우태련
(Tae-Ryeon Woo)
1
이종한
(Jong-Han Lee)
2
정진환
(Jin-Hwan Cheung)
3
정치영
(Chi-Young Jung)
4*
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. All rights reserved.
키워드
커플러 이음 철근, 인장시험, 연성도, 커플러 길이
Key words
Spliced rebar, Tensile test, Ductility, Coupler length
1. 서 론
철근 콘크리트 구조물은 높은 경제성과 성형이 자유로운 이점 때문에 다양한 토목 및 건축 구조물에 적용되고 있다. 근 래에는 구조물이 장지간화 및 대형화가
되면서 철근콘크리트 구조물의 철근 배근이 길어지고, 이에 따라 다양한 방식의 철 근의 이음이 사용되어지고 있다. 철근의 이음은 구조적으로 영향을 미칠
뿐만 아니라 구조물의 시공법 및 안전성과 밀접 한 관계를 갖고 있다. 건설현장에서 주로 사용하는 이음 방법 에는 겹침이음, 가스압점, 용접이음, 그리고
기계적 이음 등이 있는데, 그 중 기계적 이음은 부착 강도와 관계없이 인장력에 저항할 수 있고, 다른 이음 방식에 비하여 시공이 용이하며 내 구성이
좋아 국내·외에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
기계적 이음은 미국, 영국, 뉴질랜드 등의 나라에서 오래 전 부터 개발·사용되어져 왔다. 기계적 이음의 방식에는 이형철 근의 마디와 슬리브 내부의
나사산과 결합을 이용하는 방식 (Samsung Heavy Industries Co., 1999), 슬리브와 철근 사이에 고강도 모르타르, 용융금속을 충진하여 사용하는 충진식 이 음(KICT and E&D MALL Co., 2007), 그리고
철근에 나사산 을 가공하여 슬리브와 결합하는 나사식 이음 방식으로 나눌 수 있다. 철근의 시공성 및 품질향상을 위한 철근의 기계적 이 음에 대한 연구는
많은 연구자들에 의해 수행되고 있다(Won et al., 2017).1
Fig. 1
Mechanical connection methods(Choi, 2003(a); Choi, 2004(b))
Choi et al.(2003)은 수냉철근(Tempcore rebar)에 적용하기 위해 철근 표면의 템퍼스 마르텐사이트 부분의 손상을 최소 화하는 기계적 이음법을 개발하고 그
성능을 시험하여 새로 운 이음법의 현장적용을 위한 기초자료를 구축하였다.
Sim et al.(2008)은 철근 단부를 온간 예열 후 일정한 틀에서 가압하여 형상 성형 후 철근 이음매로 연결하는 방식의 up-set 커플러를 제안하고, 이에 대한 인장시험을
수행하였다. 이를 통해 모재 철근에서 파단이 일어나는 것을 확인하였고, 기존 나사식 철근 이음매와 마찬가지로 한국산업규격 기준을 만족 하는 것을 확인하였다.
Kwon et al.(2011)은 대구경 철근의 기계적 이음을 원전에 적용하기 위하여 ASME code의 온도조건에 따른 인장시험을 수행하고, 구조용 대구경 철근의 기계적 이음부의
성능 평가 에 필요한 기초자료를 마련하였다.
이처럼 철근의 기계식 이음에 대한 중요성이 부각되고 있 지만 현재 도로 및 건축구조 설계기준에서도 기계적 이음의 요구사항으로 철근의 설계기준 항복강도의
125%를 만족해 야한다는 조항만 있을 뿐, 연성도에 대한 검토는 언급되어있 지 않다. 그리고 Fig. 2와 같이 커플러 이음부가 없는 일반 철 근과 커플러로 이음 된 철근의 극한강도는 동일할지라도 일 반철근에 비해 상대적으로 큰 단면과 강성을 지닌 커플러가
차지하는 비율이 클수록 평균변형률이 낮아진다고 추정할 수 있다. 그러나 평균변형률이 얼마나 감소되는지에 대한 연구 및 평가는 아직 미흡하다. 커플러
이음 철근의 인장특성을 평 가하기 위해서 표점구간 내 구간별 변형률 분포를 파악하여 야 하는데, 이 때 계측방법 역시 중요하다.
