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문제 정의
- , 2012). 따라서, 이 연구에서는 기존 연구를 토대로, 최근 대규모 구조물 건설 수요가 증가하고 있는 대구경 PHC말뚝에 대한 전단보강 효과를 시험을 통해 평가하고자 한다. 대구경 PHC말뚝에 속채움 콘크리트, 전단철근 및 휨보강 철근을 배근하여 보강 변수 조건에 따른 설계값 제시와 대구경 합성 PHC말뚝의 제작 과정을 기술하였다.
제안 방법
- 콘크리트 타설이 완료된 후 4단계로 자동 제어되는 원심성형 공정을 15분 동안 실시하였으며, 증기양생을 통해 최종적으로 말뚝 본체를 제작하였다. 2차 제작으로 말뚝 내부에 다발로 제작된 휨보강 철근의 배근과 속채움 콘크리트 타설을 마친 후, 28일간의 양생과정을 거쳐 최종적으로 전단강도 시험체 제작을 완료하였다. 제작된 전단강도 시험체의 총 길이는 7,000 mm이다.
- 시험체 총 길이(L) 7,000 mm에 대하여 전단지간과 재하지간을 각각 1,000 mm로 설정하였고, 축력의 도입 없이 연직하중(P)를 가력하였다. 가력시 최대용량 5,000 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하였고 1.0 mm/min 속도의 변위제어를 통해 하중을 도입하였다. 시험체 중앙부 하단에 2개의 LVDT를 설치하여 실시간 하중에 따른 수직 처짐량을 측정하였다.
- , 2012)에서 제작했던 직경 450 mm의 중구경 합성 PHC말뚝과 동일한 방법으로 휨보강 철근과 전단철근을 배근하였다. 기존의 연구에서는 직사각형 형상의 전단철근을 배근하였으나, 본 연구에서는 삼각형 형상의 철근을 배근하였다. 직사각형 형상을 삼각형 형상으로 변경할 경우 말뚝본체와 전단철근 사이의 수평전단력이 더욱 향상되어 보다 우수한 합성효과를 기대할 수 있다.
- 따라서, 이 연구에서는 기존 연구를 토대로, 최근 대규모 구조물 건설 수요가 증가하고 있는 대구경 PHC말뚝에 대한 전단보강 효과를 시험을 통해 평가하고자 한다. 대구경 PHC말뚝에 속채움 콘크리트, 전단철근 및 휨보강 철근을 배근하여 보강 변수 조건에 따른 설계값 제시와 대구경 합성 PHC말뚝의 제작 과정을 기술하였다. 제작된 대구경 말뚝은 KS F 4306의 규정에 따라 전단강도 시험을 수행하여 전단강도 증진과 균열제어 특성 등의 구조 성능을 평가/분석하였다.
- 대구경 합성 PHC말뚝 제작을 위하여 중공부에 400 MPa의 항복강도를 가지는 호칭 D29의 이형철근 16개를 휨보강 철근으로 배근하였다. 말뚝 내부에 위치하는 휨보강 철근의 배근과 중 공부 삽입 시 편의성을 확보하기 위해 원형 띠철근을 휨보강 철근 길이방향으로 용접한 후 휨보강 철근 다발을 제작하였다. 이 연구에서 사용한 철근의 물리적 특성은 Table 2에 표기하였다.
- 본 절에서는 강도설계법을 바탕으로 대구경 합성PHC말뚝의 전단강도를 이론적으로 설계하였다. 말뚝의 전단강도(Vn)를 설계하기 위하여 식(1)과 같이 대구경 PHC말뚝 본체(VPHC)와 속채움 콘크리트(Vc) 및 전단 철근의 전단강도(Vs)를 각각 합산하여 산정하였으며, Table 1에 계산결과를 표시하였다.
- 시험체 중앙부 하단에 2개의 LVDT를 설치하여 실시간 하중에 따른 수직 처짐량을 측정하였다. 시험중 철근 및 콘크리트의 변형률을 측정하기 위하여 스트레인 게이지를 휨보강 철근과 말뚝본체 중앙의 압축부와 인장부에 각각 부착하여 하중 가력에 따른 변형률을 측정하였다. Fig.
- 0 mm/min 속도의 변위제어를 통해 하중을 도입하였다. 시험체 중앙부 하단에 2개의 LVDT를 설치하여 실시간 하중에 따른 수직 처짐량을 측정하였다. 시험중 철근 및 콘크리트의 변형률을 측정하기 위하여 스트레인 게이지를 휨보강 철근과 말뚝본체 중앙의 압축부와 인장부에 각각 부착하여 하중 가력에 따른 변형률을 측정하였다.
