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문제 정의
- 그러나 실제 부재의 휨변형이 발생할 경우 전단력이 발생하는데 비해, 겹침이음 실험방법은 전단력의 영향을 배재함으로써, 실제 부재 내 정착조건과는 상이한 조건을 가지게 된다. 따라서 본 연구에서는 실제 휨 부재의 정착조건과 유사한 조건에서 정착성능 평가가 이루어 질 수 있도록 컷오프 구간을 모사한 실험을 계획하였다.
- 본 연구에서는 휨을 받는 부재 내에 정착된 대구경 확대 머리철근의 정착성능에 대한 횡보강근 영향력을 평가하기 위해, 횡방향 철근지수 Ktr을 기준으로 변수를 설정하고 컷오프 모사 실험을 수행하였다. 이러한 실험으로부터 다음과 같은 연구 결과를 얻을 수 있었다.
- 이에 본 연구에서는 컷오프 구간에 정착된 대구경 확대머리철근의 정착실험을 통하여 휨을 받는 부재 내에 정착된 대구경 확대머리철근의 정착성능을 평가하고, 대구경 확대 머리철근의 정착성능에 대한 횡보강근의 영향력을 평가하고자 한다.
가설 설정
- Ktr=1db인 실험체의 경우 Pend가 실험에서 계측된 최대값일 때 Ay가 콘크리트 최대 인장력에 도달하였다고 가정하여, 횡보강근에 유발되는 인장력을 추정할 수 있었다. 계산 결과, 횡보강근의 인장력 Ts가 126.
- 모든 실험체의 정착길이는 ACI 318-08(2008) 기준의 확대머리철근 정착길이 설계식을 사용하여 설계하였다. 실험에 사용된 확대머리철근의 내력이 충분히 발현될 것으로 가정하고, 항복강도(fy) 500MPa, 콘크리트압축강도(fck) 42MPa를 적용하여, 식 (1)에 따라 정착길이를 15db로 계획하였다. 확대머리철근의 정착길이는 위험단면에서 확대머리의 지압면까지의 거리로 측정되는데, 본 연구의 모든 실험체는 확대머리의 지압면이 변곡점에 오도록 하여, Fig.
제안 방법
- SD400/D16 철근을 횡보강근으로 사용하여, 횡방향 철근 지수 Ktr을 1db(186mm), 2db(93mm) 및 무보강 상태로 계획하였다. 피복두께의 경우 ACI 318-08(2008)의 확대머리 철근 규정에 제시된 제한사항을 만족하도록, 상부피복두께와 측면피복두께 모두 철근 직경의 두 배로 설계하였다.
- 대구경 철근의 경우 철근 직경이 커서 상부와 하부의 변형률 차가 크게 나타날 수 있으므로 철근 변형률 게이지를 상·하단에 부착하였다. 계측값의 신뢰성을 확보하기 위해 정착된 2개의 확대머리철근의 정착구간에 모두 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다.
- 3과 같이 부모멘트 최대 지점에서 변곡점까지의 거리가 정착길이가 될 수 있도록 실험체를 계획하였다. 또한 확대머리철근을 모두 부모멘트 영역 안에 배치함으로써, 정착구간이 모두 인장영역에 들어오도록 계획하였다.
- 모든 실험체는 끝에서 240mm 떨어진 지점을 가력 및 지지 하였으며, 지점에서 수평반력이 발생하지 않도록 롤러 지점을 두었다. 4점 가력을 수행하기 위해 2,000kN과 1,000kN용량의 2대의 가력장치가 동시에 사용되었다.
- 4점 가력을 수행하기 위해 2,000kN과 1,000kN용량의 2대의 가력장치가 동시에 사용되었다. 변곡점이 확대머리의 지압면에 위치하도록 하기 위해 중앙부와 단부의 가력비율을 일정하게 유지시키기 위하여 하중 제어를 하여 실험을 수행하였다. 가력속도는 ASTM E8M- 11(2011) 인장시험 기준을 고려하여 철근 응력이 1∼2MPa 씩 일정하게 증가하도록 설정하였다.
- 본 연구는 확대머리철근의 정착성능 평가를 위한 목적으로 수행되었기 때문에 전단파괴가 발생하지 않도록, SD400/D16의 전단철근을 정착구간을 제외한 전 구간에 배치하였다. Fig.
- 이 실험에서는 정착길이, 횡보강근 간격, 철근직경, 피복두께, 콘크리트 압축강도 등을 변수로 하였으며, 횡보강근이 배근됨에 따라, 부착강도가 크게 향상되었다고 보고하고 있다. 본 연구에서도 이와 같은 4점 가력 보 실험을 실시하여, 확대머리철근의 정착성능을 평가하였다.
