2.1 재긴장 정착구용 나사 설계

이 연구에서 개발하고자 하는 정착구는 나사의 원리를 이용하여 재긴장 및 이완이 가능하도록 계획하였다. 일반적으로 나사는 나사산이 있는 위치에 따라 수나사와 암나사로 분류하고, 나사산의 모양에 따라 삼각나사, 사각나사, 사다리꼴나사, 톱니나사, 둥근나사, 볼나사 등으로 분류할 수 있다^{(Hong J.P., 2018} : ^{KOSHA 2016)}.

이 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 포스트텐션용 재긴장 정착구에 발생하는 큰 힘에 저항이 용이하고, 효율과 가공성이 좋으며, 뿌리 부분이 두꺼운 사다리꼴(trapezoidal screw thread)형태의 수나사와 암나사를 선정하였다.

한편, 사다리꼴 나사의 구조는 KSB 0229 >미터 사다리꼴 나사>에서 규정되어 있으며, Fig. 1은 나사 설계를 위해 KS 규정에서 제안하고 있는 기하학적 구조를 나타낸 것이다. 사다리꼴 나사의 나사산 윗부분은 0.366p로 규정하고 있으며, 나사의 피치는 식 (1)과 같이 나타낸다.

여기서, $\overline{DE}$ : $0.134p$

또한, $\overline{DE}$는 $\triangle CDE$의 상세에 의해 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 나사산의 접촉높이($H_{1}$)와 나사산의 피치($p$)와의 관계는 식 (3)과 같다.

이 연구에서는 재긴장 정착구의 활용성을 고려하여 9 가닥 강연선에 대한 재긴장 정착구를 설계하였고, 설계를 위한 조건은 Table 1과 같이 계획하였다.

재긴장 정착구 제작에 사용된 강재는 SM45C이며, 나사의 안전성 및 효율성을 고려하여 피치($p$), 바깥지름($d$), 나사 강도 및 안전율을 Table 2와 같이 선정하였다. 접촉높이(H1)는 식 (3)에 나타낸 바와 같이 피치에 의해 4 mm로 결정하였으며, 골지름(d1)은 바깥지름($d$)에서 접촉면적(H1)을 제외한 것으로 식 (4)와 같다. 한편, 정착구 재료로는 SM45C를 열처리하여 사용하였으며, 정착구 나사의 항복강도는 500 MPa, 안전율은 2 이상 확보하는 것으로 기준을 설정하였다. 따라서 허용응력($f_{a}$) 250 MPa에 대한 재긴장 정착구 나사산 수(Z)는 식 (5)와 같이 계산하였으며, 그 설계결과를 Table 2에 나타내었다.

여기서 $ d_{2}=\dfrac{d+d_{1}}{2}\\ H_{1}=h=\dfrac{d-d_{1}}{2}: 나사산의 높이 $

2.2. 재긴장 정착구 설계

이 연구에 적용한 재긴장 정착구는 이미 언급한 바와 같이 사다리꼴 나사형태로 나사의 회전을 이용하여 긴장력을 감소 또는 증가시킬 수 있도록 설계하였다. 따라서 wedge plate는 강연선을 잡아주는 역할이외에 볼트의 역할을 하도록 사다리꼴 형상의 수나사를 plate 외부에 설치하였으며, 간격유지를 위한 끼움판(shim plate) 내부에 암나사를 설치하였다.

한편, 나사의 회전을 용이하게 하기 위하여 잭이 강연선 전체를 잡아당길 수 있도록 wedge plate에 돌출 그립부를 마련하고, 잭을 이용하여 돌출부를 잡고 당김으로써 끼움판 너트(shim plate nut)에 힘이 가해지지 않게 되어 쉽게 끼움판 너트를 원하는 위치까지 회전시킬 수 있도록 설계하였다.

