2.1 실험체 선정

본 연구에서는 높이 1,000 mm의 단주로 실험체를 선정하였다. 연속 횡방향철근 원형기둥, 사각기둥을 제작하고 실험 대조군으로 띠철근 원형기둥, 사각기둥을 선정하여 제작하였다. 사각기둥의 단면은 266×266 mm로 설정하였고, 단면의 철근비는 2.2 %로 설정하였다. 원형기둥의 단면은 사각기둥의 단면크기와 동일하게하기 위하여 지름 300 mm로 설정하였으며 단면의 철근비는 2.2 %로 설정하였다. 사각기둥과 원형기둥 공통적으로 콘크리트 강도: 30 MPa, 양옆 피복: 30 mm, 위아래 피복: 50 mm 횡방향철근의 간격 50, 100, 150 mm로 설정하였다. Fig. 2는 기둥을 제작하기 전 띠철근 기둥과 연속 횡방향철근 기둥의 상세한 설계정보가 있다.

본 실험에서는 원형기둥 보다 사각기둥이 공간활용성이 더 좋다는 점과 다른 띠철근 기둥보다 연속 횡방향철근으로 보강한 사각기둥이 시공성이 더 좋다는 점 및 연속 횡방향철근 기둥이 띠철근 기둥보다 구속효과가 더 뛰어날 것이라는 가설을 증명하기 위하여 진행을 하였다. 증명을 위하여 실험체는 크게 띠철근 기둥과 연속 횡방향철근 기둥으로 2분류로 나누었다.

Fig. 2. Column Specimen Design

2.2 실험방법

2.2.1 기둥 중단부분 파괴유도를 위한 실험체 가공

기둥압축실험을 진행함에 따라 압축하중이 기둥에 가해질 때 기둥의 취약부인 위, 아래 양 끝단면이 먼저 파괴되어 기둥이 최대 압축강도에 도달하지 못하고 더 낮은 압축강도로 실험결과가 나오거나 일정한 경향성을 알 수 없는 실험 결과가 나올 가능성이 있다. 이에 따라 기둥 중단부분에서 파괴가 되도록 유도하기 위하여 Fig. 3과 같이 기둥 실험체에 위, 아래 양 끝 단면에 철판 커플러를 제작하여 단면을 덮고 나사로 철판 커플러를 조여주어 구속을 시켰다. Fig. 3은 커플러로 양끝 단면을 구속하고 철판 캡을 씌운 실험체가 UTM기기 안에 세팅되어 있는 모습을 나타낸 것이다.

하중을 가해주는 UTM (Universal Testing Machine) 자체에서도 편심을 방지해주는 스프링 장치가 있지만 콘크리트의 특성상 단면이 평평하지 않을 수 있으므로 Fig. 4처럼 평평한 단면을 가진 철판 캡을 사용하여 편심을 방지하고자 하였다.

Fig. 3. Experimental Set-up

Fig. 4. Cap to Prevent Eccentricity

2.2.2 실험 방법

실험체를 실험하기에 앞서서 하중이 가해짐에 따라 철근의 변형을 측정하기 위하여 Fig. 5와 같이 각 기둥 중앙부의 종방향 철근에 2개, 횡방향 철근에 90°간격으로 2개의 스트레인 게이지를 부착하였다. 종방향 철근에는 지면과 수직으로, 횡방향 철근에는 지면과 수평하게 게이지를 부착하였다. 게이지를 계측기와 연결한 후 용량 10,000 kN의 UTM 기기 안에 실험체를 세팅하여 변위제어를 통한 실험을 진행하였으며, 변위 속도는 0.01 mm/min의 최소 속도로 가압을 하여 각 변위 step 별로 자세한 관찰이 가능하도록 실험을 진행하였다.

Fig. 5. Rebar Strain Gauge Attachment Details

3.1 최대 하중 및 변위 결과

원형(C) 띠철근(D)보강 실험체는 CD, 원형(C) 나선철근(N)보강 실험체는 CN, 사각(S) 띠철근보강(D) 실험체는 SD, 사각(S) 나선철근(N)보강 실험체는 SN으로 명명하였다. UTM을 이용한 압축 실험은 상기 4종 기둥의 개념에 각 횡방향 철근 간격 50, 100, 150 mm를 적용하여 12 case의 실험체를 각 3개씩, 총 36개를 제작하여 진행하였다. Table 1에서 0.85Ductility값 기준으로 원형띠철근에서는 50 mm 간격인 CD5에서 4.84 mm로 가장 큰 값이 나타났으며 CD10와 CD15는 각각 2.14 mm와 2.27 mm로 비슷하게 나타났고 원형나선철근에서도 5 mm 간격인 CN5에서 10.16 mm으로 가장 크게 나타났으며 CN10와 CN15는 각각 2.78 mm 와 2.23 mm로 비슷하게 나타났다. 원형 철근의 같은 경우 횡방향보강철근이 50 mm일 때 Ductility가 가장 크며 0.85Ductility 기준 원형나선철근이 원형띠철근보다 5.32 mm 더 크게 나타나 나선철근으로 인한 구속효과가 띠철근보다 우수한 것으로 판단된다. Table 2에서 사각 횡방향철근 간격 50 mm, 100 mm, 150 mm의 기둥에서 0.85Ductility와 0.8Ductility의 결과가 1 mm 미만으로 차이가 나타난다. 이러한 이유는 SD5와 SN5은 변위가 증가함에 따라 하중이 떨어지지 않아 0.85Ductility와 0.8Ductility의 결과를 알 수 없으므로 SD5와 SN5의 평균값이 낮게 나타났다. 또한, 원형기둥보다 사각기둥에서 최대하중이 나선철근 150 mm간격을 제외하고 낮게 나타나는데 이와 같은 이유는 사각기둥의 경우 원형기둥과 달리 횡방향 보강철근이 사각기둥의 모서리부분인 코너 부분과 평면부분을 감싸고 있으므로 구속효과가 원형보다 떨어지고 양생 후 실험체를 관찰한 결과 연속적인원형면을 갖는 원형기둥과 달리 사각기둥의 모서리에서 Fig. 6과 같이 균열이 발생하여 최대하중이 낮게 나타났다.