- 휨 변형이 발생하는 부재 내에 정착된 확대머리철근의 거동을 살펴보기 위해 부재와 확대머리철근의 곡률을 각각 계산하여 비교하였다. 부재의 곡률은 실험체 하부에 설치된 LVDT에서 계측되는 처짐값을 통해 계산하였으며, 확대머리철근의 곡률은 위험단면 상하부에 부착한 변형률 게이지 값을 통해 산정하였다.
- 지압에 의해 발현된 응력의 경우, 확대머리 부근에서 계측된 변형률 값을 이용하였다. 부착에 의해 발현된 응력의 경우, 위험단면의 철근응력에서 지압에 의해 발현된 철근 응력을 소거하여 산정하였다. 각 실험체의 지압력 및 부착력에 의해 발현된 철근 응력의 관계를 Fig.
- (93mm) 및 무보강 상태로 계획하였다. 피복두께의 경우 ACI 318-08(2008)의 확대머리 철근 규정에 제시된 제한사항을 만족하도록, 상부피복두께와 측면피복두께 모두 철근 직경의 두 배로 설계하였다. 인장 이형철근 정착길이 설계식에서는 횡보강근과 콘크리트 피복에 의한 구속효과를 (c+Ktr)/db 로 나타내고, 뽑힘 파괴를 고려하여 이것의 최대값을 2.
- 5로 제한하고 있다. 확대 머리철근 규정에서는 순간격을 철근직경의 4배 이상으로 제한하고 있으나, 본 연구에서는 횡보강근의 영향력을 보다 적절히 평가하기 위해, 순간격을 기준 제한값의 절반인 철근 직경의 2배로 설계하였다. 이에 따라 실험체의 (c+Ktr)/db가 1.
- 실험에 사용된 확대머리철근의 내력이 충분히 발현될 것으로 가정하고, 항복강도(fy) 500MPa, 콘크리트압축강도(fck) 42MPa를 적용하여, 식 (1)에 따라 정착길이를 15db로 계획하였다. 확대머리철근의 정착길이는 위험단면에서 확대머리의 지압면까지의 거리로 측정되는데, 본 연구의 모든 실험체는 확대머리의 지압면이 변곡점에 오도록 하여, Fig. 3과 같이 부모멘트 최대 지점에서 변곡점까지의 거리가 정착길이가 될 수 있도록 실험체를 계획하였다. 또한 확대머리철근을 모두 부모멘트 영역 안에 배치함으로써, 정착구간이 모두 인장영역에 들어오도록 계획하였다.
- 확대머리철근의 정착성능은 일반적으로 부착력과 지압력의 합으로 평가됨에 따라, Fig. 3의 위험단면에서 발현된 철근 응력에 대하여 부착에 의해 발현된 응력과 지압에 의해 발현된 응력으로 나누어 평가하였다. 지압에 의해 발현된 응력의 경우, 확대머리 부근에서 계측된 변형률 값을 이용하였다.
- 휨 변형이 발생하는 부재 내에 정착된 확대머리철근의 거동을 살펴보기 위해 부재와 확대머리철근의 곡률을 각각 계산하여 비교하였다. 부재의 곡률은 실험체 하부에 설치된 LVDT에서 계측되는 처짐값을 통해 계산하였으며, 확대머리철근의 곡률은 위험단면 상하부에 부착한 변형률 게이지 값을 통해 산정하였다.
대상 데이터
- 모든 실험체는 끝에서 240mm 떨어진 지점을 가력 및 지지 하였으며, 지점에서 수평반력이 발생하지 않도록 롤러 지점을 두었다. 4점 가력을 수행하기 위해 2,000kN과 1,000kN용량의 2대의 가력장치가 동시에 사용되었다. 변곡점이 확대머리의 지압면에 위치하도록 하기 위해 중앙부와 단부의 가력비율을 일정하게 유지시키기 위하여 하중 제어를 하여 실험을 수행하였다.
- 대구경 확대머리 철근의 정착성능을 평가하기 위한 실험체는 총 3개로 계획되었으며, 실험체 상세와 설계 변수는 Table 1에 나타내었다. 정착부의 성능을 시험하는 대구경 확대머리철근은 D43 철근 2개 사용하였으며, 철근의 항복강도는 420MPa이다.
- 대구경 확대머리 철근의 정착성능을 평가하기 위한 실험체는 총 3개로 계획되었으며, 실험체 상세와 설계 변수는 Table 1에 나타내었다. 정착부의 성능을 시험하는 대구경 확대머리철근은 D43 철근 2개 사용하였으며, 철근의 항복강도는 420MPa이다. 실험에 사용된 확대머리는 AS TM A 970M(2009) 기준에 따라, 이음부의 지름이 철근 직경의 1.
