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문제 정의
- 만약, 앞선 Lee (2008)의 실험결과에서와 같이 구속상세의 종류에 따라 겹침이음성능 향상이 가능하다면, 겹침이음길이를 정착길이의 1.3배 이하로 줄일 수 있는 겹침이음 설계가 가능할 것이므로 본 연구에서 이에 대한 실험을 계획하였다.
- 본 연구에서는 400MPa과 500MPa 설계기준항복강도를 가지는 확대머리 이형철근에 대하여 겹침이음 구간내의 보강상세가 겹침이음에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 두 가지 형태의 구속보강상세에 대하여 겹침이음실험을 실시하였으며, 제한된 실험체 수의 실험결과에 의한 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 400MPa과 500MPa 설계기준항복강도를 가지는 확대머리 이형철근에 대하여 겹침이음구간내의 보강상세가 겹침이음에 미치는 영향을 실험을 통하여 평가하고자 하였다. 이를 위하여 일차적으로 기존 연구결과를 관련된 기준설계식과 비교·분석한 후, 보강상세의 종류와 이형철근의 직경 및 항복강도 등을 변수로 한 단순보 실험을 실시하였으며, 이를 휨강도와 변형성능의 비교를 통하여 겹침이음 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 겹침이음 구간의 구속상세로는 C1과 C2 두 가지 형태로 계획하였다. C2의 경우 겹침이음 구간에 대하여 SD400의 D10 이형철근을 사용한 폐쇄형 스터럽을 100mm 간격으로 배근하였다.
- 구속상세의 종류에 따른 확대머리 이형철근의 겹침이음성능평가 실험을 위하여 Table 3과 같이 확대머리 이형철근의 설계기준항복강도 (fy), 철근의 직경 (db), 구속상세 등을 변수로 한 총 6개의 실험체를 계획하였다. Fig.
- 하중가력에 따른 수직변위를 측정하기 위해 실험체의 경간 중앙에 변위계 (LVDT)를 설치하였다. 또한, 확대머리 이형철근의 변형율을 파악하기 위하여 겹침이음이 시작되는 부분에 철근 변형게이지를 부착하였다.
- 모든 실험체는 압축측 철근으로 SD400의 D16 이형철근 3개를 배근하였으며, 중앙부 1000mm 구간을 제외한 보 양단부에 D10의 스터럽을 100mm 간격으로 배근하여 전단보강하였다.
- 그리고 L뒤의 숫자는 ls/db로서 겹침이음길이가 이형철근 직경의 몇 배수로 계획되었는지를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 겹침이음길이를 철근 직경의 배수로서 식 (1)에 의하여 산정된 ldt가 되도록 ls/db 값을 계획하였다. 이는 겹침 이음길이 산정에 필요한 기본 정착길이일 뿐 아니라, 기존 Kim (2014)의 실험결과에서 겹침이음길이가 ldt일 경우 실험에 의한 휨강도가 공칭휨강도에 1~10% 부족하게 나타나 구속상세 보강효과에 대한 검증으로 적합하다고 판단되었기 때문이다,
- 실험체 폭의 차이는 실험체의 겹침이음되는 확대머리 이형철근들에 의하여 발생가능한 수평적인 쪼개짐을 방지하기 위하여 겹침시키는 철근의 순간격 (sb)을 4db 이상 확보하도록 배근하였기 때문이다. 실험체 순피복은 확대머리 이형철근을 기준으로 57.5~60.5mm가 되도록 하여 기준에 의한 최소 순피복 두께 2db이상을 만족하도록 하였다.
- 이를 위하여 일차적으로 기존 연구결과를 관련된 기준설계식과 비교·분석한 후, 보강상세의 종류와 이형철근의 직경 및 항복강도 등을 변수로 한 단순보 실험을 실시하였으며, 이를 휨강도와 변형성능의 비교를 통하여 겹침이음 성능을 평가하였다.
대상 데이터
- Fig. 2에서와 같이 D19의 확대머리 이형철근을 사용한 S19 및 HS19 시리즈 실험체들은 폭×높이×길이가 380mm×300mm×3800mm이며, D25의 확대머리 이형철근을 사용한 S25 시리즈 실험체들의 크기는 460mm×300 mm×3800mm이다.
