[논문]20db 정착길이를 가지는 SD700 갈고리철근과 확대머리철근의 정착성능 실험

김호영; 심혜정

doi:10.22645/udi.2018.12.30.021

20db 정착길이를 가지는 SD700 갈고리철근과 확대머리철근의 정착성능 실험
Anchorage performance tests of SD700 hooked bar and headed bar with a anchorage length of 20db 원문보기

도시과학= Journal of urban science, v.7 no.2, 2018년, pp.21 - 27

김호영 (영남대학교 건설시스템공학과) , 심혜정 (인천대학교 도시과학대학 건축학과)

Abstract ▼ AI-Helper

With the increase of the skyscraper center, the development of large-diameter and high-strength reinforcing bars is being carried out to solve the dense reinforcement. In case of the steel reinforced concrete with a small cross section such as beam-column joints, the development length becomes short when straight bars are used. Therefore, it is possible to solve the problem that the development length becomes short by using the bearing strength of the hooked bar and headed bar. In this study, the exterior beam-column joint test of SD700 hooked bar and headed bar with anchorage length of 20db was conducted to extend the development length limitation of hooked bar and headed bar. As a result of the evaluation of the anchorage strength using the design equation by KCI, the average of the [measured value]/[predicted value] ratio was 1.31 for the hooked reinforcing bars. In the case of headed bars, the average of the [measured value]/[predicted value] ratio was 1.12. In addition, in order to compare the anchorage performance of the hooked bar and the headed bar, the measured values were divided by the square root of the compressive strength of the concrete to compare the anchorage strength. Under the same conditions, the anchorage strength of headed bars was 8.5% higher than the hooked bars.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Marques and Jirsa(1975)의 갈고리철근 외부 보-기둥 접합부 실험
그림 Figure 2. Chun et al.(2017)의 확대머리철근 외부 보-기둥 접합부 실험
그림 Figure 3. 실험 가력도
표 Table 1. 실험체 목록
그림 Figure 4. 실험체 상세
그림 Figure 5. SD700 철근인장시험 stress-strain 곡선
표 Table 2. 콘크리트 재료시험 결과
표 Table 3. 철근인장강도시험 결과
그림 Figure 6. 측면파열파괴양상
표 Table 4. 외부 보-기둥 접합부 정착강도 실험결과
그림 Figure 7. 콘크리트구조기준에 따른 예측값에 대한 실험값
그림 Figure 7. 갈고리철근과 확대머리철근의 정착강도 비교

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 갈고리철근 및 확대머리철근의 설계기준항복강도 제한을 확장하기 위해 20db의 정착길이를 가지는 700MPa고강도 철근을 사용한 외부 보-기둥 접합부 실험을 수행하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
이 연구에서는 이러한 갈고리철근 및 확대머리철근의 정착길이 설계식의 철근항복강도 제한을 확장하기 위해, 20db의 정착길이를 가지는 SD700 갈고리철근과 확대머리철근의 정착성능 실험을 수행하였다.

