2.1.1 실험체

본론에서는 기본이론, 가정, 방법론 등을 상술하고 이론적 해석, 실험 또는 계산 결과와 그에 대한 분석 및 유관한 기존의 연구결과와의 비교 고찰 등에 관하여 기술한다.

시험체는 프리캐스트 보 구조물로 단순 지지형태의 보로 설계하였으며 프리캐스트 구조물의 중앙부에 여러 가지 연결 유형을 설정하여 시험체를 정하였다. 프리캐스트 구조물의 특성상 현장에서 조립 방법에 따라 중량 차이로 구조물이 연결에 따라서 현장 적용성이 달라지기 때문에 연결하는 방법에 따라서 구조적 검증이 필요하다. 따라서 일반적인 구조물의 경우로 철근을 연속적으로 배근하는 경우와 기계적 이음장치를 사용하는 경우로 구분하였으며, 기계적 이음장치는 기존에 사용되고 있는 제품, 및 최근에 개발된 제품을 사용하였고, 또한, 기계적 이음장치를 사용하지 않고 철근 상세를 개선하는 경우의 시험체에 대해서도 평가할 수 있도록 다양한 조건을 설정하여 총 4가지 유형으로 8개의 시험체를 제작하였다. 시험체의 제원은 다음과 같고 콘크리트 압축강도는 35MPa, 철근은 SD400이다.

2.1.2 실험방법

일체형 실험체의 중앙부 및 다양한 프리캐스트 접합부의 실험체의 중앙 접합부에 작용하는 모멘트가 0이 되도록 실험 세팅을 계획하였다. 또한, 단부 지점에 상향 반력에 대하여 실험체를 구속시키며, 일체형 실험체의 경우 분절형 실험체와의 비교를 위하여 동일한 간격을 유지하여 실험을 실시하였다.

구조물의 반복하중에 의한 구조 성능의 변화 여부에 대한 확인을 위하여 변위를 증가시켜 가면서 동일 변위에 대하여 3회 반복실험을 하였다. 실험결과를 비교하여 구조 성능의 저하 여부에 대한 분석을 실시하였다.

2.2.1 실험체 설계

콘크리트 부재 접합부의 철근 이음 상세에 대한 휨성능 검증을 위하여 일반적인 철근 이음, 확대 머리를 갖는 철근 이음 등의 여러 가지 철근 상세를 설계하고 이들 철근 상세를 적용한 보 시험체를 제작하여 정적 휨 실험을 수행하였다.

철근 이음 상세는 철근의 연결부가 없는 연속 철근 시험체 (REF), 확대 머리 철근을 이음 형식으로 교차 배열하고 인접한 철근을 H13, H16 스터럽으로 묶은 시험체(HB-S13, HB-S16), 스터럽이 없는 확대 머리 끝단에서 철근을 연장하고 구부려 압축부에 정착되도록 한 시험체(HB-S13-HK)로 시험체 각 유형별 2개씩 총 10개의 실험체를 제작하여, 실험하였다.

실험체의 크기는 300$\times$400mm2이고 길이는 2,800mm이다. 주철근은 H19, SD400 철근이다. 확대 머리는 직경 50mm, 두께 30mm의 원형 확대 머리이고 순지압면적은 약 6Ab 이다. 확대 머리는 주철근 끝을 길이 40mm까지 나사 가공하여 체결하였고 확대 머리에서 연장하는 경우는 구부린 철근이 보의 압축 철근 위치에 정착되도록 충분한 길이를 확보하였다.

스터럽 철근은 보의 전단 위험 단면에서는 H13 철근을 사용하였고, 철근 이음부인 보의 중앙 단면 부근에서는 시험체의 종류에 따라 H13, H16을 스터럽 형태로 주철근을 배근 하였고, 별도의 Tie-down 철근이 좁은 간격에 배치되고 현장 조립이 번거로울 것으로 판단되어 배치하지 않았다. 철근 이음 구간은 교차되는 확대 머리 철근의 양쪽 끝단에서 20mm 연장한 위치를 기준으로 400mm가 되도록 하였다. 콘크리트 압축강도는 압축 강도시험 결과 약 30MPa이며, 철근의 항복강도는 약 480MPa 측정되었다.

