1.1 연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 철근콘크리트 기둥 외부에 스틸밴드로 보 강하는 공법을 적용하여 철근과 콘크리트간의 부착파괴에 관한 실험을 진행하였다. 부착실험을 위한 총 9개의 실험체 를 제작하여 주근의 수, 콘크리트 타설 방향, 주근의 위치에 따른 구속효과와 스틸밴드에 가해지는 긴장력을 변수로 실 험을 진행하였다. 그리고, 실험체에 발생된 최종 파괴양상과 철근과 콘크리트간의 부착강도를 주근의 위치에 따라 검토 를 하였으며, 기존 부착강도에 관한 제안 식을 검토하였다.

3.1. 실험체 계획 및 제작

Fig. 2는 실험체의 형상·치수 및 배근 상태를 나타냈다.

Fig 2.

Test specimen with three sets of external steel-band

그리고 Table 1에 실험체 일람표를 나타냈다. 실험체의 길이 는 500mm이고, 단면 치수는 250mm × 250mm (B×D)이며 두께 32mm 철판에 CO₂ 용접으로 주근을 고정하였다. 각 실 험체를 세워서 타설하였으며, 타설방향과 동일한 방향 (S방 향)으로 인발되는 주근군과 이와 반대방향 (O방향)으로 인발 되는 주근군의 두 쌍으로 제작하였다. 부착길이는 HD13을 이용한 시험체의 경우는 195mm (15d_b), HD10을 이용한 시 험체는 130mm (13d_b)이다. 여기에서 d_b는 주근 지름을 의 미한다. 비 부착구간은 주근에 Φ13mm PVC 파이프를 이용 하여 콘크리트와의 부착력을 억제하였다. 그리고, 실험구간 사이에 철근과 콘크리트간의 정확한 파괴양상을 보기위하여 250mm × 25mm × 30mm 홈을 만들었다. 그리고, 실험체에 불필요한 파괴를 억제하기 위하여 D13 철근을 활용하여 보 강근을 배근하였고, 횡 보강근은 Φ4를 2단 배근하였다.

여기에서 Eq. (1)은 긴장도 σ_r 은 스틸밴드의 초기 긴장력 이 부착부분의 콘크리트 표면에 균일하게 분포하는 것으로 간주한 경우의 평균 긴장도 σ_r 를 나타내었다. Fig. 1에는 긴 장도 σ_r 을 도식화하여 나타냈다.

E_s 는 스틸밴드의 탄성계수, ε_s0는 스틸밴드의 초기 긴장 력 (스트레인게이지), a_s는 스틸밴드의 단면적, n_s 는 보강재 수, b는 부재 폭, L 은 부착 길이이다. Table 2는 스틸밴드의 역학적 성질을 나타냈다. 스틸밴드의 프리스트레스를 재료 인장강도의 최대 40% (40%= 2450μ, 최대강도시의 변형률 고려)로 하였으며, 보강재의 긴장력 측정은 스틸밴드에 부착 한 스트레인 게이지 값으로 측정하였다. ±10% 허용 오차범 위 내에서 긴장력을 도입하였다. Table 3은 사용된 철근의 역학적 성질을 나타냈다.

3.2. 실험방법

실험체의 가력방법은 Fig. 3과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 500kN 용량의 엑츄레이터를 사용하여 단순인발 방식 으로 0.5mm/sec씩 변위제어 방식으로 자유단 최대변위가 6mm가 될 때까지 진행하였으며, S방향으로 실험 후 실험체 를 다시 설치하여 O방향으로 실험을 실시하였다.

Fig 3.

Loading apparatus

실험체의 가력방법은 Fig. 3과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 500kN 용량의 엑츄레이터를 사용하여 단순인발 방식 으로 0.5mm/sec씩 변위제어 방식으로 자유단 최대변위가 6mm가 될 때까지 진행하였으며, S방향으로 실험 후 실험체 를 다시 설치하여 O방향으로 실험을 실시하였다.

변위의 증가에 따라 실험체에 발생되는 균열은 실시간으 로 실험체에 표시하였으며, 사진으로 기록을 남겼다. Fig. 4 와 같이 실험체를 설치하였다.

Fig 4.

Splitting bond Failure Mode

4.1. 균열상황 및 최종파괴

Fig. 4에 철근과 콘크리트간의 쪼갬파괴 (Splitting Failure) 모드를 일반화 시켜 나타냈다. 부착파괴 양상을 총 3가지 양 상으로 나누어 나타냈으며 본 실험체에 발생된 파괴양상은 같은 메카니즘을 보였다.

