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문제 정의
- 단면확대 보강공법에서 보조띠철근으로 배근되는 V-타이의 형상을 제시하기 위한 실험을 수행하였다. 부착강도 향상을 위한 V-타이의 형상은 단부가 압착된 P형, 단부가 절곡된 B형, 구멍이 천공된 판형의 T형 및 홈이 가공된 판형의 R형을 사용하였다.
- 한편, 단면 확대보강 기둥에서 보강단면의 두께는 V-타이의 소요 묻힘길이 보다 적을 수 있다. 따라서 이 연구의 목적은 단면 확대보강 기둥의 내진성능을 향상시키기 위한 보강단면에서 보조띠철근으로써 V-타이를 배근할 경우 V-타이의 묻힘길이를 감소시킬 수 있는 형상을 제시하는 것이다. 주요 실험변수는 V-타이의 형상, 묻힘 길이, 콘크리트 피복두께 및 콘크리트 압축강도를 선택하였다.
- 이 연구의 목적은 기존 철근콘크리트 기둥의 내진보강을 위한 단면 확대보강공법에서 보조 띠철근으로써 배근할 수 있는 V-타이의 상세를 제시하는 것이다. 모두 24개의 직접 인발실험체에서 V-타이의 역학적 거동을 고려한 부착강도 관점에서 선택한 주요 변수는 V-타이의 형상, 묻힘길이 및 콘크리트 강도이다.
가설 설정
- V-타이는 인발철근으로부터 받는 인장력에 대해 콘크리트 내부에서 콘크리트와의 부착력으로 저항한다. 이때 V타이에 발생하는 부착응력(rb)은 V-타이의 표면에서 균등하게 분배된다고 가정하였으며[13], V-타이의 형상을 고려하여 다음 식과 같이 산정할 수 있다.
제안 방법
- 물-시멘트 비는 보통강도와 고강도에서 각각 60% 및 32%였다. 고강도 콘크리트 배합에서는 유동성 확보를 위해서 폴리카르본산계 감수제를 시멘트 대비 1% 첨가하였다. 콘크리트 압축강도 시험용 공시체는 부착 실험체 제작과 함께 타설하였으며, Φ100 × 200mm 공시체를 제작하였다.
- 모두 24개의 직접 인발실험체에서 V-타이의 역학적 거동을 고려한 부착강도 관점에서 선택한 주요 변수는 V-타이의 형상, 묻힘길이 및 콘크리트 강도이다. 다양한 상세를 갖는 V-타이의 부착강도는 일반 V-타이의 부착강도 및 CEB-FIP 제안식과 비교하였다. 그 결과 보강단면의 두께가 기존 V-타이의 묻힘 길이[= max(75mm, 6db)]보다 적은 기둥의 경우 단부 압착형의 V-타이가 보조 띠철근로 추천될 수 있었는데, 여기서 db는 V-타이로 사용된 철근의 직경이다.
- 따라서 이 연구의 목적은 단면 확대보강 기둥의 내진성능을 향상시키기 위한 보강단면에서 보조띠철근으로써 V-타이를 배근할 경우 V-타이의 묻힘길이를 감소시킬 수 있는 형상을 제시하는 것이다. 주요 실험변수는 V-타이의 형상, 묻힘 길이, 콘크리트 피복두께 및 콘크리트 압축강도를 선택하였다. 측정된 부착강도는 CEB-FIP 설계 기준[10]과의 비교를 통하여 그 안전성을 평가하였다.
대상 데이터
- T형과 R형 V-타이를 사용한 실험체를 제외한 모든 실험체에서 V-타이는 SD400의 직경 10mm 이형철근을 사용하였다. V-타이의 절곡지점에는 가력을 위한 철근을 용접하였으며, 이는 V-타이의 부착파괴보다 선행파괴 되지 않도록 SD600의 직경 16mm 이형철근을 사용하였다.