2.2.2 실험방법

시험체 끝단에서 200mm 지점에 힌지 지점을 설치하였으며 중앙에서 양쪽으로 400mm 떨어진 위치에 하중을 재하하여 4점 휨시험을 하였다. 하중은 2000kN 용량의 만능시험기를 사용하였으며 0.05mm/min의 속도로 단조 가력하였고, 시험체의 중앙부에 압축 철근 및 확대 머리 철근에 변형률 게이지를 각 철근마다 부착하였으며 시험체의 중앙 하면에는 변위계(LVDT)를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다.

2.3.1 실험방법

대상구조물을 프리캐스트 부벽식 옹벽 구조물로서 실제 옹벽 구조물 시공현장에 사용되는 실구조물을 대상으로 실험을 수행하였다. 옹벽은 배면의 토압이 작용하고 토사가 접해있을 경우 배면토에 의해 감쇠가 발생할 것으로 예상되어 구조물을 시공하기 전 출고 준비 중인 구조물을 대상으로 모의실험을 수행하였다. PC 옹벽 구조물의 형상과 제원은 다음과 같다.

Fig. 4. Standard model design

3.1.1 연속 철근 실험체

연속 철근 시험체의 하중-변위 곡선에서 구조물의 변위는 하중 증가에 따라 거의 선형으로 증가하고 공칭강도 이후부터는 재료 비선형성으로 인해 강성의 변화가 나타남을 알 수 있었다.

하중-변형률 관계에서도 시험 초기의 강성의 변화가 있는데 이는 시험체 하면의 인장 균열 발생 시점이고 그 이후 선형적 변화를 나타낸다. 공칭강도 이후에는 철근의 항복 시점에 도달하여 변형률이 크게 증가하는 현상이 나타나는데 일정 하중 이후에는 항복상태로 지속됨을 알 수 있다. 이때 공칭강도는 철근의 공칭응력을 기준으로 산정되었기 때문에 실제 철근의 항복강도는 공칭 값 보다 높다. 따라서 공칭강도를 하중의 손상 허용한계로 설정하는 것은 파괴 시에 대한 구조물의 안전성의 약간의 여유를 고려하면 타당하다고 볼 수 있으며, 압축 철근의 경우는 최대 파괴 하중까지 거의 선형적으로 증가하고 있음을 확인하였다. 이는 콘크리트의 파괴 시 변형률로 볼 수 있는 0.003에 도달하지 않았기 때문이며, 이는 보의 설계가 연성 파괴 보로 설계되었기 때문이다. 따라서 연성 파괴 보에 대한 변형률 검증이 된 경우에는 인장 철근에 의한 구조물의 거동 분석 또는 손상, 안전성 평가에 활용 가능함을 알 수 있다.

3.1.2 커플러 실험체

커플러 시험체의 경우는 약 810kN의 하중에서 인장측 커플러 철근(나사철근)이 항복하였으며 하중 증가에 따라 변형률이 계속 증가하는 양상을 나타내었다. 이에 반해 압축측 커플러 철근은 약 –350μ ~ -580μ의 범위로 압축변형률이 상대적으로 매우 낮게 나타났으며, 변위는 약 810kN에서 강성의 변화를 나타낸 이후 계속 증가하고 있음을 알 수 있었다.

이러한 결과는 실험체 하면에 인장 균열이 발생한 이후 커플러 철근이 콘크리트와 일체가 되어 휨거동을 하지 못하고 커플러 철근과 콘크리트 사이에 슬립이 발생하여 인장측 콘크리트의 파괴를 유발함으로써 균열폭이 증가하였고 그로 인해 중립축이 압축측으로 이동함과 동시에 단면의 강성이 약해진 것에 원인이 있다. 따라서, 커플러를 이용한 실험체의 실험 단면 강도는 설계 강도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.

따라서, 실험 시 사용된 커플러는 커플러 자체의 문제보다 커플러 철근의 정착길이 연장 또는 정착방식의 개선이 필요하며, 커플러 철근과 콘크리트 간의 부착력이 충분히 발휘되지 않을 경우 구조물의 손상, 소요 강도 등 확보되기 어려우므로 철근 상세에 대한 구조검토가 선행되어야 하며, 그에 따른 손상 및 보수 평가, 안전성 평가 기준은 수정돼야 판단된다.

