[논문]2400MPa 단일 강연선이 적용된 포스트텐션 정착 구역 설계에 대한 실험적 연구

문상필; 노경민; 김민숙; 이영학

doi:10.9712/kass.2020.20.1.41

문제 정의

이는 정착 구역에 보강된 철근의 영향으로 정착부의 강도가 증진된 것으로 판단된다. KDS 구조 설계기준 및 도로교설계기준은 보수적인 설계를 위하여 정착 구역 보강 철근을 정착 구역의 파괴를 방지하는 목적으로만 설계한다. 그러나 정착 구역 보강 철근이 정착부의 강도를 증진시킨다는 다수의 선행 연구^7),8)와 본 연구의 실험 결과에 따라 KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준의 지압력 산정식에서 보강 철근으로 인한 정착부 강도 증진 효과를 고려하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 Lee, Cho & Kim(2018)5)에 의해 개발된 원형 정착구 및 사각 정착구를 사용한 2,400MPa 단일 강연선이 적용된 포스트텐션 콘크리트 부재의 구조 실험을 수행하였다.
또한 파열력 간이 계산법에서는 정착구의 형상을 고려하지 않으며, 부재에 배치되는 긴장재 개수의 영향은 프리스트레스력의 총합으로만 고려하고 있다. 본 연구에서는 KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준에서 제시하고 있는 정착 구역 설계에 대하여 고강도 강연선의 적용 가능성을 확인하고자 2,400MPa 단일 강연선이 적용된 포스트텐션 콘크리트 보 시험체 6개의 성능 시험을 수행하였다. 이때 정착구의 형상과 긴장재 배치 개수에 따른 정착 구역 응력 변화를 파악하고자 사각 정착구 및 원형 정착구가 설치된 시험체를 각각 3개씩 제작하였으며 시험체에 배치된 긴장재는 2개, 3개, 4개로 변화 시켰다.
본 연구에서는 프리스트레스트 콘크리트 구조설계기 준(KDS 14 20 60) 및 도로교설계기준(2010)에서 제시하는 정착 구역 설계에 대해 2,400MPa 강연선의 적용 가능성을 평가하였다. 연구를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
이러한 이유로 고강도 강연선을 사용할 경우 국내 설계 기준을 적용할 수 있는지에 대한 연구가 수행되었다. Park, Cho & Kim(2012)은 2,400MPa 강연선을 적용한 포스트텐션 거더에 대해 단면 해석을 수행하였다³⁾.
따라서 본 연구에서는 Lee, Cho & Kim(2018)⁵⁾에 의해 개발된 원형 정착구 및 사각 정착구를 사용한 2,400MPa 단일 강연선이 적용된 포스트텐션 콘크리트 부재의 구조 실험을 수행하였다. 이를 통해 고강도 강연선을 사용한 경우의 정착 구역 설계에 대하여 KDS 구조설계기준과 도로교설계기준의 적용성을 평가하고자 한다.

가설 설정

Mörsch(1924)가 제안한 스트럿-타이 모델을 기반으로 유도된 상기 파열력 산정식은 정착판에 작용하는 프리스트레스력이 상·하부면 정착판의 1/4 지점인 도심에서 발생하고, 이로 인한 콘크리트의 반력이 콘크리트의 단면의 1/4 지점인 도심에서 작용한다고 가정하였다.
10]에 나타내었다. 도로교 설계기준을 통한 허용 지압력 산정 시 하중 분산 면적과 지압판 면적의 비인 A/A_g는 보수적인 설계를 위하여 2.67로 가정하였다.

