1. 서    론

원자력 구조물은 고도의 안정성이 요구되기 때문에 철근 배근량이 많아 최대 57mm 철근이 과밀하게 배근된다. 이로 인해 철근 정밀 시공이 매우 어렵고 콘크리트 충전성도 저하될 우려가 있다. 원자력 구조물은 방사선 유출에 대비하여 균열폭을 최소화시키고 최종 파괴 유형을 연성적으로 유도하기 위하여 설계기준강도 420MPa 철근만 허용되고 있다.^1-4) 550MPa 고강도철근을 원자력 구조물에 사용할 경우, 철근 과밀배근에 따른 문제점이 해소되리라 기대된다.

고강도 철근을 활용하기 위해서는 여러 항목의 성능 검토가 필요한데, 철근과 콘크리트의 일체거동을 위하여 Fig. 1의 갈고리 정착의 성능 검증도 요구된다. 콘크리트구조기준(2012)⁵⁾에서는 철근 설계기준 항복강도 600MPa까지 갈고리 정착을 허용하고 있으며, KSD3504:2016⁶⁾은 최대 철근 지름 57mm까지 규정하고 있다. ACI318-14⁷⁾에서는 550 MPa 57mm 철근의 갈고리 정착을 허용하고 있다. 그러나 갈고리철근의 정착 연구들은^8-12) 모두 지름 36mm 이하 철근에 대해서만 수행되었으며, 실험적 검증 없이 41, 43, 51, 57mm 철근의 갈고리 정착이 사용되어 왔다.

이 연구에서는 원자력 구조물에 주로 사용되는 지름 43mm 설계기준항복강도 550MPa 갈고리철근의 정착 실험을 수행하였다. 현행 갈고리철근의 정착길이 설계식의 바탕이 되는 Marques와 Jirsa의 연구⁹⁾와 동일한 방법으로 측면파열파괴를 유도하여 실험하였다.

2. 선행연구 및 현행 설계기준

갈고리 정착에 관한 연구는 직선 정착 및 이음에 비해 매우 제한적으로 수행되었다. 1975년에 Minor와 Jirsa⁸⁾는 철근 지름 16, 22, 29mm에 굽힘 각도 45°, 90°, 135°, 180° 갈고리 정착 실험을 수행하였다. 콘크리트 강도는 19~46MPa이고, 횡보강철근과 기둥 축하중은 고려되지 않았다. 실험 결과 [묻힘길이]/[철근지름]의 비율을 동일하게 하였을 때, 구부림 각도가 크고 구부림 반경이 작을수록 동일 철근응력에서 미끄러짐이 크게 나타났다.

Marques와 Jirsa⁹⁾는 갈고리철근의 굽힘 각도 90°, 180°, 철근지름 22, 35mm, 콘크리트 강도 25~35MPa, 횡보강철근과 기둥 축하중을 고려한 실험을 수행하였다. 실험 결과 축하중은 갈고리철근의 정착강도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 묻힘길이가 클수록, 그리고 띠철근을 촘촘히 배근할수록 갈고리철근의 정착강도가 향상되었다. 이 결과를 바탕으로 정착강도 예측식 식 (1)을 제안하였다. 현행 설계기준^1-5)은 이 연구를 바탕으로 개발되었다.

 (1)

여기서, 은 묻힘길이, 는 4d_b이고, 은 실제 압축강도이다.

Pinc, Watkins와 Jirsa¹⁰⁾는 90° 각도로 지름 29, 35mm인 갈고리철근과 경량콘크리트(25~37MPa)를 사용하여 실험을 설계하였다. 정착강도는 뽑힘파괴 보다는 측면피복의 손실에 의해 지배되었다. 묻힘길이와 횡보강철근양이 갈고리 정착강도에 주된 영향을 미친다고 보고하였다.

2008년 Ramirez와 Russell¹¹⁾는 90° 갈고리를 갖는 지름 19, 35mm 철근에 대해 에폭시 도막 유무를 주 변수로 실험하였다. 콘크리트 강도는 61~114MPa를 사용하였으며, 축하중을 고려하지 않고, 횡보강철근을 배근하여 실험하였다. 에폭시 도막 갈고리철근이 일반 갈고리철근보다 더 낮은 정착강도를 갖는다고 보고되었다.

