2.1 개요

단면 보강용 외부 긴장 강선으로 보강한 PSC I 보 실험체의 성능을 검증하고자 Fig. 1, Table 1과 같이 SC-1과 SC-2 실험체를 제작하였다. Fig. 1과 같이 SC-2 실험체는 외부에 강선을 배치한 실험체이며, 실험 결과의 비교를 위해 SC-1 실험체는 SC-2 실험체와 동일한 조건으로 제작하였다. 실험은 동일 조건에서 제작된 두 시험체 중 SC-2 실험체의 외부 강선 보강으로 인한 실험체 성능 향상을 목표로 실험을 수행하였다.

실험체는 외부 강선 정착장치 부근의 지압 응력과 전단응력을 견디고 정착장치의 크기 감소를 위해 60MPa 고강도 콘크리트를 사용하였다. 고강도 콘크리트를 사용함에 따라 철근 또한 콘크리트의 강도에 맞게 고강도 철근을 사용하였다. 단면에 배근 된 각 철근은 동일 강도인 SD400 이형철근을 사용하여 Fig. 2와 같이 인장철근, 압축철근, 전단철근으로 이루어져 있다. 실험체의 제작을 위해 강재 거푸집을 제작하여 콘크리트를 타설하고, 콘크리트의 강도 측정을 위해 Fig. 3과 같이 공시체를 3개씩 5조로 나누어 강도를 측정하여 목표 강도까지 양생하였다.

Fig. 1 Test member (a) SC-1, (b) SC-2

Fig. 2 Bar and tendon arrangement of test member

Fig. 3 Test piece for compressive cylinder strength

2.2 재료

콘크리트는 압축강도 60MPa인 레미콘(ready mixed concrete)을 사용하였다. 콘크리트 종류는 고강도 콘크리트를 사용하였고 상세한 콘크리트의 배합설계는 Table 2와 같다. 실험 부재는 야외에서 타설 하였으며, 콘크리트의 다짐은 타설 후 다짐봉을 사용하여 다짐하였다. 최초 24시간 고압 증기 양생 후 대기 양생을 진행하고 타설 48시간 경과 후 Fig. 4와 같이 거푸집을 탈형 하여 양생하였다. 목표 강도인 60MPa 강도 측정을 위해 Fig. 3과 같이 강도 측정용 공시체를 3개씩 5조로 나누어 일정한 간격으로 강도 측정을 진행하였고, 각 조별 측정 날짜와 측정된 강도는 Table 3과 같다. 표의 결과 4조의 공시체에서 목표 강도 60MPa을 달성하였고, 실험체의 2차 공정을 진행하였다.

실험체에 사용한 철근은 Fig. 2와 같이 인장철근 D-22, 압축 철근과 전단 철근은 D-10 철근을 사용하였다. 각 실험체의 내부 강선은 피복된 15.2mm 비부착 강연선을 사용하여 Fig. 5와 같이 배근을 진행하였다. 압축 및 인장철근은 외부 강선의 긴장력을 고려하여 배근하였고, 전단 철근의 경우 전단파괴가 발생하지 않도록 배근하였다. 사용된 철근은 SD400 철근을 사용하였으며 항복강도는 392MPa로 나타났다.

실험체에 사용한 PSC 강연선은 15.2mm 7연선(SWPC7 BL)을 Fig. 2와 같이 상부에 1개, 하부에 1개 배치하였으며 외부에 2개 배치하였다. 인장강도의 평균값은 1815MPa로 나타났다.

Fig. 4 Test specimen removal of form

Fig. 5 Tendon and reinforced cross section

2.3 외부 긴장 강선과 장착

재령 14일에 목표 강도에 도달하여 양생을 마친 실험체의 내부 강선 긴장과 외부 강선의 정착 및 긴장을 위한 2차 공정을 타설 22일 후 진행하였다.

