2.1.1 대상 구조물

실험 구조물은 최근 대심도 터널에서 PC 부재의 적용성이 검토되고 있는 수직구를 선정하였으며, 수직구 제원은 Fig. 4와 같이 외경은 13.6 m이고 두께는 450 mm이다. 수직구의 외벽은 곡률부재이며 내부의 격벽은 직선부재이다. 따라서 전체 구간의 수직구 단면에 PC 부재를 적용하려면 곡률부재 및 직선부재에 대한 성능을 모두 검토하는 것이 필요하므로, 두 종류의 부재 형태에 대해서 실험을 계획하였다.

Fig. 4 Vertical shaft section of a deep tunnel

2.1.2 실험 변수

회전연결재의 형상은 PC 부재의 두께, 연결철근의 직경, 이음블록 크기에 따라서 조립이 가능하도록 고려되었다. 또한 연결철근과 회전연결재를 연결하는 위치에서 콘크리트 코어(concrete core)의 크기와 수직철근(vertical rebar)의 개수에 따라 성능이 달라질 것으로 예상되므로 이를 고려하여 실험변수를 선정하였다.

곡률부재는 압축력과 휨모멘트를 받게 되며 하중 증가에 따라 휨모멘트와 더불어 압축력이 증가한다. 따라서 연결부의 휨 성능을 확인하기 위해서 순수 휨모멘트를 받는 직선부재에 대한 실험을 실시하고, 곡률부재 실험에서는 축력과 모멘트를 고려한 실제 거동특성을 반영하여 성능을 확인하였다. 직접전단부재는 연결부의 경계면에서의 전단성능을 확인하였다.

주요 실험변수는 Table 1과 같이 연결부의 성능검증을 위해 연결부가 없는 CIP 부재(reference)와 PC 부재에서의 연결부 성능을 확인하기 위해 bow-tie 형상과 loop 형상의 상세(ALT)를 고려하였다. 부재의 상연에서는 콘크리트 압축으로 저항하므로 동일한 연결상세를 적용하였으며, 하연의 경우 bow-tie 또는 루프철근이 저항하게 되므로 다양한 변수를 선정하여 총 12개의 실험체를 제작하였다.

2.1.3 곡률부재

곡률부재는 Fig. 4와 같이 수직구의 실제 구조물에서 일부분을 실험체(test section)로 제작하였다. 인장을 받는 하연의 연결 상세에 따라서 PC 연결부 상세는 Fig. 5와 같이 bow-tie를 적용한 경우(ALT 1), 루프철근을 적용했을 때 콘크리트 코어가 있는 경우(ALT 2-1)와 없는 경우(ALT 3)로 구분하였다. 곡률부재의 경우 압축력과 휨모멘트를 동시에 받는 부재이므로 상연의 압축부가 먼저 파괴에 이르게 될 것으로 예상되어, 상연의 경우 수직철근 개수에 따른 변수는 제외하고 모두 동일하게 적용하였다.

Table 1 Test variables for verification of PC segment connection

Fig. 5 Details the curved member test specimens

2.1.4 직선부재

직선부재의 연결부 상세는 Fig. 6과 같이 bow-tie(ALT 1)와 3가지의 루프철근 상세를 적용하였다. 첫 번째 루프철근 상세는 철근 연결부에 콘크리트 코어가 존재하고 수직철근이 2개 있는 경우이며(ALT 2-1), 두 번째 루프철근 상세는 수직철근이 4개 있는 경우이다(ALT 2-2). 세 번째 연결상세는 콘크리트 코어가 없고 수직철근만으로 저항하는 구조이다(ALT 3). 직선부재 실험에서는 연결부 상세의 변수를 좀 더 다양하게 선정하여 휨 저항성능의 차이를 확인하고 적합한 연결부 상세를 선정하였다.

Fig. 6 Details of the straight member test specimens

2.1.5 직접전단부재

직접전단 실험은 PC 부재 연결부 경계면의 전단거동에 대한 실험이다. 직접전단 실험체는 Fig. 7과 같이 ㄱ-형상 및 ㄴ-형상의 부재를 생산한 뒤 연결부에 무수축 모르타르를 후타설 하는 방법으로 제작하였다. 주요 실험변수는 휨과 압축거동이 발생하는 부재가 아니므로 곡률부재와 직선부재와 달리 변수를 단순화하여 bow-tie(ALT 1)와 루프철근 상세(ALT 3)로 설정하였다.

