우트 모두 유한요소 자동생성을 통하여 입체요소로 모델 하였으며, 접촉면은 마찰이 발생하지 않는 완전 일체로 가정하였다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 철근은 선요소로 모델하지 않고, 입체요소(solid element)로 세분하여 모델 하였다.

제안 방법

건축구조기준에 따르면 기계적 이음은 철근의 설계기준항복강도의 125%이상을 발휘할 수 있는 완전 기계적 이음이어야 하는 것으로 규정하고 있다.^1,2) 끝으로 실험 결과를 일본의 AIJ 규준과 비교하여 슬리브 성능의 등급도 평가하였다.
변위의 측정을 위해서 슬리브가 끝나는 부위에서 20 mm 이격된 위치사이에서 늘어난 길이를 측정하기 위한 LVDT를 설치하여 측정하였다. LVDT는 좌우 양측에 설치하여 평균값을 사용하도록 계획하였다. H25-7065-75-1(1-1), H25-7065-95-1(2-1), H32-7065-75-1(4-1), 그리고 H32-7065- 95-1(5-1) 실험체는 변형률 게이지를 Fig.
실험은 UTM에 슬리브 실험체를 설치하고 인장력을 가하는 방법으로 실험을 수행하였다. 가력하는 방법은 초기하중으로 철근 설계기준항복강도의 95%까지 가력한 후 하중을 제거하고, 다시 파괴 때까지 가력하는 방법을 사용하였다.^3-5) 철근과 슬리브의 변형거동을 측정하기 위하여 LVDT와 변형률 게이지를 사용하였다.
실험 연구에서는 선정된 형상의 슬리브를 주물로 제작하고, 적절한 변수로 실험체를 완성하여 각 변수들이 미치는 영향을 파악하도록 하였다. 그리고 실험체를 대상으로 비선형 구조해석을 수행하여 실험 결과의 적절성을 평가하였다. 또한 구조실험 및 구조해석 연구로부터 얻어진 결과를 구조설계기준과 비교하여 기준에서 요구하고 있는 조건을 만족하는지를 평가하였다.
슬리브, 철근, 그라우트 모두 유한요소 자동생성을 통하여 입체요소로 모델 하였으며, 접촉면은 마찰이 발생하지 않는 완전 일체로 가정하였다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 철근은 선요소로 모델하지 않고, 입체요소(solid element)로 세분하여 모델 하였다. Fig.
그러나 해석 결과는 슬리브와 철근이 완전 일체로 거동을 할 것으로 가정한 상태에서 얻어진 결과이다. 따라서 슬리브와 철근 사이의 일체성 거동 여부는 실험을 통해서 검증하도록 계획하였다.
그리고 실험체를 대상으로 비선형 구조해석을 수행하여 실험 결과의 적절성을 평가하였다. 또한 구조실험 및 구조해석 연구로부터 얻어진 결과를 구조설계기준과 비교하여 기준에서 요구하고 있는 조건을 만족하는지를 평가하였다. 건축구조기준에 따르면 기계적 이음은 철근의 설계기준항복강도의 125%이상을 발휘할 수 있는 완전 기계적 이음이어야 하는 것으로 규정하고 있다.
^3-5) 철근과 슬리브의 변형거동을 측정하기 위하여 LVDT와 변형률 게이지를 사용하였다. 변위의 측정을 위해서 슬리브가 끝나는 부위에서 20 mm 이격된 위치사이에서 늘어난 길이를 측정하기 위한 LVDT를 설치하여 측정하였다. LVDT는 좌우 양측에 설치하여 평균값을 사용하도록 계획하였다.