또한 포스트텐션 덕트에는 재긴장을 위하여 그리스 등이 채워져야 하므로 keep plate를 설치하여 유류 등이 유출되지 않도록 하였으며, 정착구의 내부식성 향상을 위하여 보호캡으로 정착구 전체를 감쌀 수 있도록 하였다. Fig. 2는 이 연구에서 제안한 재긴장 정착구를 도시한 것이다.

3.1 재긴장 정착구 하중전달시편의 제작

포스트텐션 정착구에 관한 기준은 유럽을 중심으로 발달해 왔으며 국내의 경우 이를 바탕으로 기준을 제시하고 있다. 즉, 정착구 및 정착구역에 관하여 유럽의 EAD160004, 미국의PTI⁽²⁰⁰⁰⁾, 국내의 KCI-PS101^{(KCI, 2009)} 등과 같이 공인된 시험기준 및 시험방법을 두고 있으며, 공인된 인증기관에서 기술승인을 받도록 하고 있다.

국내의 경우 강연선의 선정과 정착장치의 위치 결정, 철근 보강, 긴장 순서를 포함한 전반적인 설계와 시공에 관련된 상세 사항은 설계 도면으로 작성하여 시공 전에 공사 책임자의 승인을 받도록 규정하고 있으며^{(KIBSE, 2015)}, 정착장치를 포함한 정착시스템에 대한 시험결과와 설계는 제조사에서 제공하는 것이 보통이며, 책임기술자는 그 결과를 검토하여 승인 책임을 지도록 규정하고 있다.

포스트텐션 정착구의 대표적인 성능평가 방법은 하중전달 성능평가가 있다. 국내의 하중전달성능 시험기준은 KCI-PS101 >PSC텐던 정착장치 및 접속장치의 성능 시험 방법>에서 제안하고 있다^{(KCI, 2009)}.

이 기준은 현장 적용을 위한 정착장치의 주요 특성에 대한 확인방법 중에서 하중전달 시 압축요소인 콘크리트 거동 및 하중지지능력에 대한 평가방법을 규정하고 있으며, 시편 제작, 평가방법 등은 EAD160004와 유사하며, 단일 정착구 시편에 의해 반복하중을 재하하여 평가하도록 규정하고 있다.

하중전달시험용 시편은 KCI-PS101와 EAD160004에 근거하여 설계하였고, 정착구의 중심거리와 연단거리, 정착구의 최소 중심간 거리 및 하중전달시험의 하중재하 방법, 반복하중이 작용될 때 변형률의 변화를 통해 변형률의 안정화와 하중전달성능을 평가에 대해서는 Lho et al.^{(2016, 2018)}에 기술되어 있으며, 이에 따라 400×400×800 mm 크기의 정사각형 기둥 형상으로 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 시편을 제작하였다. 하중전달시험용 시편의 지지를 위하여 격자철근을 배근하였고, 횡방향 구속 보강을 위해 나선철근을 배근하였으며, 시편 제작에 사용된 콘크리트의 굵은골재 최대치수는 25 mm이고, 설계기준압축강도는 50 MPa이며, 압축강도 시험결과 평균 압축강도는 51.6 MPa 임을 알 수 있었다. 한편, EAD160004에서는 과도한 배근을 제한하고 최소 배근하도록 규정하고 있는데, 이는 정착구역 내에서 정착구 이외에서 파괴되는 것을 방지하기 위한 것이다.

Fig. 4는 나선철근(D13, pitch : 50 mm)과 D10 의 스터럽과 D13인 종방향 철근으로 구성된 부속철근을 나타낸 것으로, 나선철근은 시험길이의 1/2 이내에 위치하도록 계획하였다. Fig. 5는 하중전달시편의 제작과정을 나타낸 것이다. 그림에 나타낸 바와 같이 고정시킨 정착구를 중심으로 배근한 후 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 철근에 변형률 게이지(strain gauge)를 설치하였다. 변형률 게이지 설치 완료 후 콘크리트를 타설하고 $\phi$100×200 mm 압축강도 시험용 시편도 함께 제작한 장면을 나타낸 것이다.