3.1.3 블록 아웃 실험체

블록 아웃 시험체는 인장 저항형 박스 체결장치의 간이형 커플러로서 철근과 블록은 나사로 체결되는 구조이다. 이 경우 순수 인장을 받는 경우 어느 정도 성능을 나타낼 수 있으나 휨과 인장을 동시에 받는 경우는 면외 변형에 의해 하중전달이 원활하지 못한다고 판단된다.

하중-변위 곡선에서 최대하중은 공칭강도의 약 70% 수준으로 나타났으며 최대하중의 약 20% 수준에서는 슬립이 발생함을 알 수 있다. 인장변형률 및 압축측에 대해서도 동일한 양상을 나타내고 있으며 공칭강도에 대비 강도가 부족한 것으로 판단된다.

3.1.4 후크철근 시험체

후크형 철근은 하중이 증가함에 따라 안정적인 변형을 나타내고 있으나 최대하중 부근에서 갑작스런 변위의 증가와 변형률의 증가 현상이 나타났다. 이는 후크 형태로 배근된 철근이 휨 변형이 발생하면서 철근의 구속 상태의 변화에 기인하는 것으로 판단된다.

부재의 곡률이 변화하면서 내부의 철근 위치 변화에 따른 철근의 부착강도, 형상변화에 따라 하중전달 과정이 달라지기 때문으로 철근의 구속력을 증가시킬 대안이 필요함을 알 수 있다. 따라서 철근의 배근 상태, 구속력 정도에 따라 구조물의 손상상태가 달라질 수 있으며 그에 따른 구조물의 변위, 변형률의 발생 양상이 달라지므로 충분한 응력전달이 보장될 수 있는 상세의 개선이 필요하다.

3.2.1 향상된 조인트 실험체(확대머리+H13스트럽)

Fig. 5(a)는 확대 머리를 배근하고 H13 스터럽과 H16 스터럽 철근을 배근하였을 때를 비교한 결과이다. 두 가지 형태의 시험체 모두 파괴강도가 설계 강도보다 높은 것으로 나타났다. H16 스터럽으로 확대 머리 이형철근을 묶은 시험체 HB-H16은 H13스터럽 시험체 HB-S13 시험체보다 최대강도가 더 높게 나타났으며 연성 효과도 약간 증가하는 것으로 나타났다. 이는 하중 증가 시 확대 머리 철근의 휨변형을 스터럽이 구속해주기 때문인 것으로 판단되며 스터럽 철근의 직경이 클수록 최대강도를 증가시킴을 알 수 있다.

3.2.2 향상된 조인트 실험체(확대머리+철근연장)

Fig. 5(b)는 확대 머리 이형철근을 H13 스터럽으로 묶은 실험체 HB-S13과 스터럽 철근 없이 확대 머리 철근을 연장하여 감아올린 시험체 HB-S0-HK를 비교한 것이다. 두 시험체 모두 설계 강도에 해당하는 하중 이상의 값에서 파괴되었으나, HB-S0-HK 시험체의 최대하중은 설계 강도에 해당하는 계산 하중에 도달한 후 파괴가 발생하였으며, HB-S13 시험체는 철근이 어느 정도 항복 변형을 나타낸 후에 파괴되었다. HB- S0-HK 실험체가 최대하중 이후 갑작스런 파괴가 일어난 것은 감아올린 철근이 거의 수직 방향으로 배열되므로 그 철근을 따라 균열 유발되고 진전되어 균열폭을 확대시키는 역할을 하였기 때문인 것으로 판단된다. 이 결과로부터 확대 머리 철근의 정착은 철근을 압축영역까지 감아올리는 것보다 확대 머리 철근을 스터럽으로 묶어주는 것이 더 효과적임을 알 수 있었다.

