2.1 재료특성

용융아연도금 철근 콘크리트 보의 이음부 특성을 파악하 기 위한 휨 부재 제작에 사용된 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며, 굵은골재는 최대 크기 20 mm의 쇄석골재이다. 보 부재를 제작할 때 타설한 콘크리트를 이용하여 매회 배치 마다 압축강도 실험용 원주형 공시체를 제작하였으며, 재령 28일에서의 콘크리트 평균 압축강도는 27 MPa이다. 또한, Fig. 1에 실험에 사용한 용융아연도금철근의 SEM(scanning electron micrograph)기법에 의한 코팅성분 분석결과를 나타 내었다. SEM 분석결과는 아연 코팅이 거의 균등하게 철근 의 표면에 분포하고, 아연 성분이 코팅 재료의 주성분으로 차지하는 것을 나타낸다.

Fig. 1.

SEM of galvanized rebar section

2.2 용융아연도금철근 제작 방법

용융아연도금 철근의 제작과정은 다음과 같다. 염산을 이 용하여 철근의 세척을 수행한 후, 수세작업을 통해 철근표면 의 산을 세척하였다. 수용성 플럭스(NH₄Cl + ZnCl₂ )를 이 용하여 철염을 제거하고 도금촉매 역할을 수행하도록 하였 다. 이후 철근을 1분간 자연건조 후 430~450℃의 용융아연 도금조에서 3~4분간 침전하여 도금하고 물을 이용하여 냉각 하였다. 최종적으로 철근을 크로메이트(CrO₂ )조에 20초간 침전시켜 부식과 백화현상을 방지하였다. 주요 도금 과정을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2.

Major process of hot-dip galvanizing

2.3 실험 부재

용융아연도금철근 콘크리트 보의 이음부 부착강도 거동 특성을 파악하기 위하여 직사각형 단면형상을 갖는 12개의 보 부재를 제작하여 정적 재하실험을 수행하였다. 실험체의 변수는 용융아연도금의 유무, 겹침이음 길이 및 철근의 직경 으로 하였다. 6개의 보는 일반철근을 적용하였으며, 다른 6 개의 보는 용융아연도금철근을 적용하였다. 이음길이(l_d)는 150, 250, 350 mm이고, 철근의 직경은 13, 16 mm이다. 콘 크리트구조기준(2012)에서 겹침이음 길이는 다음과 같이 제 시하고 있다.

여기서, d_b는 철근직경, f_y 는 철근의 설계기준 항복강도, f_ck 는 콘크리트 압축강도, c는 피복두께, K_tr 은 횡방향 철 근지수, α 는 철근위치계수, β 는 에폭시도막계수. λ는 경량 콘크리트계수, γ는 철근크기계수이다.

식 (1)을 사용하여 D13 철근의 겹침이음 길이 계산값은 250 mm이다. 계산된 겹침이음 길이 250 mm를 기준으로 150 mm, 250 mm, 350 mm로 변수를 설정하였다. 또한, 식 (1)에 대한 D16 철근의 겹침이음 길이는 370 mm로 계산되 었다. ^{Wu et al. (2013)}은 철근 직경에 대한 겹침이음 길이 의 비가 10~30까지 범위 내에서 겹침이음 길이 분석을 수행 하였다.

철근의 순피복두께는 30 mm로 고정하였다. Table 1에 실 험 부재의 상세를 나타내었으며, 실험부재의 표기는 실험변 수를 반영하여 나타내었다.

Fig. 3에 실험 부재의 측면도와 평면도를 나타내었다. 보 의 폭은 200 mm이며, 높이는 300 mm이다. 부재의 길이는 3.3 m, 지점거리는 3.0 m이다. 하중은 4점 재하를 실시하였 고, 모든 보의 중앙부분 (주철근 이음부) 600 mm구간은 순 수 휨 구간으로 균등한 모멘트가 발생하도록 하였다. 순수 휨 구간에는 부착강도를 보수적으로 평가하기 위해 스터럽 을 사용하지 않았고, 기타 부재 양단 1350 mm 구간은 일괄 적으로 D10 스터럽을 150 mm 간격으로 배근하여 전단 구 간에서의 전단파괴를 방지하였다. 또한, Fig. 4에 겹침이음 철근을 배근한 부재의 제작상태를 나타내었다.

