3.1 실험체 상세

Fig. 3 및 Table 1에는 SP 보강재의 상세를 나타내었다. 실험체는 프리스트레스력 도입방법인 인장도입형과 압축도입형에 따라 2그룹으로 구분하였다. 인장도입형은 강관에 직접적으로 인장력을 도입하기 위한 상세를 가진다. Fig. 3(a)에 나타낸 바와 같이, 인장도입형 SP 보강재의 실험체는 강관, 강봉, 강관 단부의 폐쇄구조를 위한 엔드홀더와 볼트 및 강관의 길이 조절을 위한 커플러로 구성된다. 각 구성요소의 치수는 인장력을 받는 강관의 외경은 25.4 mm, 강관의 두께는 3.6 mm, 내부 강봉의 지름은 16 mm, 엔드홀더 및 커플러의 외경은 32 mm, 볼트의 외경은 25.4 mm이다. Fig. 3(b)에 나타낸 바와 같이, 압축도입형은 내부 강봉에 직접적으로 압축력을 도입하기 위한 상세를 가진다. 압축도입형 SP 보강재의 실험체는 강관, 강봉, 강봉의 힘을 볼트에 전달하기 위한 캡, 강관 단부의 폐쇄구조를 위한 엔드홀더, 볼트를 관통하여 강봉에 압축력을 전달할 수 있는 중공형 볼트와 볼트 및 강관의 길이 조절을 위한 커플러로 구성된다. 구성요소의 치수는 인장력을 받는 강관의 외경은 25.4 mm, 강관의 두께는 3.6 mm, 내부 강봉의 지름은 16 mm, 엔드홀더 및 커플러의 외경은 32 mm, 중공볼트의 외경은 25.4 mm 그리고 중공볼트의 내경은 13 mm이다. 각 구성요소에서 연결 상세를 위한 볼트 및 너트는 ^{KBC 2016(2016)}의 설계 절차에 의해 항복강도 대비 70%의 프리스트레스력이 도입될 때에 약 100 kN의 힘에 저항할 수 있도록 하였다.

두 실험체에서 응력손실을 평가하기 위한 SP 보강재는 총 48개가 제작되었으며, 주요변수는 SP 보강재의 재질 및 프리스트레스력의 크기이다. SP 보강재에 사용된 재질은 SCM 440과 P800이다. 프리스트레스력의 크기는 인장도입형에서 항복강도의 40, 60 및 80%로, 압축도입형에서 항복강도의 30, 50 및 80%로 변화하였다. 실험체 명에서 첫 번째 글자는 그룹(I 그룹 = 인장도입형, II 그룹 = 압축도입형)을, 두 번째 알파벳은 SP 보강재 재질의 종류(S = SCM 440, P = P 800)를 그리고 마지막 숫자는 프리스트레스력의 크기를 의미한다. 예를 들어 I-S40은 I 그룹이면서 인장강도의 40%의 힘으로 도입된 SCM 440의 SP 보강재의 실험체를 의미한다.

Fig. 3 Details of SP reinforcing bars according to the prestressing introduction method

3.2 재료 특성

Table 2에는 SP 보강재로 사용된 강종의 역학적 특성을 나타내었다. SP 보강재로 사용된 SCM 440과 P800의 강종은 뚜렷한 항복점이 없어 0.2% 오프셋 방법으로 항복강도를 결정하였다. SCM 440의 항복강도, 인장강도 및 탄성계수는 각각 589 MPa, 735 MPa 및 203,761 MPa이었으며, P800은 각각 731 MPa, 931 MPa 및 218,355 MPa이었다.

