3.2.1 전조나사 이음 인장실험 결과 분석

전조 변단면 나사이음 방식으로 체결된 철근의 인장실험 결과, 이음이 없는 철근의 인장파괴와 같이 나사 이음부가 아닌 철근 모재에서 파괴가 발생하였으며, 나사파단 및 나사 부의 이음매 탈락은 발생하지 않았다. Fig. 4는 인장강도 평 가 실험 후 철근이음 시험체 (#14)의 모습이다. Table 2는 전조 변단면 나사이음으로 연결된 철근의 인장강도 실험 결 과를 철근의 지름에 따라 나사이음이 없는 철근이음의 인장 강도와 비교하여 나타낸 것이다. Table 2에서 WC는 이음없 는 철근을, C는 전조 변단면 나사이음으로 연결된 철근을 의 미하며, 실험에 사용된 철근 번호를 뒤에 나타내었다. Table 2에 나타낸 것과 같이 전조 변단면 나사이음을 사용한 철근 의 항복강도와 인장강도는 나사이음이 없는 철근과 비교하 여 동일한 수준임을 확인 할 수 있다. 또한, 철근지름의 변화 에 대해서도 항복강도 및 인장강도 또한 그 영향이 거의 없 음을 확인 할 수 있다. 따라서 철근의 기계적 이음으로 전조 변단면 나사이음을 사용 하였을 경우, 이음이 없는 철근과 유사한 수준의 인장성능을 확보하고 있음을 확인 할 수 있 다. Fig. 5는 인장실험 결과를 바탕으로 항복강도와 인장강 도를 나사이음이 없는 경우와 비교하여 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Failure of tensile strength test specimens (#14)

Fig. 5.

Yield and tensile strength ratio of typer type coupler from tensile strength tests

3.2.2 변단면 및 평행나사이음 인장실험 결과 분석

나사이음 한 철근의 경우 이음 연결의 편리성을 위한 나사 산의 유격과 설치 조건 등에 따라 나사이음에 도입되는 체결 력이 동일하게 적용되지 않을 수 있으므로 이음 종류에 따른 인장강도 비교 실험과 함께 전조 변단면 나사이음과 평행 나 사이음에 대하여 체결력 기준에 따른 인장강도 영향도 검토 되었다. Fig. 6과 Table 3은 각각의 이음 연결방법 및 체결력 수준에 따른 나사이음 연결 철근의 인장강도 실험 결과를 나 타낸 것이다. Fig. 6과 Table 3에서 NC는 이음이 없는 철근 을, PC는 평행 나사이음, TC는 변단면 나사이음을 나타내며, 규격 체결력이 도입된 경우 R, 도입되지 않은 경우 U로 나 타내었다. Fig. 6과 Table 3에 나타낸 결과와 같이 변단면 나 사이음과 평행나사이음으로 연결된 철근의 항복 및 인장강 도는 이음이 없는 철근의 항복 및 인장강도와 동일한 수준으 로 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한, 변단면 나사이음과 평 행나사이음에 기준 체결력이 도입되지 않은 경우, 평행나사 이음의 경우 축방향에 대하여 이음을 위한 나사이음이 규칙 적으로 배열되어 그 유격이 발생하더라도 기준 체결력이 도 입된 철근의 항복 및 인장강도와 동일한 수준으로 평가되었 으며, 이와 비교하여 변단면 나사이음으로 연결된 철근에서 는 변단면 나사이음의 형상적인 특징으로 체결력이 도입되 지 않은 경우 이음과 철근의 분리가 나타날 수 있을 것으로 판단되었으나, 평행나사이음과 동일한 수준의 철근의 항복 및 인장강도가 나타나고 있음을 확인 할 수 있다. 나사이음 연결 철근의 인장실험에서 나사 이음부와 철근의 응력전달 효과를 확인하기 위하여 Fig. 7에 각 실험체별 하중-변형률 관계를 나타내었다. 변위 제어된 하중상태에서 동일 시간에 측정된 변형률을 조사한 결과 이음을 하지 않은 NC-R 실험 체에서는 1방향 변형률 게이지의 설치 오차 등을 고려하면 측정 위치에 따른 변형률 차이가 크지 않은 것으로 나타났 다. 그러나 나사이음 방식에 따라 철근에 부착된 각 변형률 게이지 측정 결과에는 차이가 발생하였다. 평행 나사이음의 경우에서는 이음 단부로부터 멀어질수록 변형률이 급격히 증가하는 양상을 보였으나 변단면 나사이음의 경우에는 이 음 단부에서 철근 직경의 2배인 위치까지 유사한 변형률을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이러한 차이는 유일한 실험 변 수인 이음부 단면 형상의 영향에 기인한 것을 알 수 있으나, 본 연구에서는 철근 이음의 성능 확인에 관심을 두고 실험적 연구를 수행하였기 때문에 그 원인을 분석하는데 한계가 있 다. 철근 이음부 및 나사이음에 대한 거동을 확인하기 위한 상세 해석 등의 연구가 필요한 것으로 판단된다. 각 나사이 음부에서 계측된 변형률 관계에서 기준 체결력이 도입된 실 험체 Fig. 7(b)~(f)와 비교하여 기준 체결력이 도입되지 않은 인장시험체 Fig. 7(g)~(j) 나사 이음부의 변형률에는 거동의 차이가 없어 기준 체결력 도입 여부에 따른 영향을 확인하기 어려웠다.