- 대구경 합성 PHC말뚝의 전단성능 평가를 위해 국내 KS F4306(2003)에서 제시된 방법에 따라 전단강도 시험을 수행하였다. 시험체 총 길이(L) 7,000 mm에 대하여 전단지간과 재하지간을 각각 1,000 mm로 설정하였고, 축력의 도입 없이 연직하중(P)를 가력하였다. 가력시 최대용량 5,000 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하였고 1.
- 이 연구에서는 대구경 PHC말뚝을 속채움 콘크리트, 전단철근 및 휨보강 철근으로 보강한 대구경 합성 PHC말뚝의 전단 성능 시험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이후, 전단철근을 이중삼각형 형상으로 겹친 후 150 mm 간격으로 말뚝 전 지간에 배근하였다. 이후, 콘크리트를 말뚝 길이방향으로 2회에 걸쳐 타설하였다. 콘크리트 타설이 완료된 후 4단계로 자동 제어되는 원심성형 공정을 15분 동안 실시하였으며, 증기양생을 통해 최종적으로 말뚝 본체를 제작하였다.
- 2에는 대구경 합성 PHC말뚝 시험체 제작 과정을 나타내고 있다. 전단강도 시험체는 공통적으로 휨보강 철근이 배근되며, 전단철근이 배근되지 않은 F시리즈 시험체 2개와 전단 철근이 배근된 FT 시리즈 시험체 2개를 각각 제작하여 전단보강 철근의 유무에 따른 대구경 합성 PHC말뚝의 전단성능을 평가하였다.
- 92 MPa의 유효 프리스트레스가 도입되었다. 전단시험을 위한 대구경 합성 PHC말뚝은 기존의 연구(Hyun et al., 2012)에서 제작했던 직경 450 mm의 중구경 합성 PHC말뚝과 동일한 방법으로 휨보강 철근과 전단철근을 배근하였다. 기존의 연구에서는 직사각형 형상의 전단철근을 배근하였으나, 본 연구에서는 삼각형 형상의 철근을 배근하였다.
- 대구경 PHC말뚝에 속채움 콘크리트, 전단철근 및 휨보강 철근을 배근하여 보강 변수 조건에 따른 설계값 제시와 대구경 합성 PHC말뚝의 제작 과정을 기술하였다. 제작된 대구경 말뚝은 KS F 4306의 규정에 따라 전단강도 시험을 수행하여 전단강도 증진과 균열제어 특성 등의 구조 성능을 평가/분석하였다.
- 이후, 콘크리트를 말뚝 길이방향으로 2회에 걸쳐 타설하였다. 콘크리트 타설이 완료된 후 4단계로 자동 제어되는 원심성형 공정을 15분 동안 실시하였으며, 증기양생을 통해 최종적으로 말뚝 본체를 제작하였다. 2차 제작으로 말뚝 내부에 다발로 제작된 휨보강 철근의 배근과 속채움 콘크리트 타설을 마친 후, 28일간의 양생과정을 거쳐 최종적으로 전단강도 시험체 제작을 완료하였다.
대상 데이터
- 대구경 PHC말뚝 중공에 충전하는 속채움 콘크리트는 설계기준 압축강도 27 MPa 콘크리트를 사용하였으며 전단강도(Vc)는 다음 식(3)을 이용하여 계산하였다.
- 대구경 합성 PHC말뚝 제작을 위하여 중공부에 400 MPa의 항복강도를 가지는 호칭 D29의 이형철근 16개를 휨보강 철근으로 배근하였다. 말뚝 내부에 위치하는 휨보강 철근의 배근과 중 공부 삽입 시 편의성을 확보하기 위해 원형 띠철근을 휨보강 철근 길이방향으로 용접한 후 휨보강 철근 다발을 제작하였다.
- 본 연구를 위하여 제작한 대구경 합성 PHC말뚝은 외경 1,000 mm, 두께 130 mm의 말뚝을 사용하였다. 말뚝 본체 제작에 사용된 콘크리트는 최대치수 25 mm의 굵은 골재를 사용하였고, 설계기준 압축강도는 80 MPa이다. 대구경 PHC말뚝은 프리스트레싱 도입을 위하여 직경 11.
- 본 연구를 위하여 제작한 대구경 합성 PHC말뚝은 외경 1,000 mm, 두께 130 mm의 말뚝을 사용하였다. 말뚝 본체 제작에 사용된 콘크리트는 최대치수 25 mm의 굵은 골재를 사용하였고, 설계기준 압축강도는 80 MPa이다.
- 전단강도 시험을 위한 대구경 합성 PHC말뚝 본체의 제작은 19개의 프리스트레싱 텐던과 나선철근을 전기용접을 통해 원형 다발로 제작 한 후 말뚝 몰드에 고정하였다. 이후, 전단철근을 이중삼각형 형상으로 겹친 후 150 mm 간격으로 말뚝 전 지간에 배근하였다.
