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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.1 pp.59-67
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.1.059

Load Transfer Test of Spirally Reinforced Anchorage Zone for Banded Tendon Group

Ah Sir Cho*, Thomas H.-K. Kang**
*Dept. of Architecture & Architectural Engineering, Seoul National University, Ph.D. Student
**Dept. of Architecture & Architectural Engineering, Seoul National University, Associate Professor
Corresponding author: Dept. of Architecture & Architectural Engineering, Seoul National University, Associate Professor, 02-880-8368, 02-871-5518, tkang@snu.ac.kr
November 16, 2016 December 16, 2016 December 16, 2016

Abstract

In this study, load transfer tests based on KCI-PS101 were conducted to verify the performance of spiral anchorage zone reinforcement for banded post-tensioning (PT) monostrands. With results, the compressive strength of spiral reinforcement was increased by about 20% than that of specimens with two horizontal steel bars and 8% than that of U-shaped bars. Advanced spiral reinforcement for corner increases compressive strength and can resist the spalling forces or fall-out effect at the corner by shear. The ratio of maximum load to amount of steel of the spiral reinforcement is about twice than that of U-shaped reinforcement. With increase of compressive strength capacity and improvement of constructability, the spiral reinforcement is considered to have advantages of promoting the performance of PT anchorage zone compared to conventional methods.


나선형 원형철근으로 보강된 집중배치 텐던 정착구역에 대한 하중전달시험

조아서*, 강현구**
*주저자, 서울대학교 건축학과 박사과정
**교신저자, 서울대학교 건축학과 교수, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    13건설연구A02

    1.서론

    최근 국내에서 콘크리트 건축구조물에 포스트텐션 (Post-tensioning, PT) 공법을 적용한 시공 사례가 크 게 증가하고 있다. PT 공법은 기존 철근콘크리트 공 법에 비해 건축물 내의 경간을 크게 설계할 수 있기 때문에, 공간구조물에 대해 활용도가 높다. PT 공법 에서 강연선을 고정시키기 위하여 정착구를 사용하 며, 철근 등으로 정착구역을 보강한다. 무량판 내 집 중배치된 텐던의 정착구역을 보강하는 가장 기본적인 방법은 2개의 D13 수평근을 정착판에 평행하게 배치 하는 것이다. 2방향 슬래브에서 3개 이상의 정착구를 이용할 경우에는 2개의 D13 수평근을 배치하고 정착 구 개수보다 1개 더 많은 수의 U자형 철근을 텐던의 길이 방향으로 보강하는 방법이 흔히 사용된다. 또는 하중전달시험을 수행하여 각 정착구 제조사에 적합한 정착구역의 상세를 결정한다.

    국내에서 건축용 정착구에 대하여 하중전달시험을 수행한 기존 연구는 다음과 같다. S사와 F사1)는 공동 으로 2가닥의 비부착 강연선을 위한 2구 정착구를 개 발하였다. 유한요소해석 프로그램을 이용하여 정착구 를 설계하고 시제품을 제작한 후 하중전달시험을 통 해 정착구의 성능과 철근 보강 상세를 결정하였다. Cho et al.2)은 단일 비부착 강연선을 위한 포스트텐 션 1구 정착구를 개발하였고 이에 대한 성능 시험을 수행하였다. 정하중시험으로 정착구 자체 성능을 검 증하였고, 하중전달시험을 통해 보강 상세에 따른 압 축강도를 비교하였다. 국내에서 토목용 정착구에 대 해서도 하중전달실험이 수행된 사례는 많지 않다. Kim et al.3)은 보편적으로 사용하는 1860MPa 강연선 과 새로 개발된 2200MPa급 다발 강연선에 대한 포스 트텐션 정착구의 하중전달시험을 수행하였다. Kim and Lee4)는 2160MPa 강연선을 사용하는 거더 정착 구에 대한 하중전달시험을 수행하고 설계파열력과 비 교하였다.

