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문제 정의
- 설계기준강도 120, 180 MPa SUPER Concrete로 제작된 보기둥 접합부에 보 주근으로 사용된 확대머리철근의 정착 실험을 통해 거동특성과 정착강도를 평가하였다. 실험결과를 바탕으로 SUPER Concrete에 적합한 확대머리철근 정착강도 평가식을 제안하고자 한다.
- 이 연구에서는 SUPER Concrete의 특성을 이용하여 작은 단면에서 효율적인 철근정착 방안을 제시하기 위해 확대머리철근의 정착 성능을 실험적으로 평가하였다. 설계기준강도 120, 180 MPa SUPER Concrete로 제작된 보기둥 접합부에 보 주근으로 사용된 확대머리철근의 정착 실험을 통해 거동특성과 정착강도를 평가하였다.
제안 방법
- 일반콘크리트에 정착된 확대머리철근의 측면파열파괴강도 평가식(식 (1))을 이용하여 최대 6db, 비교를 위해 4db로 설정하였다. SUPER Concrete의 높은 인장강도를 고려하여 SD600의 고강도 철근을 사용하였으며, 철근에 발현되는 예상강도가 600 MPa를 상회하도록 실험변수를 구성하였다.
- 가력은 센터홀 오일잭 2대를 이용하여 확대머리철근에 직접 인장력을 가하였다. 하중제어로 정적하중을 가하였으며, 가력속도는 KS B080216)에 따라 철근응력 변화율 3 MPa/sec를 표준으로 가력하였다.
- 강섬유 보강 초고성능콘크리트(SUPER Concrete)의 특성을 이용하여 작은 단면에서 효율적인 철근정착 방안을 제시하기 위해, 갈고리 철근을 대체하는 확대머리철근의 정착 성능을 평가하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
- 기존 정착강도 평가식을 바탕으로 SUPER Concrete 강도, 정착길이, 측면피복두께를 실험변수로 설정하였다. 확대머리철근 지름에 따른 강도 특성을 파악하기 위해 철근지름도 변수에 추가하였다.
- 에 의하면 헤어핀 형태의 횡보강철근만 측면파열파괴를 구속하여 측면파열파괴강도를 향상시키는 것으로 보고되었다. 따라서 헤어핀형태의 횡보강철근을 실험변수로 설정하였다. 횡보강량은 콘크리트구조기준에 정의된 횡방향 철근지수 식 (6)을 이용하여 표현하였다.
- 접합부에 보 주근으로 2개의 확대머리철근이 정착되어 있으며, 확대머리철근에 직접 인장력을 가력하기 위해 보 콘크리트를 타설하지 않았다. 반력 구조물을 실험체 아래에 놓고, 600 kN 용량의 센터 홀 오일잭 2대를 이용하여 확대머리철근에 인장력을 가하였다. 2대의 오일잭은 같은 펌프에 연결되어 동일한 하중이 작용된다.
- 이 연구에서는 SUPER Concrete의 특성을 이용하여 작은 단면에서 효율적인 철근정착 방안을 제시하기 위해 확대머리철근의 정착 성능을 실험적으로 평가하였다. 설계기준강도 120, 180 MPa SUPER Concrete로 제작된 보기둥 접합부에 보 주근으로 사용된 확대머리철근의 정착 실험을 통해 거동특성과 정착강도를 평가하였다. 실험결과를 바탕으로 SUPER Concrete에 적합한 확대머리철근 정착강도 평가식을 제안하고자 한다.
- 실험변수 설정을 위해 기존에 개발된 확대머리철근의 정착강도 평가식을 분석하였다. 일반 콘크리트에 정착된 확대머리철근의 측면파열파괴강도(fdt,p) 평가식10)(식 (1)), 콘크리트구조기준(2012)의 확대머리 정착길이 설계식을 변형한 정착강도 평가식(fdt,KCI)8)(식 (2)), Thompson 등의 확대머리철근의 정착강도 평가식11)(식 (3))을 이용하여 확대머리철근 정착강도의 영향 인자를 분석한 결과, 묻힘깊이 ldt, 측면피복두께 cso, 콘크리트강도 fck가 주 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 따라서 이 실험에서 유도된 평가식은 실제 정착강도보다 낮은 값을 예측하기 때문에 안전한 결과를 제안할 것이다. 실험변수로 사용된 철근지름, 묻힘깊이, 콘크리트강도에 대한 영향을 분석하였다. 헤어핀으로 횡보강된 실험체는 모두 정착파괴 없이 700 MPa 이상 강도 발현 후 실험이 종료되었기 때문에 횡보강철근의 영향은 고려하지 않았다.
- 철근에 발현된 정착강도는 최대하중을 단면적으로 나누어 산정하였다. 실험체별 2개씩 총 40개의 확대머리철근 정착강도를 정리하였다. 예상보다 매우 높은 정착강도가 발현되어 많은 실험체에서 측면파열파괴 없이 실험이 종료되었다.
