본 연구는 고강도 철근을 확대머리 이형철근으로 사용하는 경우 정착길이 효과에 관한 실험 연구이다. 현행 기준에서는 확대머리 이형철근의 정착길이를 산정하는 식에서 철근의 설계기준강도를 400 MPa로 한정하고 있다. 고강도 철근에 대한 연구결과가 충분하지 않기 때문에 이러한 규정이 명시된 것이다. 따라서 본 연구에서는 설계기준 항목강도 600 MPa의 철근으로 확대머리 이형철근을 제작하여, 변수별 실험연구를 수행하였다. 실험은 철근의 정착길이, 철근의 개수, 그리고 확대머리의 형상 등의 변수로 계획하였다. 실험체는 정착길이가 긴 L형과 정착길이가 짧은 S형으로 분류하고, 확대머리의 형상은 원판형(A형)과 원뿔형(B형)으로 구분하였다. L형 실험체는 원판형 확대머리를 대상으로 철근 개수가 1~3으로 변하는 3개의 실험체와 S형 실험체는 원판과 원뿔형 확대머리 형상에 대하여 정착길이를 L형의 50%, 45%, 40%, 35%로 변화한 실험체를 계획하였다. L형(LA형) 3개, SA형 4개, SB형 4개 등 총 11개의 실험체를 인발실험을 하였다. 실험결과는 콘크리트구조기준(부록 II)의 정착길이 산정 규정에 따라 평가하였으며, 그 결과 항복강도 600 MPa의 철근을 사용한 확대머리 이형철근은 현행기준의 설계식을 적용하여 설계할 수 있음을 보였다.
본 연구는 고강도 철근을 확대머리 이형철근으로 사용하는 경우 정착길이 효과에 관한 실험 연구이다. 현행 기준에서는 확대머리 이형철근의 정착길이를 산정하는 식에서 철근의 설계기준강도를 400 MPa로 한정하고 있다. 고강도 철근에 대한 연구결과가 충분하지 않기 때문에 이러한 규정이 명시된 것이다. 따라서 본 연구에서는 설계기준 항목강도 600 MPa의 철근으로 확대머리 이형철근을 제작하여, 변수별 실험연구를 수행하였다. 실험은 철근의 정착길이, 철근의 개수, 그리고 확대머리의 형상 등의 변수로 계획하였다. 실험체는 정착길이가 긴 L형과 정착길이가 짧은 S형으로 분류하고, 확대머리의 형상은 원판형(A형)과 원뿔형(B형)으로 구분하였다. L형 실험체는 원판형 확대머리를 대상으로 철근 개수가 1~3으로 변하는 3개의 실험체와 S형 실험체는 원판과 원뿔형 확대머리 형상에 대하여 정착길이를 L형의 50%, 45%, 40%, 35%로 변화한 실험체를 계획하였다. L형(LA형) 3개, SA형 4개, SB형 4개 등 총 11개의 실험체를 인발실험을 하였다. 실험결과는 콘크리트구조기준(부록 II)의 정착길이 산정 규정에 따라 평가하였으며, 그 결과 항복강도 600 MPa의 철근을 사용한 확대머리 이형철근은 현행기준의 설계식을 적용하여 설계할 수 있음을 보였다.
An experimental study has been carried out to examine development length effects for high strength headed deformed bars. Current design codes limit the specified yield strength of headed bars to 400 MPa. Such the limit is due to the lack of experimental studies on headed bars made of high strength m...
An experimental study has been carried out to examine development length effects for high strength headed deformed bars. Current design codes limit the specified yield strength of headed bars to 400 MPa. Such the limit is due to the lack of experimental studies on headed bars made of high strength materials. Thus a test program was planed with headed bars with the yield strength of 600 MPa. The threaded head type with head shapes of round plate and circular cone was selected in this study. The experimental variables were development length, number of bars, and head shape. Specimens were classified into L-type and S-type depending on the development length. The development length of L-type was computed according to the design code without considering the limit. S-type specimens had shorter development lengths than the L-type. Further classification was made depending on the shape of heads. A-types have the head shape of round plate and B-types have the shape of circular cone. Three L-type specimens were fabricated with the variable of number of bars (1, 2, and 3). Four specimens for each of SA and SB types were made with development lengths of 50%, 45%, 40%, and 35% compared with L-type. Pullout tests was carried out with 11 specimens. The test results were compared with computed strengths with the design code equations (Appendix II). Based the current studies, it can be said that high strength headed deformed bars used in this study be able to provide such strengths computed with the current design code without considering the yield strength limit.