Fig. 7 Details of the direct shear test specimens

3.1.1 CIP 부재

Fig. 11(a)에서와 같이 현장타설 부재의 거동은 하중과 처짐이 계속 증가하면서 부재 하면에 휨 균열 발생 후에 파괴되는 양상을 보인다. 곡률부재의 경우 단면 특성상 외부 하중이 증가할수록 부재에 작용하는 축력도 증가하게 되며, 작용하는 축력이 크기 때문에 갑작스러운 취성파괴의 양상을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 11 Test results and photograph of curved CIP member

3.1.2 PC 부재(ALT 1)

PC 부재에서 연결부를 bow-tie로 적용한 실험체 ALT 1은 Fig. 12(a)에서와 같이 하중이 증가하면서 하중과 처짐이 각각 약 540 kN, 25 mm 발생했을 때 그래프의 기울기가 변하였다. 이는 bow-tie 강재와 콘크리트 사이에서 발생하는 슬립으로 판단되며, 슬립이 발생한 이후에는 다시 안정적으로 처짐 증가와 동시에 하중이 증가하는 경향을 보였다.

하중-변위 거동을 보면 PC 부재는 CIP 부재와 달리 연결부가 존재하므로 CIP 부재보다 강성은 다소 낮게 나타나고 있으며, 연결부 사이에 슬립이 발생하고 하중과 처짐이 점점 증가한다. Fig. 12(b)에서와 같이 연결부 상연의 압축연단에서 콘크리트의 박리현상이 발생하였는데 이음블록의 부재가 35 mm로 얇기 때문이라고 판단된다. 이후 부재의 처짐은 증가하나 하중은 크게 증가하지 않았으며, 압축연단 콘크리트가 박리됨과 동시에 연결부 콘크리트에 균열폭이 점점 증가하면서 하중에 저항하지 못하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 12 Test results and photograph of curved ALT 1

3.1.3 PC 부재(ALT 2-1)

연결부 상세를 루프철근으로 적용한 ALT 2-1 실험체는 콘크리트 코어가 존재하므로 연결부에서 휨모멘트가 발생할 때 콘크리트와 철근이 동시에 저항하는 구조이다. ALT 2-1 실험체는 Fig. 13(a)와 같이 하중이 증가하면서 연결부의 무수축 모르타르와 콘크리트 사이에 균열이 발생하고 그래프의 기울기 변화가 거의 없이 하중과 처짐이 증가하다가 압축연단의 콘크리트가 박리되면서 그래프의 기울기가 작아지므로 실험을 종료하였다.

Fig. 13 Test results and photograph of curved ALT 2-1

3.1.4 PC 부재(ALT 3)

연결부 상세에서 콘크리트 코어가 없는 실험체 ALT 3은 Fig. 14(a)와 같이 하중과 처짐이 증가하면서 각각 약 400 kN과 20 mm 시점에서 슬립이 발생하고 이후 다시 하중과 처짐이 동시에 증가하는 경향을 보인다. 이는 연결부에서 휨모멘트가 발생할 때 ALT 2-1과 달리 콘크리트 코어의 저항이 없고 수직철근으로만 저항하므로, PC 부재의 루프철근, 연결철근 및 수직철근 사이에서 슬립이 발생한 것으로 판단된다. 이후 하중이 점점 증가하면서 Fig. 14(b)와 같이 압축연단의 콘크리트가 박리되면서 그래프의 기울기가 점점 감소하였다.

Fig. 14 Test results and photograph of curved ALT 3

3.2.1 CIP 부재

CIP 부재의 하중-처짐 거동은 Fig. 15(a)와 같이 전형적인 휨 부재 거동으로 나타났다. 하중과 처짐이 증가하면서 부재의 중앙부에서 휨 균열이 발생하고 부재의 강성이 감소하였다. 이후 Fig. 15(b)와 같이 하중과 처짐이 계속 증가하며 철근의 항복시점에서 부재 항복이 발생하고 휨 균열의 발생 범위도 중앙부에서 지점으로 이동하면서 점차 넓어졌다. 부재 항복 이후에 하중 증가는 거의 발생하지 않고 처짐만 계속 증가하다가 압축연단의 콘크리트 파괴로 실험을 종료하였다.