가장 최근의 연구로, 2015년 Kansas 대학교¹²⁾에서 337개 실험결과를 보고하였다. 실험변수로 철근지름 16, 25, 36 mm, 굽힘 각도 90°, 180°, 콘크리트 강도 34~103MPa, 횡보강철근량을 설정하였다. 실험 결과, 정착길이에 대한 현재 기준들은 철근 지름과 콘크리트 압축강도의 영향이 과대평가 되고 있다는 것을 보여주었다. 이를 바탕으로 횡보강철근이 없을 경우 식(2)를, 횡보강철근이 있을 경우 식(3)을 제안하였다.

 (2)

(3)

여기서, 은 보 주철근의 수직방향으로 배근된 횡보강철근 가닥 수이고, 은 갈고리철근의 개수, 은 횡보강철근의 단면적이다.

콘크리트구조기준(2012)⁵⁾에서는 갈고리 정착길이 설계식으로 식(4)를 제공하고 있다. 갈고리 정착에 관한 선행연구는 모두 지름 36mm 이하 철근에 대해서만 수행되었기 때문에, 피복두께에 대한 보정계수 0.7, 횡보강철근에 의한 보정계수 0.8을 지름 36mm 초과 철근에 대해서는 적용할 수 없도록 규정하고 있다.

                               (4)

여기서, 는 철근 도막계수이고 는 경량콘크리트 계수이다. 는 8와 150mm중에서 큰 값 이상 이어야한다.

원자력 격납 구조물 설계에 사용되는 KEPIC SNB¹⁾에서는 갈고리 정착길이 설계식으로 식(5)를 사용하고 있다. 정착길이 산정식에 를 포함하지 않고 있으나, 설계기준항복강도가 420MPa을 초과하는 철근에 대해서는 /420 보정계수를 곱하여 철근 항복강도에 따른 정착길이 증가를 고려하였다. 원자력 일반 구조물 설계에 사용되는 KEPIC SNC²⁾는 콘크리트구조기준과 동일하다.

                                  (5)

3. 실험계획

현재 설계되는 원자력발전소에서는 콘크리트 압축강도 최대 42MPa, 철근 설계기준항복강도는 420MPa가 사용되고 있으며, 최대 지름 57mm 철근이 이용된다. 이 연구에서는 원자력발전소 건설에 사용되는 43mm 갈고리철근을 대상으로 선정하였으며, 설계기준항복강도 550MPa를 목표로 실험계획을 수립하였다. 목표 파괴유형은 Marques와 Jirsa연구⁹⁾와 동일하게 측면파열파괴로 설정하였다.

3.1 실험 변수

2장에서 갈고리 정착에 관한 선행연구 및 현행 설계기준을 조사한 결과, 갈고리 정착강도의 주요 영향인자는 묻힘길이, 콘크리트 압축강도, 피복두께, 횡보강철근으로 분석되었다. 이 주요 영향 인자를 실험변수로 설정하였다.

현행 설계기준 식(4)에 철근의 설계기준항복강도 550MPa, 콘크리트 설계기준 압축강도 42MPa를 대입하면 요구 정착길이 는 20.2이다. 철근정착길이와 이음길이 설계식 개발^13,14)에 적용된 안전율 0.8을 고려하면 묻힘길이 16 에서 설계기준항복강도 550MPa가 발현될 것으로 기대된다. 따라서 묻힘길이 변수는 10, 13, 16, 20로 설정하였다.

ACI 352-02¹⁵⁾에 따르면 측면피복두께 3 이상에서는 측면파열파괴가 발생되지 않는다고 보고하고 있으며 최소 피복두께가 40mm임을 고려하여, 측면피복두께 변수는 1와 2 두 가지로 설정하였다. 또한 측면파열파괴에 대한 횡방향철근의 영향을 살펴보기 위하여 횡보강철근의 유무도 실험변수에 포함하였다. 횡보강이 없는 실험체는 갈고리철근이 기둥 띠철근 밖으로 배근된 실험체를 의미한다. 콘크리트 압축강도는 42MPa을 기본으로 하며, 정착길이별 1개씩만 70MPa를 사용하였다. 측면피복두께 1, 콘크리트압축강도 42MPa, 횡보강철근의 영향 없이 묻힘길이만 변수로 한 실험군을 C1-series로 정의하였다. C1-series와 동일 조건에 측면피복두께를 2로 설계한 실험체를 C2-series로 정의하고, 같은 방법으로 갈고리철근을 횡보강철근 안으로 배근된 실험체를 Conf.-series로, 70MPa 콘크리트를 사용한 실험체를 S70-series로 정의하였다. 실험체별 변수를 Table 1에 정리하였다. 철근에 발현되는 예상강도가 최대 550MPa를 상회하도록 실험변수를 구성하였다.