제안 방법

갈고리철근 및 확대머리철근의 정착강도는 측면파열파괴 발생 시의 하중 혹은 실험중단 직전의 최대하중을 철근의 단면적으로 나누어 산정하였다. 실험결과는 Table 4에 나타내었다.
갈고리철근과 확대머리철근의 정착성능을 비교하였다. 선행연구에서 갈고리철근과 확대머리철근의 정착강도는 철근지름에 대한 영향이 없는 것으로 나타났기 때문에, D22철근이 배근된 실험체와 D35철근이 배근된 실험체를 함께 분석하였다.
이 실험의 파괴유형인 측면파열파괴만 발생하고 기둥의 전단 및 휨 파괴, 접합부의 전단파괴는 방지하도록 실험체를 설계하였다. 기둥의 높이는 확대머리철근의 콘크리트파괴를 방지하기 위해 접합부의 압축 스트럿이 확대머리를 충분히 구속할 수 있도록 설정하였다. 기둥의 폭은 기둥 높이에서 가력장비인 오일잭 2대가 간섭되지 않도록 설정하였다.
기둥의 전단 및 휨 파괴는 콘크리트구조기준의 최소철근비와 전단강도 설계식에 의해 전단보강철근을 설계하였다. 실험체 상세도는 Figure 4에 나타내었다.
따라서 이 연구에서는 보의 주철근으로 갈고리철근과 확대머리철근을 정착시켜 외부 보-기둥 접합부를 모사한 실험을 수행하였다. 이 실험을 통해 갈고리철근 및 확대머리철근의 정착 성능을 평가하였다.
앞, 뒤로 각각 연결된 두 개의 오일잭은 같은 오일펌프에 연결되어 2개의 철근에는 동일한 인장력이 가해지도록 하였다. 또한 갈고리 및 확대머리의 지압과 부착에 대한 영향을 알아보기 위해 타설 전 확대머리철근의 정착판에서 1d_b를 띄우고 2개씩 변형률 게이지를 부착하였다. 전면과 후면 중 한 쪽의 확대머리철근이 먼저 파괴되면 파괴된 면에 연결된 오일잭의 유압을 차단하고, 파괴되지 않은 면에 인장력을 계속 가하였다.
갈고리철근의 정착길이 산정식의 경우 측면피복두께의 영향이 고려되어 있지 않기 때문에 안전율이 높게 나타났다. 반면 확대머리철근의 경우 측면피복두께의 영향이 고려된 산정식이기 때문에 비교적 정확하게 실험값을 예측하였다.
갈고리철근과 확대머리철근의 정착성능을 비교하였다. 선행연구에서 갈고리철근과 확대머리철근의 정착강도는 철근지름에 대한 영향이 없는 것으로 나타났기 때문에, D22철근이 배근된 실험체와 D35철근이 배근된 실험체를 함께 분석하였다. 실험설계에서는 모든 실험체의 압축강도가 42MPa이었으나, 실제 시험결과는 각 실험체가 모두 다른 압축강도를 가졌기 때문에, 압축강도에 대한 영향을 배제하기 위해 콘크리트구조 기준의 정착길이 설계식을 참고하여 정착강도를 로 나누어 평가하였다.
철근에 직접 인장력을 가하기 위해 보는 타설하지 않았다. 센터 홀 오일잭을 이용하여 철근에 인장력을 가하고 압축영역을 설정하여 인장력과 같은 크기의 압축력을 가해 외부 보-기둥 접합부를 모사하였다.
실험변수는 철근지름, 측면피복두께, 콘크리트 압축강도, 횡 보강근의 유무로 실험결과 측면파열파괴강도에 영향을 주는 요인은 정착길이, 측면피복두께, 횡 보강근이었다. 실험결과를 통해 아래와 같은 확대머리철근의 측면파열파괴 평가식을 제안하였다.
실험변수는 철근의 설계항복강도인 700MPa을 상회하도록 설정하였다. 정착길이를 20db, 콘크리트압축강도 42MPa, 측면피복두께 2db를 기준으로 철근지름은 D22, D35철근을 사용하였다.