제안 방법

94배 중 작은 값 이하로 긴장하여야 한다고 규정하고 있다. 본 연구에서는 [Fig. 4]와 같이 긴장재 항복 강도의 94%에 해당하는 266kN으로 긴장 하였으며, 변형률 게이지를 [Fig. 5]와 같이 부착하여 긴장력 도입과 동시에 시험체에 발생하는 파열력과 지압력에 따른 변형률을 측정하였다. 파열력 측정을 위한 변형률 게이지는 시험체의 수평 방향으로 0.
실험에서 긴장력에 의해 측정된 변형률과 콘크리트의 탄성 계수를 이용하여 산정한 거리에 따른 파열 응력을 [Table 3]에 정리하였다. KDS 구조설계기준 및 도로교 설계기준으로 산정된 최대 파열력에 He & Liu(2011)⁶⁾ 가 제안한 식 (12)를 적용하여 설계 기준에 따른 최대 파열 응력을 산정하고 [Fig.
본 연구에서는 KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준에서 제시하고 있는 정착 구역 설계에 대하여 고강도 강연선의 적용 가능성을 확인하고자 2,400MPa 단일 강연선이 적용된 포스트텐션 콘크리트 보 시험체 6개의 성능 시험을 수행하였다. 이때 정착구의 형상과 긴장재 배치 개수에 따른 정착 구역 응력 변화를 파악하고자 사각 정착구 및 원형 정착구가 설치된 시험체를 각각 3개씩 제작하였으며 시험체에 배치된 긴장재는 2개, 3개, 4개로 변화 시켰다. 정착구 상세는 [Fig.
5]와 같이 부착하여 긴장력 도입과 동시에 시험체에 발생하는 파열력과 지압력에 따른 변형률을 측정하였다. 파열력 측정을 위한 변형률 게이지는 시험체의 수평 방향으로 0.3h, 0.6h, 0.9h에 부착하였으며, 지압력은 시험체의 수직 방향으로 0.15h, 0.45h, 0.75h에 부착된 게이지를 통해 측정하였다. 여기서 h는 시험체의 높이를 나타낸다.

대상 데이터

시험체는 설계 압축 강도가 35MPa인 콘크리트를 사용하여 제작되었으며, 강연선 긴장 시 콘크리트의 압축 강도는 32MPa로 확인되었다. 보에 배치된 부착 철근은 지름이 13mm, 인장 강도가 400MPa인 이형 철근을 사용하였다. 실험에 사용된 긴장재는 KS D 7002 규격의 SWPC-7-D-L로 인장 강도가 2,400MPa, 단면적이 138.
시험체 크기는 폭 750mm, 높이 350mm, 길이 4,000mm로 모두 동일하며 정착 구역 보강 철근은 KDS 구조설계기준에서 제시하고 있는 설계 기준에 따라 [Fig. 3]과 같이 배치하였다. KDS 구조설계기준에서는 정착 장치 개수에 따라 헤어핀 철근 및 폐쇄스터럽을 부재 단부의 수직 방향으로 n+1개 배치하도록 규정하고 있다.
시험체는 설계 압축 강도가 35MPa인 콘크리트를 사용하여 제작되었으며, 강연선 긴장 시 콘크리트의 압축 강도는 32MPa로 확인되었다. 보에 배치된 부착 철근은 지름이 13mm, 인장 강도가 400MPa인 이형 철근을 사용하였다.
보에 배치된 부착 철근은 지름이 13mm, 인장 강도가 400MPa인 이형 철근을 사용하였다. 실험에 사용된 긴장재는 KS D 7002 규격의 SWPC-7-D-L로 인장 강도가 2,400MPa, 단면적이 138.7mm²인 7연선이며, 정착구의 항복 강도는 490MPa이다. 재료의 물성치는 [Table 2]에 나타내었다.

데이터처리

KDS 구조설계기준 및 도로교 설계기준으로 산정된 최대 파열력에 He & Liu(2011)6) 가 제안한 식 (12)를 적용하여 설계 기준에 따른 최대 파열 응력을 산정하고 [Fig. 7]과 같이 실험으로부터 얻은 파열 응력과 비교하였다.