    본 연구에서는 기존 펀칭전단 보강 재료로 사용되 던 나선형 원형철근 제품의 2방향 슬래브에서 집중 배치된 텐던의 정착구역 보강 성능을 검증하고자 한 다. 전단보강에 있어서 나선형 철근은 콘크리트의 구 속력을 크게 증가시켜 펀칭전단강도 증진 및 연성력 확보에 유리할 것이다. 이를 PT 정착구역에 적용하면 파열력의 저항에도 역시 효과적일 것으로 판단되어 하중전달시험을 통해 그 보강 성능을 실험적으로 연 구하고자 한다.

    2.나선형 정착구역 보강

    현재 PT 공법에서 집중배치 텐던의 정착구역 보 강에는 <Fig. 1>과 같이 U자형 철근을 이용한 보강 방법이 가장 보편적으로 사용되고 있다5-8). 특히 3개 이상의 정착구를 배치할 경우, 2개의 수평근에 추가 로 정착구들 사이와 양 끝에 U자형 철근을 배치함 으로써 정착구역의 보강 성능을 증가시킨다. 그러나 부재의 기존 배근과 정착구역 보강 상세가 자주 중 첩되며, 이로 인하여 현장에서 철근 가공 및 조립이 추가적으로 소요되고 결과적으로 시공성이 떨어지 는 경향이 있다.

    이러한 시공성 문제를 개선하고 보다 적은 양의 철근으로 콘크리트를 보강하기 위하여 나선형 원형 철근을 도입할 수 있다. 나선형 철근은 콘크리트 구 속력을 크게 증진시켜주기 때문에 스터럽과 같이 국내에서 펀칭전단보강에 많이 사용하며<Fig. 2>, 교량에 주로 사용하는 멀티스트랜드 정착구의 정착 구역 보강에도 <Fig. 3>과 같이 나선형 보강을 적용 하고 있다.

    건축물 슬래브에 적용하는 포스트텐션의 경우, 단일 비부착 강연선에 대한 1구 정착구를 집중배치 하여 이용하기 때문에 멀티스트랜드 정착구의 나선 형 보강과 같이 정착구마다 철근이 1개씩 배치되는 것은 비효율적이다. 이를 개선하기 위하여 <Fig. 2> 와 같이 전단보강을 목적으로 개발된 나선형 원형 철근을 정착구역 보강에 적용하고자 한다. <Fig. 4> 는 미국에서 주로 쓰이는 스터드를 이용한 정착구 역 보강 방법이다. 스터드는 본래 강구조에서 형강 과 데크플레이트의 일체화를 위해 쓰이는 철물로서 무량판 접합부에서 펀칭전단보강용으로도 개발되 었다. 이후 정착판에 평행한 방향으로 배치되어 정 착구역 보강으로도 미국에서 사용되고 있다. 이 점 에 착안하여, 나선형 철근을 <Fig. 5>와 같이 정착 구와 나란하게 설치하여 기존의 여러 개의 U자형 철근을 대체하는 방안을 계획하였다. 이 경우, 나선 사이로 강연선이 지나가게 되고 정착구의 개수에 따라 나선의 길이를 조정할 수 있다는 장점을 가지 게 된다.

    또한 생산과정에서 바 체어도 함께 용접되므로 추가 작업 없이 현장에서 위치를 잡은 후 텐던과 철 사로 결속함으로써 시공이 간편하며 작업시간을 크 게 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

    3.시험 계획

    본 연구에서는 하중전달시험을 이용하여 나선형 원형철근 제품의 정착구역 보강 성능을 확인하고자 하였으며, KCI-PS101(2010)9)의 시험방법을 준용하 여 실험을 계획하였다. KCI-PS101은 유럽의 ETAG 013(2002)10)와 동일한 시험방법을 제시하고 있다. 일축압축 실험을 위한 실험체는 직사각형 기둥의 형태로 국내 슬래브의 최소두께(180mm)와 정착장 치의 개수를 고려하여 단면의 크기를 설계하였다. 정착구의 개수는 최소인 3개로 정하였으며, 이를 포 함할 수 있도록 콘크리트 단면의 가로 길이는 550mm, 세로 길이는 210mm로 최종 결정하였다.