Fig. 3.

Dimension of test specimen

Fig. 4.

Lap splices in concrete beam

2.4 실험 방법

가력장치(actuator)를 사용하여 Fig. 5와 같이 4점 하중재 하방법으로 하중을 재하하였다. 부재는 단순지점조건을 갖도 록 하였으며, 부재 중앙에서 좌우 300 mm 떨어진 위치에서 하중을 재하하였다. 하중은 일정한 속도의 변위제어방식으로 재하하였으며, 가력하중은 액츄에이터에 부착된 로드셀에 의 해 측정되었다.

Fig. 5.

Test setup

부재의 계측시스템 구성도를 Fig. 6에 나타내었으며, 계측 센서는 콘크리트 게이지, 철근게이지 및 변위 측정계 (LVDT) 로 구성하였다. 부재 측면에 5개의 콘크리트 게이지를 부착 하였으며, 부재의 종방향 철근에 8개의 철근게이지를 콘크리 트 타설 전에 매립하였다. 부재의 중앙단면과 하중 가력 위 치의 하면에 LVDT를 설치하여 처짐량을 측정하였다. 또한, 하중을 재하하는 동안 균열의 진전양상을 조사하고 균열폭 을 측정하였다.

Fig. 6.

Instrumentation used for the bond strength test

3.1 균열거동 특성

Fig. 7에 아연코팅철근 부재중에서 대표적으로 부재 C-D16-L250 의 균열발생 양상을 나타내었다. 하중이 증가함에 따라 초기 균열이 발생하였다. 하중이 8.4 kN일때, 초기균열이 발생하 였으며 초기균열폭은 0.1 mm이다. 초기 균열 발생후, 이미 발생한 균열 사이로 추가의 균열이 발생하였다. 최대 하중에 도달할 때까지 균열의 개수는 증가한다. 균열의 진전형상을 살펴보면, 부재는 초기 휨 균열이 발생한 후 하중이 증가함 에 따라 균열의 수가 늘어나고 균열폭 또한 증가하였다. 최 대 극한하중은 24.0 kN이고, 이때의 균열폭은 1.6 mm이다. 최대하중에 도달할 때, 일반철근부재처럼 부재 측면의 주철 근의 겹침이음부에서 보강근을 따라 종방향으로 인장균열이 발생하였다. 또한, 보의 밑면에서도 주철근을 따라 종방향 쪼갬인장균열 (splitting tensile crack)이 발생하였다. 겹침이 음 부분에서 이러한 쪼갬 인장균열의 발생하는 것은 하중에 의해 부재가 휨을 받을 때 주철근 겹침이음 부분에서 철근과 콘크리트와의 부착 파괴에 의해 균열이 발생하고 균열이 증 가하여 콘크리트 인장영역의 피복부분이 탈락되는 박리현상 이 발생된다고 판단된다.

Fig. 7.

Crack pattern (C-D16-L250)

또한, 부재 B-D16-L250은 하중이 7.0 kN일때, 초기균열 이 발생하였으며 초기균열폭은 0.1 mm 이다. 초기 균열 발 생후, 이미 발생한 균열 사이로 추가의 균열이 발생하였다. 최대 하중에 도달할 때까지 균열의 개수는 증가한다. 균열의 진전형상을 살펴보면, 부재는 초기 휨 균열이 발생한 후 하 중이 증가함에 따라 균열의 수가 늘어나고 균열폭 또한 증가 하였다. 최대 극한하중은 18.9 kN이고, 이때의 균열폭은 1.8 mm이다. 최대하중에 도달할 때, 부재 측면의 주철근의 겹침 이음부에서 보강근을 따라 종방향으로 인장균열이 발생하였 다. 또한, 보의 밑면에서도 주철근을 따라 종방향 쪼갬인장 균열 (splitting tensile crack)이 발생하였다.