- 2차 제작으로 말뚝 내부에 다발로 제작된 휨보강 철근의 배근과 속채움 콘크리트 타설을 마친 후, 28일간의 양생과정을 거쳐 최종적으로 전단강도 시험체 제작을 완료하였다. 제작된 전단강도 시험체의 총 길이는 7,000 mm이다. Fig.
- 이 연구에서 사용한 철근의 물리적 특성은 Table 2에 표기하였다. 휨보강 철근 다발의 배근 후 타설되는 속채움 콘크리트는 설계기준 압축강도 27 MPa인 콘크리트를 사용하였으며 유동성과 충전성능을 확보하기 위하여 굵은 골재의 최대치수 13 mm, 슬럼프 180 mm인 콘크리트를 사용하였다. 사용 속채움 콘크리트의 물리적 특성은 Table 3에 표기하였다.
이론/모형
- 대구경 PHC말뚝 본체의 전단강도 계산은 KS F 4306(2003)에서 제시하고 있는 PHC말뚝의 전단강도 계산 식을 활용하여 설계하였다.
- 대구경 합성 PHC말뚝의 전단성능 평가를 위해 국내 KS F4306(2003)에서 제시된 방법에 따라 전단강도 시험을 수행하였다. 시험체 총 길이(L) 7,000 mm에 대하여 전단지간과 재하지간을 각각 1,000 mm로 설정하였고, 축력의 도입 없이 연직하중(P)를 가력하였다.
- 직사각형 형상을 삼각형 형상으로 변경할 경우 말뚝본체와 전단철근 사이의 수평전단력이 더욱 향상되어 보다 우수한 합성효과를 기대할 수 있다. 수평전단력의 설계방법은 기존연구에 자세히 기술되어 있으며 본 연구에서도 동일한 방법으로 수평전단강도를 산정하였다(Korea Concrete Institute, 2015). 전단철근은 Fig.
성능/효과
- 1) 전단철근 보강이 없는 F 시험체는 휨균열과 경사균열이 발생한 이후 급작스런 수평균열이 발생하여 최종 파괴된 반면, FT 시험체는 말뚝시험체 전 지간에 걸쳐 7~8개의 휨균열과 전단 경사균열이 일정 패턴으로 발생하였다. 이 결과는 전단 철근의 우수한 합성효과로 전단균열이 계면파괴로 진전하는 것을 효과적으로 방지하였음을 알 수 있다.
- 2) 대구경 합성 PHC말뚝의 최대 하중은 기성 대구경 PHC말뚝과 비교할 경우, F 시험체는 2.9배, FT 시험체는 3.3배 이상 높은 값을 나타내었다. 또한, FT 시험체는 전단 철근이 없는 F 시험체보다 평균 12.
- 3) 설계 전단강도에 대한 실험 전단강도의 안전율은 F 시험체 1.9배, FT 시험체 1.4배로 측정되었다. FT 시험체의 안전율이 작게 측정된 것은 시험을 파괴까지 수행하지 못하였기 때문이다.
- 한편, 이중삼각형 형상의 전단철근이 배근된 FT1과 FT2 시험체의 경우, 각각 2,389 kN, 2,289 kN의 하중에서 초기 휨 균열이 관찰되었다. FT 시험체는 F 시험체와 같이 초기 균열하중까지 유사한 경향을 나타내었으며, F 시험체의 초기 균열 하중보다 평균 5.8% 증가한 것을 확인하였다. FT 시험체는 F 시험체에서 발생한 수평균열은 발생하지 않았으며, 말뚝 전 지간에 걸쳐 7~8개의 휨균열과 전단경사균열이 발생하였다.
- 3배 이상 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다. FT 시험체는 F 시험체와 비교할 경우 12.1% 이상 증가한 최대 내력을 보였으나, 시험을 파괴 시까지 도달하지 못한 값이므로, 실제 큰 용량의 시험기로 진행할 경우 더욱 큰 값을 나타낼 것으로 판단된다. 이 결과는 전단철근의 배근으로 대구경 합성 PHC말뚝의 우수한 합성거동이 확보되었고, 전단 지간에 발생하는 경사 균열의 성장과 계면의 파괴를 효과적으로 방지하였음을 증명하는 것이다.
- 9배 증가하였다. 또한, FT 시험체는 시험기기의 용량 제한으로 인하여 파괴에 이르지 못하였지만 PHC말뚝의 경사균열 하중에 비하여 3.3배 이상 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다. FT 시험체는 F 시험체와 비교할 경우 12.