Fig. 15 Test results and photograph of straight CIP member

3.2.2 PC 부재(ALT 1)

Bow-tie 상세가 적용된 실험체 ALT 1의 하중-처짐 거동은 CIP 부재와 유사하게 전형적인 휨 부재 형태로 나타났다(Fig. 16(a)). 부재 중앙부에서 휨 균열이 발생한 이후 부재의 강성이 감소하며, 이후 하중과 처짐이 계속 증가하여 Fig. 16(b)와 같이 연결부에 균열이 발생하고 콘크리트 피복이 탈락하며, 압축연단의 콘크리트가 박리되면서 하중이 감소하였고 최대하중의 85 %까지 하중이 감소될 때 실험을 종료하였다.

Fig. 16 Test results and photograph of straight ALT 1

3.2.3 PC 부재(ALT 2-1)

루프철근 상세가 적용되고 휨모멘트에 대해서 콘크리트 코어와 수직철근이 저항하는 실험체 ALT 2-1의 하중-처짐 거동은 Fig. 17(a)와 같이 하중과 처짐이 점차 증가하면서 최대하중에 도달한 뒤 연결부 하부에 균열이 발생하고 하중이 급격하게 떨어지면서 최대하중의 85 %까지 하중이 떨어졌을 때 실험을 종료하였다.

Fig. 17 Test results and photograph of straight ALT 2-1

3.2.4 PC 부재(ALT 2-2)

루프철근 상세가 적용된 ALT 2-1과 유사하지만 실험체 ALT 2-2는 적용된 수직철근이 4가닥 배치되어 있다. Fig. 18(a)와 같이 ALT 2-2 실험체는 휨파괴 거동을 보인다. 하중과 처짐이 증가하며 휨 균열이 발생하였고, CIP 부재와 달리 연결부에서 휨 균열이 집중되었다. 최대강도 도달 이후 하중은 압축연단의 콘크리트가 박리되면서 점차 감소하였고, 최대하중의 85 % 지점에서 실험을 종료하였다.

Fig. 18 Test results and photograph of straight ALT 2-2

3.2.5 PC 부재(ALT 3)

루프철근 상세가 적용되고 휨모멘트의 저항을 수직철근만 하는 ALT 3 실험체는 Fig. 19(a)와 같이 하중과 처짐이 증가하면서 최대하중 도달 이후 하중을 유지하다가 압축연단 콘크리트의 박리현상 없이 급격하게 하중이 감소되었다. ALT 3은 PC 부재 중에서 가장 작은 최대하중 값을 보이고 있으며, 이는 콘크리트 코어가 없으므로 수직철근만 휨모멘트에 저항하기 때문으로 판단된다.

Fig. 19 Test results and photograph of straight ALT 3

3.4.1 곡률부재

곡률부재는 축력과 휨모멘트가 동시에 작용하므로 실험체는 휨파괴 양상과 전단파괴 양상이 동시에 보인다. 이러한 이유로 PC 부재의 연결부 위치에서의 하중 재하점의 위치에 따라 콘크리트 박리가 발생하므로 재하 위치를 조정하여 실험을 실시하였다.

곡률부재의 경우는 축력과 모멘트의 상관관계에 의한 저항강도의 산정이 필요하며, Fig. 22의 P-M 상관도에서 저항강도를 찾을 수 있다. A점은 축력이 없는 경우 즉 직선부재의 저항모멘트이고, B점은 축력을 고려한 곡률부재의 저항모멘트로 각각 440.9 kN･m, 988.8 kN･m이다.

Fig. 22 P-M diagram of CIP member

Fig. 23 Moment-deflection curves of the curved member

곡률부재 전체의 실험결과를 발생모멘트와 저항모멘트의 비율로 Fig. 23에 도시하였다. CIP 부재인 reference 실험체와 ALT 2-1 실험체는 하중이 증가하면서 변위가 선형적으로 변하며, ALT 1과 3은 연결부의 슬립에 의한 비선형적인 특성을 보여주고 있다.

