김춘호
(Chun-Ho Kim1)
1†iD
-
중부대학교 토목공학과 교수
(Professor, Department of Civil Engineering, Joongbu University, Goyang 10279, Rep.
of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
압착식 커플러, 아치데크, 구조거동, 해석, 철근이음
Key words
grip coupler, arch deck, structural behavior, analysis, rebar splice
1. 서 론
세계적으로 다양한 형식의 교량이 건설되고 있으며, 이중 PSC(prestressed concrete girder) 거더는 강재를 이용하는 형식에 비해
경제적이므로 많은 건설현장에서 사용되고 있다. PSC 거더는 제작 및 거치 후 바닥판을 타설하는 공정으로 제작된다. 이때 바닥판 타설은 거더 거치
후 고공에서 이루어지는 작업으로 인해 작업자의 안전성 및 시공성이 매우 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 최근 여러 가지 형태의 프리캐스트 데크를 이용한
바닥판 시공방법이 제시되고 있다.
프리캐스트 데크의 형태는 다양하다. 특히 주철근이 데크에 포함된 아치데크와 같은 경우에는 철근이음에 있어서 기존에 사용되고 있는 나사식 철근이음이나
원터치 철근이음은 시공이 어려워 압착식 철근이음을 채택하고 있다. 주철근을 포함한 데크는 다양한 연구가 진행되고 있으며(Eom et al. 2017; Yang et al. 2018), 커플러에 나사선을 만든 나사식 커플러의 성능에 관해서는 이미 여러 연구가 발표되었다(Lee et al. 2009; Lee et al. 2012; Kim et al. 2017). 또한, 커플러 내에 고강도 충전재를 주입하여 경화하여 철근의 이음기구를 완성시키는 시스템에 관한 연구 발표된 사례도 있다(Lee et al. 2017; Jung et al. 2018). 이와 같은 충전실 슬리브 철근이음에 관해서는 해석 및 실험적 연구가 수행되기도 하였다(Oh et al. 2013). 그러나 압착이음의 경우에는 단지 KS 규정에 따른 인장강도 실험과 설계기준을 비교 연구한 사례만 있을 뿐이다(Oh et al. 1999).
실제 압착식 커플러를 사용하기 위해서는 압착되는 압력의 산정, 압착 몰드의 형상 등 고려할 사항이 있음에도 불구하고 현재는 이에 관한 연구가 부족한
상황이다. 이에 본 연구에서는 압착식 커플러와 철근을 결합하는 데 필요한 유압을 유한요소해석 프로그램을 사용하여 예측하였으며, 철근과 커플러 사이의
계면 등은 비선형 정적/접촉 구조해석을 통해 평가하였다.
2. 압착식 이음
2.1 압착식 이음 개요
철근 콘크리트 구조에서 사용되는 철근은 시공 방법 및 생산규격에 따라 여러 가지 이음을 사용하고 있다. 국내에서 사용되고 있는 이음은 겹침이음, 가스압접,
용접이음, 기계적이음 등이 있다.
겹침이음은 콘크리트를 타설하여 경화되어야 비로소 인장력을 발휘할 수 있기에 설계 시 이음 위치, 겹이음 길이, 피복두께, 철근 간격 등을 충분히 고려하여
양생을 포함한 높은 품질의 콘크리트를 타설할 필요가 있다. 가스압접은 철근을 직각으로 절단 후 절단면에 1,200~1,300 °C로 가열 가압하여
철근 접착부가 부풀어 오르면서 연결하는 방식을 사용한다. 따라서 품질관리가 어렵고 숙련공이 필요한 단점이 있다. 용접이음은 용접용 철근을 사용해야
할 뿐만 아니라 예열 등 현장에서 작업 및 품질확보에 많은 한계가 있다.
이에 반해 기계적이음은 2개의 철근을 모재와 같이 연결하여 시공하기 때문에 콘크리트 부착강도와 관계없이 인장력에 저항할 수 있는 철근의 이음 방법으로
고도의 안전성 및 내구성을 갖고 있다. 또한, 비숙련공도 시공이 용이하고, 비용이 경제적이며, 공사 기간을 단축할 수 있어서 기존 겹침이음이나 가스압접보다도
높은 품질의 시공성과를 얻을 수 있다. 국내 현장에 사용되고 있는 기계적이음은 Table 1과 같다.
