2.1 수직 고정형 정착장치에서 힘의 전달

프리스트레스트 콘크리트에서 정착장치 주변에서는 지압응력, 파열응력, 박리응력 등 높은 수준의 응력이 발생하게 되는데^{(Guyon 1994)}, 설계자는 이 힘들을 정확하게 예측하고 이로 인해 콘크리트 정착부가 파괴되지 않도록 설계하는 것이 중요하다.

Fig. 2 Anchorage devices

Fig. 3 Details of embedded post-tensioning anchorage

현재 상용되는 긴장형 정착장치에서 강연선은 앵커헤드에 의해 고정되고 앵커헤드는 강연선 하중을 캐스팅으로 전달한다. 그리고 캐스팅이 콘크리트와 직접 맞닿아 하중을 콘크리트 구조물로 전달한다. 수직 고정형 정착장치는 Fig. 2(a) 및 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 그립이 부착된 강연선을 정착장치 내에 삽입하고 고강도 그라우트를 일정 깊이까지 정착장치 내에 주입함으로써 강연선 다발과 캐스팅이 일체화되도록 한다. 이 장치에서는 긴장형 정착장치와 다르게 강연선에 그립을 사용하며, 앵커헤드와 쐐기는 사용하지 않는다. 한편 긴장형 정착장치는 Fig. 2(b)와 같이 앵커헤드와 쐐기를 사용하여 긴장력을 캐스팅으로 전달하는 구조로 되어 있다^{(KTA 2017)}.

본 연구에서는 수직 고정형 정착장치의 성능을 지압성능과 부착성능으로 구분하여 살펴보았다.

2.2 정착장치의 지압 특성

정착장치의 정착부 설계는 국소구역에 작용하는 지압응력과 파열응력에 대응하여 적절한 보강을 실시하는 것으로 나선철근, 띠철근 등 보강철근의 설계가 이에 해당한다. ^Nawy(2011)에 따르면 나선철근은 콘크리트의 압축강도 증진을 유도하고 띠철근은 파열력에 대응하여 정착부의 쪼개짐 파괴와 균열 발생을 제어하는 역할을 한다고 알려져 있으며, 실제 이 두 철근은 압축강도 증진과 파열력에 대한 대응에 상호보완적인 역할을 할 수 있다.

특수 정착장치의 경우 일반적으로 시험을 실시하여 그 성능을 평가하고, 시험하지 않는 시험체에 대해서는 보간하여 제원을 결정하도록 하고 있다. PTI에서는 특수 정착장치의 극한강도 추정을 위한 수식을 아래와 같이 제시하고 있다^{(Wollmann and Roberts-Wollmann 2000)}.

여기서, $P_{n}$은 정착부 극한강도, $P_{c}$는 콘크리트 지압강도, $P_{s}$는 횡방향 보강철근의 구속에 의한 지압강도 증가를 각각 나타낸다. $f'_{ci}$는 프리스트레스 도입 시 콘크리트 압축강도, $A_{b}$는 정착판의 유효단면적, $\eta$는 수정계수, $f_{lat}$는 나선철근에 의한 횡방향 구속응력, $A_{core}$는 나선철근에 의해 구속된 콘크리트의 단면적을 각각 나타낸다.

한편, 특수정착장치에서 횡리브의 설치는 정착부에 발생하는 응력을 분산시키고 정착부의 지압강도를 증진시키는 효과를 유발하여 정착성능 향상에 효과적임이 여러 연구를 통해 확인되었다^{(Kim et al. 2014; Kwon et al. 2015)}.

정착장치 국소구역에서 나선철근의 효과와 관련하여 ^{Breen et al.(1994); Wollmann and Roberts-Wollmann(2000); PTI(2006)} 등의 연구에서 콘크리트의 압축강도와 나선철근, 띠철근의 구속 효과가 반영된 정착구역의 지압강도 예측식이 도출되었으며, ^{Cervenka and Ganz(2014)}은 시험체 크기와 나선철근의 배근 지름이 정착부 파괴에 영향을 미치고 있음을 밝혔다.