Fig. 6. Cracks in the Square Column

Fig. 7에서 그래프 개형을 관찰했을 시 최대하중은 변위 5~6 mm 부근에서 발생했으며 가장 눈에 띄게 보이는건 CD-5와 CN-5의 차이이다. 나선철근으로 보강된 CN-5의 0.85Ductility와 0.8Ductility 각각 약 11, 12 mm 차이를 보이며 또한, Table 3과 Fig. 7를 종합적으로 관찰 했을 때 CN-15는 CD-15보다 0.85Ductility는 0.19 mm 정도 낮지만 0.8Ductility는 5.9 mm 높은 것을 관찰할 수 있다. 나선철근으로 보강을 했을 시 변위가 커짐에 따라 나선철근이 스프링 역할을 하여 하중이 급격하게 떨어지지 않고 비교적 하중이 지속적으로 유지되는 것을 관찰할 수 있다. 종합적으로 최대하중 이후의 거동을 봤을 시 나선철근으로 보강한 기둥이 연성이 더 높으며 횡방향 보강철근의 구속효과로 인하여 기둥의 core 부분이 취성적으로 붕괴되지 않고 하중을 지속적으로 버텨주는 경향을 보인다.

Fig. 8에서 볼 수 있듯이 사각기둥에서는 최대하중이 변위 3~5 mm부근에서 발생하였다. 원형기둥보다 더 낮은 변위에서 최대하중이 발생한 이유는 타설 과정에서 사각기둥 모서리부분에 균열이 생겼기 때문에 균열에 하중이 집중되고 그 균열을 시작으로 다른 곳으로 균열이 더 빠르게 번지면서 최대하중에 도달한 것으로 판단된다. SD-10,15와 SN-10,15를 비교한 결과 같은 간격을 갖는 기둥에서 0.85Ductility의 차이는 0.5 mm 미만으로 매우 작게 나타나고 0.8Ductility 는 1.5~1.9 mm 정도로 비교적 크게 나타난다. 이러한 현상은 원형기둥에서와 같이 나선보강철근이 스프링 역할을 한 것으로 판단된다. 원형기둥과 사각기둥을 비교해 보면 최대하중은 나선철근 간격 15 mm를 제외한 모든 종류의 철근에서 사각기둥이 낮게 나왔으며 이러한 이유는 양생과 타설 과정에서 발생하는 균열이 사각기둥에 발생하기 쉬운 점과 원형기둥의 횡방향철근의 구속효과가 더 우수한 점으로 설명할 수 있다. 사각기둥보다 원형기둥의 성능이 대부분 뛰어 났지만 5 mm 간격의 사각나선 철근으로 보강한 사각기둥에서 볼 수 있듯이 사각기둥 또한 뛰어난 연성을 가지고 있으며 기둥의 core 부분이 취성으로 파괴되지 않고 하중을 지속적으로 버텨주는 효과를 관찰할 수 있다. 여러 건물 등에서 공간적인 이점을 살리기 위하여 연속횡방향철근으로 보강한 사각기둥의 사용가능성이 충분하다고 판단되며 사각기둥의 모서리부분에 타설과 양생과정에서 균열제어를 도입하거나 양생 후 모서리부분을 보강이 필요한 것으로 사료된다.

Fig. 7. CD-CN Specimen Load-Displacement Comparison Graph

Fig. 8. SD-SN Specimen Load-Displacement Comparison Graph

3.2 하중 및 변형율 관계

Fig. 9는 앞서 최고성능을 보였던 간격 50 mm의 횡방향 철근 보강 원형기둥의 횡방향 철근 스트레인 게이지의 하중-변형률 그래프이다. Fig. 9를 보면 나선철근과 띠철근 모두 2000 $\mu\varepsilon$ 변형률이후에 하중-변형율 그래프의 기울기가 0으로 가까이 가는 것을 볼 수 있다. 2000 $\mu\varepsilon$ 변형율 이후에 횡방향 철근이 항복했다고 판단할 수 있으며 두 실험체의 최대하중 부근에서 항복을 하였다.