3.2 실험체 설계

Fig. 2는 정착길이 16 실험체의 배근 상세도이다. 기둥 주철근에 의한 횡구속효과를 제거하기 위하여, 기둥 주철근은 모두 갈고리철근 안쪽으로 배치하였다. Fig. 2(a)는 C1-series로 피복두께 1인 실험체이고, 횡보강철근의 영향을 배제하기 위하여 갈고리철근을 기둥 띠철근 밖으로 배근하였다. 갈고리철근 정착 구역 이외에는 기둥 띠철근을 정상적으로 배치하였다. Fig. 2(b)는 Conf.-series로 갈고리철근을 기둥 띠철근 안쪽으로 배근하여 횡보강철근의 영향을 고려하였다. Fig. 2(c)는 갈고리철근의 측면 피복두께를 철근 지름의 2배인 86mm로 제작한 C2-series 실험체이다. 콘크리트 압축강도 70 MPa을 실험변수로 한 실험체는 기본실험체인 Fig. 2(a)와 동일하다.

접합부 전단파괴가 발생되지 않도록 ACI 352R-02¹⁵⁾을 바탕으로 접합부를 설계하였다. 접합부 전단강도 계수는 Type 1 중간층 모서리 접합부인 를 선택하였으며, 식 (6)에 따라 접합부 전단강도를 산정하고, 철근 항복 시 요구되는 접합부 전단력보다 충분히 강하도록 설계하였다. 기둥의 휨모멘트강도가 보 휨모멘트강도의 1.2배 이상이 되도록 기둥 주철근을 배근하였다.

                           (6)

여기서, 는 기둥 유효폭, 는 기둥의 너비이다.

3.3 가력 및 계측방법

기둥에 보 주철근 2가닥이 갈고리 정착된 형태로 가력장치도를 구성하였다. 실험의 편의성을 위해 기둥을 눕히고 보 콘크리트는 타설하지 않았으며, Fig. 3과 같이 보 주철근에 직접 인장력을 가력하였다. 보 단부 모멘트에 의해 유발된 인장력을 정착된 갈고리철근에 가력하고 동시에 보 압축응력블럭에 동일한 압축력이 가해지도록 Fig. 3과 같이 우측 단부를 강봉으로 연결하였다. 하중은 1,000kN 용량의 유압잭을 사용하여 단조가력을 하였다. 가력장치도는, 기둥 축력이 없는 점과 기둥을 눕혀서 가력한 것을 제외하고는, 현행 갈고리정착길이 설계식의 바탕이 되는 Marques와 Jirsa연구⁹⁾와 동일하다. 부착과 지압의 기여도를 평가하기 위해, 변형률 게이지를 갈고리 굽힘이 시작되는 점에 2개 부착하였다. 또한 하중은 각 유압잭 앞에 로드셀을 설치하여 계측하였다.

4. 실험결과

4.1 재료실험결과

콘크리트 강도는 UTM을 이용해 압축강도시험을 1주일 간격으로 실시하였다. 실험체별 실험일 강도는 직선보간을 통해 산정하여 Table 2에 정리하였다. 철근 인장시험결과 항복강도 619MPa, 인장강도 782MPa, 탄성계수 204,421 MPa로 계측되었으며, 응력-변형률 곡선은 Fig. 4에 나타내었다. 항복강도 600MPa 이상의 고강도 철근임에도 뚜렷한 항복점과 충분한 항복마루를 갖는 이상적인 응력-변형률 곡선을 보였다.

