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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.3 pp.117-124
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2018.18.3.117

Anchorage Zone Reinforcement for Unbonded Post-Tensioned Circular Anchorage for Single Tendon

Min Sook Kim*, Kyong Min Ro**, Young Hak Lee***
*Architectural Engineering, Kyung Hee University
**Architectural Engineering, Kyung Hee University
교신저자, 정회원, 경희대학교 건축공학과 교수 Architectural Engineering, Kyung Hee University Tel: 031-201-3815 Fax: 031-204-3815 E-mail: leeyh@khu.ac.kr
August 2, 2018 August 17, 2018 August 17, 2018

Abstract


In the post-tensioned concrete member, additional reinforcement is required to prevent failure in the anchorage zone. In this study, the details of reinforcement suitable for the anchorage zone of the post-tensioned concrete member using circular anchorage was proposed based on the experimental results. The tests were conducted with the compressive strength of concrete and reinforcement types as variables. The experimental results indicated that the additional reinforcement for the anchorage zone is required when the compressive strength of concrete is less than 17.5 MPa. U-shaped reinforcement shows most effective performance in terms of maximum strength and cracks patterns.



비부착식 단일 강연선용 원형 정착구를 적용한 포스트텐션 정착 구역의 보강

김 민 숙*, 노 경 민**, 이 영 학***
*정회원, 경희대학교 건축공학과 학술연구교수
**학생회원, 경희대학교 건축공학과, 박사과정

초록


    National Research Foundation of Korea
    2017R1A2B2005581

    1. 서론

    포스트텐션(Post-tension, PT) 부재의 정착 구역 에는 매우 큰 압축 응력이 작용한다. 이러한 압축 응 력이 콘크리트의 압축 강도를 초과하는 경우 정착 구역에서 균열 및 파괴가 발생할 수 있다. 정착 구 역의 국부적인 강도를 향상시키고 균열 발생을 방 지하기 위해 횡방향으로 철근을 보강하거나 정착판 앞에 와이어 메쉬 등을 보강하는 방법을 사용한다1). 국내의 건축구조기준(KBC 2016)2)에서는 <Fig. 1> 과 같이 정착 구역에 발생하는 파열력, 할렬력 및 종방향 단부 인장력에 저항할 수 있도록 헤어핀 철 근 및 폐쇄 스터럽 등을 사용하여 보강하도록 규정 하고 있다.

    정착 구역에서의 균열 및 파괴는 포스트텐션 구 조물의 거동 및 구조 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 정착 구역의 효과적인 보강에 관한 연구가 다수 수행되었다. Haroon, Yazdani & Tawfiq(2006) 는 강섬유 보강 콘크리트를 사용하여 정착 구역의 보강 철근량을 감소시키는 방안에 대해 연구하였다3). 이를 위해 강섬유 혼입률과 보강 철근량을 변수로 실험을 수행하였다. 실험 결과 Hooked-end 타입의 강섬유를 1% 혼입한 경우 별도의 보강 철근 없이 정착 구역의 안전성을 확보할 수 있었다. Axson(2008) 은 경량 콘크리트 프리스트레스트 부재에서 정착 구역의 보강 철근 유무, 부재의 형상을 변수로 하중 가력 실험을 수행하였다4). 실험 결과를 통해 콘크리 트 부재의 면적에 대한 정착구 면적의 비, 횡방향 구속 철근을 고려한 경량 콘크리트 부재의 정착 구 역 보강 방법을 제시하였다. Cho & Kang(2017)은 시공성이 부족한 기존 U자형 철근 보강 방법을 개 선하고자 나선형 원형 철근을 통한 정착 구역 보강 방법을 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다5).

    AASHTO6)에서는 특정 범위에 있는 직사각형 정 착구를 사용하지 않은 경우 정착구 제조사의 시험 및 성능 평가 결과에 따라 철근 보강 등을 설계하도록 제안하고 있다. 따라서 본 연구에서는 선행 연구7),8)를 통해 개발된 원형 정착구를 적용한 포스트텐션 콘 크리트 부재의 정착 구역 보강 방법을 제안하고자 한다. 정착 구역이 보강되지 않은 콘크리트 강도를 변수로 한 시험체와 정착 구역의 보강 상세를 변수 로 한 시험체의 구조 성능 시험을 통하여 선행 연구 를 통해 개발된 원형 정착구에 적합한 정착 구역의 보강 상세를 제시하였다.