An experimental study has been carried out to examine development length effects for high strength headed deformed bars. Current design codes limit the specified yield strength of headed bars to 400 MPa. Such the limit is due to the lack of experimental studies on headed bars made of high strength materials. Thus a test program was planed with headed bars with the yield strength of 600 MPa. The threaded head type with head shapes of round plate and circular cone was selected in this study. The experimental variables were development length, number of bars, and head shape. Specimens were classified into L-type and S-type depending on the development length. The development length of L-type was computed according to the design code without considering the limit. S-type specimens had shorter development lengths than the L-type. Further classification was made depending on the shape of heads. A-types have the head shape of round plate and B-types have the shape of circular cone. Three L-type specimens were fabricated with the variable of number of bars (1, 2, and 3). Four specimens for each of SA and SB types were made with development lengths of 50%, 45%, 40%, and 35% compared with L-type. Pullout tests was carried out with 11 specimens. The test results were compared with computed strengths with the design code equations (Appendix II). Based the current studies, it can be said that high strength headed deformed bars used in this study be able to provide such strengths computed with the current design code without considering the yield strength limit.
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문제 정의
확대머리 이형철근에 대한 기존연구는 고강도 철근의 사용보다 콘크리트의 파괴(블록파괴 등)를 방지하는 연구에 주안 점을 두어 왔다(Thompson et al 2005, 2006, Zamora et al 2003, Mihaylov et al 2013, Eligenhausen et al 2006). 따라서 본 연구에서는 고강도 철근을 사용한 확대머리 이형철근이 연결철근으로 사용될 때 인발거동에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 확대머리 이형철근의 개수, 형상, 정착길이를 변수로 한 실험체의 인발실험을 수행하였으며, 현행 설계기준을 확대 적용하여 정착성능을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 항복강도 600 MPa의 고강도 철근을 사용한 확대머리 이형철근을 대상으로 식 (5)의 적용 가능성을 실험을 통해서 평가하고자 한다.
본 연구에서는 고강도 철근에 확대머리를 사용하는 경우에 철근의 정착길이와 인장거동의 관계를 평가하고자 하였다. 현행 설계기준은 정착길이의 산정식에서 항복강도의 제한규정을 두고 있으므로 고강도 철근에 대해서 확대 적용될 수 있는지를 평가하는 실험연구를 수행하였다.
본 연구에서는 고강도 철근에 확대머리를 사용하는 경우에 철근의 정착길이와 인장거동의 관계를 평가하고자 하였다. 현행 설계기준은 정착길이의 산정식에서 항복강도의 제한규정을 두고 있으므로 고강도 철근에 대해서 확대 적용될 수 있는지를 평가하는 실험연구를 수행하였다. 실험연구는 총 11개의 실험체를 대상으로 확대머리 이형철근의 개수, 형상, 정착길이 등을 변수로 하였다.
제안 방법
확대머리 이형철근에 대한 재료실험은 실제 구조실험과 동일한 조건을 사용하여 실시하였다. Fig. 4와 같이 시험편의 양단부에 원판형의 A형 확대머리를 설치하고, 미리 제작된 인장장치(terminator)를 상하단에 부착하여 인장시험을 실시하였다.
각각의 실험체는 철근의 인장파단(TF), 콘크리트의 파괴 (BF), 철근의 뽑힘파괴(PF)에 대한 설계기준식을 적용하여 강도를 산정하고, 가장 작은 계산값으로 파괴모드를 예측하였다. 표에서 음영으로 표시된 값은 해당 파괴모드에 의해 실험 체의 강도를 지배할 것으로 추정한 예상강도를 의미한다.