4.2 파괴양상

모든 실험체는 측면피복 콘크리트가 탈락되는 측면파열로 파괴되었다. 정착된 갈고리철근의 굽힘부에 집중된 지압력에 의해 굽힘부 측면 피복콘크리트가 폭발적으로 탈락하며 순간적으로 파괴되었다. 가력 초기에는 갈고리철근 직선구간의 부착에 의해 작용된 인장력을 지지하였다. 하중이 증가하면서 직선부의 부착력이 상실되고, 이후 갈고리철근 굽힘부에서 대부분의 하중을 지지하게 된다. 파괴되는 순간 굽힘부 지압에 의한 발현 강도는 최대에 도달하게 된다. 파괴 후 대표적인 모습을 Fig. 5에 나타내었다. 측면피복두께가 1인 C1-series 실험체들은 피복콘크리트가 크게 탈락되었으며, 횡보강철근이 갈고리를 감싼 Conf.-series 실험체와 측면피복두께가 2인 C2-series 실험체는 상대적으로 콘크리트 탈락이 적었다.

초기 균열은 정착된 갈고리철근의 직선부를 따라 수직으로 발생하였으며, 압축응력블럭과 갈고리철근 사이의 경사균열도 다수 발생하였다. 측면피복두께가 1인 실험체들에서 측면파열파괴가 뚜렷이 관찰되었으며, 특히 콘크리트 강도 70MPa로 제작된 S70-series 실험체에서 가장 선명하게 관찰되었다. 콘크리트 압축강도가 높을수록 정착강도가 향상되지만, [인장강도]/[압축강도] 비율이 저하되고 인장변형능력이 압축강도에 비례하여 증가하지 않기 때문에 파괴가 매우 급격히 발생된 것으로 판단된다.

4.3 정착강도

실험에서 계측된 철근의 발현강도와 이론식 및 설계식으로 예측한 강도, 그리고 실험일 콘크리트 압축강도를 Table 2에 정리하였다. 콘크리트구조기준⁵⁾에 의한 예상강도는 식 (4)를 변형하여 식 (7)로 산정할 수 있다. Kansas 대학교 보고서¹²⁾의 식 (2)와 (3)을 철근 단면적으로 나누면 철근 발현강도로 표현할 수 있다. 콘크리트용 앵커의 측면파열파괴강도를 평가하는 Furche와 Eligehausen의 제안식¹⁶⁾은 식 (8)과 같다.

                         (7)

                    (8)

여기서, c_so는 측면피복두께이다.

Fig. 6에서 설계기준 및 여러 제안식과 계측된 정착강도를 비교하였다. Fig. 6(a)는 콘트리트구조기준 평가식⁵⁾(식 (7))과 실험값을 비교한 그래프이다. 횡보강철근이 배근된 Conf.-series의 경우 정착강도가 예상강도보다 매우 높게 발현되었지만, S70-series는 다수 실험체에서 예상강도 보다 낮은 정착강도가 발현되었다. 콘크리트구조기준의 갈고리정착길이 설계식⁵⁾은 콘크리트 강도의 영향을 과대평가하고 있으며, 횡보강철근을 고려하지 않음으로 이의 효과가 과소평가되고 있다. Fig. 6(b)는 Marques와 Jirsa 평가식⁹⁾(식 (1))과 실험값을 비교한 그래프로, 모든 실험체에서 예상강도보다 높은 정착강도가 발현되었다. Fig. 6(a)와 마찬가지로 횡보강된 실험체에서 높은 안전율이 확인되었다. Fig. 6(c)는 Kansas 대학교 평가식¹²⁾(식 (2), (3))과 실험값을 비교한 그래프로, 횡보강근이 배근된 실험체를 제외한 모든 실험체가 예상강도보다 높은 정착강도가 발현되었다. Kansas 대학교의 제안식¹²⁾에서는 콘크리트 강도의 0.29 제곱을 채택하여, 콘크리트 강도의 영향이 과대평가되는 문제점을 해소하였다. 또한 횡보강철근의 영향을 고려하여 정확한 강도를 예측하는 것으로 판단된다. Fig. 6(d)는 Furche와 Eligehausen의 콘크리트용 앵커 측면파열파괴강도 평가식¹⁶⁾과 실험값을 비교한 것이다. 식 (8)에서는 묻힘길이가 고려되지 않아 정확한 예측이 불가능하다. 측면파열파괴로 파괴유형이 동일하더라도 콘크리트용 앵커와 갈고리철근의 정착강도는 큰 차이가 발생하였다. 갈고리철근은 직선구간의 부착력이 존재하기 때문에 콘크리트용 앵커와 달리 묻힘길이가 정착강도에 큰 영향을 주기 때문이다.

