[논문]철근 겹침이음 위치 부적정이 지하박스 슬래브 균열 발생에 미치는 영향

최정열; 장인수; 정지승

doi:10.17703/jcct.2020.6.4.685

[국내논문] 철근 겹침이음 위치 부적정이 지하박스 슬래브 균열 발생에 미치는 영향
Influence of Inadequate Rebar Lap Position on Crack of Underground Box Slab 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.4, 2020년, pp.685 - 692

최정열 (동양대학교 건설공학과) , 장인수 (서울교통공사 토목2사업소) , 정지승 (동양대학교 건설공학과)

초록
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본 연구에서는 철근 겹침이음 위치가 부적정하게 시공된 사례를 바탕으로 콘크리트 구조기준에서 제시한 설치기준에 대하여 분석 및 고찰을 하였으며, 현행 구조기준에서 제시한 겹침이음에 대한 기준이 적정함을 해석적으로 입증하였다. 실제 종방향 균열이 발생된 지하 박스구조물 단면에 대한 철근 겹침이음부의 철근강도감소비 및 설계유효 모멘트를 산출하여 철근 겹침이음부의 균열 발생원인에 대하여 해석적으로 입증하였다. 연구결과, 최대 인장응력이 발생되는 지하 박스구조물 중앙부에 철근 겹침이음이 설치될 경우 철근 겹침이음부의 철근강도감소비는 82.8% 수준인 것으로 분석되었다. 따라서, 콘크리트 구조기준에서 정하고 있는 바와 같이 철근 겹침이음부의 위치는 최대 인장응력이 발생하는 지점을 피해야 하며, 부득이하게 겹침이음이 부적정한 위치에 설치되는 경우 본 연구에서 검토한 바와 같이 충분한 겹침이음길이를 확보하여야 하며, 구조물 단면력에 대하여 검토하여 충분한 안전율을 확보하는 것이 중장기적인 균열 제어 방법으로 적정할 것으로 검토되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the experimental and analytical study were performed on the location of longitudinal cracks in the middle of underground box structures. The location where the longitudinal cracking occurred was investigated that the overlapping joint of the rebar and the section of maximum tensile stress generated. Using the finite element analysis, the strength reduction ratio of the rebar was estimated by lack of overlap joint length. As the result of adequacy investigation for the length of the overlap joint presented in the design criteria, it was analytically proved that the lack of the overlap joint length could be cause the decreasing cross-sectional force and concrete cracking. As the result of this study, the adequacy of the overlapping criterion in the current design criteria was confirmed based on the finite element analysis and actual field case. In the case of overlapping joints installed in inappropriate position, it was considered that a long term crack control would be need to ensure the sufficient safety factor for the designed cross-sectional force.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 철근의 정착길이 산정 개념도 Figure 1. Schematic of rebar lap length calculation
그림 그림 2. 균열발생 위치 개요도 Figure 2. Schematics of crack location
그림 그림 3. 균열발생 현황 Figure 3. Photographs of cracked section
표 표 1. 인장철근 겹침이음길이 Table 1. Length of tensile rebar lap
그림 그림 4. 콘크리트 압축강도 측정 전경 Figure 4. Photographs of compressive strength of concrete
그림 그림 5. 시험방법별 콘크리트 압축강도 측정결과 비교 Figure 5. Comparisons of measured compressive strength by test methods
표 표 2. 반발경도 및 초음파법을 이용한 추정 압축강도 Table 2. Estimated compressive strength using rebound hardness and ultrasonic pulse velocity test
그림 그림 6. 철근탐사 기록 이미지 Figure 6. Recording image of rebar detecting
그림 그림 7. 철근배근 상태조사 Figure 7. Inspection of rebar arrangement
그림 그림 8. 균열깊이 측정 Figure 8. Measurement of crack depth
표 표 3. 철근탐사 시험결과 Table 3. Test result of rebar detecting
표 표 4. 균열깊이 측정결과(슬래브 두께 1,800mm) Table 4. Measured crack depth(Slab thickness 1,800mm)
그림 그림 9. 수치해석 모델링 Figure 9. Finite element modeling
그림 그림 10. 수치해석결과(활하중 조건) Figure 10. Analysed results (Live load condition)
표 표 5. 철근강도 감소비 Table 5. Rebar strength reduction ratio
표 표 6. 겹침이음부 철근강도 감소비에 따른 안전율 Table 6. Safety factor by rebar strength reduction ratio