    KCI-PS101에는 정착구역에 대한 보강 상세 외에 도 콘크리트 파괴를 막기 위한 실험체 보강이 제시 되어 있으나, 이 연구에서는 순수한 정착구역 보강 의 성능만을 확인하고자 이를 제외하고 실험체를 보수적으로 제작하였다. 실험체 기본 보강을 제외하 였기 때문에 보강되지 않은 부분의 콘크리트가 먼 저 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 실험체의 높이 는 두 옆면의 길이 중 큰 값의 2배 이상이 되어야 한다는 기준과는 달리 정착구역의 깊이를 고려하여 400mm로 결정하였다.

    실험체의 개수는 24개로서 다음의 3가지 사항을 변수로 고려하여 총 16가지로 분류할 수 있다; 1) 2 가지의 콘크리트 강도, 2) 4가지의 장착구역 보강 상세, 3) 2종류의 정착구가 주요 변수이다. 콘크리트 강도는 저강도인 약 15MPa(Set A)와 건설현장에서 강연선을 긴장할 때의 강도인 약 24MPa(Set B)7),8) 의 2가지를 적용하였다. 정착구역 보강 상세는 가장 기본적인 방식인 2개의 수평 철근을 배치하는 것 (H)을 대조군으로 설정하여, 가장 일반적으로 많이 사용하는 방법인 2개의 수평근에 U자형 철근을 추 가로 보강하는 방법(U)과 나선형 철근을 설치한 것 (S)을 적용하였다. S군에서는 일반 수평 철근 1대를 텐던 배치 후에 배근하였다. S에 사용된 나선형 보 강 상세는 <Fig. 6>과 같다. 본 연구에서는 단부 혹 은 모서리 부분에서 콘크리트 탈락 등이 발생하는 것을 줄이기 위하여, 나선형 보강 상세 중 수평철근 양쪽을 연장하여 구부린 단부보강을 고려한 나선형 철근를 설치한 것(SC)을 추가로 제작하였다. 포스트 텐션용 정착구의 종류에 따른 성능을 확인하기 위 하여, 해외제품인 D사의 정착구(D)와 국내 K사의 정착구(K)를 선정하여 각 보강 상세에 적용하였다.

    총 실험체의 개수는 총 24개로 <Table 1>과 같으 며, 실험체명은 앞서 언급한 3가지 변수를 조합하여 정하였다. 이 중 U와 S에 해당하는 실험체는 각각 2 개씩 제작하였다. 보강 상세에 따른 실험체의 도면 은 <Fig. 7>에 나타나 있으며, 정착구 및 보강 상세 의 배치 모습은 <Fig. 8>과 같다. 또한 실험체 제작 과정은 <Fig. 9>에 나타나 있다.

    4.시험 방법

    KCI-PS101에 따른 하중전달시험 방법은 다음과 같으며, 시간에 따른 가력은 <Fig. 10>의 그래프를 따른다.

    1. 실험체에 그리드를 그리고, 변형률 게이지를 부착한다.

    2. 완성된 정착장치의 하중조건을 반영할 수 있 도록 계측 조정된 실험장비에 실험체를 설치 한다.

    3. 강연선의 공칭인장강도(Fu)를 기준으로 0.2Fu, 0.4Fu, 0.6Fu 그리고 0.8Fu로 단계적으로 하중을 가한다.

    4. 0.8Fu 상태에서 균열폭을 검사한다.

    5. 0.12Fu로 하중을 감소시키고, 이후 0.12Fu와 0.8Fu사이로 반복하중을 가한다.

    6. 반복횟수는 10회로 하며, 마지막 반복하중에 서 0.12Fu와 0.8Fu 상태에서의 균열폭을 검사한 후에 반복하중을 중단하고, 이후 시편의 파괴 까지 하중을 가한다.

    7. 실험 종료 시 실험체의 압축강도를 측정한다.

    3개의 정착구를 동시에 가력하기 위하여, 정착구 가 콘크리트 단면으로부터 동일한 길이만큼 밖으로 나오도록 하였다. 철판을 이용하여 하중이 고르게 분산되도록 가력하였으며, 가력기와 철판 사이에 로 드셀을 설치하여 하중을 측정하였다.