실험군별 [실험값]/[예상값] 비율의 평균과 변동계수를 Table 3에 정리하여 비교하였다. 콘크리트구조기준⁵⁾과 비교에서, 측면피복두께 2인 C2-series [실험값]/[예상값] 비율의 평균이 1.28로 나타났다. 피복두께에 의한 보정계수 0.7을 적용하면 [실험값]/[예상값]의 평균이 0.896으로 저하되어 안전하지 않은 결과가 도출된다. 따라서 현재 설계기준과 같이 지름 35mm 초과 철근에서는 피복두께에 의한 저감계수를 고려하지 않는 것이 바람직하다. 횡보강된 Conf.-series의 [실험값]/[예상값] 비율은 평균 1.45로 평가되었다. 횡보강철근에 의한 보정계수 0.8을 적용하면 1.16으로 횡보강철근이 없는 실험체와 유사한 안전율을 갖는 것으로 평가되었다. 따라서 43mm 갈고리철근에도 횡보강철근에 의한 저감계수 적용이 가능한 것으로 판단된다.

Kansas 대학교 제안식¹²⁾을 제외한 3가지 예측값과 실험값을 비교하면, 횡보강된 Conf.-series가 가장 안전율이 높게 평가되었다. Kansas 대학교 평가식¹²⁾에는 횡보강철근과 콘크리트 압축강도의 영향이 적절히 고려된 것으로 평가된다.

고강도콘크리트를 사용한 실험체의 [실험값]/[콘크리트구조기준 예측값]의 비율이 1.0 으로 안전율이 부족하다. 콘크리트강도의 제곱근에 비례하는 현행설계기준^1-5)은 고강도 콘크리트에서 안전측이 아니므로 콘크리트 압축강도에 대한 영향을 감소시킬 필요가 있다. Kansas대학의 제안식¹²⁾에서는 콘크리트 압축강도의 0.29 제곱에 비례하므로, 고강도콘크리트에서도 일반강도 콘크리트에 정착된 갈고리철근과 유사한 안전율을 갖는다. ACI408 committee 보고서¹⁷⁾에 따르면, 콘크리트는 압축강도 증가에 비해 인장강도의 증가가 낮고 파괴에너지(fracture energy) 흡수 능력이 거의 증가되지 않기 때문에 부착강도는 콘크리트 압축강도의 제곱근에 비례하지 않는다고 보고하고 있다. 이러한 특징이 43 mm 갈고리철근 정착에도 동일하게 나타났다.

4.4 지압 및 부착에 의해 발현된 철근응력 분포

갈고리철근의 응력은 갈고리의 지압과 직선구간의 부착에 의해 발현된다. 측면파열파괴된 D43-L13-C1-S42 실험체에서 지압 및 부착에 의한 철근 응력 분포를 Fig. 7에 보여주고 있다. 여기서, F는 실험체 전면에 정착된 갈고리철근이고, B는 후면에 정착된 갈고리철근이다. 지압에 의해 발현된 강도는 Fig. 3에 표시한 변형률 게이지에서 계측된 변형률에 철근 탄성계수를 곱하여 산정하였다. 철근의 전체 응력에서 지압에서 발현된 응력의 차이를 산정하여, 이를 부착에 의해 발현된 강도로 하였다.

가력 초기에는 대부분의 응력이 부착에 의해 발현되었으나, 최대 정착강도의 33%정도에서 부착 기여도가 감소하여 파괴시에는 대부분의 응력이 갈고리 지압에 의해 발현되었다.

5. 정착강도 평가

4장의 실험결과를 바탕으로, 콘크리트 강도, 묻힘길이, 피복두께, 횡보강철근의 영향을 평가하였다.

5.1 콘크리트 압축강도의 영향

콘크리트 압축강도를 제외하고 나머지 조건은 동일한 실험체끼리 비교하여 콘크리트 압축강도의 영향을 평가하였다. 정착강도는 콘크리트는 에 비례한다고 가정하여 3쌍의 실험체를 비교한 결과 a값 평균은 0.09로 나타났다.