이러한 용융아연도금철근 보의 이음부 균열 및 파괴 거동 은 일반철근 보의 이음부 균열 및 파괴거동과 유사한 양상을 나타낸다. Fig. 8에 D13 철근을 사용한 용융아연도금철근 보 의 이음부 파괴 형상을 비교하여 나타내었다.

Fig. 8.

Comparison of failure pattern for D13 series beams

3.2 하중-처짐 특성

하중 단계별로 부재의 중앙 단면위치의 LVDT에서 측정한 처짐값을 이용하여 하중-처짐 곡선을 획득하였으며, Fig. 9 에 시리즈 별로 하중-처짐 곡선을 비교하여 나타내었다. Table 2에 초기균열하중 및 극한하중을 나타내었다. 이 연구에서 하중은 변위제어 방식으로 재하되었다. 초기 균열하중은 하 중-처짐 곡선에서 초기 선형구간 종점에서의 하중값으로 산 정하였으며, 극한하중은 하중-처짐곡선의 최대하중으로 산정 하였다. 초기균열 단계까지 처짐량은 하중에 비례하여 선형 으로 증가한다. 초기균열 이후 하중-처짐곡선의 기울기는 감 소하며 극한하중상태까지 거의 선형으로 증가한다.

Fig. 9.

Load-deflection curve at various length of lap splice

대표적으로 부재의 하중-처짐 곡선의 특성을 살펴보면, 용 융아연도금부재 C-D13-L350 부재의 하중-처짐 관계 곡선은 선형으로 증가하고 초기균열 발생 후에 곡선의 기울기가 감 소하며 선형으로 증가한다. 초기균열하중은 12.5 kN이고, 이 때의 처짐은 1.1 mm이다. 초기 균열하중 이후 극한하중상태 까지 거의 선형으로 증가한다. 극한하중은 44.0 kN이고, 이 때의 처짐은 10.4 mm이다. 극한하중 도달 후 부재의 파괴와 더불어 하중-처짐 곡선은 급격하게 하락하였다. 파괴 시에 부재측면 및 하면에서의 주철근을 따라 종방향 쪼갬인장균 열이 발생하였다.

또한, 부재 B-D13-L350의 하중-처짐 곡선은 선형으로 증 가하고 하중이 14.4 kN일 때 초기균열이 발생하였으며, 이 때의 처짐은 0.9 mm이다. 초기균열 이후 곡선의 기울기가 감소하면서 선형으로 하중이 증가한다. 극한하중은 34.5 kN 이고, 이때의 처짐은 7.4 mm이다. 극한하중 도달 후 부재의 파괴와 더불어 하중-처짐 곡선은 급격하게 하락하였다. 파괴 시에 부재측면 및 하면에서의 주철근을 따라 종방향 쪼갬인 장균열이 발생하였으며, 이는 겹침이음 철근과 콘크리트의 부착파괴를 나타낸다.

일반철근콘크리트 보와 용융아연도금콘크리트 보는 모두 겹침이음 길이가 증가함에 따라 전반적으로 최대하중이 증 가한다. 구체적으로, C-D13 시리즈의 경우, 겹침이음 길이가 150 mm 일때 보 (C-D13-L150)의 최대하중은 16.4 kN이고, 겹침이음 길이가 350 mm 일때 보 (C-D13-L350)의 최대하 중은 44.0 kN이다. 또한, C-D16 시리즈의 경우, 겹침이음 길이가 150 mm 일때 보 (C-D16-L150)의 최대하중은 20.0 kN이고, 겹침이음 길이가 350 mm 일때 보 (C-D16-L350)의 최대하중은 36.3 kN이다.