^{Yang and Kim(2020)}은 정착장치 구속철근의 강도 및 간격이 하중전달성능에 미치는 영향에 관한 연구에서 철근의 강도뿐만 아니라 간격이 정착장치 주변응력을 구속하는데 중요한 요소임을 확인하고, 정착장치 제원에 따라 철근의 배근 간격을 적절히 선택할 것을 제안하였다.

2.3 강연선의 부착 특성

캐스팅 내부에서 그립을 체결한 강연선은 그라우트와의 부착성능으로 하중을 전달하므로 강연선의 부착성능을 적절히 평가하는 것은 매우 중요한 과제이다. 그러나 수직 고정 정착장치에서는 그립과 그라우트의 부착 및 그라우트와 캐스팅 간의 부착에 대한 이론적 규명이 부족한 상태이다. 따라서, 현재의 규정 및 연구자들의 연구결과로부터 부착길이를 추정하고, 이를 반영한 시험체에 대해 성능시험을 실시하여 부착성능을 평가하고자 한다.

Hanson과 Kaar의 연구에 기초한 ACI의 전달길이에 대한 기준^{(ACI 2020)}은 강연선의 직경과 유효 프리스트레스의 함수로 이루어져 있다. 그러나 그 이후 연구자들의 연구에 따르면 부착성능은 강재의 특성 이외에 압축강도 등 콘크리트의 특성과 프리스트레스 릴리즈 방법 등 다른 요인에도 많은 영향을 받는 것으로 나타났다^{(Dang et al. 2013)}.

콘크리트 압축강도를 고려한 여러 연구자들의 전달길이 제안식은 Table 1과 같다.

강연선의 부착에 영향을 미치는 중요한 요인으로는 콘크리트 강도외에 피복두께의 영향 및 그라우트 내 섬유보강재의 영향을 들수 있다. ^{Yang et al.(2016)}는 2,400 MPa 강연선을 사용한 프리텐션보의 연구에서 콘트리트의 압축강도와 피복두께가 증가할수록 전달길이가 감소함을 실험으로 규명하였으며, ^{Shin et al.(2018)}은 초고성능 섬유보강 콘크리트에 매립된 강연선의 전달길이가 일반고강도 콘크리트에 매립된 강연선의 전달길이보다 훨씬 짧음을 확인하였다.

한편 수직 고정 정착장치에서 강연선에 부착된 그립은 표면의 부착력 이외에 그립과 그라우트의 지압력이 정착 성능에 기여할 수 있다. 다만 캐스팅내 그립은 매우 좁은 간격으로 배치되므로 지압성능을 충분히 발휘하기 어려운 여건임을 감안하여야 한다. 실제 구조물에서는 강연선이 다발로 설치되므로 이로 인한 부착력 및 지압 능력의 감소를 또한 고려하여야 한다.

3.1 성능평가 방안

PTI에서는 특수 정착장치에 대해서는 시험을 통해 성능을 확보하도록 하고 있으나, 수직 고정형 정착장치를 직접 대상으로 한 공인된 규정은 없으므로 이 장치의 성능을 평가하기 위해서는 먼저 성능평가기준이 논의되어야 한다.

이 장치가 성능을 발휘하려면 강연선이 충분한 부착성능을 발휘하는지와 캐스팅이 지압응력에 저항할 수 있는지가 먼저 규명이 되어야 하며, 이는 긴장형 정착장치의 성능인증기준의 취지를 살펴봄으로써 접근할 수 있다.

3.2 일반 정착장치의 성능시험 기준

포스트텐션 정착구의 성능 시험으로는 정하중 시험, 피로시험 및 하중전달 시험을 들 수 있다. 정하중 시험에서는 정하중 작용시 인장요소의 거동 및 하중지지능력 등의 지표를 확인하고, 하중전달시험에서는 하중전달 시 압축요소인 콘크리트의 거동 및 하중지지 능력 등의 지표를 확인하는 것을 목표로 한다. 피로시험의 경우 피로하중 작용 시 인장요소의 거동 및 정착장치의 하중 지지 능력을 확인한다. 정착장치의 성능평가 시험기준은 EOTA의 EAD 160004-00-0301^{(EOTA 2016)} 및 PTI^{(PTI 1998)} 기준이 세계적으로 많이 사용되고 있다. EOTA의 성능평가 절차 및 안정화 기준을 요약하면 Table 2 및 Table 3과 같다.