    KCI-PS101에서는 균열폭과 변형률을 측정하고 이를 안정화 공식에 적용하여 안정화 정도를 판단 하도록 되어 있다. 안정화 조건을 만족할 때까지 최 소 10회 이상의 반복하중을 가하며, 이후 실험체를 파괴하도록 명시하고 있다. 본 실험에서도 명시된 실험 방법에 따라 실험을 수행하면서 안정화 공식 을 판단하고자 하였으나, 하중을 가하는 중에 무보 강 부분인 실험체 하부로부터 균열이 발생하였다. 이로 인하여 부착된 콘크리트 게이지가 절단 혹은 탈락 되는 등 균열폭과 변형률을 통한 안정화 공식 을 정확히 측정할 수 없었다. 임의의 순서로 진행되 었던 실험에서 초기 4개의 실험체는 A-KU1, A-DS2, A-KSC, A-DSC였다. 이 중 A-DSC를 제외 한 3개의 실험체는 규정된 최소 횟수인 10회의 반 복하중으로도 충분히 안정화가 진행됨을 확인하였 다. 이후 실험에서는 안정화 공식의 확인 없이 반복 하중을 10회만 가하여 실험을 수행하였다. A-KU2, A-DU1, A-DU2는 장비상의 문제로 반복하중을 가 하지 못하고 단조하중을 가하였다.

    5.시험 결과

    모든 실험체는 도면과 동일하게 제작되었으며, 콘 크리트 압축강도는 공시체를 통하여 확인하였다. 하 중전달실험과 동일한 시간대에 실험한 공시체의 압 축강도 결과는 <Table 2>에 나타내었다. Set B 중 B-KU1과 B-KS1을 제외한 나머지 10개의 실험체들 은 모두 동일한 날에 실험하였다. 이 B-KU1과 B-KS1은 다른 실험체들보다 하루 전날에 실험을 수 행하였는데, 공시체의 강도가 평균 22.1MPa로 다음 날 측정한 공시체 강도보다 2.2MPa 작았다. 정착구 역 보강에 사용된 철근은 SD400 D13과 나선형 보 강에 사용된 원형철근 2종류이며, 각 시편은 인장실 험을 통해 물성치를 파악하였다<Fig. 11>. 나선형 보강 철근의 항복강도는 평균 465.8MPa로 나타났 으며, 이는 이형철근의 항복강도인 평균 481.1MPa 보다 조금 작은 값이다. 두 철근은 유사한 연성을 가지고 있으나, 나선형 보강 철근의 경우에는 수평 적인 항복구간이 나타나지 않고 바로 변형 경화가 발생하였다.

    하중전달시험 결과는 <Table 3>에 요약하였으며, 시간에 따른 하중가력곡선은 <Fig. 12>에 나타내었 다. 앞서 언급하였듯 A-DSC는 실험 초기 4개 실험 체들 중 하나로 안정화 공식을 만족시키기 위하여 반복하중을 15회 가하였다. 또한 A-KU2, A-DU1과 A-DU2의 경우 장비 작동문제로 인하여 반복하중을 가하지 못하고 한 번에 파괴까지 가력되었으며, 이 중 A-KU2의 경우 측정 장비의 오작동으로 데이터 를 측정하지 못하였다. 그 외 모든 실험체는 10회의 반복하중을 가하였다.

    Set B의 경우 B-KS1을 제외한 모든 실험체는 3개 의 강연선 공칭인장강도 이상의 압축강도를 나타내 었다. 반면 Set A의 경우에는 모두 3개의 강연선 공 칭인장강도에 해당하는 파괴강도에 미치지 못하였 는데, 이는 콘크리트의 강도가 낮았기 때문으로 판 단된다. B-KS1 역시 타 실험체에 비해서 하루 전에 실험하여 콘크리트의 압축강도가 낮았기 때문에 비 교적 낮은 파괴강도를 나타낸 것으로 보인다. 이는 콘크리트 강도가 정착구역 성능에 크게 기여한다는 것을 시사한다.