3.2.3 향상된 조인트 실험체(확대머리+연장철근)

Fig. 5(c)는 HB-S13 실험체와 HB-S13-HK 실험체를 비교한 것으로 확대 머리 철근을 스터럽으로 묶은 후 연장 철근을 감아올린 경우 그 효과를 비교한 것이다. 두 실험체 모두 최대하중은 설계하중보다 높게 나타났다. HB-S13 실험체를 기준으로 철근을 감아올린 HB-S13-HK 시험체의 경우 최대강도 이후 안정적인 휨 변형을 나타내고 있으며 변위 연성도 크게 증가함을 알 수 있다. 따라서 확대 머리 철근이 스터럽에 의해 구속되어 있는 경우 연장 철근을 감아올린 정착 방법은 시험체의 연성 확보와 철근의 저항능력을 효과적으로 나타낼 수 있도록 한다.

3.2.4 향상된 조인트 실험체(확대머리+철근 연속)

Fig. 6. Research model specifications

∙ Structure specification : 350 x 400 x 2,800mm

∙ standard : concrete fck = 35MPa / Unit weight = 2.50 t/m3

∙ Quantity = .0392 m3 / Weight = 0.980 ton

Fig. 5(d)는 HB-S13-HK 실험체와 철근을 연속으로 배근한 REF 시험체를 비교한 것으로 연속시험체와 거의 동일한 하중-변위 거동을 나타내고 있다. HB-S13-HK 시험체는 약 27mm 변위 이후에서 하중이 감소하기 시작하지만, 그 차이는 크지 않다. 따라서 확대 머리 철근을 스터럽으로 구속시키고 연장 철근을 감아올려 압축영역으로 정착하는 철근 상세는 연속 철근을 갖는 보의 휨 거동과 거의 유사한 결과를 줄 수 있음을 알 수 있다.

3.3.1 피씨 구조물 취약 단면 도출

PC 구조물의 동적 특성인 고유 주파수와 모드 형상을 이용한 구조물의 건정성 평가 및 평가 결과로 인한 PC 구조물의 자유 진동을 기반으로 모드 분석을 통하여 취약 단면에 대한 분석을 실시하여, 취약 단면의 상세해석을 실시 하였다.

3.3.2 연구 모델 선정

본 연구를 위해 연구 모델을 단순 보(Beam)로 가로세로 350mm x 400mm, L=2,800mm로 선정하여 그림 6의 Input data를 사용하여 수행하였다.

3.3.3 선형 정적 구조 해석

피씨 구조물의 실험결과 Data와 해석 Data 하중-변위 그래프 비교로 구조 해석은 Midas Civil을 통하여 수행하고, 모델링은 시공 방향으로 28seg로 구성하여 각각 모델링 및 경계조건에 따른 모드 해석을 수행하였다.

Fig. 7. Analysis of Section modes

Fig. 8. Displacement and strain curve results

선형 정적 해석을 통해 선형 탄성 구간에 대한 하중-변위를 비교함으로써 실험 오차가 존재하기는 하지만 실험 Data와 해석 Data에 수렴함을 확인하였다.

3.3.4 피씨 구조물의 모드 해석 수행

고유진동해석(natural frequency analysis), 자유 진동해석(free vibration analysis)은 구조물이 갖고 있는 고유진동수와 각 고유진동수에서의 변형 형상(모드형상)를 파악하여 구조물의 공진 여부와 진동에 의한 변형 형상을 도출할 수 있음.

Fig. 9. Leakest section selection result

28가지의 Mode중 피씨 구조물의 지배 좌표인 Z축 Mode를 분석 연직 방향에 영향을 갖는 Mode 01, 05, 12, 17, 24, 27이며, 최약 단면이 Mode 05를 선택하여 분석함.

피씨 구조물의 Eigen Vector 값을 토대로 모드 형상을 그래프로 나타내면 다음과 같다.

Fig. 10. Results of selecting vulnerable locations for PC

모드 해석을 통해서 취약 위치를 분석하여 단면의 최적의 단면 설계 해석 및 구조 계산 시 데이터를 활용했다.

Fig. 11. Modeling comparison mode 05

또한,단일 모드 구조 및 연속 구조 모드 비교 해석을 통하여 단일 모드 형상 및 변곡점의 위치에서 두 가지 모드의 유사성을 보임을 알 수 있었다.