3.3 수직 고정형 정착장치에 대한 성능평가기준 제안

수직 고정형 정착장치에서는 그라우트에 의한 강연선과 정착장치의 일체 거동이 검증되어야 한다. 또한 일체화된 정착장치는 강연선에 긴장력을 도입할 때 지압과 파열에 대한 성능이 확보되어야 하며, 성능평가 시험을 통해서 증명되어야 한다. 수직 고정 정착장치의 시험은 이러한 목적을 달성할 수 있도록 별도로 정립되어야 한다.

성능평가의 주요 요소로는 먼저 정하중 성능에서 캐스팅 내에서 그립과 강연선이 하중을 받았을 때 그라우트로부터 뽑히지 않을 것과 그라우트와 캐스팅의 상호작용에서 그라우트가 캐스팅 속으로 과다하게 빨려 들어가지 않을 것을 들수 있다.

하중전달 성능에서 강연선에서 전달된 하중을 지탱하고 있는 캐스팅이 하중에 의해 주변 콘크리트 속으로 밀려 들어가거나 콘크리트가 깨어지지 않도록 충분한 지압 저항능력을 가져야 하며, 구조물이 콘크리트 강도 및 보강철근의 저항력으로 파열응력을 부담할 수 있어야 한다. 결국 수직 고정형 정착장치의 성능시험은 이 네 가지의 주요 이슈에 대한 검증으로 이루어져야 한다.

이 연구에서는 수직 고정형 정착장치의 실용화 가능성 모색을 위한 성능시험을 EOTA의 정하중 시험을 기반으로 수행하고, 장치의 특성상 추가된 캐스팅 내부에서의 강연선-그라우트 결합체의 안전성 및 그라우트 내 강연선의 안정성 평가를 위한 절차 및 판정기준을 제안하였다.

강연선-그라우트 결합체의 안전성 평가는 시험종료 후 그라우트의 빨려들어감 변위로 판단할 수 있다. 고정형 정착장치에서 그라우트의 빨려 들어감 변위의 허용값에 대해서는 케이블 교량에서 PPWS(prefabricated parallel wire strand)의 역학적 특성을 정함에 있어서 강연선의 공칭인장강도의 95 % 하중에서 발출량 허용한계를 20 mm로 하고 있음^{(Yoo et al. 2011)}을 참고기준으로 삼을 수 있다.

EOTA의 정하중 시험에서 강연선은 0.95$F_{pk}$까지 저항능력이 있는지로 안전성을 판단한다. 수직 고정 정착장치에서는 0.95$F_{pk}$까지 가력했을 때 강연선의 파단외에 빨려들어감 여부가 중요한 판단기준이 되며, 캐스팅 내에서 그라우트와 강연선의 일체거동이 확보되어야 한다. 이는 강연선의 파단 여부만을 판정하는 EOTA의 정하중 규정에서 발전된 것이다. Table 4는 Table 2의 EOTA의 정하중 시험과 본 연구에서 제안한 수직고정형 정착장치의 정하중 시험의 주요 차이점을 비교한 것이다.

4.1 그라우트 깊이

수직 고정 정착장치의 규격을 결정하기에 앞서 유사한 구조의 기존 정착장치의 규격을 살펴보는 것이 참고가 될수 있다. VSL사에는 1,860 MPa 강연선용 수직 고정형 정착장치를 개발하였으며, 한국의 KTA사에서는 2,360 MPa급 고강도 강연선용 긴장형 정착장치를 상용화하였다. Table 5는 각 정착장치의 규격을 비교한 것이다.

시험체에 적용할 적정 콘크리트(그라우트) 강도와 그라우트 길이를 결정하기 위해 강도와 전달길이의 상관관계를 연구한 여러 제안식으로부터 계산한 그라우트 강도별 전달길이는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 이때 강연선은 공칭직경 15.2 mm, 극한강도($F_{pk}$)가 2,360 MPa인 고강도 강연선을 대상으로 하였다. 시험변수를 단순화하기 위해 예비시험체의 그라우트 강도를 현장 적용성을 감안하여 100 MPa로 고정할 경우 전달길이는 연구 제안식들 중에서 ^{Kose et al.(2005)}의 제안식에 의한 값이 884 mm로 가장 크게 나타난다. 한편 동일한 식에 의한 VSL AF형의 전달길이는 697 mm로 계산된다. Table 6은 VSL AF^{(VSL 2019)} 및 본 연구의 시험체의 전달길이 및 그라우트 높이를 비교한 것이다.