Fig. 5에 S방향으로 인발한 실험체의 최종파괴 양상을 나 타낸 바와 같이 철근과 콘크리트 사이의 부착력 상실 이후 철근 리브에 의한 콘크리트의 지압응력이 콘크리트의 인장 강도를 초과하여 리브마디 간격으로 미세한 사균열이 발생 한 시점의 부착응력을 부착강도라 정의하며 철근과 콘크리 트간의 부착파괴상황을 상세검토를 위하여 Photo 3과 같이 부착구간 내부를 철근과 콘크리트간의 부착실험구간을 파단 시켜 검토하였다.

Fig 5.

Final Crack (S Direction

Photo 3

Internal cross-section final crack

모든 실험체의 부착구간의 콘크리트 표면은 매끄러운 표 면으로 나타났으며, 철근의 리브 표면에는 콘크리트가 붙어 있는 양상을 보였다. 이것으로부터 철근과 콘크리간의 부착 파괴가 일어났음을 알 수 있다. 그리고 비 실험 구간에 홈을 만든 표면에서는 Fig. 5의 전체 쪼갬파괴 양상과 같은 형태 를 나타냈다. 그리고, 도입된 긴장도가 클수록 균열의 수와 폭은 줄어드는 양상을 보였다.

4.2. 주근군과 주근의 위치에 따른 부착강도

본 실험에서 계산한 부착강도 식은 다음과 같다.

Eq. (2)에서 τ_bu 는 주군의 부착강도, P _max는 로드셀의 최 대하중, n 은 주근의 수, φ는 주근의 둘레, L 은 실험구간의 부착 길이며, Eq. (3)에서 τ_b는 주근의 위치에 따른 부착강 도, ∑ n = 1 4 ε n 은 각 주근의 변형 값의 합, ε_a 는 임의에 위치한 주근의 변형 값, P_max는 로드셀의 최대하중이다.

4.3. 부착응력도-변위 곡선

Fig. 6은 S방향 실험체에 관한 각 주근의 부착응력 τ_b와 고정단의 변위와의 관계를 나타냈다. 여기에서, 각 주근의 부착응력 τ_b는 Eq. (3)에 의한 계산 값이며 고정단의 변위는 각 주근에 배치한 변위 값이고 ○는 Eq. (2)에 의한 계산 값 으로 주근군의 부착강도 τ_bu를 나타냈다.

Fig 6.

Bond stress-displacement curve (S Direction)

Fig. 6에서 긴장도 σ_r 를 변수로 한 실험체 No. 1, No. 2와 No. 3은 보강재의 긴장도 σ_r 가 클수록 각 주근의 부착강도 와 주근군의 부착강도 τ_bu는 커짐을 알 수 있다. 그리고, 긴장도 σ_r 가 클수록 각 외부에 위치한 주근의 부착강도 τ_b 가 내부에 위치한 주근의 부착강도 τ_b 커짐을 알 수 있다.

무 보강된 실험체 No. 1, No. 4, No. 6과 No. 8은 주근의 위치에 따른 부착응력 τ_b의 차이점은 보이지 않았으며, 주근 군의 부착강도 τ_bu 는 각 주근의 부착강도 τ_b와 유사한 양상 을 나타내고 있다. 하지만, 보강된 실험체 No. 2, No. 3, No. 5, No. 7과 No. 9는 내부에 위치한 주근보다 외부에 위치한 철근의 부착강도 τ_b가 높은 것을 알 수 있다. 그리고, 주근군 의 부착강도 τ_bu 는 각 주근의 부착강도 τ_b와 다른 양상을 나 타내고 있다. 이것은 외부 스틸밴드의 긴장력에 영향을 크게 받고 있는 것으로 판단된다.

주근의 수 n을로 한 실험체 No. 1과 No. 4 그리고 실험체 No. 3과 No. 5는 주근의 수가 적은 실험체군의 주근군의 부 착강도 τ_bu 는 각 주근의 부착강도 τ_b가 높게 나타났다.

주근의 크기 d_b를 변수로 한 실험체 No. 5와 No. 9는 주 근의 크기가 작은 실험체 No. 9의 주근군의 부착강도 τ_bu보 다 15% 높게 나타났다.