- T형과 R형 V-타이를 사용한 실험체를 제외한 모든 실험체에서 V-타이는 SD400의 직경 10mm 이형철근을 사용하였다. V-타이의 절곡지점에는 가력을 위한 철근을 용접하였으며, 이는 V-타이의 부착파괴보다 선행파괴 되지 않도록 SD600의 직경 16mm 이형철근을 사용하였다. 실험체에서 콘크리트의 폭과 깊이는 모두 150mm이며, 너비는 V-타이 양쪽단부에서 75mm의 콘크리트 피복을 확보할 수 있도록 설계하였다.
- 단면확대 보강공법에서 보조띠철근으로 배근되는 V-타이의 형상을 제시하기 위한 실험을 수행하였다. 부착강도 향상을 위한 V-타이의 형상은 단부가 압착된 P형, 단부가 절곡된 B형, 구멍이 천공된 판형의 T형 및 홈이 가공된 판형의 R형을 사용하였다. 다양한 형상을 갖는 V-타이의 직접 인발실험 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그룹 I은 V-타이에서 비 절곡 다리(leg)부분만의 부착거동을 평가하기 위한 실험체이며, 그룹 II은 보조 띠철근으로써 V-타이의 배근을 고려하여 V-타이 전체가 콘크리트 속에 매립된 부착 실험체이다. 실험체는 주요변수에 따라 각각 3개씩 제작하였다. 기존 V-타이(C형)는 기존연구[9]에서 제시된 절차에 따라 45°의 절곡 각도와 1.
- 그룹 II에서 콘크리트에는 피복두께를 확보하기 위하여 V-타이 이외에도 인발을 위한 철근을 매립하고 PVC관을 삽입하여 콘크리트와 완전 비부착을 형성하였다. 실험체에 타설된 콘크리트는 보통강도와 고강도 콘크리트 범주에 해당하는 27MPa와 60MPa로 설계하였다.
- V-타이의 절곡지점에는 가력을 위한 철근을 용접하였으며, 이는 V-타이의 부착파괴보다 선행파괴 되지 않도록 SD600의 직경 16mm 이형철근을 사용하였다. 실험체에서 콘크리트의 폭과 깊이는 모두 150mm이며, 너비는 V-타이 양쪽단부에서 75mm의 콘크리트 피복을 확보할 수 있도록 설계하였다. 즉, 묻힘길이가 0.
- 굵은 골재 최대치수는 25mm를 사용하였다. 잔골재는 해사를 사용하였다. 물-시멘트 비는 보통강도와 고강도에서 각각 60% 및 32%였다.
- 실험체에서 콘크리트의 폭과 깊이는 모두 150mm이며, 너비는 V-타이 양쪽단부에서 75mm의 콘크리트 피복을 확보할 수 있도록 설계하였다. 즉, 묻힘길이가 0.5ldb, 0.75ldb 및 1.0ldb인 실험체에서 콘크리트 너비는 각각 220mm, 234mm 및 248mm이다.
- 측정은 각 강도에서 3개의 공시체를 인발실험 직전에 수행하였으며, 평균값을 사용하였다. 측정된 압축강도는 보통강도 및 고강도 콘크리트에서 각각 26.7MPa와 61.8MPa였다.
- 콘크리트 압축강도 시험용 공시체는 부착 실험체 제작과 함께 타설하였으며, Φ100 × 200mm 공시체를 제작하였다.
데이터처리
- 주요 실험변수는 V-타이의 형상, 묻힘 길이, 콘크리트 피복두께 및 콘크리트 압축강도를 선택하였다. 측정된 부착강도는 CEB-FIP 설계 기준[10]과의 비교를 통하여 그 안전성을 평가하였다. 결과적으로 기존 V-타이와의 비교를 통해 보강단면의 두께가 기존 V-타이의 묻힘 길이보다 적은 경우에 적용할 수 있는 V-타이의 상세를 제시하였다.
- 콘크리트 압축강도 시험용 공시체는 부착 실험체 제작과 함께 타설하였으며, Φ100 × 200mm 공시체를 제작하였다. 측정은 각 강도에서 3개의 공시체를 인발실험 직전에 수행하였으며, 평균값을 사용하였다. 측정된 압축강도는 보통강도 및 고강도 콘크리트에서 각각 26.