Table 6에서 볼 수 있는 바와 같이 VSL 정착장치에서는 전달길이 계산값보다 더 긴 그라우트 길이를 사용하고 있다. 이 길이에는 전달길이 계산식의 부정확함 외에도 실제 부착에 영향을 미치는 여러 영향이 복합적으로 반영되어 정착장치의 기능을 발휘하는 것으로 볼 수 있다.

수직 고정 정착장치에서 강연선의 부착에 영향을 미치는 추가 요소로는 캐스팅 내에서 그립의 역할과 강연선 다발의 효과를 들 수 있다. 그립은 단부 단면에 의해 발생한 지압력이 부착을 강화하는 역할을 할 것이고, 다발로 배치된 강연선은 단일인 경우보다 더 긴 전달길이를 요구할 것이다. 이 외에 그라우트 내 섬유보강재의 영향 및 강연선의 표면상태, 캐스팅 내에서 그라우트가 부착응력 발휘에 충분한 규격을 가지고 있는지 등의 여러 변수가 있으며, 여러 요인들의 복합적인 영향에 관한 정량적인 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 시험에서는 전달길이 계산값에서 이러한 여유를 고려하여 50 mm 및 120 mm를 각각 증가시킨 940 mm 및 1,010 mm 두 종류를 각각 그라우팅 깊이로 선정하고 성능시험을 통하여 적정성을 검증하고자 한다.

4.2 정착장치 형상

캐스팅의 규격은 내부 그라우트에서 전달된 프리스트레스 힘을 주변 콘크리트로 전달하는 지압능력과 강연선의 배치 가능성이 중요한 결정요인이 된다.

시험체는 캐스팅의 하단 외경을 380 mm 및 400 mm, 덕트의 내경을 150 mm 및 130 mm 두 가지로 하되 각 규격을 상호 교차 조합하여 다양한 경우를 대비하였다. 캐스팅 하부 규격은 VSL 대비 5 mm 및 25 mm 큰 값이며 이는 1,860 MPa 대비 2,360 MPa 강연선의 강도 증가에 따른 지압력을 추가로 확보하기 위한 것이다.

캐스팅 양단의 직경 차이는 내부에서 Fig. 4와 같이 wedge action을 발생시켜서 저항력의 증대를 가져온다. 일반적으로 쐐기의 기울기가 클 경우 더 큰 저항력을 얻을 수 있지만, 강선에 더 큰 응력을 발생시킨다^{(Han et al. 2017)}. 따라서 강선의 시공성과 효율적인 저항구조를 생성하기 위해서는 적정한 기울기를 채택할 필요가 있다. 본 시험에서는 캐스팅의 기울기가 각각 2° 및 3°인 시험체를 제작하였다.

Table 7은 가정된 캐스팅에 대해서 리브의 면적을 포함한 전체 지압력을 식 (1)~(3)에 나타낸 PTI 설계식을 기반으로 검토한 결과를 나타낸다.

이때 정착판의 유효 단면적($A_{b}$)은 전체 리브 단면적의 단순 합산을 고려하였는데, ^{Kwon et al.(2018)}의 연구에서 복수의 리브 면적을 단순 합산할 경우 설계지압강도를 과대평가하게 되므로 적절한 감소계수를 적용할 것을 제안하고 있다. 따라서 본 연구에서와 같이 리브가 3개인 경우에 일정량 감소된 면적이 도입되어야 한다. 이 효과는 정착부 극한강도 계산에서 안전율(1.15)의 형태로 고려되었다.

Fig. 4 Wedge action

4.3 시험체 설계

앞에서 연구된 내용을 종합하여 Table 8 및 Fig. 5와 같이 시험체의 규격을 정하였다.