철판은 콘크리트 타설 도중 측압에 의한 변형이 발생하지 않도록 충분히 보강하였다. 그리고 콘크리트타설 중에 철근이 움직이지 않도록 앵글 등을 사용하여 철근을 고정한 후, 실험 시작 전에 앵글을 제거하고 실험을 실시하였다.
대상 철근은 D32로 하였으며, 콘크리트의 설계기준압축강도는 27 MPa로 하였다. 실험변수는 확대머리 이형철근의 철근의 개수, 확대머리의 형상, 정착 길이로 하였다. 확대머리는 철근에 나사산을 가공하여 너트 형태의 강판을 끼우는 방법을 대상으로 하였다.
5 m 로 계획하였다. 실험체는 무게와 크기 등의 문제로 인하여 실험실로 운반하기 어렵기 때문에 야외 공간을 활용하여 현장에서 직접 실험 체를 제작하고, 실험을 수행하는 것으로 계획하였다.
실험체의 제작은 Fig. 3과 같이 철판 거푸집을 사용하여 제작하였으며, 각 실험체를 분할하는 철판을 삽입하여 개별 실험체로 분리되도록 하였다. 철판은 콘크리트 타설 도중 측압에 의한 변형이 발생하지 않도록 충분히 보강하였다.
실험체는 콘크리트 블록에 철근을 묻힌 상태에서 철근에 인장력을 가해야 한다. 이 때 인장 가력을 위한 지지점이 콘크리트 블록파괴 영역 바깥에 놓여야 하기 때문에 기준에서 요구한 정착길이의 1.5배 거리 바깥에 지지점을 설치하는 것으로 계획하였다(Fig. 2 참조).
따라서 본 연구에서는 고강도 철근을 사용한 확대머리 이형철근이 연결철근으로 사용될 때 인발거동에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 확대머리 이형철근의 개수, 형상, 정착길이를 변수로 한 실험체의 인발실험을 수행하였으며, 현행 설계기준을 확대 적용하여 정착성능을 평가하였다.
6의 (a)에서 점선 원 안쪽부분의 상세는 (b)와 같은 형태이다. 철근의 유효묻힘깊이 hef의 1.5배에 해당하는 투영면(반지름이 1.5hef인 원형) 바깥에 오일잭을 설치하고, 가력 프레임과 오일잭사이에 로드셀(load cell)을 설치한 상태에서 가력하였다. 콘크리트 면과 가력 프레임 사이에 LVDT를 설치하였고, 철근에는 변형률 게이지를 부착하였다.
S형 실험체는 모두 1개의 철근이 사용되었으며, A형 확대 머리와 B형 확대머리를 사용하여 각각 4개씩 실험체를 계획하였다. 철근의 정착길이는 L형 대비 50%, 45%, 40%, 35%로 짧아지도록 실험변수를 선정하였다. 따라서 실험체 이름은 SB-1-45 등과 같은 형태를 가지고 있으며, 이름을 명명하는 방법은 L형과 동일하다.
5hef인 원형) 바깥에 오일잭을 설치하고, 가력 프레임과 오일잭사이에 로드셀(load cell)을 설치한 상태에서 가력하였다. 콘크리트 면과 가력 프레임 사이에 LVDT를 설치하였고, 철근에는 변형률 게이지를 부착하였다. 모든 철근에는 6개씩의 변형률 게이지를 부착하였다.
확대머리 이형철근에 대한 재료실험은 실제 구조실험과 동일한 조건을 사용하여 실시하였다. Fig.
대상 데이터
확대머리에 대한 설계기준의 요구조건은 순 지압면적이 철근면적의 4 배 이상 되도록 하고 있다. D32 철근의 단면적이 794mm2이므로, 외부 직경 78 mm의 너트 형태로 확대머리를 제작하였다. 이 경우 순 지압면적은 철근면적의 5배가 된다.