- 일반 콘크리트에 정착된 확대머리철근의 측면파열파괴강도 평가식(식 (1))은 현행설계기준에 비해 비교적 정확하게 예측하지만, 역시 실험값이 1.2~1.3배 높아 SUPER Concrete에 정착된 확대머리철근 강도를 과소평가하였다. Thompson 등의 제안식(식 (3))은 식 (1), 식 (2)와 달리 콘크리트 압축강도에 직접 비례하므로 매우 높은 정착강도가 예측되었다.
- 정착강도에 대한 확대머리 지압과 정착길이 부착의 기여도를 평가하기 위해, 변형률 게이지를 확대머리 지압면에서 1db 떨어진 위치에 2개 부착하여 변형률을 측정하였다.
- 지압에 의해 발현된 강도는 확대머리 지압면에서 1db 떨어진 위치에 부착된 변형률 게이지에서 계측된 변형률에 철근 탄성계수를 곱하여 산정하였다.
- Table 5에 실험체별 철근에 발현된 강도를 정리하였다. 철근에 발현된 정착강도는 최대하중을 단면적으로 나누어 산정하였다. 실험체별 2개씩 총 40개의 확대머리철근 정착강도를 정리하였다.
- 철근지름의 영향을 평가하기 위해 동일조건에서 측면 파열이 발생된 f120-series의 D22-L4-C1과 D32-L4-C1 실험체만을 비교하였다. Fig.
- 측면파열파괴만 발생하고, 접합부 전단파괴와 기둥의 휨파괴 및 전단파괴를 방지하도록 실험체를 설계하였다. 실험체의 배근 상세도는 Fig.
- 6과 Table 5에 나타내었다. 콘크리트구조기준에서는 콘크리트 압축강도의 상한을 40 MPa로 제한하고 있으나, Table 5에서는 실험일 강도를 대입하여 비교하였다.
- 가력은 센터홀 오일잭 2대를 이용하여 확대머리철근에 직접 인장력을 가하였다. 하중제어로 정적하중을 가하였으며, 가력속도는 KS B080216)에 따라 철근응력 변화율 3 MPa/sec를 표준으로 가력하였다. 작용된 하중은 오일잭 전면에 연결된 하중계로 계측하였다.
- 접합부 전단강도 확보를 위해 필요한 접합부 띠철근량도 ACI 352R-02에 근거하여 산정하였다. 확대머리철근 주변에 배근된 띠철근과 기둥 주철근에 의한 횡구속효과를 배제하기 위하여, Fig. 3과 같이 정착되는 2개 확대머리철근 안쪽으로 기둥 주철근과 띠철근을 배근하였다.
- 기존 정착강도 평가식을 바탕으로 SUPER Concrete 강도, 정착길이, 측면피복두께를 실험변수로 설정하였다. 확대머리철근 지름에 따른 강도 특성을 파악하기 위해 철근지름도 변수에 추가하였다. 현행 확대머리철근 정착 길이 설계식8,12)에서는 횡보강철근의 영향을 고려하지 않지만, 직선철근 정착길이와 이음길이 그리고 갈고리철근 정착길이 설계식8,12)에서는 횡보강철근의 영향을 고려하고 있다.
- 3장의 실험결과 SUPER Concrete의 특성을 고려한 새로운 평가식의 개발이 필요하다. 확대머리철근에 발현된 응력에 대한 회귀분석을 통해 정착강도 평가식을 도출하였다.
- 현행 확대머리철근 정착 길이 설계식8,12)에서는 횡보강철근의 영향을 고려하지 않지만, 직선철근 정착길이와 이음길이 그리고 갈고리철근 정착길이 설계식8,12)에서는 횡보강철근의 영향을 고려하고 있다. 횡보강철근에 의한 정착강도 증가효과를 파악하기 위해 횡보강철근도 실험변수에 포함시켰다. 총 10가지 실험체 종류를 선정하였으며, Table 1에 실험체 목록을 작성하였다.
대상 데이터
- 2배 이상이 되도록 기둥 휨강도를 산정하였다. D22 확대머리철근 실험체는 3D16으로, D32 확대머리철근 실험체는 3D19으로 기둥 주철근을 설계하였다. 기둥의 전단파괴를 방지하기 위해 콘크리트구조기준(2012)의 전단강도 설계식8)에 의해 전단보강철근을 설계하였다.
- SUPER Concrete 강도는 설계기준강도 120와 180 MPa 를 선정하였고, 각각 f120-series, f180-series로 명명하였다. Table 2에 1 m3 SUPER Concrete 제작을 위한 중량 배합비를 나타내었다.
- SUPER Concrete 강도실험은 가력 직후 실시하여 f120, f180-series의 공시체의 압축강도는 129.9 MPa, 225.5 MPa 이었다. 콘크리트 휨강도시험의 결과는 f120, f180-series 의 순서로 36.
- 총 10가지 실험체 종류를 선정하였으며, Table 1에 실험체 목록을 작성하였다. 각 실험체별로 동일한 실험체 2개씩 총 20개 실험체를 제작하였다.
- 외부 보-기둥 접합부에 보 주철근으로 사용된 확대머리철근을 실험대상으로 선정하였다. 이상적인 보-기둥 접합부의 파괴는 보의 소성힌지 형성이므로, 모든 파괴강도는 보 철근의 정착강도보다 높아야한다.