3.3 긴장력 도입 및 측정상세

Fig. 4에는 인장도입형과 압축도입형 실험체에 따른 프리스트레스력 도입 장치를 나타내었다. 강관에 직접 인장력 도입(인장도입형)을 위한 방법은 다음과 같다; 1) 중공형 오일잭 및 하중계에 SP 보강재를 삽입한댜; 2) 커플러 사이 또는 커플러와 엔드홀더 사이에 지그를 체결한다; 3) 중공형 오일잭을 이용하여 강관을 긴장시킨다; 4) 강봉을 삽입하고 볼트를 체결한다. 또한, 내부 강봉에 직접 압축력 도입(압축도입형)을 위한 방법은 다음과 같다; 1) 강관내부에 캡이 부착된 강봉을 삽입한 후 중공볼트로 가체결한다; 2) SP 보강재 상부 커플러 하단에 정착 지그를 체결한다; 3) 지그가 체결된 SP 보강재를 하중계와 오일잭이 설치된 압축 프레임에 셋팅한다; 4) 중공볼트를 관통하여 강봉에 압축력을 전달할 직경 22 mm의 T형 압축핀을 삽입한다; 5) 오일잭을 이용하여 강봉에 압축력을 도입한다; 6) 볼트를 체결한다. 압축도입형은 내부강관에 압축력을 도입하여야 하므로 오일잭 지지를 위한 별도의 고강도 프레임이 사용되었다(Fig. 4(b)).

위의 방법으로 도입된 인장도입형과 압축도입형의 실험체들은 강재 변형률 게이지를 부착하였다. 강재 변형률 게이지로부터 얻어진 데이터들은 응력으로 환산하여 도입된 프리스트레스력과 시간에 따른 응력손실을 평가하였다. 측정은 강재 변형률의 변화가 없는 14일까지 수행하였다.

Fig. 4 Prestressing installments for SP reinforcing bar

4.1 프리스트레스력 도입방식의 영향

프리스트레스력 도입 방법에 따른 응력손실의 평가 결과는 Table 3에 요약하였으며, Fig. 5에는 강재 변형률로부터 측정된 시간에 따른 강재의 응력변화를 나타내었다. 외부강관에 인장력을 직접 가하는 인장도입형은 프리스트레스력 도입 즉시 응력손실이 44.1% ~ 66.8%로서 높은 수준이었다. 이에 반해 내부강봉에 압축력을 직접가하는 압축도입형은 프리스트레스력 도입 즉시 응력의 손실이 1.6% ~ 7.1%로서 매우 낮은 수준에 있었다. 이 응력 손실은 시간의 경과함에 따라 거의 일정한 수준에 있었다. 인장도입형이면서 SCM 440 강종인 SP 보강재에 프리스트레스력이 항복강도의 80%로 도입된 I-S80 실험체 응력의 손실은 프리스트레스력 도입 즉시 66.8% 이었는데, 1일에 4.1%로 그 응력의 손실이 다소 발생하였다. 반면 2일 및 14일에는 각각 4.4% 및 4.9%로 응력의 변화가 거의 없었다. 압축도입형도 인장도입형과 마찬가지로 시간에 따른 응력의 변화가 거의 없었다. 압축도입형이면서 SCM 440 강종인 SP 보강재에 프리스트레스력이 항복강도의 80%로 도입된 II-S80 실험체의 응력의 손실은 프리스트레스력 도입 즉시 60.3%이었는데, 1일에 1.5%로 응력의 손실이 다소 발생하였다. 이후 2일에서 14일로 변화함에 따라 응력이 손실이 1.7%로 큰 변화가 없었으나, 15일에서는 3.6%로 미미하게 증가하는 결과를 보였다. 이로서 SP 보강재는 프리스트레스력을 직접 도입하는 초기단계에서의 응력손실이 가장 크게 있는데, 특히 외부강관에 인장력을 직접 가하는 인장도입형에서 그 응력손실이 가장 높음을 확인하였다. 따라서 SP 보강재의 프리스트레스력의 도입방법은 응력 손실이 적은 내부강봉에 압축력을 직접가하는 압축도입형의 방식이 추천된다.

Fig. 5 Variation of prestresses with respect to the time

4.2 프리스트레스력 크기의 영향

SP 보강재의 응력손실은 프리스트레스력의 크기에 미치는 영향이 현저하였다. 외부강관에 인장력을 직접 가하는 인장도입형이면서 SCM 440 강종인 SP보강재의 응력손실은 프리스트레스력이 항복강도의 40%, 60% 및 80%에서 평균적으로 각각 58.6%, 63.5% 및 66.8%이었다. 결과적으로 프리스트레스력이 항복강도의 80%로 도입된 SP보강재 응력손실이 가장 컸는데, 프리트스레스력이 항복강도의 40%로 도입된 실험체 보다 약 1.14배 높았다. 반면, 릴랙세이션의 크기는 도입 즉시 응력손실의 크기와 반대의 경향을 보였다. 응력 도입 후 1일이 경과한 이후의 릴랙세이션은 인장력을 40% 도입한 경우가 11.8%로 가장 컸으며, 인장력을 80% 도입한 경우가 4.1%로 가장 작았다. 더불어 릴랙세이션 크기의 차이는 시간이 경과함에 따라 미미하게 감소하였는데, 인장력을 40% 도입한 경우가 80%인 경우에 비해 2일 및 14일에서 각각 2.8배 및 2.6배 높았다. 결과적으로 인장도입형에서 SP 보강재의 릴랙세이션은 도입된 인장력이 감소함에 따라 4.9~12.8%으로 변화하였다.