Fig. 6은 시편 외부 콘크리트에 부착한 변형률 게이지의 설치 위치를 나타낸 것으로, 횡방향 변형률 게이지는 약 95∼105 mm 간격으로 철근의 위치와 거의 동일한 위치에 설치하였다. 동일한 중심에 종방향 변형률 게이지를 설치하였다. 설치된 변형률 게이지 수량은 횡방향으로 5개, 종방향으로 4개 설치하였다.

Fig. 7은 공인시험기관인 하이브리드 구조 실험센터에서 5,000 kN 용량의 대형 압축시험기를 이용하여 하중전달시험을 수행한 모습이다. 하중재하는 강연선 극한하중의 80 % 까지 상승시킨 후 12 % 까지 감소시키는 것을 한 회로 10회 반복하는 것으로 최초 1회 하중 재하 시에는 20, 40, 60, 80 %를 단계적으로 상승시키고, 10회 반복재하 완료 후에는 시편 파괴 시 까지 재하하였다.

3.2 시간에 따른 하중 재하와 변위

KS D 7002에 제시된 SWPC 7B의 인장하중은 261 kN이상이며 9가닥의 강연선을 사용하였으므로 이 연구에서는 $F_{pk}$는 2,349 kN을 적용하여 Table 3과 같이 각 단계별 재하하중을 재하하였다. Fig. 8은 EAD160004 및 KCI PS101에 규정한 재하 시간에 따른 재하 하중을 나타낸 것이며, Fig. 9는 하중에 따른 수직변위를 나타낸 것으로 $0.12F_{pk}$ (282 kN)에서 $0.8F_{pk}$ (1,879 kN)로 하중이 반복되는 동안 하중-변위는 선형적인 탄성거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

한편, 10회 반복하중 재하 후, 하중을 $1.0F_{pk}$ (2,349 kN)과 $1.1F_{pk}$ (2,584 kN)를 초과할 때까지 계속 가력하였으며, 4,494 kN ($1.9F_{pk}$)에서 파괴되어 EAD160004 및 KCI PS101의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

3.3 변형률에 의한 안정성 검토

EAD160004 및 KCI PS101규정의 변형률에 대한 안정화 검토는 식 (6)에 따르며, 10회 하중반복중 구간중 $\varepsilon_{n-4}-\varepsilon_{0}$로 계산한 변형률 차이가 $\varepsilon_{n}-\varepsilon_{n-4}$로 계산한 변형률 차이 보다 1/3 이하가 되도록 제한하고 있다.

여기서, $n$ : 재하횟수

$\varepsilon_{0}$ : 첫번째 $0.8f_{pk}$의 변형률

$\varepsilon_{n}$ : 10회 이상 재하 후 마지막 $0.8f_{pk}$의 변형률

$\varepsilon_{n-4}$ : $n-4$회의 $0.8f_{pk}$의 변형률

Table 4는 철근과 콘크리트에 설치한 수평방향 변형률 게이지의 측정값을 나타낸 것이며, Fig. 10과 Fig. 11은 시간에 따른 측정 변형률을 도시한 것으로 하중전달이 원활하게 되고 있음을 알 수 있다. 한편, 하중전달시험을 통한 변형률 변화가 식 (6)의 범위에 속하고 있음을 알 수 있다.

Table 5는 콘크리트에 설치한 수직변형률 게이지의 변형률을 정리한 것이며, Fig. 12는 시간에 따른 측정 변형률을 도시한 것으로 재하단계에 따른 수직변형률의 변화 역시 식 (6)을 만족하고 있음을 알 수 있다. 따라서 이 연구에서 제안한 포스트텐션용 재긴장 정착구는 정착구역내에서 변형률 안정성과 하중에 대한 안전성을 충분히 확보한 것으로 판단된다.