- 철근 재료시험은 확대머리철근으로 사용된 D43 철근에 대해 수행되었으며, 시험편 3개로 인장시험을 실시하였다. 철근의 재료특성은 Table 2에 정리하였으며, 실험에 사용된 철근의 대표적인 응력-변형률 곡선은 Fig.
이론/모형
- 가력속도는 ASTM E8M- 11(2011) 인장시험 기준을 고려하여 철근 응력이 1∼2MPa 씩 일정하게 증가하도록 설정하였다.
- 모든 실험체의 정착길이는 ACI 318-08(2008) 기준의 확대머리철근 정착길이 설계식을 사용하여 설계하였다. 실험에 사용된 확대머리철근의 내력이 충분히 발현될 것으로 가정하고, 항복강도(fy) 500MPa, 콘크리트압축강도(fck) 42MPa를 적용하여, 식 (1)에 따라 정착길이를 15db로 계획하였다.
- 실험 변수인 횡보강근의 간격은, ACI 318-08(2008)의 인장 이형철근 정착길이 설계식에 포함된 횡방향 철근지수Ktr에 따라 결정하였으며 그 식은 다음과 같다.
- 정착부의 성능을 시험하는 대구경 확대머리철근은 D43 철근 2개 사용하였으며, 철근의 항복강도는 420MPa이다. 실험에 사용된 확대머리는 AS TM A 970M(2009) 기준에 따라, 이음부의 지름이 철근 직경의 1.5배가 되도록 하였으며, 확대머리 크기는 ACI 318-08(2008) 기준의 제한값에 따라, 순지압면적(Abrg)이 철근 단면적의 4배가 되도록 하였다.
성능/효과
- 1) 무보강 실험체의 경우, 확대머리 부근에 경사 균열이 나타남과 동시에 콘크리트 상부 피복이 부재에서 탈락하면서 내력이 급격히 감소하는 매우 취성적인 파괴형태가 나타났다. 반면 횡보강근된 실험체의 경우, 확대머리부근에 경사 균열이 발생한 이후에도 하중이 계속 증가하는 경향을 보였다.
- 2) 횡보강근이 배근됨에 따라 확대머리 철근의 지압에 의해 발현되는 철근 응력과 부착에 의해 발현되는 철근 응력 모두 증가하였다. 부착력에 의해 발현되는 철근 응력의 경우 Ktr=2db일 때, 최대 92%까지 증가하였으며, 지압력에 의해 발현되는 철근 응력의 경우 Ktr=2db일 때, 최대 41%까지 증가하였다.
- 3) 하중이 증가함에 따라 위험단면에서의 확대머리 철근과 부재 간의 곡률차가 계속 증가하는 것으로 보아 컷오프구간에 정착된 확대머리철근이 확대머리철근 상부의 피복 콘크리트를 밀어내는 힘이 지속적으로 작용하였음을 확인할 수 있었다.
- 4) 실험체를 부재 내부에 힌지를 가진 구조물로 이상화 시켜 구조해석을 수행하였을 때, 횡보강근이 없는 실험체의 경우 확대머리 부근의 콘크리트 인장파괴를 통해 최종적으로 파괴되었음을 알 수 있었다.
- 5) 횡보강근이 있는 실험체의 경우, 횡보강근이 실험체 단부의 하중에 직접적으로 저항함에 따라 실험체 내력이 Ktr=2db일 때, 최대 108%까지 증가하였으며, 횡보강근의 항복 여부에 의해 실험체의 파괴가 결정됨을 확인할 수 있었다.
- 인 실험체의 경우, 부착에 의한 철근 응력이 감소하지 않고, 무보강 실험체의 최대값에 비해 39% 증가하였으며, 지압에 의한 철근 응력 또한 27% 증가하였다. Ktr=2db인 실험체 또한, 부착에 의한 철근 응력이 감소하지 않고, 횡보강근이 없는 실험체의 최대값에 비해 92% 정도의 매우 큰 상승을 보였다. 이에 반해 지압에 의한 철근 응력은 41% 증가함에 따라 상대적으로 작은 증가폭을 보였다.
- Ktr=2db인 실험체의 경우, 콘크리트에 작용하는 인장력 Ay가 최대 인장력에 도달하였을 때는 280MPa으로 나타났으며, Ay가 최대 인장력에 도달한 이후 0으로 떨어졌다고 가정하고 재계산 했을 때에는 약 414MPa로 나타났다. 따라서 Ktr=2db인 실험체의 경우도 횡보강근이 항복함에 따라 최종적으로 파괴되었음을 알 수 있다.