이를 위하여 적용 대상 슬리브를 대상으로 비선형해석을 실시하여 취약부위 혹은 응력이 작게 작용하는 부위들을 찾아 시행착오 방법으로 수정하면서 적절한 형상의 주형을 선정하였다. 실험 연구에서는 선정된 형상의 슬리브를 주물로 제작하고, 적절한 변수로 실험체를 완성하여 각 변수들이 미치는 영향을 파악하도록 하였다. 그리고 실험체를 대상으로 비선형 구조해석을 수행하여 실험 결과의 적절성을 평가하였다.
실험은 UTM에 슬리브 실험체를 설치하고 인장력을 가하는 방법으로 실험을 수행하였다. 가력하는 방법은 초기하중으로 철근 설계기준항복강도의 95%까지 가력한 후 하중을 제거하고, 다시 파괴 때까지 가력하는 방법을 사용하였다.
구조실험을 통하여 모든 실험체들이 설계기준을 만족함을 보였지만, 전체적인 거동에 대한 평가는 구조해석 결과와 비교하여 검토할 수 있다. 앞에서 검토한 바와 같이 그라우트의 압축강도나 철근의 부착길이는 구조해석의 결과에 거의 영향을 미치지 않음을 보였기 때문에 해석은 H25-7065-75 실험체와 H32-7065-75 실험체 두 가지에 대하여 Fig. 13과 같은 모델로 해석을 수행하였다.
유한요소해석은 재료의 비선형성을 고려하기 위하여 슬리브, 철근, 그라우트 각각에 대한 재료의 비선형 특성을 반영하여 수행하였다. 해석에 사용된 프로그램은 midas FEA로 하였다.
이 연구에서는 연구 대상의 슬리브 형상에 변수들의 의미가 포함하도록 하였다. 예를 들면 H25-7065-75-1은 철근의 직경이 25 mm, 광구와 협구측에서 철근의 정착 길이가 7.
따라서 이 연구에서는 슬리브를 제작하기 이전에 슬리브의 적절한 형상을 결정하기 위한 구조해석을 수행하였다. 이를 위하여 적용 대상 슬리브를 대상으로 비선형해석을 실시하여 취약부위 혹은 응력이 작게 작용하는 부위들을 찾아 시행착오 방법으로 수정하면서 적절한 형상의 주형을 선정하였다. 실험 연구에서는 선정된 형상의 슬리브를 주물로 제작하고, 적절한 변수로 실험체를 완성하여 각 변수들이 미치는 영향을 파악하도록 하였다.
이 연구에서는 설계기준항복강도 500 MPa의 SHD25철근과 SHD32 철근에 사용할 수 있는 스플라이스 슬리브에 대한 실험 및 해석 연구를 수행하였다. 주물로 제작 하게 되는 슬리브의 형상을 결정하기 위하여 사전에 비선형 유한요소해석을 실시하여 구조성능을 검증하였다. 선정된 슬리브는 철근의 종류 및 그에 따른 슬리브의 길이, 그라우트 강도, 철근의 정착길이 등을 변수로 하여 총 18개의 실험체를 제작하여 구조실험을 실시하였다.
철근과 슬리브의 변형률 분포는 철근과 슬리브에 부착한 변형률 게이지를 통하여 측정하였다. 철근의 축방향 변형률 분포는 거의 유사하였기 때문에 H25-7065-75-1(1-1) 실험체에 대한 실험 결과만을 Fig.
철근에는 일방향 변형률 게이지를 부착했으며, 슬리브 표면에는 이방향 변형률 게이지를 부착하였다. 철근에 부착하는 변형률 게이지는 슬리브에 묻히는 부분이며, 리드선이 슬리브 구멍을 통하여 밖으로 나오도록 하기 위하여 철근에 가는 홈을 절삭하여 그 공간을 이용하였다. 깊이 4 mm의 가는 홈을 판 후 이 부위에 게이지를 부착하고, 리드선도 이 홈에 묻히도록 하였다.