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 부적정한 위치에 설치된 철근 겹침이 음이 지하 박스구조물의 단면력에 미치는 영향을 검토하고자 수치해석을 실시하여 겹침이음에 따른 철근강도감소비를 산출하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
특히, 기둥이 없는 대단면 박스에서는 종방향 균열 발생 가능성이 높아 설계기준 및 시방서 기준에 적합하게 설계, 시공 등이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 최대 인장응력 작용점에 철근 겹침이음 위치가 부적정하게 시공된 사례를 바탕으로 콘크리트 구조기준에서 제시한 겹침이음 설치기준에 대한 적정성을 검토하고자 하며, 종방향 균열이 발생된 지하 박스구조물 단면에 대하여 철근 겹침이음부가 균열 발생에 미치는 영향을 검토하는데 목적이 있다.
이에 본 연구에서는 기존 설계자료 및 현장조사, 수치 해석 등을 실시하여 철근 겹침이음 설치기준에 대한 분석 및 고찰을 바탕으로 콘크리트 구조기준의 겹침이음 설치기준에 대한 적정성을 검토하였다. 또한, 겹침이음의 영향으로 균열이 발생할 수 있는지에 대하여 해석적으로 검토하였다.

가설 설정

상부슬래브 중앙부는 겹침이음된 철근의 설계강도를 얼마나 인정하느냐에 따라 단면력이 달라진다. 본 연구에서는 균열의 발생원인 분석을 위해 최대 인장응력 작용점에 겹침이음이 되어 있다는 것은 철근의 강도를 온전히 반영하기 어려운 조건인 것으로 설정하였다 [8]. 따라서 겹침이음부에 대한 철근 겹침이음길이를 변수로 철근강도감소비를 산출하였다 [8-10].