- 실험체에 사용된 콘크리트의 설계기준압축강도는 24 MPa이며, KS F 2405에 따른 공시체의 압축강도 시험에 의하여 콘크리트 압축강도 (fck1)는 21.69 MPa로 평가되었다. Table 4는 실험체에 사용된 철근의 재료시험결과를 정리하여 나타낸 것이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Lee (2008)의 연구결과에 의한 겹침이음강도를 현행 기준식에 적용하여 비교하여, Table 2에 나타내었다. 단, 순피복 두께 2db 미만인 실험체는 제외하였다.
성능/효과
- (1) 스터럽만으로 보강한 실험체들은 항복하중없이 최대하중에 도달 후 급격히 하중이 감소하는 취성적인 파괴거동을 나타낸 반면, 스터럽과 Tie-down 철근으로 겹침이음부위를 보강한 실험체는 뚜렷한 항복하중을 보였으며, 이후 연성적인 거동을 하다가 휨균열 폭의 큰 확장과 함께 할렬균열을 보이면서 최종적으로 휨파괴에 가까운 파괴 거동을 나타내었다.
- (2) 겹침이음 구간 구속상세에 따른 초기강성 및 균열이후 강성은 큰 차이가 없었으며, 실험에 의한 휨균열모멘트도 이론값과 유사하게 나타났다.
- (3) 하중-변형률 관계곡선에서 스터럽만으로 보강한 실험체들은 확대머리 이형철근이 항복변형률에 도달하지 않았지만, 스터럽과 Tie-down 철근의 보강상세를 가진 실험체들은 철근이 항복 이후 소성 변형되는 것을 확인하였다.
- (4) 스터럽만으로 보강한 실험체들은 실험 휨강도가 공칭 휨강도에 비하여 적게 평가되었으며, 겹침이음 구간에 구속상세가 없는 실험체에 대한 기존 실험결과와 비교할 시, 겹침이음길이가 정착길이로 산정된 경우 스터럽에 의한 겹침이음강도 증가에 효과가 없는 것으로 평가되었다.
- (5) 스터럽과 Tie-down 철근의 보강상세는 실험 최대휨강도가 공칭휨강도에 비하여 12%이상 증가하여, 휨강도 측면에서 겹침이음 성능을 확보하는 것으로 사료된다. 하지만 충분한 연성능력을 보유하기 위한 스터럽과 Tie-down 철근의 배근량 및 간격 등에 대한 추가적인 평가가 필요하다.
- 구속상세별로 살펴보면, 겹침이음구간내에 횡보강철근이 배근된 실험체를 배근되지 않은 실험체와 휨강도를 비교한 결과, ls/ldt가 0.6과 0.85 인 경우 각각 28%, 16%의 휨강도 증가효과를 나타내었다. 또한, 횡보강근과 함께 횡보강근에 대하여 Tie-down 철근으로 구속한 실험체의 휨강도는 구속상세가 없는 실험체에 비하여, ls/ldt가 0.
- 3에서와 같이 인장력을 받는 겹침이음부위가 상부면이 되도록하여, 하중 가력에 따른 겹침이음되는 부위의 균열 및 파괴상황을 관측하기 용이하도록 하였다. 또한 실험체 중앙부 1000mm 구간의 하단에 힌지 지지점을 두고, 실험체 양단부에서 100mm되는 지점에 하중을 가력하여, 자중에 의한 영향과 겹침이음구간의 전단력을 최소화하였다. 하중가력은 2000 kN 만능구조시험기 (UTM)를 사용하여 변위제어방식으로 단조 가력하였다.
- 85 인 경우 각각 28%, 16%의 휨강도 증가효과를 나타내었다. 또한, 횡보강근과 함께 횡보강근에 대하여 Tie-down 철근으로 구속한 실험체의 휨강도는 구속상세가 없는 실험체에 비하여, ls/ldt가 0.6과 0.85 인 경우 각각 37%, 24%의 휨강도 증가효과를 나타내었다.
- 스터럽과 Tie-down 철근으로 겹침이음부위를 보강한 C1 계열 실험체는 겹침이음되는 구간 경계선 바깥쪽에서 발생한 기존 균열의 폭이 점차 커지면서 겹침이음된 상부면에 할렬균열이 진행되었지만 최종적으로는 휨파괴와 유사한 균열 형태를 나타내며 파괴되었다. 스터럽만으로 보강된 C2 계열 실험체는 C1 계열 실험체에 비하여 상대적으로 휨균열 수 및 폭이 적게 나타났으며 할렬균열의 폭이 크고 프라이아웃 파괴 양상도 나타내면서 최종파괴되었다.
