[논문]고강도 철근용 충전형 기계적 이음장치 개발 연구

이성수; 전호민

doi:10.5762/kais.2018.19.12.686

고강도 철근용 충전형 기계적 이음장치 개발 연구
Development of Filler Type Mechanical Splice for High Strength Re-bar 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.686 - 693

이성수 (군산대학교 건축해양건설융합공학부) , 전호민 (초당대학교 건축학과)

초록
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철근 콘크리트 구조물에 다양한 종류의 철근 이음 방법이 개발되고 이를 현장에서 적용하여 왔다. 지난 여러 연구들에 따르면 철근의 직경이 굵어지고 철근의 강도가 커질 경우, 원가 효율 면에서 기계적 이음이 겹침이음보다 상대적으로 우수한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 철근 콘크리트 구조물의 고강도 철근(SD600)에 대한 에폭시 충전형 기계적 이음장치를 제시하고 실험을 실시하였다. 이형 철근을 원형 튜브형 강재로 된 커플러에 삽입하고 고강도 에폭시 충전재를 커플러 안으로 주입하면 커플러 안에서 충전재가 경화되면서 이음 장치가 구성된다. 에폭시의 압축강도, 커플러의 길이, 철근의 지름 등에 따른 에폭시 충전형 기계적 이음장치에 대한 일방향 인장시험을 수행하였으며, 실험체의 파괴하중 및 파괴 양상을 관찰하였다. 실험 결과, 실험체의 실제 파괴하중은 에폭시 충전재의 예상 파단 내력의 약 2배 이상으로 나타나 강재 커플러의 구속으로 인하여 경화 에폭시 충전재의 파괴하중이 크게 증가했다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various types of re-bar splicing methods have been developed and applied to reinforced concrete (RC) structures in the field. According to previous studies, the coupler splice is relatively superior to the lap splice in terms of cost efficiency when the diameter or strength of the re-bar is larger or higher. This study was performed to develop a filler type mechanical splice for a high-strength re-bar (SD600) in reinforced concrete structures. The deformed re-bars were inserted into a circular steel tube coupler and high-strength epoxy filler was then injected into the coupler. The splice system was completed by hardened filler in a coupler. The epoxy filler was used as the manufactured production epoxy to conduct experiments of filler type mechanical splice specimens, and to observe the failure loads and failure aspects of the specimens. For this goal, the experiment of one-way tensile test was conducted for the epoxy filler type mechanical splices specimens according to the compressive strength of epoxy, length of coupler, and diameter of re-bar. The shape of failure of the re-bar coupler splice showed that the re-bars were pulled between the lugs of the re-bars as a result of the shear fracture of the hardened epoxy. The actual failure load of the experiment specimen was approximately 2 times higher than the expected failure load of the epoxy filler, which greatly improves the failure load of the hardening epoxy filler due to the restraint of the steel coupler.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Type of re-bar splices
표 Table 2. Re-bar(SD400*) cost for lap splice
표 Table 3. Re-bar(SD500*) cost for lap splice
표 Table 4. Re-bar(SD600*) cost for lap splice
그림 Fig. 1. Filler type mechanical splice mechanism (a) Filler type mechanical splice mechanism (b) Shear resistance
그림 Fig. 2. Specification of Couplers
그림 Fig. 3. Specimen of Couplers
그림 Fig. 4. Epoxy filler
표 Table 5. Specification of couplers
표 Table 6. Specification of epoxy filler
그림 Fig. 5. Rubber Tube
그림 Fig. 6. UTM and Specimen of Mechanical Splice
그림 Fig. 7. Comparison of failure loads
표 Table 7. Result of experiments
그림 Fig. 8. Failure of filler type mechanical splice (a) Specimen No. 1(C142-1.5-26) (b) Total specimen
표 Table 8. Coupler Length and Expected Compressive Strength of Epoxy