- (2006)의 겹침이음실험에서는 횡방향 구속상세에 따라 정착성능이 향상되는 결과를 나타났다. Tie-down 철근을 사용한 경우 11%의 내력 증가가 나타났으며, hairpin 철근을 사용한 경우 최대 50% 까지 내력이 증가하는 경향을 보였다. Lee(2008)의 겹침이음실험에서도 구속상세에 따라 정착성능이 향상되는 결과를 보였다.
- 가 콘크리트 최대 인장력에 도달하였다고 가정하여, 횡보강근에 유발되는 인장력을 추정할 수 있었다. 계산 결과, 횡보강근의 인장력 Ts가 126.4kN으로 나타나며, 응력으로 계산할 경우 횡보강근에 316MPa의 인장응력이 유발된 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트에 작용하는 인장력 Ay가 최대인장력에 도달한 이후 곧바로 0으로 떨어졌다고 가정하고 재산정 할 경우, 횡보강근의 인장력 Ts가 200.
- 이에 반해 지압에 의한 철근 응력은 41% 증가함에 따라 상대적으로 작은 증가폭을 보였다. 그러나 Ktr=1db인 실험체와 달리, 지압에 의한 철근 응력이 최대값에 도달한 이후에도 실험체는 최종 파괴되지 않고, 지압에 의한 철근 응력이 서서히 감소되며 위험단면의 철근 응력은 계속 증가하는 경향을 보였다.
- 4kN으로 나타나며, 응력으로 계산할 경우 횡보강근에 316MPa의 인장응력이 유발된 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트에 작용하는 인장력 Ay가 최대인장력에 도달한 이후 곧바로 0으로 떨어졌다고 가정하고 재산정 할 경우, 횡보강근의 인장력 Ts가 200.0kN으로 급격히 증가하게 되며, 응력으로 산정할 경우 횡보강근에 약 508MPa의 인장응력이 유발된 것으로 나타났다. 이에 따라 SD400의 횡보강근이 항복하여, 단부의 하중이 더 이상 증가하지 않게 된다.
- 이에 따라 SD400의 횡보강근이 항복하여, 단부의 하중이 더 이상 증가하지 않게 된다. 따라서 Ktr=1db인 실험체의 경우 확대머리부근의 콘크리트 인장파괴가 선행 된 후 횡보강근이 항복하면서 최종적으로 파괴되었음을 확인할 수 있었다.
- 1) 무보강 실험체의 경우, 확대머리 부근에 경사 균열이 나타남과 동시에 콘크리트 상부 피복이 부재에서 탈락하면서 내력이 급격히 감소하는 매우 취성적인 파괴형태가 나타났다. 반면 횡보강근된 실험체의 경우, 확대머리부근에 경사 균열이 발생한 이후에도 하중이 계속 증가하는 경향을 보였다.
- 2) 횡보강근이 배근됨에 따라 확대머리 철근의 지압에 의해 발현되는 철근 응력과 부착에 의해 발현되는 철근 응력 모두 증가하였다. 부착력에 의해 발현되는 철근 응력의 경우 Ktr=2db일 때, 최대 92%까지 증가하였으며, 지압력에 의해 발현되는 철근 응력의 경우 Ktr=2db일 때, 최대 41%까지 증가하였다.
- 5와 같다. 실험 수행일의 콘크리트 압축강도 시험결과는 54.4MPa로 평가되었다.
- 횡방향 철근이 없는 경우와 비교하였을 때, 횡보강근만 배근된 경우에는 최대 36%의 내력상승이 나타났고, 횡보강근과 tie-down 철근을 같이 배근한 경우에는 최대 47%의 내력상승이 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 확대머리철근의 정착조건에 따라 횡보강근의 영향력이 달라짐을 확인할 수 있다.
- 5%의 오차율을 보이며 거의 유사하게 나타난다. 이와 같은 결과를 통해, 무보강 실험체의 경우 확대머리 부근의 콘크리트 인장파괴에 따라 최종적으로 파괴되었음을 판단할 수 있었다.
- Lee(2008)의 겹침이음실험에서도 구속상세에 따라 정착성능이 향상되는 결과를 보였다. 횡방향 철근이 없는 경우와 비교하였을 때, 횡보강근만 배근된 경우에는 최대 36%의 내력상승이 나타났고, 횡보강근과 tie-down 철근을 같이 배근한 경우에는 최대 47%의 내력상승이 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 확대머리철근의 정착조건에 따라 횡보강근의 영향력이 달라짐을 확인할 수 있다.
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