Table 1 Types of mechanical reinforcement joints
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Bonding method
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Strengths
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Weakness
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Screw type
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Very stable
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Factory preprocessing required
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Grip joint
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Suitable for jointing of columns
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Special machine required for pressing
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Sleeve type
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Can be connected to different rebars
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Non-shrinkable mortar required
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One-piece system
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Simple construction
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Poor compatibility depending on joint geometry
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One-touch type
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Rapid construction
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Insufficient reliability of strength
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기계적이음 중 강관 압착이음 방법은 나사식 이음 적용할 수 없는 현장에서는 적용성이 우수하지만, 국내에선 생산하는 곳이 없기에 해외 수입에 의존해야
하는 실정이다. Fig. 1은 수입 압착식 커플러와 압착식 장비이다.
Fig. 1 Grip couples and crimping mold used in this study
Fig. 2 Details of the grip joint applied to the arch deck of this experiment
본 연구의 대상이 되는 압착식 이음은 특히 프리캐스트 부재의 노출된 각각의 철근을 연결하는 철근이음에서 그 시공성이 매우 우수하다. 노출된 철근 각각을
연결할 때, 나사식 이음이나 원터치 이음으로는 프리캐스트 부재 제작 중에 발생할 수 있는 시공오차로 인하여 시공할 수 없다. 반면에 압착식 이음은
강관과 철근 사이의 간격이 있어서 철근의 오차 수정이 가능하여 시공성이 우수하다. 특히 아치데크 안에 포함된 주철근의 이음에서도 동일한 문제가 제기되고
있다. Fig. 2는 아치데크에 적용된 압착식 커플러 사례이다.
2.2 압착식 이음 시공
압착식 이음의 시공은 Fig. 3과 같이 철근과 철근 사이에 압착식 커플러를 끼우고, 철근 직경에 맞는 압착몰드를 압착기에 설치하여 압압기와 압착기를 연결한다. 이후 철근에 설치되어있는
압착식 커플러를 압착기로 압착하는 순서로 시공한다.
Fig. 3 Construction sequence of the crimped joints
3. 압착이음 메커니즘
압착몰드는 압착커플러에 압착되는 부분과 압착되지 않은 부분을 형성하기 위하여 반원 형태 강관 중간에 돌기가 형성되도록 만들어져 있으며, Fig. 4는 이러한 압착몰드의 상세이다. 이러한 압축몰드는 철근의 직경별로 그 형태가 다르다.
Fig. 4 Compression mold details
이러한 압착식 이음은 압착식 커플러에 압착식 몰드를 사용하여 커플러와 그 안에서 설치되어있는 철근에 압력을 가하게 되는데, 이때 변형을 일으켜 그
이음을 형성하는 방법이다. 국내에서는 이렇게 만들어진 이음을 다른 기계적이음과 마찬가지로 KS D 3572(KATS 2019)를 만족하도록 하고 있다. Fig. 5는 철근과 압착몰드 압착기를 설치하였을 때의 개념도 및 사례이다. 이때는 철근과 압착식 커플러 모두 변형이 없는 상태이다.
Fig. 6은 유압 압력이 증가함에 따라 압착식 몰드가 커플러 주위에 다가와 커플러에 변형을 일으키는 단계이다. 이때는 커플러와 철근 사이에 공극이 남아있어
철근의 변형은 없는 상태이며, Fig. 6(b)에서 철근과 압착식 커플러 사이의 공극이 있는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 5 Joint installation conceptual diagram and photo
Fig. 6 Grip coupler deformation details
Fig. 7은 압력이 증가함에 따라 압착식 커플러와 철근이 모두 변형되어 커플러 체결이 완성된 상태이다. 압력은 증가하지만 압착몰드의 상하가 접촉하는 단계에서는
철근과 압착 커플러의 변형은 더 이상 증가하지 않고 압착식 몰드의 압력만 증가하게 된다. 실제 철근 체결에 있어서는 제조사마다 압착 시 압력을 철근별
별도의 상한치 기준을 제시하고 있다. Fig. 7을 보면 압착식 몰드와 변형된 철근 사이에 공극이 없는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7 Details of compression joint reinforcement-coupler deformation
4. 비선형 유한요소해석을 통한 커플러 평가
4.1 해석모델
국내에서는 이렇게 완성된 철근에 대하여 기계적이음과 관련된 기준을 만족하도록 요구하고 있다. 그러나 국내 기준에서는 압착식 커플러 사용 시에 재하
하중의 크기에 대한 기준이 없는 상황이다. 따라서 규격화된 철근을 연결하기 위한 압착식 커플러에 필요한 유압을 예측하는 유한요소해석을 수행하였다.