대상 데이터

LVDT는 좌우 양측에 설치하여 평균값을 사용하도록 계획하였다. H25-7065-75-1(1-1), H25-7065-95-1(2-1), H32-7065-75-1(4-1), 그리고 H32-7065- 95-1(5-1) 실험체는 변형률 게이지를 Fig. 8과 같은 방법으로 부착하여 변형률 측정에 사용하였다. 철근에는 일방향 변형률 게이지를 부착했으며, 슬리브 표면에는 이방향 변형률 게이지를 부착하였다.
주물로 제작 하게 되는 슬리브의 형상을 결정하기 위하여 사전에 비선형 유한요소해석을 실시하여 구조성능을 검증하였다. 선정된 슬리브는 철근의 종류 및 그에 따른 슬리브의 길이, 그라우트 강도, 철근의 정착길이 등을 변수로 하여 총 18개의 실험체를 제작하여 구조실험을 실시하였다. 이 때, 동일한 변수의 실험체를 3개씩 제작하여 실험에서 발생할 수 있는 오차를 해소하고자 하였다.
6 및 7과 같다. 슬리브는 길이 375 mm의 H25형과 길이 480 mm의 H32형으로 두 가지이다. 정착길이는 광구측이 협구측에 비하여 0.
이 연구에서 개발하고자 하는 슬리브는 SHD25 철근용인 H25형과 SHD32 철근용인 H32형 두 가지이다. 실험 변수는 광구 및 협구측에서 각각의 정착길이와 그라우트의 압축강도로 하였다. Table 2에는 각 실험체에 대한 변수를 정리하여 나타내었다.
Table 2에는 각 실험체에 대한 변수를 정리하여 나타내었다. 약식이름 (1-1)부터 (3-3)까지의 실험체는 SDH25용 철근의 슬리브에 대한 실험체이며, (4-1)부터 (6-3)까지의 실험체는 SDH32용 철근의 슬리브에 대한 실험체이다. 약식이름이 2와 5로 시작하는 실험체는 그라우트의 강도가 95 MPa인 실험체이며, 약식 이름이 3과 6으로 시작하는 실험체는 정착길이가 다른 실험체에 비하여 짧은 실험체들이다.
약식이름 (1-1)부터 (3-3)까지의 실험체는 SDH25용 철근의 슬리브에 대한 실험체이며, (4-1)부터 (6-3)까지의 실험체는 SDH32용 철근의 슬리브에 대한 실험체이다. 약식이름이 2와 5로 시작하는 실험체는 그라우트의 강도가 95 MPa인 실험체이며, 약식 이름이 3과 6으로 시작하는 실험체는 정착길이가 다른 실험체에 비하여 짧은 실험체들이다. 정착길이가 짧은 실험체는 정착길이가 강도에 미치는 영향을 분석하고자 계획한 실험체이다.
연구 대상 슬리브는 Fig. 1과 같은 직경 25 mm 철근용(H25형)과 직경 32 mm 철근용(H32형) 이다. 슬리브의 형태는 구멍 직경이 큰 광구부와 직경이 작은 협구부로 이루어져 있으며, PC부재의 바깥쪽에 광구부가 위치한다.
이 연구에서 개발하고자 하는 슬리브는 SHD25 철근용인 H25형과 SHD32 철근용인 H32형 두 가지이다. 실험 변수는 광구 및 협구측에서 각각의 정착길이와 그라우트의 압축강도로 하였다.
철근의 설계기준항복강도를 초과하여 변형경화 거동을 보인 후 다시 항복강도로 응력이 저감될 때의 연신율이 4% 이상이면 SA등급, 2% 이상이면 A등급, 그 이하이면 B 등급으로 구분된다. 이 연구에서 실시된 슬리브는 총 18개 중에서 4개가 A등급이었으며 나머지 14는 SA등급이었다. 이상과 같은 등급은 Table 4에 나타내었다.