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 고강도 철근(D600)의 기계적 이음에 대한 대안으로 에폭시를 충전재로 사용하는 충전형 기계적 이음장치를 제안하고, 이에 대한 개발 가능성을 확인하고자 하여 기초적인 실험연구를 수행하였으며 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구는 에폭시의 고강도성, 침투 충전성, 낮은 재료비, 24시간 이내의 경화시간 등에 착안하여 에폭시를 충전재로 이용하는 새로운 충전형 기계적 이음장치를 제안하는 것이다.
본 연구는 충전형 기계적 이음장치의 충전재로 에폭시를 활용하는 방법에 대한 연구라는데 기연구와 차별성이 있다고 할 수 있다.
본 연구에서는 커플러에 고강도 충전재를 주입하고, 경화된 충전재가 철근이음 내력을 확보하는 원리의 기계적 이음장치를 제안하고, 기술적 가능성을 확인하고자 한다.
이러한 추세에 따라 철근의 기계적이음에 대한 수요가 급증할 것이므로 SD600 강도 이상의 철근에 사용할 수 있는 새로운 기계적 이음장치를 개발하고자 하는 것이 본 연구의 목표이다.
즉, 실용 가능하고 경제적인 범위에서 에폭시 충전재의 강도를 높이고, 경제성이 확보되는 커플러의 길이를 결정하는 것이 본 이음체 개발의 최종적인 목표가 될 것으로 판단된다.

제안 방법

200 ton UTM에서 실시하는 에폭시 충전형 커플러 이음체에 대한 최초 실험으로서 기술적 개념의 가능성을 확인하기 위한 실험이기 때문에 일방향 인장실험만 실시하였다. 주입된 에폭시의 예상 파단내력과 실험체 파괴 하중을 비교하여 경화 에폭시에 대한 커플러의 구속효과를 확인하였으며, 이에 따라 실험의 주요 관찰 사항은 실험체별 파괴하중과 파괴된 실험체의 파괴 양상이다.
경화된 고강도 충전재를 사용한 커플러형 기계적 이음장치를 개발하고 그 효과를 확인하기 위하여 기계적 이음체의 KS규준(KS D 0249;철근 콘크리트용 봉강의 기계식 이음의 검사 방법)의 판정식 중에서 일방향 인장 실험을 실시하였다. 인장실험을 통해 시험편의 파괴 양상과 파괴하중을 파악하였다.
본 연구에서 고안하는 기계적 이음장치는 원형강관 형태의 커플러에 이형철근을 삽입하고, 커플러 내부에 충전재를 주입하여 충전재가 경화됨으로서 철근의 이음 기구가 완성되는 시스템이다. 철근의 단부를 나사로 가 공할 필요도 없고, 나사체결 공정 등이 없으므로 기존의 기계적이음 방법에 비하여 공정이 단순하고 경제적인 철근 이음방법이다.
커플러의 길이가 길어진다는 것은 S2(커플러 내부 마디의 간격)의 개수가 증가한다는 것을 의미한다고 볼 수 있다. 이에 T2(커플러 내부 마디 높이)와 S2의 길이에 대한 효과를 분석하였다. Table 7과 Fig.
경화된 고강도 충전재를 사용한 커플러형 기계적 이음장치를 개발하고 그 효과를 확인하기 위하여 기계적 이음체의 KS규준(KS D 0249;철근 콘크리트용 봉강의 기계식 이음의 검사 방법)의 판정식 중에서 일방향 인장 실험을 실시하였다. 인장실험을 통해 시험편의 파괴 양상과 파괴하중을 파악하였다.
200 ton UTM에서 실시하는 에폭시 충전형 커플러 이음체에 대한 최초 실험으로서 기술적 개념의 가능성을 확인하기 위한 실험이기 때문에 일방향 인장실험만 실시하였다. 주입된 에폭시의 예상 파단내력과 실험체 파괴 하중을 비교하여 경화 에폭시에 대한 커플러의 구속효과를 확인하였으며, 이에 따라 실험의 주요 관찰 사항은 실험체별 파괴하중과 파괴된 실험체의 파괴 양상이다. Fig.

대상 데이터

커플러 단부의 에폭시 실링용으로 커플러 외경과 철근 직경을 모두 감쌀 수 있는 충분한 연성 및 탄성을 갖고, 충전재의 누출 방지에 충분한 수축탄성을 가지며, 작업 중 파열되지 않는 수준의 두께를 가져야 한다. 본 연 구에서는 종이를 넘기는 데 사용하는 골무를 고무 튜브 용도로 사용하였으며 Fig. 5와 같다.
3은 커플러 시험체 모습을 나타낸다. 커플러는 S45C( F_y= 350MPa F_u= 550~580 MPa) 강관을 사 용하고, 철근의 인장 파단 내력 이상인 강도로 단면을 설계한다.