본 해석은 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 비선형 정적, 접촉 구조해석을 수행하였다.
Fig. 8은 해석모델의 제원이다. 해석은 철근 H25 직경에 적용되는 사이즈의 압착몰드와 커플러를 선택하였으며, Fig. 9와 같이 철근, 압착식 커플러 및 압착몰드를 나누어 전체의 1/8 부분을 모델링하였다.
Fig. 8 Details of pressure mold and coupler
Fig. 9 A one-eighth analysis model of the grip coupler
해석모델의 부재 물성치는 Table 2와 Fig. 10과 같다. 커플러의 물성치는 Fig. 10과 같이 Trilinear 모델을 적용하였고, 연신율 도달 후 인장강도(510 MPa)를 유지하도록 적용하였다.
하중조건은 Fig. 11과 같이 고정하중과 압착변위하중에 대하여 해석을 수행하였으며, 압착변위하중은 상하부 압착몰드가 접촉하는 시점까지 고려하여 6.8~8.9 mm를 적용하였다.
Fig. 10 Material properties of coupler
Table 2 Component properties
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Category
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Rebar (SD400)
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Coupler (STKM 13 C)
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Diameter (mm)
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25
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Outer diameter 45.2, Inner diameter 30
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Density (Kg/m3)
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7,850
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7,850
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Yield strength (MPa)
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400~520
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380 and up
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Tensile strength (MPa)
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1.15 times the yield strength or more
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510 and up
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Elongation rate (%)
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18 and up
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Not less than 15 (longitudinal), 10 (lateral)
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4.2 해석결과
해석은 Fig. 12와 같이 압착몰드의 돌출부 사이즈를 변수(H)로 하여 4 mm와 5 mm 두 가지 경우에 대하여 수치 해석하고 커플러 압착 시 하중을 도출하였다.
Fig. 13은 해석모델에 따른 커플러의 최종 압착 형상을 나타내며, 압착 모델링 H의 크기에 따라 변형 형상은 차이가 있음을 확인할 수 있다.
커플러의 변형이 증가됨에 따라 Fig. 14와 같이 커플러 전면부의 최대 응력이 증가됨을 확인할 수 있으며, 최대 응력 발생 면적은 유사하다.
Fig. 15는 압착몰드에 작용하는 변위하중에 따라 발생하는 반력이며 해석모델에 따라 다른 반력이력을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 두 해석모델링 모두
최대반력이 약 127 KN으로 유사하며, 각각의 필요하중은 511.6 KN과 508.4 KN의 하중이 도출되었다. 필요하중은 커플러 채결 시에 필요한
하중을 의미하며, 압착 시 몰드가 접촉하는 시점의 하중이다.
Fig. 12 Modeling parameters
Fig. 13 Coupler compression geometry comparison
Fig. 14 Comparison of coupler structural performance by displacement load
Fig. 15 Vertical displacement according to the working load of the transforming mold
5. 결 론
철근콘크리트 구조의 철근이음에 사용되고 있는 다양한 기계식 이음 중에서 압착식 커플러 이음에 대하여 압착 시 발생하는 메커니즘과 압착식 커플러 체결에
필요한 하중을 구하기 위한 유한요소 모델링을 제시하고, 비선형 구조해석을 하였다. 모델링은 철근 H25에 적용되는 압착몰드와 커플러를 선택하여 모델링을
수행하였으며, 두 가지 압착몰드에 고정하중과 변위하중을 제하함에 따라 발생하는 반력을 구하여 최대하중을 산정하였으며, 이를 통하여 필요한 최대하중을
산정하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
1) H=4 mm인 모델의 최대변위는 7.5 mm이며, 최대하중은 127.9 KN이고, 필요하중은 511.6 KN이다.
2) H=5 mm인 모델의 최대변위는 6.8 mm이며, 최대하중은 127.1 KN이고, 필요하중은 508.4 KN이다.
3) 각각의 모델의 반력이력은 상이하나 최대하중은 약 127 KN으로 유사하다.
4) 커플러의 변형이 증가함에 따라 커플러 전면부의 최대응력이 증가되며, 모델링 차이에 따른 최대응력이 발생하는 면적의 차이는 미소하다.
5) 그러나 해석모델링 H의 크기에 따라 최종 압착 변형 형상에는 차이가 있었다.
감사의 글
본 논문은 중부대학교 교원연구년 수행을 통해 이루어진 연구입니다.
References
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