데이터처리

이 때, 동일한 변수의 실험체를 3개씩 제작하여 실험에서 발생할 수 있는 오차를 해소하고자 하였다. 그리고 실험이 종료된 후에는 실험체에 대한 비선형 유한요소해석을 다시 실시하여 구조실험 결과와 비교하였다. 이상과 같은 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

이론/모형

슬리브의 구조 특성을 평가하기 위하여 두 가지 종류의 구조해석 모델을 사용하였다. 두 가지 모델은 Fig.
철근과 슬리브에 대한 물성값은 Table 1과 같다. 재료의 항복 특성은 폰 마이세스(Von Mises) 항복조건을 사용하였으며, 항복 후에는 변형경화 현상을 고려하였다.
해석에서 그라우트에 대한 재료모델은 전변형률 균열모델(total strain crack model)을 사용하였다. 콘크리트의 균열각은 초기 균열에서 발생한 균열각이 변하지 않는 고정균열각모델(fixed crack model)을 사용하였으며, 균열발생 후 변형도 연화현상(strain softening)을 반영하지 않은 취성파괴(brittle failure) 모델을 사용하였다. 그라우트의 압축강도(f_ck)는 75 MPa이며, 전단지연계수(shear retention coefficient)는 0.
해석에 사용된 프로그램은 midas FEA로 하였다. 해석에서 그라우트에 대한 재료모델은 전변형률 균열모델(total strain crack model)을 사용하였다. 콘크리트의 균열각은 초기 균열에서 발생한 균열각이 변하지 않는 고정균열각모델(fixed crack model)을 사용하였으며, 균열발생 후 변형도 연화현상(strain softening)을 반영하지 않은 취성파괴(brittle failure) 모델을 사용하였다.

성능/효과

1) 철근이 연결되지 않은 상태에서 슬리브가 가질 수 있는 강도를 검토하기 위하여 슬리브 자체 만에 대한 구조해석(USB 해석)을 수행하였으며, 그 결과 슬리브는 철근의 설계기준항복강도를 1.75배 이상 초과하는 충분한 강도를 발휘할 수 있음을 알 수 있었다.
2) 철근이 파괴되기 전에 슬리브가 충분한 강도를 발휘할 수 있는지를 검토하기 위하여 철근이 연결된 상태에서 슬리브 구조체 만에 대한 구조해석(CSB 해석)을 행하였으며, 그 결과 슬리브는 철근의 설계 기준항복강도를 2.0배 이상 초과하는 충분한 강도를 발휘할 수 있음을 알 수 있었다.
3) 총 18개의 실험체에 대한 인장실험 결과 모든 실험체가 구조설계기준에서 요구하는 철근의 설계기준 항복강도에 대한 한계 강도비 1.25배를 초과하는 평균 1.34배의 초과강도를 보였다. 따라서 개발한 슬리브는 설계기준을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
4) 이 연구에서 사용한 실험변수인 그라우트의 강도와 철근의 정착길이는 슬리브 실험체의 강성 및 강도에 거의 영향을 미치지 않았다.
5) 구조해석 결과 슬리브는 철근에 비하여 높은 강성을 가지고 있으므로 대부분의 변형이 철근에서 발생할 것임을 예측할 수 있었으며, 실험에서도 동일한 결과를 얻었다.
6) 철근의 변형은 광구측에서 더 크게 발생할 수 있는 반면에 슬리브의 변형은 협구측에서 더 발생할 수 있다. 그러나 철근이 항복할 때에 슬리브는 아직 탄성범위를 벋어나지 않은 상태에 있었다.
7) 비선형 유한요소해석에 의한 해석 결과로 얻어진 슬리브의 강성이 실험 결과와 매우 유사하게 나타났기 때문에 철근과 슬리브 사이의 미끄러짐이 발생하지 않을 것으로 판단되었다.
8) 일본의 AIJ 규준의 평가방법에 따라 평가한 결과 정착길이가 긴 실험체 12개는 모두 SA등급을 보였으며, 정착길이가 짧은 실험체는 6개 중에서 4개는 A등급의 성능을 보였다.
CSB에 대한 해석 결과도 Fig. 5에 나타낸 것처럼, 슬리브는 철근 항복강도 대비 1.25배 이상의 충분한 강도를 발휘할 수 있는 것으로 나타났다. CSB는 슬리브에 철근이 연결되어 있는 상태이므로, 철근과 슬리브가 그라우트를 통해서 하중전달 작용을 하게 된다.
USB 해석과는 Fig. 4에 나타낸 것처럼 철근 항복강도 대비 1.25배 이상의 충분한 강도를 발휘할 수 있는 것으로 나타났다. 구조해석에서 H25형은 2.
그러나 모든 실험체들이 설계기준을 만족하였고, 대부분의 실험체들이 충분한 강성을 보인 점으로 미루어 볼 때, 실험체 H25-7065-75-1(1-1)은 제작 혹은 철근 자체의 문제로 인하여 조기 항복처럼 보이는 결과가 얻어진 것으로 사료된다. 그리고 정착길이가 짧은 실험체는 정착길이가 긴 실험체에 비하여 상대적으로 낮은 연신율에서 파괴되는 경향을 보였으며, 그라우트의 강도가 슬리브의 거동에 미치는 영향은 매우 낮은 것으로 나타났다.
철근은 단부로 갈수록 변형률이 증가하는 반면에 슬리브는 중앙부 영역에서 보다 큰 변형률 분포를 보이고 있다. 다만 실험에서는 슬리브가 항복하는 것으로 나타났지만, 해석에서는 슬리브가 항복하기 직전까지만 변형한 것으로 나타났다.
34배의 초과강도를 보였다. 따라서 개발한 슬리브는 설계기준을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
이상적인 철근의 거동과 비교해 보았을 때, CSB 해석에서도 슬리브 부분은 철근에 비하여 높은 강성과 강도를 가지고 있을 것으로 예측해 볼 수 있다. 또한 CSB의 강도가 2.0 이상이었기 때문에 기준 요구사항인 철근항복강도의 1.25배를 훨씬 초과하는 것으로 나타났다. 그리고 항복점 변형률도 철근보다 낮게 나타났기 때문에 철근이 먼저 항복할 것으로 사료된다.
실험 결과 이 연구의 모든 실험체는 구조설계기준을 만족하는 것으로 나타났다. 다만 실험체 H25-7065-75-1(1-1)의 경우 다른 실험체에 비하여 조기에 항복하는 것으로 나타났으며, 실험체 H32-7065-75-2(4-2)는 측정이 끝까지 이루어지지 못한 결과를 보여주고 있다.
해석 결과는 H25형 및 H32형 실험체에 대한 CSB 해석의 비교는 두 실험체 모두 거의 유사한 거동을 보여 준다. 이는 USB 해석과는 다르게 슬리브가 달라지더라도 슬리브 부분의 강도는 동일하게 나타났다.