성능/효과

1) 에폭시 충전재 철근이음체의 파괴 양상은 철근의 마디와 마디 사이에서 경화 에폭시의 전단파괴로 철근이 뽑히는 형태로 나타났다. 본 실험결과에 따른 경향을 보면 커플러 내부 마디의 높이와 간격이 충전재의 전단저항성능에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 커플러 길이가 동일할 경우 커플러 내부의 마디 간격이 작은 것에서 충전재의 전단저항성능이 더 크게 나타났다.
2) 철근 이음체를 구성하는 경화 에폭시의 예상 파단 내력에 비하여 실험체의 실제 파괴하중이 2.15배 이상 높게 나타났으며, 이것은 강재 커플러에 의한 구속효과로 인해 경화 충전재의 파단내력이 매우 크게 향상된 것으로 확인되었다.
3) 에폭시 충전재 철근이음 실험체의 파괴하중은 SD600-D19 철근의 기계적이음 소요내력(목표하중)인 215.25kN을 만족시키지는 못하였으나 커플러의 길이에 따라 96-201kN으로 나타나서 커플러의 길이를 증가시킨다면 기계적이음의 요구수준을 만족시킬 수 있을 것으로 확인되었다. 그러나 커플러의 길이는 경제성과 시공성에 직결되는 요인이므로 이후 연구에서는 경제적인 길이로 커플러를 설계하면서 이음체의 소요내력을 확보할 수 있는 보다 높은 강도의 충전재를 확보하는 것이 우선적으로 필요한 것으로 검토되었다.
8(a)와 같이 철근의 마디와 마디 사이에서 경화 에폭시의 전단파괴로 철근이 뽑히는 것으로 나타났다. D19 철근이음체에 대한 경화 에폭시의 예상 파단내력은 C142의 경우 44.6kN, C198 의 경우 62.2kN, C254의 경우 79.7kN으로 계산되었으나 실험 결과는 이보다 2.15배 이상의 높은 파괴하중에서 경화 에폭시의 전단파괴에 의하여 철근이 뽑히는 것으로 나타났다. 강재 커플러에 의한 구속효과로 경화 에폭시의 파단내력이 매우 크게 향상된 것으로 추정할 수 있다.
이에 T2(커플러 내부 마디 높이)와 S2의 길이에 대한 효과를 분석하였다. Table 7과 Fig. 7에서 확인할 수 있듯이 C145 시험체군에서는 No 3 시험체(T2:1.0mm, S2:12mm)가 No 1, No 2 시험체(T2:1.5mm, S2:26mm)보다 파괴하중이 증가한 것으로 나타났으며, C198 시험체군에서도 No 6 시험체(T2:1.0mm와 S2:12mm)가 No 4, No 5 시험체(T2:1.5mm, S2:26mm)보다 파괴하중이 증가한 것으로 나타났다. 다만 C254 시험체군에서는 No 9시험체(T2:1.
1) 에폭시 충전재 철근이음체의 파괴 양상은 철근의 마디와 마디 사이에서 경화 에폭시의 전단파괴로 철근이 뽑히는 형태로 나타났다. 본 실험결과에 따른 경향을 보면 커플러 내부 마디의 높이와 간격이 충전재의 전단저항성능에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 커플러 길이가 동일할 경우 커플러 내부의 마디 간격이 작은 것에서 충전재의 전단저항성능이 더 크게 나타났다. 따라서 전체 커플러의 길이를 결정하는 데 커플러 내부 마디의 간격이 주요 변수가 될 것으로 판단된다.
3kN으로 증가하고 있다. 본 연구의 이음체는 소요내력에 미치지 못하였으나 커플러의 길이를 길게 설계하면 충전재의 전단파단 내력이 증가하게 되어 소요내력을 상회할 수 있음을 보여주고 있다.
예비시험 성격의 본 실험결과에 따른 경향을 보면 T2(커플러 내부 마디 높이)와 S2(커플러 내부 마디 간격)이 충전재의 전단저항성능에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 커플러의 길이가 동일할 경우 내부의 마디 간격이 작은 것에서 더 큰 전단저항성능을 나타내 었다. 따라서 사용 철근의 마디 간격에 따른 충전재의 전단저항성능 영향 및 커플러 내부 마디의 최적 간격은 추후 연구를 통해 확인할 필요가 있다고 판단된다.
즉, 커플러에 의한 기계적이음이 겹침이음 보다 시공단가가 낮아지는 구간이다. 철근의 강도가 높아질수록 겹침이음 길이가 길어지므로 커플러에 의한 기계적이음의 경제성이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 600MPa를 상회하는 초고강도 철근을 사용하는 경우에 는 대부분의 경우에 기계적 이음이 겹침이음보다 경제적임을 확인할 수 있다.
추론 파괴하중을 시험결과의 최소 파괴하중과 비교하였을 때 오차가 5~11% 나타났다. 이것은 시험체의 최소 파괴하중은 다른 시험체의 조건이 동일하다는 전제하에 커플러의 길이에 비례한다고 할 수 있을 것이다.