- 스터럽과 Tie-down 철근으로 겹침이음부위를 보강한 C1 계열 실험체는 겹침이음되는 구간 경계선 바깥쪽에서 발생한 기존 균열의 폭이 점차 커지면서 겹침이음된 상부면에 할렬균열이 진행되었지만 최종적으로는 휨파괴와 유사한 균열 형태를 나타내며 파괴되었다. 스터럽만으로 보강된 C2 계열 실험체는 C1 계열 실험체에 비하여 상대적으로 휨균열 수 및 폭이 적게 나타났으며 할렬균열의 폭이 크고 프라이아웃 파괴 양상도 나타내면서 최종파괴되었다.
- 이러한 점을 파악하기 위하여 최근 보강상세가 없는 SD500 확대머리 이형철근의 겹침이음 성능에 대한 실험 연구가 Kim (2014)에 의하여 진행되었다. 실험결과에 의하면, SD400 및 SD500 확대머리 이형철근의 겹침이음길이를 기준에 의한 정착길이의 1.3배로 할 경우 겹침이음성능을 확보할 수 있는 것으로 평가하고 있다.
- 99로 평가되었음을 비추어 볼 때 횡보강근에 따른 강도 증진 효과는 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 2장에서 밝힌 기존 Lee 및 Thompson 결과와 종합하여 분석하면, 스터럽으로만 이루어진 겹침이음 보강상세는 ls/ldt가 0.85 이하일 경우 효과가 있지만 0.85를 초과하는 ls/ldt에서는 효과가 없는 것으로 사료된다.
- 하중 가력에 따른 초기단계의 균열은 대부분의 실험체에서 유사하게 나타났다. 초기균열은 겹침이음이 시작되는 확대머리 바깥 쪽 부근에서 휨 균열 형태로 나타났으며, 하중 가력에 따라 초기균열 폭이 증가하고 이후 양 단부 방향으로 휨 균열 수가 많아지면서 확대되었다. 이후 균열은 겹침이음 구간내 보강상세에 따라 다른 파괴양상을 나타내었다.
후속연구
- 3배로 산정하고 있다. 이를 이용하여, 확대머리 이형철근의 겹침이음길이도 정착길이의 1.3배 또는 다른 증가계수 도입을 통하여 설계가 가능할 것이다. 이러한 점을 파악하기 위하여 최근 보강상세가 없는 SD500 확대머리 이형철근의 겹침이음 성능에 대한 실험 연구가 Kim (2014)에 의하여 진행되었다.
- 확대머리 이형철근을 사용한 겹침이음에 대해서도 국내에서 생산되는 SD400의 확대머리 이형철근에 대하여 겹침이음길이 및 보강상세를 변수로 한 실험들이 Lee (2008)에 의하여 진행되었으며, 최근 보강상세가 없는 SD500 확대머리 이형철근의 겹침이음성능에 대한 실험 연구도 Kim (2014)에 의하여 진행되었다. 하지만 SD500 확대머리 이형철근의 보강상세가 있는 경우에 대한 평가는 이루지지 않고 있으며, SD400 이하의 확대머리 이형철근 또한 구속상세의 종류에 따라 기여도가 달라질 수 있으므로 철근의 항복강도 및 배근상세에 따른 보다 많은 평가가 진행될 필요가 있고 이를 통한 상세한 기준 설계식이 제시될 수 있을 것이다.
- 하지만 ls/ldt가 0.6에서 0.85로 증가됨에 따른 횡보강근에 의한 겹침이음성능 증가효과는 떨어지는 것으로 나타나, ls/ldt의 비율을 포함한 다양한 확대머리 이형철근의 배근 상세와 재료 강도 등에 대한 구속상세 보강효과에 따른 평가가 이루어질 필요가 있다. 이를 통하여 구속상세 설계방법 및 보정계수가 기준식에 도입될 수 있을 것으로 사료된다.
- (5) 스터럽과 Tie-down 철근의 보강상세는 실험 최대휨강도가 공칭휨강도에 비하여 12%이상 증가하여, 휨강도 측면에서 겹침이음 성능을 확보하는 것으로 사료된다. 하지만 충분한 연성능력을 보유하기 위한 스터럽과 Tie-down 철근의 배근량 및 간격 등에 대한 추가적인 평가가 필요하다.
- )에 비하여 12~23% 크게 나타나 휨강도 측면에서 겹침이음 성능을 확보하는 것으로 사료된다. 하지만 평가된 변위연성비를 고려하면 변형성능 측면에서 충분한 연성능력을 보유하고 있다고 판단할 수 없어 이에 대한 추가 검토가 필요하다.
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