후속연구

이상과 같은 CSB 및 USB 해석을 통하여 HD25 철근과 HD32 철근용으로 개발하고자 하는 스플라이스 슬리브는 콘크리트구조설계기준을 충분히 만족하는 거동을 보여줄 것으로 예상할 수 있다. 그러나 해석 결과는 슬리브와 철근이 완전 일체로 거동을 할 것으로 가정한 상태에서 얻어진 결과이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PC 공법의 특징은 무엇인가?	PC 공법은 부재를 분할하여 제작하기 때문에 현장에서 접합부를 연결하여 일체성을 확보하게 된다. 따라서 철근의 연속성 확보가 매우 중요한 문제가 된다.
	철근의 일체성이 미치는 영향은 무엇인가?	따라서 철근의 연속성 확보가 매우 중요한 문제가 된다. 철근의 일체성은 구조체의 강성 및 강도에 큰 영향을 미치므로, 현장타설 구조체와 동등한 성능을 발휘하게 하는 것이 필수적이 된다.
	PC 공법에 중요한 문제는 무엇인가?	PC 공법은 부재를 분할하여 제작하기 때문에 현장에서 접합부를 연결하여 일체성을 확보하게 된다. 따라서 철근의 연속성 확보가 매우 중요한 문제가 된다. 철근의 일체성은 구조체의 강성 및 강도에 큰 영향을 미치므로, 현장타설 구조체와 동등한 성능을 발휘하게 하는 것이 필수적이 된다.

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