Fig. 2
Difference between deformed rebar and spliced rebar
기존의 변형률 계측은 주로 신축계(Extensometer) 또는 변 형률게이지(Strain gauge)가 사용되어진다. 하지만 신축계는 시편에 직접적인
접촉으로 인한 시편의 손상, 미끄러짐, 혹은 시편의 파단 시 충격으로 인한 신축계의 손상 등이 발생할 수 있고, 측정 구간 역시 한계가 있다. 또한
신축계는 설치 구간 에서의 평균변형률만을 평가할 수 있어 국부적 변형률을 평 가하기에는 적합하지 않다. 변형률게이지는 측정범위가 철근 의 실제 파단
변형률보다 작기 때문에 측정 가능 범위인 탄성 구간을 넘어서는 소성구간에서는 계측이 불가능하다는 단점 이 있다. 이에 따라 최근 정확한 계측을 위하여
이미지 프로세 싱 기법이 많이 사용되고 있다(Cheung et al., 2017; Kim et al., 2016).
본 연구에서는 1축 인장시험을 통해 커플러가 철근의 연성 도에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 평가 시 커플러의 길이 를 변수로 커플러 이음이 적용된
철근의 1축 인장 거동특성을 평가하고자 하며, 변형률의 정확한 계측을 위해서 이미지 프 로세싱 방법을 적용하고자 한다. 최종적으로 철근의 연성도 와
커플러 길이의 영향관계식을 유도하고자 한다.
2. 시험 개요
2.1. 시험체 상세
본 연구에서는 커플러로 이음 된 철근의 극한거동과 변형 률 분포를 통해 연성능력을 평가하기 위하여 1축 인장시험을 수행하였다. 철근은 ASTM A615
기준(Table 1)에 따라 생산 된 Grade 60 D22와 D29 철근을 사용하였다. 커플러는 커플러 길이에 따른 변형 특성을 평가하기 위해 각기 다른 두 제조사
(A사, B사)에서 생산된 커플러를 대상으로 하였다. 이음부가 없는 철근의 표점거리는 200 mm로 설정하였고, 커플러 이음 시편의 표점거리는 커플러의
양 끝단에서 철근 직경의 3배가 되는 위치로 설정하였다. 모든 시편에 대해서 표점거리의 기 준점에서 인장그립까지의 여유거리는 철근의 직경과 같도록
하였다(Tables 2와 3). 이미지 프로세싱 방법으로 1축 인장상 태에서의 인장변형률을 계측하기 위해서 시편의 표면에 타겟 들을 부착하였다. 각 타겟은 직경 4 mm의 빨간색
반구형이며, Fig. 3과 같이 표점구간 내에 10~20 mm 간격으로 배치하였다. 타겟의 부착은 변형률게이지 부착 시 사용되는 것과 동일한 접착제를 사용하였다.
Table 1
Tensile requirements of grade 60 rebar in ASTM A615
|
Yield strength(σ y)
|
Ultimate strength(σ u)
|
Elongation(ε r)
|
|
|
Over 420 MPa
|
Over 620 MPa
|
D22 : over 8%
|
|
D29 : over 7%
|
Table 2
|
|
Diameter (mm)
|
Gauge length
|
Quantity
|
|
|
Standard
|
Spacing(mm)
|
|
|
Rebar
|
22
|
ASTM A370
|
10
|
2
|
|
29
|
10
|
2
|
|
|
Company A
|
22
|
ASTM A1034
|
10, 13
|
2
|
|
29
|
10, 14
|
2
|
|
|
Company B
|
22
|
ASTM A1034
|
10, 18
|
2
|
|
29
|
10, 11
|
2
|
Table 3
Data of couplers(unit : mm)
|
Type
|
Rebar
|
Ex. Diameter(D)
|
Length(L)
|
|
|
company A
|
D22
|
33
|
64
|
|
D29
|
43
|
81
|
|
|
company B
|
D22
|
33
|
50
|
|
D29
|
43
|
65
|
Fig. 3
Targets position and gauge length on specimens
2.2. 1축 인장시험
인장시험은 이음부가 없는 철근의 경우 ASTM A370 기준 에 따라 수행되었고, 커플러로 이음 된 철근의 경우 ASTM A1034 기준에 따라 수행되었다.
