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문제 정의
- 현재 설계되는 원자력발전소에서는 콘크리트 압축강도 최대 42 MPa, 철근 설계기준항복강도는 420 MPa가 사용되고 있으며, 최대 지름 57 mm 철근이 이용된다. 이 연구에서는 원자력발전소 건설에 사용되는 43 mm 갈고리철근을 대상으로 선정하였으며, 설계기준항복강도 550 MPa를 목표로 실험계획을 수립하였다. 목표 파괴유형은 Marques와 Jirsa연구9)와 동일하게 측면파열파괴로 설정하였다.
제안 방법
- 4장의 실험결과를 바탕으로, 콘크리트 강도, 묻힘길이, 피복두께, 횡보강철근의 영향을 평가하였다.
- 5) 실험결과를 회귀분석하여, 콘크리트 압축강도, 묻힘길이, 측면피복두께, 횡보강철근의 영향을 고려한 갈고리철근 정착강도 평가식을 개발하였다. 13개 실험데이터와 비교한 결과, [실험값]/[예측값] 비 평균이 1.
- 8을 고려하면 묻힘길이 16 db에서 설계기준항복강도 550 MPa가 발현될 것으로 기대된다. 따라서 묻힘길이 변수는 10db, 13db, 16db, 20db로 설정하였다.
- 또한 콘크리트압축강도, 측면피복두께, 횡보강의 유무에 따른 편향 없이 모든 변수를 적절히 평가하였다.
- 실험변수로 철근지름 16, 25, 36mm, 굽힘 각도 90°, 180°, 콘크리트 강도 34~103 MPa, 횡보강철근량을 설정하였다.
- 묻힘길이가 클수록, 그리고 띠철근을 촘촘히 배근할수록 갈고리철근의 정착강도가 향상되었다. 이 결과를 바탕으로 정착강도 예측식 식 (1)을 제안하였다. 현행 설계기준1-5)은 이 연구를 바탕으로 개발되었다.
- 접합부 전단강도 계수는 Type 1 중간층 모서리 접합부인 γ = 15를 선택하였으며, 식 (6)에 따라 접합부 전단강도를 산정하고, 철근 항복 시 요구되는 접합부 전단력보다 충분히 강하도록 설계하였다.
- 접합부 전단파괴가 발생되지 않도록 ACI 352R-0215)을 바탕으로 접합부를 설계하였다. 접합부 전단강도 계수는 Type 1 중간층 모서리 접합부인 γ = 15를 선택하였으며, 식 (6)에 따라 접합부 전단강도를 산정하고, 철근 항복 시 요구되는 접합부 전단력보다 충분히 강하도록 설계하였다.
- 에서는 갈고리 정착길이 설계식으로 식 (5)를 사용하고 있다. 정착길이 산정식에 fy를 포함하지 않고 있으나, 설계기준항복강도가 420 MPa을 초과하는 철근에 대해서는 fy/420 보정계수를 곱하여 철근 항복강도에 따른 정착길이 증가를 고려하였다. 원자력 일반 구조물 설계에 사용되는 KEPIC SNC2)는 콘크리트구조기준과 동일하다.
- 실험체별 변수를 Table 1에 정리하였다. 철근에 발현되는 예상강도가 최대 550 MPa를 상회하도록 실험변수를 구성하였다.
- 3에 표시한 변형률 게이지에서 계측된 변형률에 철근 탄성계수를 곱하여 산정하였다. 철근의 전체 응력에서 지압에서 발현된 응력의 차이를 산정하여, 이를 부착에 의해 발현된 강도로 하였다.
- 콘크리트 압축강도는 42 MPa을 기본으로 하며, 정착길이별 1개씩만 70 MPa를 사용하였다. 측면피복두께 1db, 콘크리트압축강도 42 MPa, 횡보강철근의 영향 없이 묻힘길이만 변수로 한 실험군을 C1-series로 정의하였다. C1-series와 동일 조건에 측면피복두께를 2db로 설계한 실험체를 C2-series로 정의하고, 같은 방법으로 갈고리철근을 횡보강철근 안으로 배근된 실험체를 Conf.
- 콘크리트 강도는 UTM을 이용해 압축강도시험을 1주일 간격으로 실시하였다. 실험체별 실험일 강도는 직선보간을 통해 산정하여 Table 2에 정리하였다.