여기에서 영문(LA) 다음의 숫자는 철근의 개수를 나타내며, 마지막의 숫자 100은 식 (5)에 의한 정착길이를 100% 확보한 것을 의미한다. LA-2-100과 LA-3-100는 철근이 인접하여 여러 개 배치되는 경우에 그에 따른 파괴강도 및 파괴형태를 분석하기 위하여 철근을 2개와 3개가 각각 묻히도록 한 실험체이다. 이때 철근 사이의 간격은 설계기준의 허용 최소간격 160 mm를 유지하면서 일렬로 배치하였다.
71 m 이상의 콘크리트 블록이 필요하며, 여기에 가력장치의 지지에 필요한 면적을 확보하기 위해서는 보다 더 큰 크기의 콘크리트 블록이 필요하다. L형 실험체 중에서 가장 큰 실험체인 LA-3-100의 크기는 3.3 m x 3 m x 1.0 m, S형은 모두 1.3 m x 1.3 m x 0.5 m 로 계획하였다. 실험체는 무게와 크기 등의 문제로 인하여 실험실로 운반하기 어렵기 때문에 야외 공간을 활용하여 현장에서 직접 실험 체를 제작하고, 실험을 수행하는 것으로 계획하였다.
S형 실험체는 모두 1개의 철근이 사용되었으며, A형 확대 머리와 B형 확대머리를 사용하여 각각 4개씩 실험체를 계획하였다. 철근의 정착길이는 L형 대비 50%, 45%, 40%, 35%로 짧아지도록 실험변수를 선정하였다.
본 연구에서는 철근의 설계기준항복강도 600 MPa를 대상으로 인발실험을 계획하였다. 대상 철근은 D32로 하였으며, 콘크리트의 설계기준압축강도는 27 MPa로 하였다. 실험변수는 확대머리 이형철근의 철근의 개수, 확대머리의 형상, 정착 길이로 하였다.
본 연구에서는 철근의 설계기준항복강도 600 MPa를 대상으로 인발실험을 계획하였다. 대상 철근은 D32로 하였으며, 콘크리트의 설계기준압축강도는 27 MPa로 하였다.
현행 설계기준은 정착길이의 산정식에서 항복강도의 제한규정을 두고 있으므로 고강도 철근에 대해서 확대 적용될 수 있는지를 평가하는 실험연구를 수행하였다. 실험연구는 총 11개의 실험체를 대상으로 확대머리 이형철근의 개수, 형상, 정착길이 등을 변수로 하였다. 본 연구의 확대머리 이형철근은 설계기준의 요구조건을 충족하는 확대머리를 이형철근에 부착한 제품이다.
확대머리는 철근에 나사산을 가공하여 너트 형태의 강판을 끼우는 방법을 대상으로 하였다. 실험체는 정착길이가 긴 L형과 길이가 짧은 S형, 확대머리의 형상은 Fig. 1과 같이 원판 형태인 A형과 원추 형태인 B형으로 구분하였다. B형 확대머리는 인장력 방향으로 단면적이 좁아지는 원추형이며, 주물 등으로 확대머리를 제작하는 경우를 대비하여 B형의 확대머리도 실험변수에 포함하였다.
6. 실험결과
실험체의 파괴 형태는 철근의 파단과 콘크리트 쪼갬파괴의 두 가지 형태로 발생하였다. 정착길이가 긴 실험체 중에서 LA-1-100과 LA-2-100은 Fig.
성능/효과
1) 현행 설계기준을 확대 적용하여 정착길이를 산정하여 적용한 L형 실험체 중에서 인장파단으로 파괴모드가 예상되었던실험체(LA-1-100과 LA-2-100)들은 충분한 내력을 보이면서 철근 파단으로 최대강도에 도달하였다.
2) L형 실험체 중에서 철근이 3개 사용된 LA-3-100 실험체는 콘크리트의 블록파괴가 예상되었으나, 콘크리트 쪼갬파괴로 최대강도에 도달하였다. 그러나 LA-3-100 실험체가 쪼갬파괴 될 때 철근의 응력은 500 MPa까지 도달하였다.
3) 정착길이를 L형의 50%∼35%로 계획한 S형 실험체는 모두 콘크리트 쪼갬파괴로 최대강도에 도달하다.