성능/효과

1) KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준은 최대 파열력의 위치를 0.5h로 제시하고 있으나 2,400MPa 강연선을 적용한 부재의 최대 파열력은 0.3h 지점에서 발생하였다. 국내 설계 기준에 따라 고강도 강연선을 구조물에 적용할 경우 최대 파열력이 낮게 산정된다.
2) KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준에 따른 사각 정착구 및 원형 정착구의 콘크리트 허용 지압력은 프리스트레스력 대비 각각 약 70%, 82%로 설계 기준을 만족하지 못하였다. 그러나 실험 결과, 시험체의 파괴 및 균열이 발생하지 않았고, 지압력에 따른 최대 변형률이 콘크리트의 최대 압축 변형률 대비 약 45%로 측정되었 다.
3h 떨어진 지점인 105mm에서 최대 파열 응력이 측정되었다. 각 시험체에서 발생한 최대 파열 응력은 RA2, CA2 시험체가 0.66MPa, 0.7MPa, RA3, CA3 시험체가 1.04MPa, 1.08MPa, RA4, CA4 시험체가 1.66MPa, 1.72MPa이었다.
고강도 강연선이 2개 및 3개 배치된 시험체의 최대 파열 응력과 KDS 구조설계기준의 최대 파열 응력을 비교한 결과, 사각 정착구와 원형 정착구에서 각각 약 0.97배 및 1.02배로 산정되었다. 도로교설계기준에서는약 0.
87배로 낮게 산정되어 도로교설계기준이 KDS 구조설계기준보다 최대 파열 응력을 보수적으로 산정하는 것으로 나타났다. 그러나 고강도 강연선이 4개 배치된 시험체의 경우 도로교설계기준에서는 사각 정착구와 원형 정착구에서 각각 1.02배 및 1.06배, KDS 구조설계기준에서 각각 1.19배 및 1.24배로 설계 기준보다 높은 파열력이 측정되었다. 이는 2,400MPa 강연선을 적용한 부재의 경우 0.
1kN으로 2,400MPa 강연선을 적용할 경우 정착구 형상과 무관하게 설계 기준을 만족하지 못하였다. 그러나 본 연구의 실험 결과, 지압력에 의한 콘크리트의 균열 및 파괴는 발생하지 않았으며, 콘크리트의 최대 압축 변형률을 초과하지 않았음을 확인하였다. 이는 정착 구역에 보강된 철근의 영향으로 정착부의 강도가 증진된 것으로 판단된다.
2) KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준에 따른 사각 정착구 및 원형 정착구의 콘크리트 허용 지압력은 프리스트레스력 대비 각각 약 70%, 82%로 설계 기준을 만족하지 못하였다. 그러나 실험 결과, 시험체의 파괴 및 균열이 발생하지 않았고, 지압력에 따른 최대 변형률이 콘크리트의 최대 압축 변형률 대비 약 45%로 측정되었 다. 이는 정착 구역 내 보강 철근의 영향으로 콘크리트의 강성 및 내력이 증진된 것으로 판단되며, 국내 설계 기준에서 콘크리트 구속 효과를 고려한다면 2,400MPa 강연 선을 설계 기준에 따라 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
긴장재가 2개 배치된 RA2, CA2의 변형률 차이는 3%였으며 긴장재가 3개 및 4개 배치된 RA3, CA3 및 RA4, CA4의 변형률은 각각 19%, 13%의 차이를 보여 사각 정착구를 적용한 부재의 지압력이 원형 정착구를 적용한 경우에 비해 더 크게 발생하는 것을 확인하였다. 긴장재 개수가 증가함에 따라 변형률도 비례적으로 증가하였으며, RA4, CA4 시험체에서 발생한 최대 변형률은 각각 0.00135, 0.0012로 콘크리트 최대 압축 변형률인 0.003에 미치지 않았다.