6개의 시험체는 각각 콘크리트 블록의 크기를 동일하게 하고, 캐스팅의 길이, 그라우트 높이 및 쉬스관의 직경, 캐스팅의 직경은 변수로 설정하여, 각 변수가 정착장치의 안정에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

시험체의 종방향 철근 및 스터럽은 각각 EOTA^{(EOTA 2016)}의 시험체 제작 규정에 따라 종방향철근은 콘크리트 단면의 0.3 %를, 스터럽철근은 콘크리트 블록 단위체적당 50 kg을 각각 배치하였다.

Fig. 5 Detailed dimensions of specimen

5.1 시험계획

성능평가 시험은 3.3절의 수직 고정형 정착장치에 대한 성능평가기준에 따라 그라우트 내에서의 강연선의 거동 및 하중 지지 능력 등의 지표를 확인하기 위한 시험이다.

시험체에서 변형률계는 Fig. 6과 같이 콘크리트 블록 내부에 매립 설치하였다. 시험체 콘크리트 블록은 시험기간 및 동절기 양생 조건을 고려하여 증기양생을 실시하였으며, 내부 정착구에 슬리브가 압착된 강연선을 삽입한 뒤 초고강도 그라우트를 주입하였다. 공시체 시험결과 강연선 긴장 시 그라우트 강도는 98.7 MPa, 시험체 콘크리트의 평균 압축강도는 30.3 MPa로 나타났다.

변형률 및 변위 계측 센서는 정착구 표면에 가력 방향 및 가력 직각 방향으로 변형률계를 부착했는데, 이 계측기들은 시험체의 콘크리트 블록 내에 매립 제작되었다. 별도로 강연선에도 변형률계를 설치하였다.

Fig. 6 Installation of strain and displacement measuring devices

Fig. 7은 시험체의 제작순서를 나타낸다.

Fig. 8은 수직 고정 정착구의 제작을 나타내며, Fig. 9는 시험체 세팅을 나타낸다.

Fig. 7 Production procedure of the specimen

Fig. 8 Production of specimens

Fig. 9 Static load test

5.2 시험시행 및 계측

성능 시험은 3.3절에서 검토된 수직 고정 정착장치 시험 절차에 따라 Fig. 10과 같이 진행되었다.

시험의 단계별 하중 재하이력은 Table 9와 같다. 먼저 강연선 안정을 위하여 모노잭으로 개별 강연선을 0.1 $F_{pk}$의 힘으로 가력하고, 이어서 규정에 따라 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 $F_{pk}$의 하중을 가력하였다. 0.8 $F_{pk}$ 하중에서 1시간 동안 유지한 후 최종적으로는 0.95 $F_{pk}$까지 가력하였다. 이때 강연선의 슬립에 의한 빨려들어감 발생 및 강연선 파단시는 가력을 중지하고, 이상이 없을 경우 0.95 $F_{pk}$에서 3분간 유지 후 시험을 종료하였다.

Fig. 10 Test procedure

시험결과로 EAD 정하중 시험규정 외에 그라우트의 빨려들어감 변위를 측정하였으며, 콘크리트 구조체의 균열폭을 추가로 계측하여 콘크리트 블록의 지압능력 및 보강철근의 적정성 여부를 간접 판단하였다.

시험체 별 시간 이력에 따른 그라우트의 빨려들어감 변위, 정착구 긴장 방향 변형률, 정착장치 후프 변형률, 강연선 변형률을 측정한 결과는 Table 10과 같다.

시험체 #1은 80 % 하중에서 긴장잭에서 강연선 물림 파단으로 시험을 종료하였다. 그라우트 최대 빨려들어감 변위는 긴장력 도입 초기에서 콘크리트 블록의 밀림 값의 영향을 받으므로 80 % $F_{pk}$에서의 측정 최대값에서 5 % $F_{pk}$ 변위 측정값과 콘크리트 블록 밀림 값을 뺀 값으로 측정하였으며, 3.93~7.29 mm의 변위를 나타냈다.

시험체 #2~#6에서 강연선의 축방향 변형률은 11,283~ 12,060(×10$^{-6}$)으로 나타났다. 정착구 긴장 방향 및 후프방향 변형률은 캐스팅의 상부, 중앙, 하단의 양측 동일 위치에 설치된 게이지 값의 평균을 도시하였으며, 시험체 #6에 대한 계측 변형률도는 Fig. 11과 같다.