Fig. 4와 같이 타겟의 변화와 그에 따른 하중값을 동시에 비교할 수 있도록 시험 중 로드셀 에서 얻어진 하중을 실시간으로 표시하는 하중표시계(Load indicator)를
시편의 우측에 배치하여 타겟과 하중이 동시에 촬영되도록 하였다. 가력은 1,000 kN 용량의 UTM으로 수행 하였고 가력방법은 ASTM에서 제시하는
바와 같이 3~30 MPa/min의 응력증가속도를 유지하였다. 인장시험은 시편의 파단 시까지 수행하였다. Fig. 5는 실험결과에 사용된 주요 결 과값에 대한 정의로써, 부재의 한계상태응력(σu) 및 한계상태 변형률(εu)과 파단응력(σr) 및 파단변형률(εr)을 도시한 것이 다. UTM 로드셀의 신호는 데이터로거(Tokyo Sokki TDS-303) 를 이용하여 계측하였다. 변형률 계측 방법은 디지털
카메라 를 이용한 이미지 프로세싱 방법을 사용하였다. 영상 취득은 2012년도에 출시된 SONY NEX-5R 디지털 카메라를 사용하 였고 16백만
화소(4912×3264 Pixel)의 크기로 2초마다 등 간 격으로 촬영하였다. 영상 내에 동일한 기준점을 촬영영역으 로 제한하여 촬영된 영상과 실물의
크기 비율(scale factor)은 약 0.055~0.059 mm/pixel을 유지하도록 하였다.
Fig. 4
Test and measurement set-up
Fig. 5
Evaluation method of tensile test results
2.3. Image Processing Method
Kim et al.(2016)은 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 철근 의 한계상태변형률을 계측하였다. 본 연구에서도 해당 이미 지 프로세싱 알고리즘을 이용하기로 하였다. Fig.
6은 해당 알 고리즘을 간략화한 것이다.
Fig. 6
Image Processing Algorithm
이미지 프로세싱 방법은 영상취득단계, 영상처리단계, 그 리고 영상분석단계로 구성된다. 영상처리 단계는 먼저 취득 된 영상을 기준으로 영상 내에서 표준이
되는 타겟을 선택한 후, 선택한 타겟의 색상정보를 추출한다. 추출된 색상정보들 을 기반으로 영상 내 각 픽셀들의 색상정보가 타겟의 색상과 얼마나 일치하는지를
산출한 후 각 일치도를 비교하여 타겟 에 해당하는 영역과 그 외 영역을 논리적으로 구분하여 타겟 영역만을 흰색으로 표현하는 이진 영상으로 변환한다.
그리 고 각 타겟 영역의 도심을 산출한다. 이러한 과정들을 시험의 시작지점 영상부터 종료시점의 영상까지 반복하고 그렇게 산 출된 타겟별 도심을 기준으로
타겟 간의 거리를 산출한다. 그 후 초기 타겟 간격을 기준으로 각 구간별 변형률을 산출한다. 여기서 변형률은 무차원량이므로, 상대거리는 타겟 간의
실 제 거리변화량이 아닌 영상 내에서의 픽셀 개수를 이용하여 구한다.
또한 본 연구에서는 UTM의 하중을 나타내는 하중표시계 를 영상 내에 포함시킴으로써 변형률과 하중 값을 동기화 하 였다. 영상처리 과정에서 광학문자인식(Optical
Character Recognition : OCR) 알고리즘을 이용하여 하중 값을 수치화할 수 있도록 하였다. 상기 과정들을 통하여 최종적으로 시편의
변형률을 얻을 수 있었다.
3. 시험 결과 및 분석
본 연구에서는 1축 인장시험 결과들을 이용하여 커플러로 이음 된 철근과 이음부가 없는 철근 간의 변형 차이를 확인하 고자 한다. 응력-변형률 관계와
응력단계별 종방향 변형률 분 포를 평가하였고, 극한변형률과 파단변형률을 산출하여 표점 거리 내에서 커플러가 차지하는 구간이 얼마나 변형률의 감 소에
영향을 미치는지를 평가하였다.
3.1. 시험체별 파단 형상
Fig. 7은 시험 종료 후 시험체별 파단 형상을 대표적으로 나 타낸 사진이다. 대부분의 시험체가 파단 지점에서 넥킹현상 의 발생을 나타내었고 넥킹구간에서 단면감소가
발생했음을 알 수 있다. 시험체 마다 넥킹구간은 불규칙한 위치에서 발생 하였으며 파단 시의 신장량 또한 동일한 규격의 시편 간에도 다소 차이가 있었다.