Fig. 6.

Tensile test results depending on connection condition

Fig. 7.

Load-Displacement-strain relationships depending on connection condition

4.3.1 휨 파괴 및 균열 특성

전조 나사이음 철근을 비롯한 다양한 철근이음이 설치된 철근콘크리트 보의 휨하중 상태에서의 거동을 평가하기 위 한 휨 실험결과, 철근 이음의 종류와 관계없이 Fig. 10과 같 이 모든 실험체에서 하부 인장균열 발생 및 진전으로 인한 휨파괴 특성이 나타났다. 상대적으로 이음 없는 철근콘크리 트 보에서 균열발생하중의 크기가 크고, 균열분포도 가장 균 등하게 나타났다. 겹침이음 철근콘크리트 보의 경우, 최대하 중 이후 Fig. 10(c)와 같이 겹침이음 부분 콘크리트 피복의 탈락이 발생하였다. 전조 나사이음 철근이음 콘크리트 보의 균열 또한 나사이음의 형태 및 체결력 조건에 관계없이 유사 한 균열 양상 및 파괴양상이 나타났다. Fig. 11은 휨실험 결 과 나타난 철근이음 형태별 철근콘크리트보의 균열분포를 균열하중에 따라 나타낸 것이다.

Fig. 10.

Flexible failure of specimens

Fig. 11.

Flexible crack distribution of specimens

4.3.2 이음 종류에 따른 콘크리트 보의 거동

전조 나사이음 철근을 비롯한 다양한 철근이음이 설치된 철근콘크리트 보의 하중-처짐 및 변형률 관계를 Fig. 13에 나타내었다. Fig. 12(a)는 철근이음 종류별 하중-처짐 관계를 나타낸 것으로 철근 이음이 없는 철근콘크리트가 철근이음 이 설치된 콘크리트 보다 상대적으로 큰 휨 성능을 나타내고 있으나, 이는 전조 나사이음을 사용한 경우와 동등한 수준으 로 판단된다. 전조 나사이음이 설치된 콘크리트 보에서 파괴 에 대한 연성효과로 처짐이 크게 나타나고 있으나, 겹이음 철근의 경우 상대적으로 최대 하중에 대한 인장철근의 연성 효과의 감소로 휨파괴에 대한 처짐이 작음을 알 수 있다. 또 한, Fig. 12(a)에 나타나는 것과 같이 휨하중 재하로 인하여 Table 5에 나타난 것과 같이 인장균열이 발생하게 되면서 하 중-처침 관계가 변화하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 12(a) 의 하중-처짐 관계로부터 철근이음이 설치된 철근콘크리트 보의 균열하중 및 최대하중을 Table 5에 정리하여 나타내었 다. Table 5와 Fig. 14에 정리하여 나타낸 것과 같이 이음이 없는 철근콘크리트 보와 비교하여 겹침이음 및 전조 나사이 음 철근을 설치한 콘크리트 보의 균열하중, 항복하중, 최대 휨하중이 감소하는 것으로 나타났다. 겹침이음 철근콘크리트 보의 경우 상대적으로 그 편차가 크게 나타났으며, 이는 겹 침이음 길이를 확보하는 과정에서 보의 중앙부에 설치된 철 근 단면적이 늘어남에 따라 철근의 부착 및 정착 응력이 허 용하는 한도 내에서 하중이 증가하나, 하중 증가에 따라 이 음부가 파괴되고 철근이 인장하중을 전달하지 못하게 되어 연성능력이 크게 떨어져 항복과 동시에 파괴가 발생하여 그 편차가 크게 나타났다. Fig. 12(b)는 철근콘크리트 보 단면 상부에 부착된 변형률 게이지의 하중-변형률관계를 나타낸 것으로 콘크리트 보에 인장균열 발생으로 인하여 하중-처짐 관계에서와 같은 변형률 변화가 나타났으며, 겹침이음 철근 콘크리트 보의 압축변형률 변화는 나사이음이나 무이음 철 근보의 거동과 비교하여 그 변화가 작게 나타나고 있음을 확 인 할 수 있다. 전조나사이음 철근의 경우 무이음 철근보의 압축 변형률 변화와 유사한 거동을 나타내는 것으로 나타났 다. Fig. 12)(c)의 철근콘크리트 보의 휨하중에 저항하는 인장 측 철근에서 계측된 하중-변형률 관계로 겹침이음 철근의 경 우 연속적이지 않은 철근배치로 인하여 전조 나사이음이나 이음이 없는 철근의 경우와 비교하여 하중 증가에 대한 변형 율 변화가 작게 나타나고 있다.Fig .13

Fig. 12.