최대하중 작용(95 % $F_{pk}$) 후의 콘크리트 블록의 표면균열은 건조수축 균열을 제외하고 0.3 mm(#6)~0.6 mm(#3)으로 전체시험체에서 비교적 크게 나타났다. EOTA에서는 하중전달시험 시 하중 단계 80 % $F_{pk}$에서 0.25 mm 이하일 것을 권장한다. 균열 측정 시 하중 단계가 상이하여 단순 비교는 불가능하나 균열은 철근 배근의 영향일 수 있으므로 스터럽 및 종방향 철근 등의 추가 보완이 필요한 것으로 판단된다. 콘크리트 표면 균열도는 Fig. 12와 같다.

또한 최적의 캐스팅 규격을 설정하기 위한 영향인자로 그라우트 표면에서의 함몰 깊이와 캐스팅 상, 하면 직경, 그라우트 깊이의 상관관계를 도시해보면 Fig. 13과 같다.

Fig. 11 Measurement result graph (Specimen #6)

Fig. 12 Surface cracks in concrete blocks (Specimen #6)

Fig. 13 Effect of grout depth and casting dimension

5.3 시험결과 분석

성능시험은 수직 고정형 정착장치의 실용화 가능성을 연구하기 위한 실험으로 EOTA의 시험 규정을 기반으로 본 연구에서 제안된 취지에 맞추어 진행되었다.

3.3에서 제안한 바와 같이 수직 고정형 정착장치는 정하중 성능에서 그립과 강연선이 하중을 받아서 그라우트로부터 뽑히지 않을 것과 그라우트가 캐스팅 속으로 과다하게 빨려 들어가지 않는지 여부를 확인하였으며, 하중전달 성능 측면에서 캐스팅이 하중에 의해 주변 콘크리트 속으로 밀려 들어가거나 콘크리트 블록이 충분한 지압 저항능력을 가지는지 및 파열응력을 부담할 수 있는지를 간접 검증하는 것으로 수행되었다.

6개의 수직고정 정착장치 시험체에 대한 시험결과 인장잭 물림부 파단이 발생한 한 개 시험체(#1) 외 모든 시험체에서 최대하중 도입 시까지 강연선 파단 또는 뽑힘이 발생하지 않고 안정된 거동을 보였으며, 정착구 구성요소의 파괴도 관찰되지 않았다. 유압잭을 사용하여 95 % $F_{pk}$의 하중을 도입하였을 때 강연선에 발생한 최대 변형률은 약 1.12~1.21 %로 나타났다. 시험에 도입된 실제 최대하중은 약 90~93 % $F_{pk}$ 수준으로 추정되며, 이로인해 최대 하중에서의 변형률이 다소 작게 측정된 것으로 판단된다.

최종하중 재하 후 그라우트의 함몰 깊이는 시험체 #1을 제외하고 3.93~7.29 mm 이내로 나타났다. 이 값은 현수교에서 선제작 평행소선 스트랜드(prefabricated parallel wire strand, PPWS)의 성능 규정인 발출 길이(20 mm) 이내로 안정된 범위로 판단할 수 있다.

하중전달 성능 측면의 검증 요소를 살펴보면, 최종 하중 단계(95 % $F_{pk}$) 종료후 캐스팅은 콘크리트 블록 내로 빨려들어가지 않고 안정된 거동을 보였으며, 이때 콘크리트 블록 표면에 발생한 균열은 0.3~0.6 mm로 하중전달 시험에서 기준인 하중 단계 80 % $F_{pk}$에서 0.25 mm보다는 크게 나타나 균열에 영향을 미치는 철근의 추가 보완이 필요한 것으로 판단된다.

한편, 80 % $F_{pk}$에서의 그라우트 함몰 영향인자를 분석하면, 그라우트 주입 깊이는 그라우트 하면 직경이 클 때 그 영향이 매우 작아지고, 덕트 직경 변화율 영향은 하면 직경에 관계없이 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 주입 깊이가 작을 때 하면 직경의 영향이 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

시험체 중 가장 안정적인 #6 시험체인 경우 95 % AUTS에서 성능확보가 가능할 것으로 판단되며, 제원을 일부 조정하여 추가 안전성 확보를 할 필요가 있다.