    2. 콘크리트 강도 제안 실험

    2.1 실험 개요

    일반적으로 포스트텐션 부재에서는 강연선 긴장 이후 정착 장치를 통해 콘크리트 부재에 전달되는 압축력이 콘크리트의 지압 강도보다 클 경우 정착 구역에 균열이 발생하기 때문에 정착 장치의 면적 을 증가시키거나 철근을 보강하여야 한다. 본 연구 에서는 선행 연구에서 개발한 원형 정착구를 적용 할 경우 정착 구역에 철근 보강이 필요한 콘크리트 압축 강도의 기준을 제시하기 위하여 콘크리트 강 도를 변수로 한 구조 성능 시험을 수행하였다. 원형 정착구 3개가 설치된 5개의 콘크리트 시험체를 제 작하였다. 콘크리트 압축 강도의 영향만을 평가하기 위하여 설계 기준에서 제시하고 있는 기본적인 철 근 보강을 제외하고 정착 구역에 철근 보강은 하지 않았다. KBC 2016에서는 단일 강연선의 정착 구역 설계 시 각 정착 장치 앞쪽에 시험체 바닥면으로부 터의 높이 1/2의 위치 안에 최소한 2개의 D13 철근 을 슬래브 끝단에 평행하게 배치하도록 제시하고 있다. 이때 철근은 각 정착 장치의 외측 면으로 150mm 이상 연장하여야 한다. <Fig. 2>에 시험체 의 상세를 나타내었다. 시험체에 사용된 원형 정착 구의 항복 강도는 490MPa이며, 수평 철근은 항복 강도 400MPa인 D13 이형 철근을 사용하였다. 각 시험체의 콘크리트 압축 강도는 공시체의 압축 강도 시험을 통해 확인하였다. 시험체 일람을 <Table 1> 에 정리하였다.

    2.2 실험 방법

    본 연구의 실험에서는 강연선 삽입 후 긴장하여 콘크리트에 압축력을 가하는 방법 대신 정착구에 직접 압축력을 가하는 방법을 선택하였다. 정착구에 균일한 하중이 재하될 수 있도록 시험체 상부에 강 판을 설치하였으며, 1,000kN 용량의 유압식 UTM 을 사용하여 60kN/min의 속도로 정적 하중을 가력 하였다<Fig. 3>.

    2.3 실험 결과

    <Fig. 4>에 시험체의 균열 및 파괴 양상을 나타내 었다. 콘크리트 압축 강도 22MPa인 C5 시험체는 가력 장치인 UTM의 최대 용량에 도달할 때까지 육 안으로 균열을 확인할 수 없었으나 안전상의 이유 로 파괴를 확인하기 전에 실험을 중단하였다. C5 시 험체를 제외한 나머지 시험체는 최대 하중의 약 72%에 도달하였을 때 정착구 위치에서 균열을 확인 하였다. 압축 강도가 가장 낮은 C1 시험체는 약 430kN에 도달했을 때 정착구 주변에서 균열을 확 인할 수 있었으며, 압축 강도가 유사한 C2 시험체와 C3 시험체는 각각 약 630kN, 약 618kN의 하중에서 정착구 주변의 균열이 관찰되었다. 정착구 주변에 발생한 균열이 쉬스 방향으로 진전되다가 최대 하 중에 도달하면서 부채꼴 모양으로 퍼지며 취성적으 로 파괴되는 양상을 보였다. 이는 재하 하중이 증가 하면서 콘크리트 변형률이 극한 변형률에 도달하였 으나 시험체의 횡방향으로 구속력을 가할 수 있는 철근이 보강되지 않았기 때문에 취성적으로 파괴된 것으로 판단된다. 시험체 파괴 시 <Fig. 5>와 같이 정착구 변형은 발생하지 않았으며 시험체 파괴 시 최대 변위가 유사한 것으로 보아 하중이 시험체에 고르게 가력되었음을 확인할 수 있다.