콘크리트 인장강도에 지배를 받는 부착, 정착, 이음, 전단, 앵커의 콘크리트 파괴강도에는 전통적으로 a= 0.5를 사용하고 있으며, 최근 수행된 Kansas 대학교의 연구¹²⁾에서는 a값으로 0.24와 0.29를 제안하였다. 제한된 연구결과로 콘크리트 압축강도의 영향을 정확히 평가할 수는 없으나, 가는 철근에 비해 굵은 철근에서는 부착과 지압에 의해 유발된 콘크리트 인장응력이 매우 국부적으로 발생하여 측면파열파괴가 발생되기 때문에 콘크리트 압축강도의 영향이 감소한 것으로 판단된다.

5.2 묻힘길이의 영향

갈고리철근에 발현된 강도를 로 표준화하여 묻힘길이에 따른 영향을 Fig. 8에 나타내었다. 묻힘길이에 선형적으로 비례하여 정착강도가 향상되었다. 선형 회귀분석을 통해 콘크리트압축강도와 묻힘길이만을 변수로 하는 정착강도 평가식 (9)이 도출되었다.

                      (9)

5.3 측면피복두께의 영향

측면피복두께의 영향을 평가하기 위해, 발현된 정착강도를 식 (9)로 나눠서 Fig. 9에 나타내었다. 측면피복두께가 증가할수록 정착강도가 향상되었다. 선형 회귀분석을 통해 측면피복두께에 따른 정착강도의 영향계수()를 도출하였다.

                          (10)

5.4 횡보강철근의 영향

횡보강철근의 영향도 측면피복두께 영향과 동일한 방법으로 분석하여 Fig. 10에 나타내었다. 횡보강철근지수 이 증가할수록 정착강도가 향상되었으며, 선형 회귀분석을 통해 횡보강철근에 따른 정착강도의 영향계수()를 도출하였다.

                            (11)

5.5 갈고리철근 정착강도 평가식

콘크리트 압축강도와 묻힘길이의 영향만 고려된 식 (9)에 측면피복두께와 횡보강철근의 영향을 고려하여 갈고리철근 정착강도 평가식을 개발하였다.

Fig. 11에서 식 (12)와 실험값을 비교하였다. [실험값]/[예측값] 비의 평균이 1.0이며 변동계수 10%로 비교적 정확한 강도를 예측할 수 있다. 또한 콘크리트압축강도, 측면피복두께, 횡보강의 유무에 따른 편향 없이 모든 변수를 적절히 평가하였다.

                 (12)

6. 결    론

설계항복강도 550 MPa 43mm 갈고리철근의 정착 실험 및 결과 분석을 통해 다음의 결론을 얻었다.

1)실험체 모두 목표했던 측면파열파괴가 발생하여, 최대하중에서 측면 피복두께가 급격히 탈락하였다.

2)가력 초기에는 대부분의 하중을 직선구간의 부착에 의해 지지하였으나, 최대 하중의 1/3 지점부터 부착에 의한 기여도가 저감되기 시작하여 최대 하중에서는 대부분 갈고리 지압에 의해 하중을 지지하였다.

3)횡보강철근의 영향이 고려된 Kansas 대학교 평가식¹²⁾을 제외하고, 콘크리트구조기준과 기존 이론식은 횡보강철근의 영향을 과소평가하고 있다. 횡보강철근이 있는 실험체에서 [실험값]/[콘크리트구조기준 예측값] 비율의 평균이 1.45였다. 35mm 초과 철근에 적용이 금지된 횡보강철근에 대한 보정계수 0.8을 적용하여도 안전한 갈고리정착이 가능하다.

4)70MPa 콘크리트를 사용한 경우에는 [실험값]/[콘크리트구조기준 예측값]의 비율이 1.0로 다른 경우에 비해 안전율이 부족하였다. 콘크리트강도의 제곱근에 비례하는 콘크리트구조기준은 고강도 콘크리트에서 안전측이 아니므로 콘크리트 압축강도에 대한 영향을 저감시킬 필요가 있다.

5)실험결과를 회귀분석하여, 콘크리트 압축강도, 묻힘길이, 측면피복두께, 횡보강철근의 영향을 고려한 갈고리철근 정착강도 평가식을 개발하였다. 13개 실험데이터와 비교한 결과, [실험값]/[예측값] 비 평균이 1.0, 변동계수가 10%로 매우 정확히 강도를 예측하였다.