후속연구

4) 따라서 본 실험에서 사용한 중간 커플러 길이인 198mm의 경우 적용한 에폭시 충전재의 강도에 비해 1.17배~1.51배 이상 높은 재료를 확보하는 것이 향후 추가 연구의 핵심이 될 것으로 판단되며 24시간 내에 50% 이상의 경화 강도를 확보할 수 있는 충전재 재료의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
25kN을 만족시키지는 못하였으나 커플러의 길이에 따라 96-201kN으로 나타나서 커플러의 길이를 증가시킨다면 기계적이음의 요구수준을 만족시킬 수 있을 것으로 확인되었다. 그러나 커플러의 길이는 경제성과 시공성에 직결되는 요인이므로 이후 연구에서는 경제적인 길이로 커플러를 설계하면서 이음체의 소요내력을 확보할 수 있는 보다 높은 강도의 충전재를 확보하는 것이 우선적으로 필요한 것으로 검토되었다.
예비시험 성격의 본 실험결과에 따른 경향을 보면 T2(커플러 내부 마디 높이)와 S2(커플러 내부 마디 간격)이 충전재의 전단저항성능에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 커플러의 길이가 동일할 경우 내부의 마디 간격이 작은 것에서 더 큰 전단저항성능을 나타내 었다. 따라서 사용 철근의 마디 간격에 따른 충전재의 전단저항성능 영향 및 커플러 내부 마디의 최적 간격은 추후 연구를 통해 확인할 필요가 있다고 판단된다. 이는 전체 커플러의 길이를 결정하는 주요 변수가 될 것이기 때문이다.
커플러 내부에서 경화된 에폭시는 커플러 내부마디 또는 철근의 마디 사이에서 전단 파단하는 극한 하중 상태에서 전단의 직교방향으로 강재 커플러에 의해 강하게 구속되어 있으므로 파괴강도가 높아진다. 즉, 에폭시의 재료적 전단강도 보다 매우 높은 전단내력 향상 효과가 있을 것으로 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무수축모르타르의 단점은?	충전재를 이용한 기존의 기계적 이음장치는 주로 무수축모르타르나 용융금속을 사용한 것이 주를 이루고 있 다. 그러나, 무수축모르타르는 입자의 크기와 충전성 문 제로 충전재가 채워지는 내부 공극을 크게 설계해야 해서 커플러 전체 외경이 철근 직경의 3배 내외가 되는 단점과 경화시간이 오래 걸리는 단점이 있고, 용융금속을 사용하는 방법은 금속가루와 화약을 사용하는 것으로서 가격이 비싸고 건설현장에 일반화되지 못하였다.
	철근의 기계적이음에 대한 수요가 급증할 것으로 예상되는 이유는?	수년 전만 해도 철근의 강도는 SD400이 일반적이었 으나 최근에 들어 SD500 이상의 철근으로 설계되는 경우가 증가하고 있고, 구조기준도 SD600 강도의 철근까 지 사용이 가능하게 개정되었으므로 SD600 철근을 사용한 설계도 빈번해지고 있다.
	철근콘크리트 구조에서 철근의 이음은 어떠한 방식을 사용하는가?	철근콘크리트 구조에서 철근의 이음은 일반적으로 겹침이음을 사용하고, 대구경 철근 또는 특수한 경우에 기계적이음을 사용한다. 철근의 강도가 높거나 대구경인 경우는 철근이 부담해야 할 응력이 커지게 되어 겹침길이가 증가하고, 이는 철근비용의 증가와 과밀배근을 초래하므로 철근이 고강도일수록, 대구경일수록 겹침이음보다 기계적이음을 선호하게 된다.

참고문헌 (14)

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https://civilsnapshot.com/
http://www.semyeong.net/
http://blog.naver.com/PostList.nhn?blogIdyonwoobm
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S. Kim, Experimental study on the mechanical performance of the joint Structure Grout rechargeable, Master Dissertation, p7, Dongshin University, 2013.
S. S. Lee, "A Base Study on Filling Material of Filler-Type Mechanical Splice for Steel Rebars", Proceedings of the Architectural Institute of Korea Academic Conference, pp.738-739, fall 2017.

저자의 다른 논문 :

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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