- 접합부 전단강도 계수 γ는 접합부의 종류와 작용하중에 따라 다른데 이 연구에서는 Type 1의 중간층 모서리 접합부 값인 15를 사용하였다.
- 실험은 f180-series와 f120-series 순으로 실험을 진행하였다. 철근은 일반 구조물에 사용되는 철근 중 큰 지름인 D32와 보 주철근으로 가장 많이 사용되는 D22로 설정하였다.
- 횡보강철근에 의한 정착강도 증가효과를 파악하기 위해 횡보강철근도 실험변수에 포함시켰다. 총 10가지 실험체 종류를 선정하였으며, Table 1에 실험체 목록을 작성하였다. 각 실험체별로 동일한 실험체 2개씩 총 20개 실험체를 제작하였다.
- 따라서 부재 치수가 줄어드는 SUPER Concrete 구조물에서 확대머리철근을 사용하여 효율적인 철근 정착이 가능하다. 확대머리철근은 주로 보-기둥 접합부와 슬래브-벽체 접합부에 적용이 예상되는데, 이 연구에서는 Fig. 1과 같이 철근이 많이 배근되는 보-기둥 접합부를 적용 대상으로 선정하였다.
이론/모형
- D22 확대머리철근 실험체는 3D16으로, D32 확대머리철근 실험체는 3D19으로 기둥 주철근을 설계하였다. 기둥의 전단파괴를 방지하기 위해 콘크리트구조기준(2012)의 전단강도 설계식8)에 의해 전단보강철근을 설계하였다.
- 접합부 전단강도 확보를 위해 필요한 접합부 띠철근량도 ACI 352R-02에 근거하여 산정하였다. 확대머리철근 주변에 배근된 띠철근과 기둥 주철근에 의한 횡구속효과를 배제하기 위하여, Fig.
- 접합부 전단파괴 방지를 위해 ACI 352R-0215)에 따라 접합부 전단을 설계하였다. 접합부 전단강도는 식 (7)에 따라 산정하였다.
성능/효과
- 1) 120 MPa, 180 MPa SUPER Concrete에 정착길이 4db, 6db로 제작된 실험체 모두 600 MPa 이상의 실제 항복강도를 발현한 후 일부 실험체에서 측면파열파괴가 발생되었다. 확대머리철근의 정착강도가 매우 높아 철근이 파단되는 경우도 있었다.
- 2) 일반 콘크리트에 정착된 확대머리철근의 측면파열 파괴강도 평가식과 현행 설계기준의 확대머리 정착 길이 설계식을 이용하여 정착강도를 비교한 결과[실험값]/[이론값]의 평균이 각각 1.27, 2.68으로 SUPER Concrete에서 확대머리철근의 정착강도가 매우 우수한 것으로 평가되었다.
- 3) 콘크리트 압축강도에 직접 비례하도록 표현된 Thompson 등의 확대머리철근 정착강도 평가식과 비교하면, [실험값]/[이론값]의 평균이 0.64로 평가식이 정착강도를 과대평가하였다.
- 4) 확대머리철근 정착강도를 (fck)α에 비례한다고 가정하고 실험결과를 회귀분석하여, SUPER Concrete 압축강도의 0.14승에 비례하는 정착강도 평가식이 개발되었다.
- 5에 정리하였다. 강섬유 보강 초고성능 콘크리트의 높은 인장강도로 측면파열강도가 매우 높게 향상되었다. Fig.
- 결과적으로 강섬유가 혼입된 SUPER Concrete에 정착된 확대머리 철근은 4db 이상의 묻힘깊이에서 모두 유사한 정착강도가 발현되었다.
- 많은 실험체에서 매우 높은 정착강도가 발현되어 측면파열파괴 없이 철근 항복 후 실험이 종료되었다. 만일 더 높은 강도의 확대머리철근으로 실험하여 정착파괴를 유발하였다면 Table 5에 정리된 강도보다 높은 정착강도를 얻었을 것이다.
- 확대머리철근의 정착강도가 매우 높아 철근이 파단되는 경우도 있었다. 설계기준강도 120 MPa 이상 SUPER Concrete에 정착된 확대머리철근은 4db의 짧은 정착길이로 콘크리트구조기준에서 허용하는 철근의 최대 설계기준강도 600 MPa를 발현할 수 있었다.
- 실험체별 2개씩 총 40개의 확대머리철근 정착강도를 정리하였다. 예상보다 매우 높은 정착강도가 발현되어 많은 실험체에서 측면파열파괴 없이 실험이 종료되었다.
후속연구
- 만일 더 높은 강도의 확대머리철근으로 실험하여 정착파괴를 유발하였다면 Table 5에 정리된 강도보다 높은 정착강도를 얻었을 것이다. 따라서 이 실험에서 유도된 평가식은 실제 정착강도보다 낮은 값을 예측하기 때문에 안전한 결과를 제안할 것이다. 실험변수로 사용된 철근지름, 묻힘깊이, 콘크리트강도에 대한 영향을 분석하였다.
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