선행연구에서 갈고리철근과 확대머리철근의 정착강도는 철근지름에 대한 영향이 없는 것으로 나타났기 때문에, D22철근이 배근된 실험체와 D35철근이 배근된 실험체를 함께 분석하였다. 실험설계에서는 모든 실험체의 압축강도가 42MPa이었으나, 실제 시험결과는 각 실험체가 모두 다른 압축강도를 가졌기 때문에, 압축강도에 대한 영향을 배제하기 위해 콘크리트구조 기준의 정착길이 설계식을 참고하여 정착강도를 로 나누어 평가하였다.
정착시킨 철근은 유니버셜 커플러를 이용해 동일 지름을 가진 강봉과 연결한 후 센터 홀 오일잭으로 인장력을 가하였고,센터 홀 오일잭에 로드셀을 연결하여 작용되는 하중값을 얻었다. 앞, 뒤로 각각 연결된 두 개의 오일잭은 같은 오일펌프에 연결되어 2개의 철근에는 동일한 인장력이 가해지도록 하였다. 또한 갈고리 및 확대머리의 지압과 부착에 대한 영향을 알아보기 위해 타설 전 확대머리철근의 정착판에서 1d_b를 띄우고 2개씩 변형률 게이지를 부착하였다.
따라서 이 연구에서는 보의 주철근으로 갈고리철근과 확대머리철근을 정착시켜 외부 보-기둥 접합부를 모사한 실험을 수행하였다. 이 실험을 통해 갈고리철근 및 확대머리철근의 정착 성능을 평가하였다. 콘크리트구조기준(KCI, 2012)의 철근항복강도 제한을 확장하기 위해 SD700 철근을 사용하였다.
이 실험의 파괴유형인 측면파열파괴만 발생하고 기둥의 전단 및 휨 파괴, 접합부의 전단파괴는 방지하도록 실험체를 설계하였다. 기둥의 높이는 확대머리철근의 콘크리트파괴를 방지하기 위해 접합부의 압축 스트럿이 확대머리를 충분히 구속할 수 있도록 설정하였다.
Figure 1과 같이 갈고리철근을 보의 주철근으로 기둥에 정착한 후, 센터 홀 오일잭(D)을 이용하여 철근에 인장력을 가하였다. 이러한 인장력과 같은 힘의 압축력을 프레임(E)을 통해 설정하여 외부 보-기둥 접합부를 모사하였다.
또한 갈고리 및 확대머리의 지압과 부착에 대한 영향을 알아보기 위해 타설 전 확대머리철근의 정착판에서 1d_b를 띄우고 2개씩 변형률 게이지를 부착하였다. 전면과 후면 중 한 쪽의 확대머리철근이 먼저 파괴되면 파괴된 면에 연결된 오일잭의 유압을 차단하고, 파괴되지 않은 면에 인장력을 계속 가하였다. 고강도 철근을 사용하여 높은 인장력이 유발되기 때문에, 실험 중 철근이 파단되면 매우 위험하다.
Figure 3과 같이 Marques and Jirsa(1975)의 실험방법과 동일한 방법으로 3,000kN용량의 센터 홀 오일잭 2대를 이용하여 확대머리철근에 직접인장력을 가하였다. 정착시킨 철근은 유니버셜 커플러를 이용해 동일 지름을 가진 강봉과 연결한 후 센터 홀 오일잭으로 인장력을 가하였고,센터 홀 오일잭에 로드셀을 연결하여 작용되는 하중값을 얻었다. 앞, 뒤로 각각 연결된 두 개의 오일잭은 같은 오일펌프에 연결되어 2개의 철근에는 동일한 인장력이 가해지도록 하였다.
콘크리트구조기준(KCI, 2012)의 철근항복강도 제한을 확장하기 위해 SD700 철근을 사용하였다. 철근의 항복강도인 700MPa을 상회하도록 실험변수를 구성하였다.
콘크리트 압축강도실험은 외부 보-기둥 접합부 실험 직후 실시하였다. 실험결과는 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