제안 방법

구조물에 작용하는 하중을 고정하중 및 토압, 활하중, 수압, 온도변화, 건조수축으로 구분하여 검토하였다. 하중조합은 콘크리트 구조기준을 참고하여 구조물의 구조해석 및 안전성을 검토하였다.
수치해석은 설계도면, 구조계산서 및 현장조사결과를 반영하여 상부슬래브와 벽체의 두께는 1,800mm로, 하부 슬래브의 두께는 2,000mm을 적용하였다. 구조물은 길이 방향으로 일정하므로 단위 폭을 갖는 2차원 구조물로 해석하였다. 해석모델은 구조물의 기하학적 형상을 고려하여 보요소를 사용하였으며, 하부슬래브의 경계조건은 압축력 전담요소를 적용한 지반스프링으로 모델링하였다.
그림 3(b)와 같이 균열 발생구간에 표면보수(탄산화방지제 도포)가 되어 있어 콘크리트 표면 상태를 면밀히 관찰하기 어려워 보수재를 그라인더로 제거한 후 균열의 폭, 길이 및 형상 등을 조사하였다 [8].
본 구조물에 대한 재료특성은 도면이나 구조계산서등 설계도서를 참고로 하여 구조해석에 적용하였다. 또한 비파괴시험에 의한 추정 콘크리트 압축강도를 확인하여 설계도서의 값과 비교하여 작은 값을 사용하였다.
이에 본 연구에서는 기존 설계자료 및 현장조사, 수치 해석 등을 실시하여 철근 겹침이음 설치기준에 대한 분석 및 고찰을 바탕으로 콘크리트 구조기준의 겹침이음 설치기준에 대한 적정성을 검토하였다. 또한, 겹침이음의 영향으로 균열이 발생할 수 있는지에 대하여 해석적으로 검토하였다.
본 구조물에 대한 재료특성은 도면이나 구조계산서등 설계도서를 참고로 하여 구조해석에 적용하였다. 또한 비파괴시험에 의한 추정 콘크리트 압축강도를 확인하여 설계도서의 값과 비교하여 작은 값을 사용하였다.
콘크리트 및 강재 비파괴시험 매뉴얼(한국시설안전공단)에서 제시한 방법으로 반발경도시험을 실시한 동일위치에서 간접법에 의해 발신자와 수신자의 측정거리를 10cm 간격으로 측정한 후 직접법 속도로 환산하여 콘크리트 강도를 추정하였다 [3-7, 9]. 본 시험에서는 일본재료학회와 일본건축학회의 제안식을 이용하여 추정강도를 산출하였다.
본 연구에서는 종균열이 발생한 주변 3개소를 선정하여 반발경도 및 초음파법을 이용하여 콘크리트의 압축강도를 측정하였다. 초음파법은 콘크리트를 통과하는 초음파의 전달시간을 측정하고 초음파 속도로 변환하여 콘크리트 강도와의 상관관계를 분석하여 강도를 추정하는 방법이다 [3-7, 9].
본 지하 박스 구간 중 기둥으로부터 거리가 먼 구간에서 그림 3(a)와 같이 종방향 균열폭 0.6mm(L=1.3m), 균열폭 0.9mm(L=2.6m)와 균열폭 0.3mm 이하의 종방향 균열을 확인하였다.
수치해석은 설계도면, 구조계산서 및 현장조사결과를 반영하여 상부슬래브와 벽체의 두께는 1,800mm로, 하부 슬래브의 두께는 2,000mm을 적용하였다. 구조물은 길이 방향으로 일정하므로 단위 폭을 갖는 2차원 구조물로 해석하였다.
인장철근의 겹침이음 길이도 770mm로 시공되어 설계기준의 930mm를 충분히 확보하지 않아 구조적인 휨인장 균열이 발생한 것으로 분석되었다 [8]. 실제 종방향 균열이 발생된 지하 박스구조물 단면에 대한 철근 겹침이음부의 철근강도감소비 및 설계유효모멘트를 산출하여 철근 겹침이음부의 균열 발생원인에 대하여 해석적으로 입증하였다 [8]. 본 연구와 같은 조건인 최대 인장응력이 발생되는 지하박스 구조물 중앙부에 철근 겹침이음부가 설치될 경우 철근 겹침이음부의 철근 강도감소비는 82.
재료의 물성치는 콘크리트 구조기준(2012) 및 철도설계 기준 노반편(2011)에 의거하여 콘크리트 적용기준의 경우 설계강도는 24.0MPa(측정강도: 24.0MPa 이상)이며 탄성계수는 25,811MPa로 적용하였다. 또한 철근 적용기준의경우 강도는 300MPa, 탄성계수는 200,000MPa이며 검토단 면의 철근간격은 주철근 40.
콘크리트 및 강재 비파괴시험 매뉴얼(한국시설안전공단)에서 제시한 방법으로 반발경도시험을 실시한 동일위치에서 간접법에 의해 발신자와 수신자의 측정거리를 10cm 간격으로 측정한 후 직접법 속도로 환산하여 콘크리트 강도를 추정하였다 [3-7, 9]. 본 시험에서는 일본재료학회와 일본건축학회의 제안식을 이용하여 추정강도를 산출하였다.
구조물에 작용하는 하중을 고정하중 및 토압, 활하중, 수압, 온도변화, 건조수축으로 구분하여 검토하였다. 하중조합은 콘크리트 구조기준을 참고하여 구조물의 구조해석 및 안전성을 검토하였다.
구조물은 길이 방향으로 일정하므로 단위 폭을 갖는 2차원 구조물로 해석하였다. 해석모델은 구조물의 기하학적 형상을 고려하여 보요소를 사용하였으며, 하부슬래브의 경계조건은 압축력 전담요소를 적용한 지반스프링으로 모델링하였다. 해석모델은 그림 9와 같으며 해석프로그램은 MIDAS Civil을 사용하였다.

대상 데이터

균열깊이 측정은 그림 8과 같이 슬래브의 종방향 균열이 발생한 구간 중 균열 폭 0.6mm 2개소, 균열 폭 0.9mm 3개소로 총 5개소에서 대하여 측정하였다. 분석은 Tc-To 법에 의하여 실시하였고, 그 결과는 표 4와 같다 [8].
지하 박스 구조물(폭 B=13.330m, 연장 L=25.132m)은상, 하선 본선에 유치선을 포함하여 3개의 선로가 시공된 대단면 박스구조물이다. 해당위치는 본선에서 유치선으로 분기되는 구간으로서 대단면 박스임에도 불구하고 중앙부 기둥이 설치되어 있지 않다.
실제 공용중인 콘크리트 구조물의 내부 철근의 배근 상태 및 시공상태를 확인하기 위해 수행하는 철근탐사 시험은 시험결과와 설계도서와의 배근간격을 비교하여 배근상태의 적정성을 판단하며, 철근 피복두께 확인으로 탄산화로 인한 구조물의 내구성 확인을 위해 실시하는 시험법이다 [3-7]. 철근탐사는 종균열이 발생된 슬래브의주철근의 배근간격, 피복두께 및 철근직경을 확인하기 위해 총 4개소에서 실시하였으며, 그 결과는 표 3과 같다[8]