SC-2 실험체의 경우 내부 강선의 긴장력 도입 후 외부 강선의 긴장력을 도입하였다. 외부 강선 정착을 위해 Fig. 6과 같이 정착구를 부착하였다. 정착구의 지지는 앵커볼트를 사용하였고, 헤머드릴을 사용하여 앵커홀을 천공 하였다. 정착구의 부착이 완료된 후 SC-1, SC-2 실험체의 내·외부 강선을 인장기를 사용하여 긴장하였다. 정착구의 상세한 설치방법은 Table 4에 정리하였으며, 강선의 긴장력은 Table 5와 같으며 내부는 14MPa, 외부는 7.5MPa의 압력으로 강선을 긴장하였다.

Fig. 6 Anchorage shape and anchor hole drawing

2.4 하중 재하와 계측

하중 재하 장치는 2000kN급 UTM 장비를 시용한 4점 재하 방식으로 하중 재하도는 Fig. 7과 같다. 본 실험에서는 재하 방식은 안전을 위해 변위 제어로 수행하며 1.5 mm/min의 가력 속도로 진행하였다.

계측 센서는 콘크리트용 스트레인 게이지, 강재용 스트레인 게이지, LVDT, Load cell을 사용하여 단면의 변형률과 처짐량 등을 정확하게 확인하기 위해 Fig. 8과 같이 계측기를 부착하였다.

단순보 중앙의 상단과 하단부 각각 2개씩 4개, 중앙의 양쪽 면에 3개씩 6개, 지점에서 1/4, 3/4 떨어진 위치 양면에 두 개씩 8개, 하중 재하 지점에 2개 총 20개의 콘크리트용 스트레인 게이지를 각각의 실험체에 부착하였다.

정착판 및 정착구의 경우 정착판의 중앙 양면에 두 개씩 총 4개의 강재용 스트레인 게이지를 부착하였다.

LVDT의 경우 부재의 비틀림을 고려하여 부재의 중앙부, 1/4지점, 3/4지점 하단부에 아크릴을 사용하여 실험체에서 50mm 떨어진 위치 양쪽에 총 6개의 LVDT를 설치하여 구조물의 변위를 측정하였다.

Load cell의 경우 실험체의 지점이 되는 부근에 총 4개의 Load cell을 설치하여 가력된 하중을 정확하게 확인하였다. 또한, 실험체에 하중이 가해지면 실험체에 균열이 발생하게 되고, 이를 쉽게 파악하기 위해 모든 실험체 길이 방향으로 상부 플랜지로부터 150mm 떨어진 거리에, 세로 방향으로는 200mm 간격으로 격자를 그렸다.

Fig. 7 Schematic representation of load test

Fig. 8 Location of gauge and LVDT

3.1 변위

휨 압축 실험에서 LVDT를 사용하여 계측한 처짐과 Load cell에서 확인한 하중 간의 관계를 Fig. 9와 같이 그래프로 나타내었다.

실험의 순서는 외부 강선을 보강한 SC-2 실험체의 실험을 진행하고 비교를 위한 SC-1 실험체를 실험하였다. 실험은 안전을 위해 최대 하중점에 도달하였을 때 실험을 종료하였다. 동일 변위 30mm에서 SC-1 실험체는 200kN의 하중을 나타냈고, SC-2 실험체는 240kN의 하중을 나타냈다. 최대 점의 하중은 SC-1은 206kN, SC-2는 254kN으로 나타났다. 변위 대비 외부 강선의 배치로 인하여 40kN의 하중 능력이 향상하였다. 최대 점에서 비교한 결과 약 50kN의 하중 능력이 향상, 즉 외부 강선의 배치로 약 20%의 하중 성능증가를 볼 수 있었다.

내부 우력에 대한 평형방정식 C=T를 사용하여 구한 공칭 휨 강도 값과 실험을 통해 얻은 최대 모멘트의 값을 Table 6에 정리하였다.

공칭 휨 강도의 계산에서 강선의 프리스트레스 손실에 대한 유효 프리스트레스 응력은 PSCI 실험체의 경우 통상적으로 적용되는 $f_{pe}=0.582f_{pu}$를 사용하였다. PSCE 실험체의 경우 시간적 손실인 크리프와 건조수축을 제외한 릴렉세이션만을 고려하여 $f_{pe}=0.673f_{pu}$를 적용하여 유효 프리스트레스를 산정하였다. 따라서 PSCI의 경우 1056MPa, PSCE의 경우 1222MPa의 유효 프리스트레스 응력을 산정하여 휨 강도를 계산하였다.