시편 D22(B)의 경우만이 연성거동을 하 지 않아 넥킹현상이 없는 파단 형상을 보였다.
Fig. 7
Deformation and necking of specimens at rupture
3.2. 응력-변형률 관계
Figs. 8과 9는 이미지 프로세싱 방법으로 계측된 시험체별 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다. 시편의 응력은 계측된 하 중과 철근의 공칭단면적을 이용하여 산출되었고
변형률은 표 점거리에 따른 평균변형률을 나타낸 것이다. 커플러 구간에 대한 응력은 모재철근의 응력과 동일한 응력이 발생한다고 가정하였다.
Fig. 8
Stress-strain curve of D22 specimens
Fig. 9
Stress-strain curve of D29 specimens
응력-변형률 곡선을 살펴보면, 커플러로 이음 된 철근의 인 장변형률이 이음부가 없는 철근보다 훨씬 낮다는 것을 알 수 있다. 특히 B사의 커플러로
이음 된 D22 철근은 2개의 시편 모두 연성거동을 하지 않은 형태로 파단이 발생하였다. 이는 커플러 체결을 위해서 철근에 나사산 가공이 필요하게
되는 데 이 때 철근 모재의 결함이 증가한 것으로 보인다. 따라서 D22(B) 시편에 대해서는 추후 재평가가 이루어져야 할 것으 로 판단된다. Table
4는 표점거리에 따른 한계상태변형률과 파단변형률을 나타낸 것이다.
Table 4
Ultimate Strain and Rupture Strain
|
Specimen
|
σ u (MPa)
|
ε u
|
σ r (MPa)
|
ε r
|
|
|
D22
|
D22-1
|
686.5
|
0.125
|
585.1
|
0.196
|
|
D22-2
|
685.9
|
0.123
|
591.8
|
0.191
|
|
D22(A)-1
|
691.1
|
0.066
|
584.9
|
0.101
|
|
D22(A)-2
|
703.1
|
0.059
|
602.9
|
0.099
|
|
D22(B)-1
|
677.1
|
0.032
|
677.1
|
0.032
|
|
D22(B)-2
|
681.4
|
0.030
|
681.4
|
0.030
|
|
|
D29
|
D29-1
|
701.1
|
0.117
|
594.2
|
0.187
|
|
D29-2
|
700.6
|
0.117
|
607.5
|
0.180
|
|
D29(A)-1
|
705.2
|
0.078
|
597.5
|
0.127
|
|
D29(A)-2
|
704.3
|
0.084
|
597.2
|
0.104
|
|
D29(B)-1
|
705.2
|
0.059
|
613.2
|
0.084
|
|
D29(B)-2
|
706.3
|
0.059
|
612.4
|
0.093
|
3.3. 응력단계별 종방향 변형률
커플러로 이음 된 철근의 응력상태에 따른 종방향 변형률 분포 및 이에 따른 변형률의 감소 정도를 비교하기 위하여 본 연구에서 수행한 철근의 종방향
변형률 분포를 응력단계별로 비교하였다. Figs. 10에서 15는 그에 대한 결과물로써 응력단 계는 100~600 MPa 구간, 극한강도와 파단 시 강도에서의 변 형률 분포를 그래프에 도시하였다.
Fig. 10
Strain distribution of D22 measured with IPM
이음부가 없는 시편의 경우, 초기 탄성구간부터 최대하중 까지의 변형률 분포는 철근 마디에 따라 증감을 반복하는 형 태를 보였고, 최대하중부터 파단
시까지의 대부분의 변형은 넥킹 구간에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 커플러로 이음 된 철근의 경우, 커플러에서는 변형이 거의 발생하지 않았다. 대
부분의 변형은 철근에서 발생하였으며 철근의 넥킹 및 파단 은 주로 시편의 표점구간의 경계부에 인접하여 나타났다.
커플러로 이음 된 철근의 변형률 분포에서 미소한 압축변 형률이 계측되었는데, 이는 커플러 구간에서 계측된 결과로 써, 주로 커플러 끝단에서 계측되었다.
이러한 거동은 커플러 와 철근의 나사산부의 맞물림 작용에서 기인한 것으로 판단 되는데, 철근에 인장력이 작용되면서 커플러의 단부는 면외 방향으로 분력이
작용하게 되고 커플러의 단부가 벌어지는 거동을 하게 된다. 따라서 커플러의 내측 면에는 인장력이 작 용하게 되고, 외측 면에서는 압축력이 작용하게
된 것으로 판 단된다.