    정착 구역 보강이 요구되는 콘크리트 최소 강도 를 제안하기 위하여 시험체별 파괴 하중과 강연선 의 허용 응력을 비교하였다. KBC 2016에서 긴장재 의 허용 응력은 긴장재의 극한 강도(fpu)의 80% 또 는 항복 강도(fpy)의 94% 중 작은 값 이하로 제시하 고 있다. 건축 구조물에 일반적으로 사용되는 SWPC-7-B 강연선(공칭 단면적 138.7mm2)의 극한 강도는 1,860MPa, 항복 강도는 1,674MPa이므로 긴 장재의 허용 응력을 1,488MPa으로 산정할 수 있다. 따라서 1,488MPa의 하중이 정착 장치를 통해 콘크 리트 부재에 전달되므로 해당 응력 이상의 응력을 견 딜 수 있어야 하며 그렇지 않을 경우 정착 구역의 추 가적인 보강이 필요한 것으로 볼 수 있다. <Table 2> 에서 보는 바와 같이, C1 시험체를 제외한 나머지 시험체는 긴장재의 허용 응력보다 높은 하중에 도 달한 이후에 정착 구역에서의 균열이 관찰되었다. 최대 하중을 기준으로 보면, 긴장재의 허용 응력보 다 약 26~42% 정도 큰 하중을 보여 본 연구의 원형 정착구를 사용했을 경우 콘크리트 압축 강도가 17.5MPa 이상이면 정착 구역에 기본 보강을 제외하 고 추가적인 철근 보강 없이도 허용 응력 수준 이상 의 응력에 저항할 수 있는 것으로 판단된다.

    3. 정착 구역 보강 상세 제안 실험

    3.1 시험 개요 및 사용 재료

    본 연구에서는 비부착식 단일 강연선용 원형 정 착구를 적용한 PT부재의 정착 구역 보강 상세에 따 른 성능을 평가하고자 보강 상세를 변수로 총 8개 의 시험체를 제작하여 하중 가력 실험을 수행하였 다. 하중 가력 방법은 정착 구역의 보강이 필요한 콘크리트 압축 강도 기준을 결정하기 위한 시험 방 법과 동일하게 수행하였다. 시험체 제작에 사용된 콘크리트 압축 강도는 17MPa이며, 원형 정착구의 항복 강도는 490MPa, 정착 구역 보강에는 항복 강 도 400MPa인 D13 이형 철근을 사용하였다. 실험에 사용된 재료의 물성치를 <Table 3>에 나타내었다.

    3.2 시험체 상세

    건축구조기준(KBC 2016)에서는 단일 강연선의 경우 6개 이상의 정착 장치 각 그룹에 대해서 n+1 개의 헤어핀 철근 또는 폐쇄 스터럽이 D10 이상으 로 배치되어야 하며, 이때 헤어핀 철근 또는 스터럽 은 부재에 연장된 다리를 가지고 단부에 수직으로 배치하도록 규정하고 있다. 여기서 정착 장치의 중 심 간격이 300mm 이하이면 정착 장치는 그룹으로 간주되며, n은 정착 장치의 개수이다. 본 연구에서 는 KBC 2016의 정착 구역 보강에 관한 가이드라인 을 고려하여 U자형 철근이 부재 방향과 수평으로 배치된 시험체 2개와 수직 방향으로 배치된 시험체 2개를 제작하였다. 또한 기본적인 정착 구역의 보강 상세가 미치는 영향을 확인하기 위하여 종방향 철 근만으로 보강된 시험체 2개, 종방향 철근 및 폐쇄 스터럽으로 보강된 시험체 2개를 제작하였다. 콘크 리트 시험체는 3개의 정착구가 매립된 형태로 모두 550×250×400mm의 크기로 동일하게 설계되었다. 시험체 일람을 <Table 4>에 정리하였으며, <Fig. 6> 에 시험체의 상세를 나타내었다.

    3.3 실험 결과

    정착 구역 보강 상세를 변수로 한 시험체의 균열 및 파괴 양상을 <Fig. 7>에 나타내었다. 안전상의 문제로 시험체의 최대 하중이 UTM 최대 용량의 90%인 약 900kN까지 도달하면 파괴가 발생하지 않 아도 실험을 중단하였다. 따라서 U자형 철근으로 보강한 UH1, UV1, UV2와 종방향 철근 및 폐쇄 스 터럽으로 보강한 RS2 시험체의 최종 파괴는 확인할 수 없었다.

    모든 시험체는 쉬스 방향을 따라 균열이 진전되 다가 부채꼴 모양으로 균열이 진전되는 양상을 보 였다. 정착구 주변에서 초기 균열이 발생한 이후 쉬스의 수직 방향으로 작용하는 인장 응력으로 인 하여 쉬스 방향으로 균열이 진전되는 것으로 판단 된다. UH2 시험체의 경우 U자형 철근이 보강된 위 치의 하부 방향으로 균열 폭이 증가하며 파괴되었 다. 종방향 철근 및 폐쇄 스터럽으로 보강한 RS1 시험체는 <Fig. 7 (f)>와 같이 시험체 상부에서 정 착구를 따라 균열이 진전되다가 파괴되었다. 종방 향 철근만으로 보강된 R1, R2 시험체는 <Fig. 7 (g)> 와 같이 쉬스 방향으로 균열이 진전되다가 시험체 가 쪼개지며 취성적으로 파괴되었다. 종방향 철근 으로만 정착 구역을 보강할 경우 정착 구역에서 발 생하는 균열 제어에 효과적이지 않은 것으로 판단 된다.