연결부가 bow-tie 상세인 ALT 1 실험체는 연결재가 강재이므로 콘크리트와의 부착력이 낮아 슬립이 발생한 것으로 판단되며, PC 부재 연결부에서 수직철근만 저항하는 상세인 ALT 3 실험체는 연결철근과 루프철근 사이에 콘크리트 코어가 없어 수직철근과 루프철근 사이에서 이동이 발생한 것으로 판단된다.

곡률부재에서의 실험결과는 이상적인 지점조건(힌지조건) 보다는 실제 지점조건이 고려되어야 한다. 실험에서 고려한 지그는 무한 강성 조건이 아니므로 부재의 축방향으로 미소한 이동이 발생하며, 또한 수직하중 재하에 따른 지점위치에서의 부재의 상향 변위가 발생한다. 이러한 영향을 고려하여 CIP 부재와 PC 부재의 상대적인 저항강도를 비교하였다.

실험에서 얻어진 발생모멘트와 이론적인 저항모멘트의 비율은 Table 2에서와 같이 65.6 %에서 78.1 %를 보여주고 있지만, 지점조건의 영향을 고려하여 상대적인 저항강도를 고려하면 CIP를 기준으로 89.5 %에서 93.1 %이다. 즉 ALT 3의 경우는 CIP 부재와 7 % 정도의 저항강도 차이가 있는 것으로 파악되었다.

Fig. 24는 bow-tie 연결 상세를 갖는 ALT 1의 변형률 분포이다. 연결철근의 항복변형률은 2,145×10-6이지만 부재가 극한에 도달하였음에도 불구하고 LT 위치(하부 루프이음의 상단부)의 변형률이 약 1,700×10-6이므로 항복에 도달하지 않았으나, 항복변형률이 1,565×10-6인 강재 bow-tie는 대부분 위치에서 2,000×10-6~6,880×10-6의 변형률을 보여 항복한 것으로 나타났다.

Fig. 24 Strain of rebar and bow-tie at ALT 1

3.4.2 직선부재

CIP 부재인 reference 실험체의 최대하중은 642 kN으로 이론적인 저항강도로 환산한 476.6 kN의 135 %로 검토되었다. PC 부재는 콘크리트 코어와 수직철근 4가닥이 저항하는 ALT 2-2의 최대하중이 391 kN(저항강도의 82 %)으로 가장 크게 나타났다. 콘크리트 코어와 수직철근 2가닥이 저항하는 ALT 2-1의 최대하중은 315 kN(저항강도의 66 %), bow-tie 상세를 적용한 ALT 1는 274 kN(저항강도의 58 %), 루프철근 상세에서 수직철근 2가닥이 저항하는 ALT 3는 184 kN(저항강도의 39 %) 순으로 나타났다(Fig. 25). 직선부재는 부재에 축력이 작용하지 않으므로 PC 부재의 연결부 상세에 따른 강도 차이가 확실하게 구분되는 것을 알 수 있다.

Fig. 25 Moment-deflection curves of the straight member

3.4.3 직접전단부재

직접전단부재는 KDS 14 20 22 콘크리트구조 전단 및 비틀림 설계기준의 전단마찰 강도 산정식과 실험결과를 비교할 수 있다^{(KCI 2022)}. 여기서 적용한 마찰계수 $\mu$값은 일체로 친 콘크리트 기준인 1.4를 적용하였으며, 이는 하중의 중심이 되는 부분은 일체로 타설했기 때문이다.

설계식과 실험값을 비교하면 그림 Fig. 26과 같이 연결부 상세가 적용된 실험체 ALT 1, ALT 3은 일반 직선철근이 배치된 reference 실험체보다 약 5~6 % 정도 높은 강도를 보였으며, bow-tie가 적용된 ALT 1 실험체는 설계식의 1.85배, 연결철근이 적용된 ALT 3 실험체는 설계식의 1.69배 더 크게 나타났다.

Fig. 26 Shear-deflection curves of the direct shear member