5mm 지점에서 최대 변형률이 발생하였으며, 시험체 단부로부터 거리가 멀어짐에 따라 변형률이 급격히 감소하였다. 긴장재가 2개 배치된 RA2, CA2의 변형률 차이는 3%였으며 긴장재가 3개 및 4개 배치된 RA3, CA3 및 RA4, CA4의 변형률은 각각 19%, 13%의 차이를 보여 사각 정착구를 적용한 부재의 지압력이 원형 정착구를 적용한 경우에 비해 더 크게 발생하는 것을 확인하였다. 긴장재 개수가 증가함에 따라 변형률도 비례적으로 증가하였으며, RA4, CA4 시험체에서 발생한 최대 변형률은 각각 0.
02배로 산정되었다. 도로교설계기준에서는약 0.83배 및 0.87배로 낮게 산정되어 도로교설계기준이 KDS 구조설계기준보다 최대 파열 응력을 보수적으로 산정하는 것으로 나타났다. 그러나 고강도 강연선이 4개 배치된 시험체의 경우 도로교설계기준에서는 사각 정착구와 원형 정착구에서 각각 1.
65배씩 감소하였다. 또한 원형 정착구와 사각 정착구의 최대 파열 응력은 긴장재 개수와 무관하게 약 5% 차이를 보여 정착구 형상에 따른 최대 파열 응력의 차이는 미미한 것으로 판단된다.
9]에 나타내었다. 모든 시험체는 0.15h인 52.5mm 지점에서 최대 변형률이 발생하였으며, 시험체 단부로부터 거리가 멀어짐에 따라 변형률이 급격히 감소하였다. 긴장재가 2개 배치된 RA2, CA2의 변형률 차이는 3%였으며 긴장재가 3개 및 4개 배치된 RA3, CA3 및 RA4, CA4의 변형률은 각각 19%, 13%의 차이를 보여 사각 정착구를 적용한 부재의 지압력이 원형 정착구를 적용한 경우에 비해 더 크게 발생하는 것을 확인하였다.
Park, Cho & Kim(2012)은 2,400MPa 강연선을 적용한 포스트텐션 거더에 대해 단면 해석을 수행하였다³⁾. 연구 결과, 현행 설계 기준에서 제시하고 있는 공칭 강도를 만족할 때 강연선의 인장 응력 산정식은 실험 결과를 과소평가하는 것으로 나타났다. Kim, Lho & Lim(2018)은 2,400MPa 강연선용 포스트텐션 정착구에 대하여 ETAG013 및 KCI-PS101에 의한 하중 전달 성능 시험을 수행하고 3차원 비선형 해석을 통하여 정착구의 성능을 검증하였다⁴⁾.
8]은 위치 계수 k에 따라 산정한 최대 파열력과 KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준으로 산정한 최대 파열력을 비교한 값이다. 이를 통해 최대 파열력의 발생 위치가 부재 단부와 가까워질수록 최대 파열력이 크게 증가하는 것을 확인하였다. 2,400MPa 강연선을 적용할 경우 설계 기준에서 제시하고 있는 단부부터 최대 파열력 발생 위치까지의 거리 0.
최대 파열 응력은 정착구의 개수가 증가함에 따라 약 1.56배씩 증가하였으며, 시험체 단부에서 0.3h씩 멀어짐에 따라 약 0.65배씩 감소하였다. 또한 원형 정착구와 사각 정착구의 최대 파열 응력은 긴장재 개수와 무관하게 약 5% 차이를 보여 정착구 형상에 따른 최대 파열 응력의 차이는 미미한 것으로 판단된다.

후속연구

국내 설계 기준에 따라 고강도 강연선을 구조물에 적용할 경우 최대 파열력이 낮게 산정된다. 이러한 특성에 따라 최대 파열력의 발생 위치를 결정하여 최대 파열력을 산정하고 철근을 보강한다면 2,400MPa 강연선을 국내 설계 기준에 따라 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준은 강연선의 긴장도를 어떻게 규정하는가?	KDS 구조설계기준 및 도로교설계기준은 포스트텐션 콘크리트 부재에서 강연선을 긴장재 인장 강도의 0.8배 또는 항복 강도의 0.94배 중 작은 값 이하로 긴장하여야 한다고 규정하고 있다. 본 연구에서는 [Fig.
	포스트텐션 공법의 특징은?	포스트텐션 공법은 긴장력이 단부의 정착구를 통해 콘크리트로 전달되어 정착구로부터 집중 하중이 작용하게 된다. 이러한 집중 하중은 [Fig.

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