    Set A 실험체의 경우 3개의 강연선 공칭인장강도 에 해당하는 압축강도는 발현되지 않았지만, 이는 부분모형 실험임을 감안할 때 실제 슬래브에서 압 축파괴가 나타난다는 것을 의미하지 않는다. 특히 본 실험에서는 모든 실험체가 하중전달실험체에 적 용되는 기본 보강이 배근되지 않은 실험체임을 상 기할 필요가 있다. 또한 현장에서 강연선 긴장력은 강연선 공칭인장강도의 80%를 넘지 않아야 한다는 점도 고려해야 한다. 이 결과가 긴장할 때의 콘크리 트 압축강도가 반드시 24MPa 이상이어야 한다는 것을 의미하지는 않으나, 24MPa 이상일 때 긴장하 는 것이 안전성 측면에서 추천된다. 그러나 전체적 인 공기를 고려하지 않을 수 없으므로, 실무자의 공 학적 판단으로 21~24MPa 또는 그 이상에서 강연선 을 긴장하는 것을 추천한다.

    Set A의 결과에 의하면, SC는 H와 U에 비해 정 착구역 보강 성능이 각각 31.2%, 10.4% 증가하였다. 또한 Set B에서는 SC는 H와 U에 비해 성능이 각각 19.6%, 13.6% 증가하였다. Set A와 B의 실험결과를 종합해 보면, S의 정착구역 보강 성능이 H에 비해 21.4%, U에 비해 7.4% 향상되었으며, 이는 SC가 S 보다 압축강도 측면에서 효과적임을 나타낸다고 볼 수 있다.

    S와 SC의 결과를 종합할 경우, H와 U에 대해 Set A에서는 각각 30.2%, 9.7%씩, Set B에서는 각각 14.0%, 8.3%씩 성능이 향상된 결과를 나타내었다. Set A에서의 효율성 증가율이 큰 것은 콘크리트 강 도가 낮을 때 기존 보강 방식보다 나선형 보강 방식 이 정착구역 보강 성능이 더 크게 향상되는 것을 보 여주며, 나선형 보강 상세가 안전성 측면에서 기존 방식보다 우수한 성능을 가진다고 판단된다.

    실험체가 파괴될 때의 모습은 <Fig. 13>과 같 으며, 균열은 정착구의 위치로부터 부채꼴 모양으로 퍼지면서 발생하였다. 초기균열은 철근이 보강되지 않은 실험체 하부에서부터 발생하였으며, 이후 가력 에 따라 실험체 하부에서 균열이 추가로 발생하거 나 실험체 중간 부분에서 균열이 관찰되었다. H의 경우 정착판의 위치부터 균열이 넓게 퍼지는 포물 선의 모습을 보이고 있다. U는 정착판의 위치부터 균열이 퍼지는 모습을 보이지만 수평 기본 보강(H) 에서의 균열보다 수직으로 뻗으려는 경향을 보였다. S나 SC 실험체에서는 정착구부터 나선형 보강 위치 까지는 거의 수직으로 균열이 발생하였으며, 나선형 보강 아랫부분부터 부채꼴 형태로 퍼지는 양상을 보였다. 이는 나선형 보강이 콘크리트의 구속력을 크게 증가시켜 정착구부터 나선형 철근의 위치까지 의 구역을 일체화시켰기 때문으로 보인다. 또한 나 선형 보강 상세가 2개의 수평근이나 U자형 철근을 이용한 방법보다 정착구로부터 받는 하중을 더 효 과적으로 콘크리트 내부로 전달한다고 판단된다.

    콘크리트 강도와 보강 방법의 차이는 정착구역의 성능에 큰 영향을 준 반면에, 정착구의 종류는 정착 구역 보강 성능에 별다른 영향을 미치지 않았다.

    각 실험체의 정착구역 보강에 들어간 철근량은 사용된 철근의 단면적과 길이의 곱의 총합으로 계 산하였으며, 최대하중을 철근량으로 나누어 단위철 근당 압축지지능력을 비교하였다<Table 3>. 전체 철근의 부피는 U가 S보다 약 1.5배 정도 더 소요되 었다. SC는 나선형 보강의 수평철근 양쪽 끝부분을 길게 연장하여 구부린 것으로 S보다 약 22000mm3 의 철근량이 더 소요되었다(슬래브 단부 보강을 위 한 용도이므로 실제 현장에 적용할 경우 길게 연장 된 부분은 한쪽만 존재할 예정).

    보강 철근량 대비 압축지지능력에서 S가 U보다 Set A와 Set B에서 각각 약 2.1배, 1.9배 큰 값을 나 타내었다. 사용하는 정착구의 개수가 늘수록 U와 S 의 철근량의 차는 더욱 커지기 때문에, 나선형 보강 의 효율은 더욱 커질 것으로 사료된다.