- 콘크리트 압축강도를 제외하고 나머지 조건은 동일한 실험체끼리 비교하여 콘크리트 압축강도의 영향을 평가하였다. 정착강도는 콘크리트는 fcma에 비례한다고 가정하여 3쌍의 실험체를 비교한 결과 a값 평균은 0.
- 콘크리트 압축강도와 묻힘길이의 영향만 고려된 식 (9)에 측면피복두께와 횡보강철근의 영향을 고려하여 갈고리철근 정착강도 평가식을 개발하였다.
대상 데이터
- Pinc, Watkins와 Jirsa10)는 90° 각도로 지름 29, 35 mm인 갈고리철근과 경량콘크리트(25~37 MPa)를 사용하여 실험을 설계하였다.
- 이 연구에서는 원자력 구조물에 주로 사용되는 지름 43mm 설계기준항복강도 550 MPa 갈고리철근의 정착 실험을 수행하였다.
- 는 90° 갈고리를 갖는 지름 19, 35 mm 철근에 대해 에폭시 도막 유무를 주 변수로 실험하였다. 콘크리트 강도는 61~114 MPa를 사용하였으며, 축하중을 고려하지 않고, 횡보강철근을 배근하여 실험하였다. 에폭시 도막 갈고리철근이 일반 갈고리철근보다 더 낮은 정착강도를 갖는다고 보고되었다.
- 횡보강이 없는 실험체는 갈고리철근이 기둥 띠철근 밖으로 배근된 실험체를 의미한다. 콘크리트 압축강도는 42 MPa을 기본으로 하며, 정착길이별 1개씩만 70 MPa를 사용하였다. 측면피복두께 1db, 콘크리트압축강도 42 MPa, 횡보강철근의 영향 없이 묻힘길이만 변수로 한 실험군을 C1-series로 정의하였다.
데이터처리
- 선형 회귀분석을 통해 측면피복두께에 따른 정착강도의 영향계수(Ψc)를 도출하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 원자력발전소 건설에 사용되는 43 mm 갈고리철근을 대상으로 선정하였으며, 설계기준항복강도 550 MPa를 목표로 실험계획을 수립하였다. 목표 파괴유형은 Marques와 Jirsa연구9)와 동일하게 측면파열파괴로 설정하였다.
- 이 연구에서는 원자력 구조물에 주로 사용되는 지름 43mm 설계기준항복강도 550 MPa 갈고리철근의 정착 실험을 수행하였다. 현행 갈고리철근의 정착길이 설계식의 바탕이 되는 Marques와 Jirsa의 연구9)와 동일한 방법으로 측면파열파괴를 유도하여 실험하였다.
성능/효과
- 1) 실험체 모두 목표했던 측면파열파괴가 발생하여, 최대 하중에서 측면 피복두께가 급격히 탈락하였다.
- 5) 실험결과를 회귀분석하여, 콘크리트 압축강도, 묻힘길이, 측면피복두께, 횡보강철근의 영향을 고려한 갈고리철근 정착강도 평가식을 개발하였다. 13개 실험데이터와 비교한 결과, [실험값]/[예측값] 비 평균이 1.0, 변동계수가 10%로 매우 정확히 강도를 예측하였다.
- 2) 가력 초기에는 대부분의 하중을 직선구간의 부착에 의해 지지하였으나, 최대 하중의 1/3 지점부터 부착에 의한 기여도가 저감되기 시작하여 최대 하중에서는 대부분 갈고리 지압에 의해 하중을 지지하였다.
- 3) 횡보강철근의 영향이 고려된 Kansas 대학교 평가식12)을 제외하고, 콘크리트구조기준과 기존 이론식은 횡보강철근의 영향을 과소평가하고 있다. 횡보강철근이 있는 실험체에서 [실험값]/[콘크리트구조기준 예측값] 비율의 평균이 1.
- 4) 70 MPa 콘크리트를 사용한 경우에는 [실험값]/[콘크리트구조기준 예측값]의 비율이 1.0로 다른 경우에 비해 안전율이 부족하였다. 콘크리트강도의 제곱근에 비례하는 콘크리트구조기준은 고강도 콘크리트에서 안전측이 아니므로 콘크리트 압축강도에 대한 영향을 저감시킬 필요가 있다.
- 11에서 식 (12)와 실험값을 비교하였다. [실험값]/[예측값] 비의 평균이 1.0이며 변동계수 10%로 비교적 정확한 강도를 예측할 수 있다. 또한 콘크리트압축강도, 측면피복두께, 횡보강의 유무에 따른 편향 없이 모든 변수를 적절히 평가하였다.