- 3배 이상 높은 값을 나타내었다. 또한, FT 시험체는 전단 철근이 없는 F 시험체보다 평균 12.1% 최대 전단하중이 향상된 것을 확인하였다. 이 결과는 FT 시험체의 최대내력까지 시험을 수행하지 못한 결과이며, 파괴시점까지 시험을 진행할 경우 더욱 높은 수준의 전단내력 성능을 발휘할 것으로 예측된다.
- 이 원인은 F시험체 말뚝 내부에 전단보강 철근이 배근되어 있지 않아 경사균열의 진전을 방지하지 못한 것으로 판단된다. 반면, FT1과 FT2 시험체의 초기 경사균열하중은 각각 4211 kN, 3896 kN으로 측정되어 기성 대구경 PHC말뚝에 비해 평균 2.6배 증진시킬 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 최대하중의 경우 F 시험체는 평균 4,462 kN으로 측정되어 PHC말뚝의 경사균열 하중에 비하여 평균 2.
- 1% 최대 전단하중이 향상된 것을 확인하였다. 이 결과는 FT 시험체의 최대내력까지 시험을 수행하지 못한 결과이며, 파괴시점까지 시험을 진행할 경우 더욱 높은 수준의 전단내력 성능을 발휘할 것으로 예측된다.
- 1) 전단철근 보강이 없는 F 시험체는 휨균열과 경사균열이 발생한 이후 급작스런 수평균열이 발생하여 최종 파괴된 반면, FT 시험체는 말뚝시험체 전 지간에 걸쳐 7~8개의 휨균열과 전단 경사균열이 일정 패턴으로 발생하였다. 이 결과는 전단 철근의 우수한 합성효과로 전단균열이 계면파괴로 진전하는 것을 효과적으로 방지하였음을 알 수 있다.
- 1% 이상 증가한 최대 내력을 보였으나, 시험을 파괴 시까지 도달하지 못한 값이므로, 실제 큰 용량의 시험기로 진행할 경우 더욱 큰 값을 나타낼 것으로 판단된다. 이 결과는 전단철근의 배근으로 대구경 합성 PHC말뚝의 우수한 합성거동이 확보되었고, 전단 지간에 발생하는 경사 균열의 성장과 계면의 파괴를 효과적으로 방지하였음을 증명하는 것이다.
- FT 시험체는 F 시험체에서 발생한 수평균열은 발생하지 않았으며, 말뚝 전 지간에 걸쳐 7~8개의 휨균열과 전단경사균열이 발생하였다. 이 결과는, FT 시험체 말뚝 내부에 배근된 전단철근, 속채움 콘크리트 및 말뚝 본체가 일체로 거동하는 합성효과로 인하여 전단균열 진전에 의한 계면파괴를 방지하고, 휨균열을 유발한 것으로 판단된다. FT 시험체는 인장철근이 항복 변형률에 도달한 이후 시험기의 최대용량 한계로 인하여 파괴점까지 시험을 진행하지 못하고 5,000 kN에서 종료하였다.
- 초기 휨 균열이 발생한 이후 하중 증가와 함께 휨균열 또한 진전되었다. 이후, 전단지간에서 발생한 균열은 급작스런 수평균열로 연결된 이후, 시험체는 전단파괴에 도달하였고, 이 균열은 말뚝 본체와 내부충전 콘크리트의 계면파괴인 것으로 관찰되었다. F1시험체의 전단강도 시험을 통해 전단보강 철근이 배근되지 않을 경우 말뚝의 전단지간에서 발생하는 경사균열을 효과적으로 제어하지 못할 뿐만 아니라 말뚝 본체 콘크리트와 속채움 콘크리트와의 계면파괴를 방지하지 못하는 것으로 나타났다.
- 7은 F 시험체와 FT 시험체의 전단강도 시험을 통한 연직하중과 중앙부 처짐 관계를 나타내고 있다. 전단보강 철근이 없는 F 시험체의 최고하중 시 평균 처짐은 14.9 mm, FT 시험체는 평균 8.9 mm의 처짐량이 각각 측정되었다. F 시험체와 FT 시험체는 3,400 kN 하중 지점까지 유사한 초기강성을 보였으나 이후 FT 시험체는 급격히 강성이 감소하는 반면, FT 시험체는 시험종료시점 까지 강성을 유지하는 거동을 나타내었다.
- 파괴 시 압축부 콘크리트의 변형률과 인장 철근의 변형률은 각각 -1,535 με, 2,789 με로 측정되었고, 시험체에서 발생한 전단 경사균열의 최대 폭은 약5.1 mm로 관찰되었다.
후속연구
- 4배에 해당되는 값이다. 시험기 용량이 충분하여 시험이 파괴까지 진행되었다면, FT 시험체는 내외부 콘크리트의 합성 거동으로 기존 연구(Kim et al., 2016)와 마찬가지로 높은 안전율의 전단강도가 측정되었으리라 예상된다.
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