4.4. 부착강도 τbu 와 긴장도 σr의 관계

Fig. 7은 주근군의 부착강도 τ_bu와 긴장도 의 관계를 나 타냈다. 긴장도 σ_r이 클수록 주근군의 부착강도 τ_bu는 높아 지는 경향이 보였다. 주근의 수가 적고, 주근의 크기가 작을 수록 주근군의 부착강도 τ_bu는 높아졌다. 이것으로부터 부착 강도에 영향을 주는 인자에 부합하는 실험결과를 얻었다고 판단된다.

Fig 7.

Variation of τ_bu with

4.5. 콘크리트 타설 방향에 따른 부착강도 τbu의 관계

Fig. 8은 콘크리트 타설 방향에 따른 주근군의 부착강도 τ_bu 의 관계를 나타냈다. 콘크리트 타설 방향에 반대방향으로 인발한 주근군의 부착강도 oτ_bu 는 콘크리트 타설 방향과 동 일한 방향으로 인발한 주근군의 부착강도 sτ_bu 보다 약 10% 높은 부착강도 τ_bu 를 나타냈다.

Fig 8.

Variation of concrete casting direction

4.6. 주근의 위치에 따른 부착강도

Fig. 9는 주근군의 위치에 따른 각 주근의 부착강도 τ_b를 비교하여 나타냈다. 여기에서 T_max.c는 실험체 단면 외부에 위치한 2개의 철근에서의 최대부착강도를 나타냈으며, T_max.i 는 실험체 내부에 위치한 철근 중의 최대 부착강도를 의미한 다. 무 보강된 실험체 No. 1, No. 4, No. 6과 No. 8은 주근 의 위치에 따른 부착강도의 큰 차이는 보이지 않았지만, 보강 된 실험체의 경우는 외부에 위치한 주근의 부착강도 T_max.c 가 높은 값을 나타내는 경향을 보였다.

Fig 9.

Variation of re-bar location

Fig. 9로부터, 스틸밴드의 긴장력으로 외부에 위치한 주근 에 더 많은 구속효과가 있다는 것을 알 수 있다.

5.1. ACI 408 제안식 (콘크리트강도 고려)

Eq. (4)에서, μ는 철근의 부착응력이고, d_b는 철근의 직경 이고, f_ck는 콘크리트 압축강도이다.

Fig. 10에 긴장도 σ_r에 따른 주근군의 실험값과 ACI 408 Eq. (4) 값과의 비를 나타냈다. 콘크리트 강도만을 고려한 ACI 408 Eq. (4)과의 검토에서 실험값이 다소 높게 나타났 다. 이것은 실험값에 영향을 끼치는 횡 보강근과 긴장도 σ_r를 고려하지 않았기 때문이다.

Fig 10.

Variation of Exp..τ_bu /Cal..τ_bu with (ACI 408 equation)

5.2. Fuji 제안식 (콘크리트강도 및 횡보강근 고려)

Eq. (5)에서, σ_B는 콘크리트 압축강도, d_b는 철근의 직경, p_w는 횡 보강근 비, b는 부재 폭, n은 주근의 수, τ_co는 콘 크리트에 관한 영향을 τ_st는 횡 보강근의 영향을 고려한 식 을 의미한다. Fig. 11은 긴장도σ_r 에 따른 주근군의 실험 값 과 Fuji Eq. (5) 값과의 비를 나타냈다.

Fig 11.

Variation of Exp.τ_bu /Cal.τ_bu with (Fuji equation)

콘크리트 강도와 횡 보강근을 고려한 Fuji Eq. (5)과의 검 토에서 실험값이 다소 높게 나타났다. 이것은 철 밴드에 의 한 긴장도 를 고려하지 않았기 때문이다.

5.3. Matsuno제안식 (콘크리트 강도, 횡보강근과 긴장도를 고려)

Eq. (6)에서, 는 콘크리트 압축강도, 는 횡 보강근을 고려, α 는 긴장도 σ_r의 효과를 표기한 계수를 의미한다. 그 리고 Fig. 12에는 Eq. (6)은 철근의 위치를 고려하지 않지만 각 주근의 부착강도 τ_b실험결과와 계산 값을 비교하여 나타 냈다. 긴장도 σ_r가 커질수록 실험값이 커지는 양상을 나타났 다. 하지만, Fig. 12(b)에서는 비부착 실험결과에서 나타 날 수 있는 실험값이 낮게 평가되는 경향을 보였다. 이것으로부 터 본 실험의 결과와 부적합하다고 판단된다.

Fig 12.

Variation of Exp.τ_bu /Cal.τ_bu with (Watanabe equation)