- 실험 결과 축하중은 갈고리철근의 정착강도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 묻힘길이가 클수록, 그리고 띠철근을 촘촘히 배근할수록 갈고리철근의 정착강도가 향상되었다. 이 결과를 바탕으로 정착강도 예측식 식 (1)을 제안하였다.
- 8에 나타내었다. 묻힘길이에 선형적으로 비례하여 정착강도가 향상되었다. 선형 회귀분석을 통해 콘크리트압축강도와 묻힘길이만을 변수로 하는 정착강도 평가식 (9)이 도출되었다.
- 콘크리트 강도는 19~46 MPa이고, 횡보강철근과 기둥 축하중은 고려되지 않았다. 실험 결과 [묻힘길이]/[철근지름]의 비율을 동일하게 하였을 때, 구부림 각도가 크고 구부림 반경이 작을수록 동일 철근응력에서 미끄러짐이 크게 나타났다.
- 는 갈고리철근의 굽힘 각도 90°, 180°, 철근지름 22, 35 mm, 콘크리트 강도 25~35 MPa, 횡보강철근과 기둥 축하중을 고려한 실험을 수행하였다. 실험 결과 축하중은 갈고리철근의 정착강도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 묻힘길이가 클수록, 그리고 띠철근을 촘촘히 배근할수록 갈고리철근의 정착강도가 향상되었다.
- 실험변수로 철근지름 16, 25, 36mm, 굽힘 각도 90°, 180°, 콘크리트 강도 34~103 MPa, 횡보강철근량을 설정하였다. 실험 결과, 정착길이에 대한 현재 기준들은 철근 지름과 콘크리트 압축강도의 영향이 과대평가 되고 있다는 것을 보여주었다. 이를 바탕으로 횡보강철근이 없을 경우 식 (2)를, 횡보강철근이 있을 경우 식 (3)을 제안하였다.
- 콘크리트 압축강도를 제외하고 나머지 조건은 동일한 실험체끼리 비교하여 콘크리트 압축강도의 영향을 평가하였다. 정착강도는 콘크리트는 fcma에 비례한다고 가정하여 3쌍의 실험체를 비교한 결과 a값 평균은 0.09로 나타났다.
- 29를 제안하였다. 제한된 연구결과로 콘크리트 압축강도의 영향을 정확히 평가할 수는 없으나, 가는 철근에 비해 굵은 철근에서는 부착과 지압에 의해 유발된 콘크리트 인장응력이 매우 국부적으로 발생하여 측면파열파괴가 발생되기 때문에 콘크리트 압축강도의 영향이 감소한 것으로 판단된다.
- 초기 균열은 정착된 갈고리철근의 직선부를 따라 수직으로 발생하였으며, 압축응력블럭과 갈고리철근 사이의 경사균열도 다수 발생하였다. 측면피복두께가 1db인 실험체들에서 측면파열파괴가 뚜렷이 관찰되었으며, 특히 콘크리트 강도 70 MPa로 제작된 S70-series 실험체에서 가장 선명하게 관찰되었다. 콘크리트 압축강도가 높을수록 정착강도가 향상되지만, [인장강도]/[압축강도] 비율이 저하되고 인장변형능력이 압축강도에 비례하여 증가하지 않기 때문에 파괴가 매우 급격히 발생된 것으로 판단된다.
- 9에 나타내었다. 측면피복두께가 증가할수록 정착강도가 향상되었다. 선형 회귀분석을 통해 측면피복두께에 따른 정착강도의 영향계수(Ψc)를 도출하였다.
- 4에 나타내었다. 항복강도 600 MPa 이상의 고강도 철근임에도 뚜렷한 항복점과 충분한 항복마루를 갖는 이상적인 응력-변형률 곡선을 보였다.
- 횡보강철근지수 Ktr이 증가할수록 정착강도가 향상되었으며, 선형 회귀분석을 통해 횡보강철근에 따른 정착강도의 영향계수(Ψt)를 도출하였다.
후속연구
- 2 db이다. 철근정착길이와 이음길이 설계식 개발13,14)에 적용된 안전율 0.8을 고려하면 묻힘길이 16 db에서 설계기준항복강도 550 MPa가 발현될 것으로 기대된다. 따라서 묻힘길이 변수는 10db, 13db, 16db, 20db로 설정하였다.
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