3.3 부착강도

실험 부재의 부착강도를 식 (2)를 이용하여 계산하였다. 부착강도 계산 시에 철근의 측정 변형률을 이용하여 철근응 력을 결정하였다.

식 (3)에서 u_b는 겹침이음 길이에서의 주철근의 측정 부착 강도, f_s 는 철근응력, A_s 는 주철근의 단면적, d_b는 철근의 직경, l_d 는 철근의 겹침이음 길이를 나타낸다.

콘크리트 압축강도 변동성을 고려하여 부착강도 실험값을 콘크리트의 28일 설계압축강도 (=27 MPa)를 고려하여 표준 화하였다. 표준부착강도 (normalized bond strength) u_n 은 다음과 같다.

여기서, f_c는 콘크리트 압축강도 측정값이다. 부착강도 (u_b)와 표준부착강도(u_n )를 Table 3과 Fig. 10에 나타내었 다. 표에 시편 시리즈별로 부착강도 비를 나타내었다. 부착 강도 비는 일반철근의 표준부착강도에 대한 용융아연도금철 근의 표준부착강도의 비(u_{n, coated}/ u_{n, black})이다.

Fig. 10.

Bond strength ratio

콘크리트구조기준(2012)에서 제안하고 있는 식(1)에 의한 D13 철근의 겹침이음길이 계산값은 250 mm이다. 이 실험 연구에서는 용융아연도금철근의 부착강도의 기본특성을 파 악하기 위하여 D13 철근의 경우, 겹침이음길이가 설계기준 제안값보다 큰 250, 350 mm 뿐만 아니라 설계기준 제안값 보다 작은 150 mm도 고려하였다. 또한, D16 철근의 경우, 겹침이음길이가 설계기준 제안값보다 큰 350 mm 일때와 설 계기준 제안값보다 작은 150, 250 mm를 고려하였다.

겹침이음길이가 설계기준 제안값보다 큰 경우로써, D13 철근의 겹침이음길이가 250 및 350 mm일 때 부착강도 비는 1.11 및 1.29이고, D16 철근의 겹침이음길이가 350 mm일 때 부착강도 비는 0.77이다. 이러한 실험결과는 현행 설계기 준 조건을 만족할 때, D13 용융아연도금철근의 부착강도는 일반철근의 부착강도 보다 큰 것을 나타낸다. 하지만, D16 용융아연도금철근의 부착강도는 일반철근의 부착강도 보다 작은 것을 나타낸다. D13 용융아연도금 철근의 부착강도 특 성과 D16 용융아연도금 철근의 부착강도 특성은 다소 다른 경향을 나타낸다.

한편, 겹침이음길이가 설계기준 제안값보다 작은 경우로 써, D13 철근의 겹침이음길이가 150 mm일 때 부착강도 비 는 0.83이고, D16 철근의 겹침이음길이가 150, 250 mm일 때 부착강도 비는 0.79, 1.28이다. 이러한 실험결과는 D13 및 D16 철근의 겹침이음길이가 150 mm 일때, 용융아연도 금철근의 부착강도는 일반철근의 부착강도 보다 작은 것을 나타낸다. 이는 겹침이음길이가 설계기준 제안값보다 짧아 철근의 부착응력이 충분히 발휘되지 않은 것으로 판단된다.

실험연구의 특성상 실험부재의 개수가 제한적이고 실험결 과가 뚜렷한 일관성을 나타내지 않아 실험결과를 일반화하 기에는 다소 한계가 있을지라도, 용융아연도금철근의 부착강 도는 일반철근의 부착강도에 비해 불리한 것만은 아니다. 또 한, 겹침이음길이가 설계기준 제안값보다 큰 경우에 대해 추 후 더욱 상세한 연구가 필요하다고 판단된다.