압축도입형이면서 SCM 440 강종인 SP보강재는 인장도입형 SP보강재와 반대로 프리스트레스력이 증가함에 따라 응력손실이 다소 감소하는 경향을 보였다. 압축도입형 실험체의 응력손실은 프리스트레스력이 항복강도의 30%, 50% 및 80%에서 평균적으로 각각 4.3%, 4.1% 및 3.8%이었다. 또한 시간에 따른 이들 응력손실의 변화는 거의 없었다. 결과적으로 압축도입형에서 SP 보강재의 릴랙세이션은 1.3%~ 1.9%로 평가될 수 있었다. 위의 결과들을 기반으로 SP 보강재의 프리스트레스력은 응력손실을 감안할 때에 인장도입형에서 항복강도의 80%로, 압축도입형에서 항복강도의 80%로 추천된다.

4.3 보강재 강종의 영향

SP 보강재의 응력손실은 P800 보다 SCM 440에서 더 현저하였다. 인장도입형이면서 프리스트레스력이 항복강도의 80%로 도입된 SP 보강재에서 프리스트레스력 도입 즉시의 응력손실은 SCM 440에서 66.8%로서의 P800의 60.3% 보다 1.11배 높았다. 그 높음의 정도는 시간 경과의 관계없이 일정한 수준에 있었다. 또한 압축도입형이면서 프리스트레스력이 항복강도의 80%로 도입된 SP 보강재에서 프리스트레스력 도입 즉시의 응력손실은 SCM 440에서 3.8%로서 P800의 1.6% 보다 2.39배 높았다. 긴장재의 릴랙세이션은 P800의 경우가 SCM 440에 비해 1.1~3.2배 높았다. 결과적으로 SP 보강재의 재질은 응력손실이 적은 P800의 사용이 추천된다.

4.4 즉시손실과 릴랙세이션을 고려한 SP 보강재의 제시

설계기준들^{(ASTM A416, 2018; JIS G3536, 2014; KS D 7002, 2019)}은 프리스트레스력 도입 이후 보강재의 릴랙세이션을 2.5%이하로 제시하고 있다. 따라서 위의 실험결과들의 분석과 설계기준들^{(ASTM A416, 2018; JIS G3536, 2014; KS D 7002, 2019)}에서 제시된 2.5% 이하의 릴랙세이션을 고려할 때에 SP 보강재의 재질과 프리스트레스력 도입방식 및 크기는 각각 P800, 압축도입형 및 항복강도의 80%로 추천된다. 압축도입형이면서 P800으로 제작된 SP보강재에서 시간에 따른 응력의 릴랙세이션을 고려한 초기 프리스트레스력($F_{i}$)은 다음과 같이 정리할 수 있다.

여기서, $R$는 프리스트레스력의 비율을, $F_{y}$는 SP 보강재의 항복강도를, $\xi$은 응력 손실율을 의미한다. 식 (1)에서 $\xi$은 위의 실험결과를 이용하여 다음과 같이 일반화할 수 있었다(Fig. 6).

여기서, $d$는 프리스트레스력의 도입 이후의 경과된 일수를 의미하는데, 14일을 초과할 수 없다. 이는 SP 보강재 응력의 릴랙세이션이 14일 이전에 수렴한다는 실험결과를 반영한 것이다. 결과적으로 식 (1)과 (2)를 통해서 추천된 압축도입형이면서 P800의 강종으로 제작된 SP보강재에서 시간에 따른 응력의 릴랙세이션을 고려한 초기 프리스트레스력을 산정할 수 있다.

Fig. 6 Modeling of initial prestressing loads considering relaxation of SP reinforcing bar