4) SA형 실험체의 경우 정착길이가 L형의 35%~50%로 변할때, 철근의 응력은 항복강도의 88%~106%로 비례적으로 증가하는 경향을 보였다. 반면에 SB형은 항복강도의 89%~103%의 응력 분포를 응력분포를 보였지만, 비례적 관계를 보이지는 않았다.
5) 정착길이를 변수로 한 L형과 S형 모두 현행 설계기준(부록 II)의 강도계산 값을 상회하는 최대강도를 나타내고 있다.
반면에 콘크리트에 묻힌 확대머리 쪽의 철근 변형률은 매우 작게 나타났다. 따라서 철근이 파단될 때까지도 철근의 정착단에서는 거의 변형이 발생하지 않았으며, 두 개의 철근이 사용된 경우에도 철근과 콘크리트 사이에서 충분한 부착성능이 발휘된 것으로 판단할 수 있었다. 반면 3개의 철근이 사용된 LA-3-100 실험체는 철근의 파단에 의하지 않고 콘크리트 쪼갬파괴가 발생한 결과가 응력－변형 관계에도 나타났다.
실험 결과 L형 실험체 중에서는 LA-3-100을 제외한 대부분의 실험체가 철근의 항복강도 이상 혹은 그에 근접하는 강도를 보였음을 알 수 있다. LA-3-100 실험체의 경우에도 철근의 응역이 500 MPa 이상의 결과를 보였기 때문에 쪼갬파괴가 발생하지 않았다면 강도증가가 있었을 것으로 예측해 볼 수 있었다.
재료시험 결과 철근에 나사산을 낸 위치에서 파단되는 결과를 보였으며, 최대응력의 평균은 642.1 MPa로 나타났다. 그러나 나사산의 가공으로 인한 단면결손을 반영하면, 742.
10과 11은 SA와 SB형 실험체에 대한 하중-변위 관계를 나타내고 있다. 정착길이가 L형의 50%인 실험체들을 보았을 때, SA 실험체가 SB 실험체보다 강도 및 연성에서 좀 더 우수한 것으로 나타났다. 그러나 정착길이가 더 짧아지는 경우에는 SA와 SB의 거동에는 큰 차이를 보이지 않았다.
5에 나타내었다. 한편 총 6개의 콘크리트 공시체에 대한 압축강도 실험결과는 평균33.7 MPa로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
확대머리 이형철근의 장점은 무엇인가?
확대머리 이형철근은 철근의 정착길이를 상대적으로 짧게할 수 있어서 철근 정착방법으로 다양하게 적용할 수 있다 (Ghali & Youakim, 2005). 확대머리 이형철근은 철근을 구부리지 않고 정착하는 경우나 표준갈고리를 사용하는 경우에 비해서 정착길이를 짧게 할 수 있기 때문이다.
PC 구조의 경우에는 무엇을 사용하는 경우가 많은가?
이때 철근의 정착 혹은 정착길이는 중요한 설계변수가 된다. 특히 PC 구조의 경우 주각부에서 접합되는 철근의 수를 줄이기 위하여 고강도의 대구경 철근(D32나 D35)을 사용하는 경우가 많다(PCI, 2004). 그러나 고강도이며 대구경의 확대머리 이형철근을 주각부에 사용하고자 할 경우, 적절한 기준식의 부족으로 인하여 어려움을 겪고 있다.
확대머리 이형철근의 장점으로 인해 어떤 것을 할 수 있는가?
확대머리 이형철근은 철근을 구부리지 않고 정착하는 경우나 표준갈고리를 사용하는 경우에 비해서 정착길이를 짧게 할 수 있기 때문이다. 따라서 공간이 충분하지 않은 위치에서 정착을 하고자 할 때에 효율적으로 사용할 수 있다. 그러나 콘크리트구조기준(8.
참고문헌 (9)
A. Ghali and S. A. Youakim (2005), Headed Studs in Concrete: State of the Art, ACI Structural Journal, 102(5): 657-667.
N. A. Zamora, R. A. Cook, R. C. Konz, and G. R. Consolazio (2003), Behavior and Design of Single, Headed and Unheaded Grouted Anchors under Tensile Load, ACI Structural Journal, 100(2): 222-230.
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