이론/모형

9mm 3개소로 총 5개소에서 대하여 측정하였다. 분석은 Tc-To 법에 의하여 실시하였고, 그 결과는 표 4와 같다 [8].
해석모델은 구조물의 기하학적 형상을 고려하여 보요소를 사용하였으며, 하부슬래브의 경계조건은 압축력 전담요소를 적용한 지반스프링으로 모델링하였다. 해석모델은 그림 9와 같으며 해석프로그램은 MIDAS Civil을 사용하였다.

성능/효과

1) 철근 겹침이음 위치가 부적정하게 시공된 것에 대하여 설계기준에 의한 겹침이음길이 등을 검토한 결과, 겹침이음길이 부족으로 인한 균열이 발생할 수 있다는 것을 해석적으로 입증하였다.
2) 본 연구에서는 철근 겹침이음 위치가 부적정하게 시공된 사례를 바탕으로 콘크리트 구조기준에서 제시한 설치기준에 대하여 분석 및 고찰을 하였으며, 현행 구조기준에서 제시한 겹침이음에 대한 기준이 적정함을 해석적으로 입증하였다.
3) 따라서, 콘크리트 구조기준에서 정하고 있는 바와같이 철근 겹침이음부의 위치는 최대 인장응력이 발생하는 지점을 피해야 하며, 부득이하게 겹침이음이 부적정한 위치에 설치되는 경우 본 연구에서 검토한 바와 같이 충분한 겹침이음길이를 확보하여야 하며, 구조물 단면력에대하여 검토하여 충분한 안전율을 확보하는 것이 중장기적인 균열 제어 방법으로 적정할 것으로 검토되었다.
기 진단보고서를 바탕으로 균열발생 시점에 대한 조사 결과, 검토대상 구조물에 발생된 균열은 최근에 발생한 것이 아니라 시공당시 발생하여 하자보수를 실시한 것으로 검토되었다. 본 연구에서는 균열 폭의 진행성을 확인하기 위하여 균열 팁 및 균열 게이지를 부착하여 2018년 4월부터 7월까지 총 4회(1회/월) 측정을 하였으며, 측정기간 동안의 측정결과는 31.
본 연구에서 수행한 지하 박스구조물의 수치해석결과의 예는 그림 10과 같다 [8]. 해석결과, 각각의 하중조건에 대한 박스단면의 중앙부 및 단부에 대하여 상부슬래브, 하부슬래브, 측벽에 대한 단면검토 결과, 상부슬래브 중앙부에서 검토된 휨 모멘트를 제외한 모든 단면에서 하중조합의 계수단면력이 설계강도 보다 작게 나타나 안전성을 확보한 것으로 확인되었다 [8].

참고문헌 (10)

J.Y. Choi, H.S. Kim, K.S. Han, C.J. Jang, and J.S. Chung, "Damage Evaluation of Track Components for Sleeper Floating Track System in Urban Transit", The Journal of the Convergence on Culture Technology (JCCT), Vol. 5, No. 4, pp. 387-394, 2019 https://doi.org/10.17703/JCCT.2019.5.4.387

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J.Y. Choi, K.S. Han, J.G. Bong, C.J. Jang, and J.S. Chung, "Damage Status of Turnout System with Wooden Sleeper of Concrete Track on Urban Transit", The Journal of the Convergence on Culture Technology (JCCT), Vol. 5, No. 4, pp. 379-385, 2019 https://doi.org/10.17703/JCCT.2019.5.4.379

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Park, K., "A Study on Confirming and Protecting the Crack in Reinforced Concrete Structure", Master's thesis, Kyungil University, 2002
Kim, S., "Comparison of Concrete Crack Width Based on Design Criteria", Master's thesis, Dongshin University, 2010
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Korea Concrete Institute, 2012 Concrete Design Code and Commentary, Kimoondang, pp. 248-252
Jang, I., "Effect of Inadequacy of Reinforcement Lap Splice Location on Crack Underground Box Slab", Master's thesis, Dongyang University, 2020
Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, Standard Concrete Specification, 2016
C.N. Lee, "The Another Causes and Repair of Cracks in Reinforced Concrete slab", Architectural Institute of Korea, Vol. 44, No. 9, pp. 59-64, 2000

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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