Flexible behaviors of specimens depending on connection coupler type

Fig. 13.

Yield and ultimate load and ratio depending on connection coupler type

4.3.3 체결력 불확실성에 따른 콘크리트 보의 거동

나사이음 철근의 이음 체결력 불확실성에 따른 철근콘크 리트 보의 거동을 비교하기 위하여 하중-처짐 및 변형률 관 계를 비교하여 Fig. 14, Fig. 15와 Table 5에 나타내었다.

Fig. 14.

Flexible behaviors of specimens depending on clamping condition

Fig. 14, Fig. 15와 Table 5에 나타난 것과 같이, 콘크리트 보의 항복 및 최대 하중은 나사이음의 연결 철근의 종류에 관계없이 기준 체결력이 도입된 경우 3%~8%로 유사한 수 준을 나타내었으나, 기준 체결력이 도입되지 않은 변단면 나 사이음 실험체 (TC-U series)에서는 이음이 없는 실험체 및 평행 나사이음 실험체에 비하여 항복이 12%, 최대하중이 8% 저하하는 것으로 나타났다. 하지만, Fig. 15에 나타낸 것 과 같이 상대적으로 평나사의 경우와 비교하여 그 차이는 상 대적으로 미소한 것으로 판단된다. 하지만 변단면 나사이음 의 경우 휨하중에 저항하는 부재로 적용할 경우 나사이음의 충분한 체결력 확보가 구조물의 안전을 위하여 필요할 것으 로 판단된다.

Fig. 15.

Yield and ultimate load and ratio comparison depending on clamping condition

4.3.4 이음 철근의 연성거동 효과

휨 인장하중 상태에 있는 전조 나사이음 철근의 거동특성 을 분석하기 위하여 본 연구에서는 철근의 항복하중에 대한 변위와 최대변위의 관계를 이용하여 연성거동 효과를 분석 하였으며, 연성비는 최대변위에 대한 철근의 항복하중변위의 비로 정의되었다. Table 6은 본 실험결과 나타난 철근의 항 복하중과 항복하중 변위 및 최대 변위를 정리하여 연성비를 표현하여 나타낸 것이다. Table 6에 나타낸 것과 같이 이음 형태별 철근의 항복하중은 이음이 없는 경우가 상대적으로 크게 나타나고 겹침이음과 전조 나사이음연결의 항복하중이 상대적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 겹침이음의 경우 철근의 겹침 부분으로 인한 인장균열과 상대적인 철근변형 의 제한으로 철근콘크리트 보에서의 연성거동이 상대적으로 작게 나타나고 있음을 알 수 있다. 평나사와 변단면 나사이 음 철근의 경우 체결력에 관계없이 이음 없는 철근의 경우와 유사하거나 큰 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 연 성거동 효과는 이음이 있는 철근콘크리트보의 경우 Table 5 에 나타난 것과 같이 상대적으로 철근콘크리트 보의 균열이 낮은 하중에서 발생하게 됨으로 상대적으로 콘크리트 보의 강성이 감소하게 되므로 발생 할 수 있는 것으로 판단되며, 이러한 연성효과는 나사 가공 방법 및 체결력 도입 여부와 관계없이 나타나는 것으로 판단된다. 변단면 나사 이음 방법 의 인장시험 결과에서는 이음의 존재 유무에 따른 연성 능력 에 큰 차이를 나타내지 않았으며, 일반적으로도 철근 이음매 를 설치한 경우에 급격한 단면 변화부의 응력집중 발생으로 연성 능력이 저하되는 것으로 알려져 있다. 그러므로 이러한 실험결과로부터 콘크리트 내부에서 철근의 기계적 이음의 역학적 거동은 철근 이음의 기계적 성질에만 의존 하지 않은 것으로 판단된다.

기존의 실험 및 연구결과들이 대부분 철근 이음방법의 기 계적 특성만을 확인하는데 주안점을 두고 있었기 때문에 이 러한 철근콘크리트 구조 내에서의 거동을 정확히 파악한 연 구결과는 많지 않다. 그러므로 콘크리트 내부에 삽입된 철근 이음의 구조적 거동에 대한 추가적인 연구도 필요할 것이다.