커플러로 이음 된 철근의 극한변형률을 살펴보면 시편마다 다소 차이는 있으나, 철근부의 경우 약 0.12의 변형률이 나타 났고, 커플러부는 약 0.025
이하의 수준에 머물러 커플러의 변 형은 미소하였다. 따라서 표점거리 내에서 변형이 거의 일어 나지 않는 구간인 커플러가 차지하는 구간에 따라 동일한
표 점구간에서의 평균변형률이 증감하는 것을 알 수 있었다.
3.4. 커플러의 길이와 변형률의 감소
본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 1축 인장상태에서 이 음부가 없는 철근과 커플러 이음 철근의 비교 및 분석을 통해 커플러 이음 철근의 거동특성을
평가하였고, 커플러 이음 철 근이 이음부가 없는 철근에 비해 평균변형률이 낮게 나타남 을 알 수 있었다.1112131415
Fig. 11
Strain distribution of coupled D22(A) measured with IPM
Fig. 12
Strain distribution of coupled D22(B) measured with IPM
Fig. 13
Strain distribution of D29 measured with IPM
Fig. 14
Strain distribution of coupled D29(A) measured with IPM
Fig. 15
Strain distribution of coupled D29(B) measured with IPM
Figs. 16과 17은 극한상태와 파단상태일 때 표점거리에서 철근이 차지하는 비율에 따른 변형률의 추세를 각각 나타낸 그래프이다. 이 때 G.L은 표점거리(Gauge
length)를, 그리고 C.L은 커플러의 길이(Coupler length)를 의미한다. 그 결과 표 점구간 내에서 커플러가 차지하는 비율에 따라
비례하게 변 형이 감소하는 것을 뚜렷하게 알 수 있었다.
Fig. 16
Ultimate strain according to rebar length without coupler
Fig. 17
Rupture strain according to rebar length without coupler
다음 식은 극한상태일 때와 파단 시의 변형률 감소량(Δε) 을 각각 나타낸 것이다.
여기서
r
=
(
G
.
L
−
C
.
L
)
/
G
.
L
로 표점거리 내에서 철근부가 차지하는 비율을 나타낸 것이다. 따라서 r=1인 경우는 커플 러가 없는 철근을 의미한다.
4. 결 론
본 연구에서는 커플러 이음 철근의 연성도에 대한 평가를 위하여 ASTM A615 기준에 따라 생산된 Grade 60 D22(#7), D29(#9),
그리고 두 종류의 커플러를 상대로 1축 인장시험을 수행하고 이에 대한 결과를 비교 및 분석함으로써 커플러 이 음 철근의 변형 특성을 평가하였다. 계측은
이미지 프로세싱 방법을 사용하여 철근의 구간별 변형률을 평가하였다. 본 연 구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
1축 인장시험 결과, 대부분의 시편에 대해 커플러로 이음 된 부분이 일반 철근부에 비하여 변형이 적게 나타났다. 따라 서 동일한 표점거리 내에서 커플러로
이음 된 부분이 많이 차 지할수록 일반 철근부가 차지하는 비율이 감소하여 전체 표 점거리에 대한 평균변형률이 낮아졌다고 판단하였다.
커플러로 이음 된 철근의 극한거동 및 파단 시의 변형률에 대하여 평가한 결과, 커플러의 길이와 높은 상관성을 가지는 것을 알 수 있었다. 추세를 토대로
커플러의 길이와 평균 인장 변형률과의 상관관계를 정의하였다. 그 결과 변형률-커플러 구간을 제외한 철근부 관계에서 극한변형률의 감소량은 식 (1)과 같았고, 파단변형률의 감소량은 식 (2)와 같음을 알 수 있었다.
추후 커플러 이음 철근이 변형에 미치는 영향에 대한 신뢰 도 향상을 위해서, 다양한 직경의 철근과 커플러 제원을 변수 로 하는 더 많은 표본을 대상으로
인장시험을 수행하고 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 실제 철 근 콘크리트 구조물 내에 매립된 커플러 이음 철근이 구조물 의
연성거동에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구 또한 수행 되어야할 것으로 사료된다.
감사의 글
이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2014R1A1A 2058484)
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