이론/모형
- 부착강도 측정을 위한 실험체의 가력 및 측정상세는 Figure 5에 나타내었다. 콘크리트 부착강도 인발실험은 KSF 2441[12]를 참고하여 수행하였다. 가력은 500kN 용량의 UTM(universal testing machine)을 사용하였으며, 0.
성능/효과
- 1) V-타이의 비 절곡 다리부분의 부착거동을 평가하기 위한 실험체와 40mm의 피복두께를 확보한 보통강도 콘크리트 실험체에서 강판이 선행 파괴된 T형 실험체를 제외한 모든 실험체는 콘크리트 쪼갬으로 파괴되었으며, V-타이는 실험체의 파괴 시까지 뽑힘이 발생하지 않았다.
- 2) 피복두께를 고려하지 않은 그룹 I 실험체에서 묻힘길이가 0.75ldb인 P형 V-타이의 최대 인발하중은 묻힘길이의 감소에도 불구하고 단부의 효율적인 정착으로 인해 기존 C형 V-타이보다 보통강도와 고강도 콘크리트에서 각각 3%와 12% 높았다.
- 3) 보조 띠철근으로써 V-타이의 거동을 고려하여 40mm의 피복두께를 확보한 보통강도 콘크리트 실험체에서 P-0.75-N는 기존 V-타이를 사용한 실험체보다 동등이상의 최대 인발하중을 나타내었다.
- 4) R-0.75-N과 R-0.75-H 실험체를 제외한 모든 그룹 II 실험체의 부착강도는 CEB-FIP 설계기준의 예측값 보다 높았으며, 이는 제시된 단부 압착형(P형)의 V-타이의 부착강도가 묻힘길이가 1.0ldb보다 작은 경우에도 안전 측에 있음을 의미한다.
- 5) 결과적으로 보강단면의 두께가 기존 V-타이의 묻힘 길이보다 적은 기둥의 경우 단부 압착형(P형)의 V-타이가 보조 띠철근으로써 추천될 수 있었다.
- 측정된 부착강도는 CEB-FIP 설계 기준[10]과의 비교를 통하여 그 안전성을 평가하였다. 결과적으로 기존 V-타이와의 비교를 통해 보강단면의 두께가 기존 V-타이의 묻힘 길이보다 적은 경우에 적용할 수 있는 V-타이의 상세를 제시하였다.
- 보통강도 콘크리트의 동일한 묻힘길이에서 부착강도는 P형 실험체에서 가장 크게 나타났으며, 기존 C형보다 각각 약 26% 높았다. 고강도 콘크리트에서는 P-0.5-H, P-0.75-H 및 B-0.75-H 실험체가 기존 V-타이를 사용한 실험체보다 각각 43%, 44% 및 30% 높았다. 묻힘길이가 부착강도에 미치는 영향은 거의 없었다.
- Figure 9에서 Pmax보다 5% 이상 작은 값은 나타내지 않았는데, 이는 C형 V-타이를 이용한 실험체보다 현저하게 적은 값을 갖는 실험체는 실무적으로 의미가 없기 때문이다. 그룹 I 실험체에서 최대 인발하중은 고강도 콘크리트에서 보통 콘크리트보다 평균적으로 약 39% 증가하였다. 모든 콘크리트 강도에서 최대 부착하중은 묻힘길이가 0.
- 그룹 II 실험체는 콘크리트 피복두께의 증가로 인해 동일한 형상을 가진 그룹 I 실험체보다 약 61∼97% 높은 최대 인발하중을 나타내었다. 그룹 II 실험의 보통강도 콘크리트에서 묻힘길이가 0.75ldb인 실험체의 최대 인발하중은 ldb의 증가로 인해 0.5ldb인 실험체보다 약 20% 높았다. 반면에 고강도 콘크리트에서 묻힘길이가 최대 인발하중에 미치는 영향은 매우 미미하였는데, 이는 고강도 콘크리트를 타설한 그룹 II 실험체들이 대부분 V-타이의 파단으로 인해 파괴되었기 때문이다.
- 그룹 II 실험체는 콘크리트 피복두께의 증가로 인해 동일한 형상을 가진 그룹 I 실험체보다 약 61∼97% 높은 최대 인발하중을 나타내었다.