    한편, SC의 경우 측정된 최대하중은 S보다 큰 경 향을 나타내지만 철근량 또한 증가하기 때문에 효 율성 측면에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 다만, 단부에서 할렬력에 의한 부재 탈락 등을 방지 하기 위해서는 슬래브 코너에서는 단부보강을 위해 개량된 나선형 원형철근의 사용이 권장된다. 실제 공사에서 포스트텐션 슬래브 코너에 무근 상태로 설계 및 시공되는 경우가 종종 발생하는데, 정착구 가 이 구역에 없을 때 포스트텐션에 의한 콘크리트 압축력이 단부에서는 작용하지 않을 뿐만 아니라 할렬력에 의한 인장에 취약하게 된다.

    6.결론

    이 연구를 통해 나선형 원형철근의 정착구역 보 강 성능을 실험적으로 검증하였으며, 긴장 시 콘크 리트 강도인 24MPa일 때 3개의 강연선 공칭인장강 도 이상에 해당하는 압축강도를 지지할 수 있음을 확인하였다. 하중전달시험을 통해 콘크리트 강도, 정착구 종류, 보강 상세 종류에 따른 성능 변화를 확인하였다. 15.2mm 지름의 단일 비부착 강연선에 대한 1구 정착구 3개를 배치하여 실험을 수행하였 으며, 수평근 2개만을 배근하였을 때는 안전율이 적 었으나, U자형 철근 보강 방법이나 나선형 보강 상 세를 사용하였을 때는 안전율이 크게 나타났다. 특 히 나선형 보강 상세의 경우 U자형 보강 상세에 비 해 압축강도가 7.4% 크게 나타났으며, 단부 보강을 위해 개량된 나선형 보강 방법을 사용하였을 경우 U자형 보강에 비해 압축강도가 12.0% 크게 나타났 다. 이는 나선형 원형철근을 실제 PT 현장에서 적용 가능하다는 것을 실험적으로 확인한 것이다. 이뿐만 아니라 슬래브 코너는 취약한 구역임에도 무보강 상태로 남아있는 경우가 많은데, 이 때 슬래브 코너 를 보강하기 위해 개량된 나선형 보강 상세의 사용 이 권장된다.

    나선형 원형철근 보강은 절대적인 최대압축강도 도 높으면서 동시에 U자형 철근 보강에 비해 철근 량은 2/3 정도 수준이 되어, 단위철근당 효율 측면 에서 2배 정도로 나타났다. 단부보강용으로 개량된 나선형 보강 상세는 일반 나선형 보강 상세와 비교 하여 효율 측면에서는 큰 차이를 보이지 않았으나, 슬래브 코너 등 부재 탈락이 우려되는 곳에서 사용 이 요구된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술 연구사업의 연구비지원(13건설연구A02)에 의해 수행되었으 며, ㈜옥타곤엔지니어링 지원으로 나선형 원형철근 제품이 실험체에 사용되었다.

    Figure

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    U-shaped hairpin re-bars

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    Spiral shear reinforcement

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    Multi-strand anchor

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    Stud reinforcement for anchorage zone

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    Initial idea of spiral reinforcement

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    Drawing of spiral reinforcement

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    Drawings of specimens

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    Placement of anchorage reinforcement

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    Specimen manufacturing process

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    Load transfer test process

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    Tensile tests of steel

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    Load histories measured in load transfer test

    KASS-17-1-59_F13.gif

    Observed crack pattern and failure mode

    Table

    Test specimens

    Concrete strength (unit: MPa)

    *Tests were conducted a day before other specimens of Set B were tested.

    Summary of load transfer test

    *Test was conducted when the strength was 22.1 MPa(conducted a day before other specimens of Set B were tested).
    A-DH: A → Concrete strength (A → 14.7 MPa, B → 24.3 MPa)D → Anchor type (D → D anchor, K → K anchor)H → Anchorage zone reinforcement (H → Two horizontal bars, U → U-shaped bars, S → Spiral reinforcement, SC → Spiral reinforcement extended to corners)

    Reference

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