    비부착식 강연선용 원형 정착구의 정착 구역 보 강 상세를 제안하기 위하여 <Fig. 8>에 보강 상세에 따른 최대 하중을 비교하였다. 종방향 철근으로만 보강된 R1, R2 시험체의 경우 최대 하중이 평균 802.1kN으로 U자형 철근으로 보강된 시험체의 최 대 하중의 90% 수준인 것으로 나타났다. 이를 통해 종방향 철근으로 정착 구역을 보강하는 것보다는 U 자형 철근으로 보강하는 것이 정착 구역의 성능 향 상에 더 효과적인 것으로 판단된다. U자형 철근으 로 보강된 시험체의 경우 U자형 철근의 배치 방향 에 관계없이 유사한 최대 하중을 보였다. 이를 통해 U자형 철근으로 정착 구역을 보강하는 경우 철근 배치 방향의 유연한 선택이 가능할 것으로 판단된 다. UH2 시험체는 동일한 보강 상세를 가지는 UH1 시험체 최대 하중의 약 90% 수준일 때 변위는 1.03배 크게 측정되었다. 이는 UH2 시험체 가력 시 정착구 에 균일한 하중이 도입되지 않은 것으로 판단되어 실험 결과 분석 시 UH2 시험체는 고려하지 않았다. 실험 결과를 <Table 5>에 정리하였다.

    4. 결론

    본 연구는 선행 연구를 통해 제안된 비부착식 강 연선용 원형 정착구를 적용한 포스트텐션 정착 구 역 보강 상세를 제안하고자 콘크리트 강도를 변수 로 한 시험체와 보강 상세를 변수로 한 시험체를 제 작하여 하중 가력 실험을 수행하였다. 연구를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.

    • 1) 건축물에서 일반적으로 사용되는 SWPC-7-B 강연선의 허용 응력과 콘크리트 강도를 변수로 한 시험체의 파괴 하중을 비교하였다. 이를 통해 콘크 리트 압축 강도가 17.5MPa 이상일 경우 정착 구역 에 추가적인 철근 보강 없이도 강연선의 허용 응력 이상의 응력에 저항할 수 있는 것으로 판단된다.

    • 2) 정착 구역 보강 상세를 변수로 한 시험체의 실 험 결과, 방향 철근만으로 보강된 R1, R2 시험체는 쉬스 방향으로 균열이 진전되다가 취성적으로 파괴 되었으나 U자형 철근을 수평 방향으로 배치한 UH2 시험체의 경우 보강 철근이 위치한 부분의 하부 방 향으로 균열 폭이 진전되며 파괴되었다. 균열 및 파 괴 양상 측면에서 볼 때, 종방향 철근보다는 U자형 철근 보강 방법이 더 효과적인 것으로 판단된다.

    • 3) 정착 구역 보강 상세를 제시하고자 보강 상세 를 변수로 실험을 수행하여 시험체별 최대 하중을 비교하였다. 종방향 철근으로만 보강된 시험체의 최 대 하중이 U자형 철근으로 보강된 시험체의 90%에 미치는 결과를 보였다. 이를 통해 종방향 철근은 정 착 구역 보강에 효과적이지 않은 것으로 판단된다. U자형 철근과 종방향 및 폐쇄 스터럽으로 보강된 시험체의 최대 하중은 유사하게 나타났으나 철근량 및 철근의 간격 등 시공성 측면에서 볼 때 U자형 철근을 보강하는 방법이 더 효과적인 것으로 판단 된다.

    감사의 글

    이 논문은 2017년도 정부(과학기술정보통신부)의 재 원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2017R1A2B2005581).

    Figure

    KASS-18-117_F1.gif

    Tension stress in anchorage zone (KBC 2016)

    KASS-18-117_F2.gif

    Dimension of specimens (mm)

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    Test set-up

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    Crack patterns and failure of specimens

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    Anchorage after testing

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    Details of specimens

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    Crack and failure of test specimens

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    Comparison of test results

    Table

    Details of specimen with variable compressive strength of concrete

    Experimental results with variable compressive strength of concrete

    Material properties

    Details of test specimens with variable reinforcement type

    Experimental results with variable reinforcement types

    Reference

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