- 그룹 II 실험체에서 묻힘길이가 0.5ldb인 P형의 부착강도는 콘크리트 강도와 상관없이 다른 형상의 V-타이보다 높았는데, 그 차이는 보통강도 콘크리트에서 더 컸다. 콘크리트 강도가 증가함에 따라서 C형과 P형의 부착강도는 비슷하거나 약 10% 증가하였다.
- 그룹 II 실험체에서는 묻힘길이가 0.75ldb인 R형 실험체를 제외한 모든 실험체의 부착강도가 예측값보다 높았는데, 특히 P형 V-타이는 보통강도와 고강도 콘크리트에서 예측값 보다 적어도 각각 107% 및 32% 높은 부착강도를 나타내었다. 또한 묻힘길이가 0.
- 0보다 현저히 작은 값을 갖는 실험체는 생략하였다. 그룹 I에서 보통강도 콘크리트를 타설한 실험체의 부착강도는 C-1.0-N 실험체보다 P-0.5-N, P-0.75-N 및 B-0.75-N 실험체에서 각각 18%, 35% 및 1% 높았다. 보통강도 콘크리트의 동일한 묻힘길이에서 부착강도는 P형 실험체에서 가장 크게 나타났으며, 기존 C형보다 각각 약 26% 높았다.
- 75ldb인 P형에서 가장 크게 나타났으며, C형보다 약 8% 높았다. 동일한 형상을 가진 실험체는 묻힘길이가 감소하면서 최대 인발하중이 감소하였는데, 보통강도 콘크리트를 사용한 P형, B형 및 T형에서 각각 28%, 38% 및 6% 감소하였다. T형 V-타이에서 묻힘길이가 최대 인발하중에 미치는 영향은 다른 실험체들보다 적었는데, 이는 콘크리트의 쪼갬이나 뽑힘파괴가 발생하기 이전에 T형 V-타이가 파단 되었기 때문이다.
- 그룹 I 실험체에서 최대 인발하중은 고강도 콘크리트에서 보통 콘크리트보다 평균적으로 약 39% 증가하였다. 모든 콘크리트 강도에서 최대 부착하중은 묻힘길이가 0.75ldb인 P형에서 가장 크게 나타났으며, C형보다 약 8% 높았다. 동일한 형상을 가진 실험체는 묻힘길이가 감소하면서 최대 인발하중이 감소하였는데, 보통강도 콘크리트를 사용한 P형, B형 및 T형에서 각각 28%, 38% 및 6% 감소하였다.
- 콘크리트 강도가 증가함에 따라서 C형과 P형의 부착강도는 비슷하거나 약 10% 증가하였다. 반면에 R형은 강판의 높은 강도로 인해 콘크리트 강도의 증가와 함께 부착응력이 급격히 증가하였으며, 묻힘길이가 0.5l db와 0.75l db인 실험체에서 각각 84% 및 64% 증가하였다.
- 75-N 실험체에서 각각 18%, 35% 및 1% 높았다. 보통강도 콘크리트의 동일한 묻힘길이에서 부착강도는 P형 실험체에서 가장 크게 나타났으며, 기존 C형보다 각각 약 26% 높았다. 고강도 콘크리트에서는 P-0.
- 반면에 고강도 콘크리트에 매립된 인발실험체는 콘크리트 쪼갬이나 뽑힘보다는 V-타이 철근의 파단에 의해 파괴되었다(Figure 8 (b)). 즉, 피복두께가 확보된 콘크리트 인발 실험체에서 제안된 형상의 V-타이는 콘크리트 강도에 상관없이 묻힘길이가 감소하였음에도 뽑힘 파괴되지 않았다. 또한 60MPa 이상의 고강도 콘크리트에서 V-타이는 V-타이의 파단을 방지하기 위하여 더 큰 직경 또는 강도의 철근으로 설계될 필요가 있다.
- 초기 상승 기울기는 C형 실험체가 가장 완만하였으며, 나머지 실험체에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 최대 하중 이후에 하중의 감소 기울기는 단부가 압착된 P형에서 가장 완만하였으며, 특히 P-0.75-N 실험체는 실험체가 완전 파괴되는 1.5mm 시점 이후에 가장 높은 하중을 나타내었다.
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