실험의 결과와 계산식의 결과가 큰 차이를 보이지 않는 결과를 나타내었고, 4장에서 제안하는 공식을 사용하여 외부 강선으로 보강한 PSC I 보의 휨 강도 계산식을 입증하였다.

Fig. 9 Load-mid displacement curve

3.2 콘크리트 변형률

실험체의 휨 압축 실험에서 콘크리트 표면에 부착한 콘크리트용 게이지를 확인한 콘크리트의 변형률을 Fig. 10에 그래프로 나타내었다. 두 개의 실험체 모두 실험체 측면 중앙부에 부착된 콘크리트용 스트레인 게이지 CF2를 통해 얻은 변형률 값으로 두 실험체를 비교하였다.

CF2 게이지에서 계측된 변형률 데이터를 확인한 결과 중립축 부근에 부착되어 SC-1의 경우 하중 100kN까지 0에 가까운 값을 나타내다가 중립축이 점차 상향됨에 따라 인장 변형률이 증가하였다.

SC-1과 SC-2 실험체 모두 CF2 게이지 결과값에서 처음은 압축을 나타내고 하중이 재하됨에 따라 0에 수렴한 뒤 인장값을 나타냈다. 이는 PSC의 전형적인 하중-변위 그래프와 동일한 양상을 보였다. SC-1 실험체의 경우 변위 1.7mm, 하중 18kN 지점에서 변형률 값이 0이 되었고, SC-2 실험체의 경우 변위 2.7mm, 하중 34kN 지점에서 변형률 값이 0이 되었다.

Fig. 10 Load-concrete strain curve

3.3 정착구 거동

SC-2 실험체의 외부 강선 정착을 위하여 횡 방향으로 150mm의 정착판을 정착구에 정착하였고, 정착판의 중앙부 측면에 강재용 스트레인 게이지를 부착하여 정착판의 거동을 확인하였다. 왼쪽 정착구에 부착된 변형률계는 초기에 외부 강선이 고정되어 있었던 지점 이고, 오른쪽 정착구에 부착된 변형률계는 인장기를 활용하여 강선의 긴장을 진행했던 지점이다. Fig. 11는 하중의 증가에 따른 정착판의 변위를 확인했다. 실험 부재는 하중에 따라 변형률이 선형적으로 증가하였고, 200kN~250kN 부재의 최대 하중 점 부근부터는 하중의 증가에 비해 정착판의 변형률이 초기 변형률에 비해 크게 나타났다. 이후 실험 종료까지 강선이 완전히 항복함에 따라 정착판에서 급격한 변화가 일어났다. 이는 하중 재하에 따라 강선과 부재 사이의 편심거리가 줄어들었고, 강선과 부재 사이의 새들(saddle)이 존재하지 않아 강도를 더 받지 못하였다고 판단하였다.

Fig. 11 Load-steel strain curve

3.4 균열

실험체의 휨 압축 실험 결과에서 얻은 콘크리트의 외부균열형상을 Fig. 12에 나타내었다. 실험 부재들의 균열현황을 확인한 결과를 정리하면 다음과 같다. 첫째, 외부 강선이 정착된 SC-2 실험체의 균열이 SC-1 실험체의 균열보다 적게 나타났다. 이는 외부 강선의 배치로 인한 결과로 예측하였다. 둘째, SC-2 실험체에 외부 강선을 지지하는 정착구를 정착판을 사용함으로써 정착구의 응력집중으로 인한 정착구 주변 균열이 일어나지 않았다. 정착구 하단에 긴장력과 하중의 증가로 인한 강선의 2차 효과로 정착구 하단에 집중되는 응력을 정착판을 사용함으로써 부재 전체에 강선의 응력이 전달되었다.

Fig. 12 Shape of crack distribution