3MPa이었다. 각 실험체의 탄성계수는 갈고리 철근 D22-series가 21,825MPa, D35-series가 19,199MPa, 확대머리철근 실험체는 14,685MPa이었다.
실험변수는 철근의 설계항복강도인 700MPa을 상회하도록 설정하였다. 정착길이를 20db, 콘크리트압축강도 42MPa, 측면피복두께 2db를 기준으로 철근지름은 D22, D35철근을 사용하였다. 콘크리트구조기준(KCI, 2012)의 갈고리 및 확대 머리철근의 정착길이 설계식과 Chun et al.

데이터처리

각 실험결과를 현행 콘크리트구조기준의 정착길이 산정식으로 계산한 예측값과 비교하였다. 갈고리철근의 경우 [실험값]/[예측값] 비율의 평균은 1.

이론/모형

콘크리트구조기준(KCI, 2012)의 갈고리 및 확대 머리철근의 정착길이 설계식과 Chun et al.(2017)의 확대머리철근 측면파열파괴강도 평가식을 이용하여 예상강도를 산정하였다. Table 1에 실험체 목록과 예상강도를 나타내었다.
접합부의 전단파괴를 방지하기 위해 ACI 352R-02의 접합부 전단강도 식(식 (4))에 따라 전단강도를 산정하고, 횡 방향 철근의 단면적 산정식(식 (5), (6))중 작은 값의 식에 따라 접합부에 전단철근을 배근하였다.
이 실험을 통해 갈고리철근 및 확대머리철근의 정착 성능을 평가하였다. 콘크리트구조기준(KCI, 2012)의 철근항복강도 제한을 확장하기 위해 SD700 철근을 사용하였다. 철근의 항복강도인 700MPa을 상회하도록 실험변수를 구성하였다.

성능/효과

1) 대부분의 실험체에서 높은 강도가 발현되어, 안전을 위해 사용된 철근의 실제 항복강도가 발현되면 실험을 중단하였다.
2) 콘크리트구조기준의 정착길이 산정식을 정착강도 식으로 역산하여 평가한 결과, 갈고리철근의 경우 [실험값]/[예측값] 비율의 평균은 1.31, 확대머리철근의 경우 [실험값]/[예측값] 비율의 평균은 1.12로 나타났다. 콘크리트구조기준의 1.
3) 확대머리철근은 모든 실험체에서 안전을 위해 가력을 중단하였기 때문에 비교적 낮은 안전율을 가지는 것으로 나타났다.
4) 갈고리철근과 확대머리철근의 정착성능을 비교하기 위해, 실험값을 콘크리트 압축강도의 제곱근으로 나누어 정착강도를 비교한 결과, 동일조건에서 확대머리철근 정착 실험체는 갈고리철근 정착에 비해 정착강도가 평균 8.5% 향상되었다.
확대머리철근은 갈고리철근보다 약간 더 높은 정착강도q가 발현되었다. 동일조건에서 확대머리철근 정착 실험체는 갈고리철근 정착에 비해 정착강도가 평균 8.5% 향상되었다.
Chun et al.(2017)의 확대머리철근 외부 보-기둥 접합부 실험

실험변수는 철근지름, 측면피복두께, 콘크리트 압축강도, 횡 보강근의 유무로 실험결과 측면파열파괴강도에 영향을 주는 요인은 정착길이, 측면피복두께, 횡 보강근이었다. 실험결과를 통해 아래와 같은 확대머리철근의 측면파열파괴 평가식을 제안하였다.
현행설계기준인 콘크리트구조기준(KCI, 2012)과 실험결과를 비교한 결과, 갈고리철근과 확대 머리철근 모두 현행설계기준에 SD700철근을 사용하여도 안전한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확대머리철근이란?	확대머리철근은 갈고리철근의 단점을 보완하기 위해 갈고리를 생략하고 철근 단부에 정착판을 부착한 철근으로 갈고리철근 정착길이의 80%로 규정되어있다.
	대구경 및 고강도 철근의 개발의 개발 목적은?	초고층 건축물이 증가하면서, 철근 밀집 부위의 과밀배근을 해소하기 위해 대구경 및 고강도 철근의 개발이 이루어지고 있다.
	철근 밀집 부위에서 정착 길이가 부족해지는 문제를 해결하는 방법은?	슬래브-벽체 접합부, 보-기둥 접합부와 같은 작은 단면의 철근 밀집 부위에서는 직선철근을 사용할 경우, 정착길이가 부족해진다. 이러한 경우, 갈고리철근 및 확대머리철근과 같이 지압에 의한 정착을 이용하면 정착길이가 부족해지는 문제를 해결할 수 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
Chun, S. C., Choi, C. S., Jung, H. S., (2017) Side-Face Blowout Failure of Large-Diameter High-Strength Headed Bars in Beam-Column Joints. ACI Structural Journal. 114(1). 1-12.
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KS D 3504: (2016), "Steel Bars for Concrete Reinforcement", Korean Agency for Technology and Standards, 2016, 31
Marques, J. L. G. and Jirsa, J. O., (1975), "A Study of Hooked Bar Anchorages in Beam-Column Joints", ACI Journal, Proceedings, 72(5), 198-209.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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