Fig. 10은 앞서 최고성능을 보였던 간격 50 mm의 횡방향 철근 보강 사각기둥의 횡방향철근 스트레인 게이지에서 나온 데이터를 사용하여 그린 하중-변형률 그래프이다. 사각기둥 중 띠철근으로 보강한 SD-3은 2000 $\mu\varepsilon$ 부근에서 기울이가 0으로 변하면서 철근이 항복한다. SN-1 실험체의 경우 변형율이 850부근 까지 진행되었다 500으로 다시 떨어지는 경향을 보인다. 종합적으로 변형률 2000 $\mu\varepsilon$ 부근에서 철근이 항복하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 철근의 항복강도가 400 MPa 이므로 철근이 변형율 2000 $\mu\varepsilon$에서 항복하는 것으로 예측되었고, 실험결과 2000 $\mu\varepsilon$ 부근에서 철근이 항복하는 것을 알 수 있다.

Fig. 9. Load-Strain Graph of Circular Column Transverse Reinforcement

Fig. 10. Load-Strain Graph of Square Column Transverse Reinforcement

3.3 에너지 흡수력(Energy Absorption)과 연성화 지표

횡방향 보강방법에 따른 기둥의 일축압축실험을 진행하는 동안 기둥의 하중-변위 그래프를 얻을 수 있었다. 이 그래프에서 최대 하중의 0.85배 되는 부분을 기둥이 더 이상 하중을 버티지 못하고 파괴되는 지점으로 가정하고 각 케이스의 기둥의 Energy Absorption을 계산하고자 한다. Energy Absorption의 계산은 그래프의 원점에서부터 최대하중(Pmax)에 0.85배가 되는 하중 부분까지의 그래프 밑면적이다. 기둥의 연성화지표 $\mu$의 개념을 본 연구에서 추가적으로 제안하고자 한다. $\mu$의 계산식은 아래와 같다.

여기서 $u_{e}$는 탄성구간 마지막 지점에서의 변위를 나타내며 $u_{\begin{aligned}f\\ \end{aligned}}$는 최대하중*0.85에서의 변위를 나타낸다.

Fig. 11. Energy Absortion and $\mu$ Calculation

하중-변위 그래프에서 Energy Absorption과 연성화 지표$\mu$의 계산에 관련된 내용은 Fig. 11에 정리되어 있다.

Energy Absorption은 변위-하중의 원점에서부터 최대하중의 0.85배에서의 변위까지의 적분 값으로 기둥이 압축하중을 받는 동안 얼마나 많은 에너지를 흡수했는지를 나타내주는 값이다. 연성화지표 $\mu$은 압축하중을 받는 기둥이 탄성구간 이후에 얼마나 연성적으로 파괴되는 지에 대한 지표로 활용가능하다. 좋은 성능을 발휘했던 SD5와 SN5 실험체는 최대하중의 0.85배의 하중에서의 변위인 $u_{\begin{aligned}f\\ \end{aligned}}$가 나타나지 않았으며 두 실험체에서는 실험을 중지시켰던 지점의 변위를 $u_{\begin{aligned}f\\ \end{aligned}}$값으로 결정하여 분석을 진행하였다.

Table 3은 실험체의 Energy Absorption과 $\mu$값 정리해놓은 것이다. Energy Absorption의 결과에서 띠철근 나선철근 기둥에서 모두 횡방향철근 간격 50 mm에서 가장 높은 값을 나타내며 원형기둥이 사각기둥보다 더 높은 값을 보이며 각 case에서 사각기둥을 제외하고 원형기둥에서 50, 100, 150 mm 순으로 높은 값을 보인다. 띠철근과 나선철근을 비교해보면 CN10과 CD10을 제외하고 나선철근이 더 높은 Energy Absorption 값을 보이며 나선철근 50 mm보다 100 mm에서 Energy Absorption와 $\mu$값이 급감하는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같은 결과는 나선철근기둥 기준에 따라 나선철근 간격 75 mm 이상이 되면 나선철근으로써 기능을 발휘하지 못하는 것을 관찰할 수 있다. Energy Absorption 값과 함께 $\mu$값을 관찰해보면 SN10과 SN15에서 관찰할 수 있듯이 SN15의 Energy Absorption SN10보다 값이 높아도 SN15의 $\mu$값이 SN10보다 낮은 결과를 나타 낸다. 이러한 결과는 최대하중 값에 영향을 많이 받는 Energy Absorption과 달리 $\mu$값은 탄성구간이후의 거동에 영향을 많이 받으므로 $\mu$는 기둥의 연성화 거동을 관찰하는 지표로 활용될수 있다. 50 mm 간격의 기둥에서 나선철근기둥의 $\mu$값이 띠철근기둥보다 사각기둥 과 원형기둥에서 각각 약 2.9, 3.2배 높은 값으로 관찰되며 이는 사각띠철근기둥을 사각나선철근기둥으로 대체 했을 시 연성화 향상 기능이 원형기둥과 비슷하게 나타난다고 판단 할 수 있다.