Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 18, No. 6, November 2014, pp.041-049
http://dx.doi.org/10.11112/jksmi.2014.18.6.041
pISSN 2234-6937 eISSN 2287-6979
스틸밴드로 외부 보강된 철근콘크리트 기둥의 부착강도에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Splitting Bond Strength of RC Column Reinforced with External Steel-Band
김 창 식1) 윤 승 조2)* 허 승 웅3) 윤 필 중4) Chang-Sik Kim Seung-Joe Yoon Seung-Woong Ho Pil-Joong Yoon
Abstract
In order to investigation splitting bond strength of the deformed longitudinal reinforcing bars in the R⋅C members strengthened laterally with the external steel-band, a total 9 sets of test re-bars with and without active confining force given by the external steel-band are pulled monotonically until failure.
Test results indicate that the bond strength becomes higher with the increase in number of steel-band sets and their initial stress magnitude. This is due to the active confining force given by the steel-band, and passive confining forces given by the steel-band and transverse reinforcements, in which the passive confinement effect varies depending on the magnitude of active confining force.
An equation to estimate the splitting bond strengths for the R⋅C members strengthened laterally with the external steel-band is developed based on the several experimental results of the present study.
Keywords : Splitting bond strength, Reinforced by external, Steel-band
1) 정회원, 한국교통대학교 건축공학과 박사과정 2) 정회원, 한국교통대학교 건축공학과 교수, 교신저자 3) 정회원, 한국교통대학교 친환경구조⋅재료연구실 연구원 4) 정회원, (주)KCC 건설 건축사업부 부장
* Corresponding author : [email protected]
• 본 논문에 대한 토의를 2014년 12월 31일까지 학회로 보내주시면 2015년 1월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Copyright Ⓒ 2014 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
1. 서 론
노후화된 철근콘크리트 구조물은 재료적인 화학적 반응과 외부요인에 따라 물리적 작용으로 내구성능이 저하된다. 성 능회복을 위하여, 많은 보강공법들이 제안되고 있으며, 보강 방법에 따라 보강효과는 많은 차이를 보인다.
현재 국내에서 사용되는 철근콘크리트 구조물의 보강공법 의 보강재로 섬유시트 및 강판을 사용하여 기존 구조물에 부 착 및 앵커를 통한 보강방법을 사용하고 있다. 이와 같이 기 존 보강공법은 보강재의 성능보다는 이를 구체와 접합시키 는 에폭시의 성능과 시공상태 등, 다양한 요인에 의해 영향 을 받는 문제점이 있다. 특히 보강공사 완료 후 보강의 적합 성을 평가하기가 매우 어려운 문제점과 보강의 효과는 보강 부재에 추가되는 하중이나 변형이 발생되어야 발휘되는 문 제점이 있다. 이에 따라 국내외에서 포스트텐션 공법의 일환
으로 Yamakawa et al. (1999), Yang et al. (1999), Hussain and Driver (2005) 등은 모재에 접착재를 사용하지 않는 비 부착형 기둥 보강기술들을 제시하였다. 이 공법들은 RC 기 둥의 연성이 매우 증가될 수 있는 장점을 보였다. 하지만, 보 강재의 단가와 숙련된 기술자가 요구되는 고비용 시공법으 로 평가된다. 따라서 본 연구는 기존 공법의 시공성 및 보강 성능 확보에 대한 미비한 부분을 개선하여, 정확한 성능확보 및 평가를 위한 철근과 콘크리트간의 부착성능 실험을 통한 기초적 자료를 얻는 것을 목적으로 한다.
1.1 연구의 범위 및 방법
본 연구에서는 철근콘크리트 기둥 외부에 스틸밴드로 보 강하는 공법을 적용하여 철근과 콘크리트간의 부착파괴에 관한 실험을 진행하였다. 부착실험을 위한 총 9개의 실험체
(a) Reinforcing state (b) Stress effect by steel-band
Fig. 1 RC member section stress distribution by steel-band
(a) Surface treatment (b) Fixed coner block
(c) Confining stress (d) Fixed steel-band Photo 1 Reinforcement procedure of steel-band
(a) Coner block (b) Steel-band
(c) Air-Pump (d) Tension equipment
(e) Clip equipment
Photo 2 Steel-band equipments 를 제작하여 주근의 수, 콘크리트 타설 방향, 주근의 위치에
따른 구속효과와 스틸밴드에 가해지는 긴장력을 변수로 실 험을 진행하였다. 그리고, 실험체에 발생된 최종 파괴양상과 철근과 콘크리트간의 부착강도를 주근의 위치에 따라 검토 를 하였으며, 기존 부착강도에 관한 제안 식을 검토하였다.
2. 공법의 개요
Fig. 1은 철근콘크리트 구조물에 포스트텐션 공법을 응용 하여 철근콘크리트 사각형 기둥의 네 모서리에 긴장력을 도 입하는 방식의 외부 보강공법을 간단히 보여주고 있으며, 스 틸밴드에 의한 기둥부재에 도입된 긴장력이 일정하게 분포 한다는 가정으로 나타내었다. 그리고, 점선으로 그려진 분포 도 선은 스틸밴드에 의한 긴장력 도입으로 주근의 위치에 각 각 다른 구속력을 갖는 형상을 나타냈다.
이 보강공법은 철근콘크리트 기둥을 보다 효과적으로 구 속할 수 있으며, 손상이 발생하더라도 스틸밴드의 긴장력에 의해 수동적인 효과도 발휘할 수 있다. 본 보강공법은 지진 발생 전, 내진 보강공법으로 높은 효과를 기대할 수 있을 뿐 만 아니라 지진 재해 직후 신속성이 요구되는 지진 복구에도 유효한 응급 보강으로 적용 할 수 있다.
Photo 1은 스틸밴드를 이용한 외부 보강공법 순서를 나타 냈다. 보강과정은 ｢(a) 표면 및 모서리 처리 ⇒ (b) 블록 위 치잡기 ⇒ (c) 긴장력 도입 ⇒ (d) 밴드고정｣ 순서로 진행되 었다. 실험체 표면 및 모서리를 글라인딩 작업을 실시하여 스틸밴드를 연결하는 코너블럭을 철근 콘크리트 기둥 모서 리에 밀착할 수 있도록 하였다. 코너블럭의 크기는 15mm × 25mm × 35mm이며, 스틸밴드를 구부리는 모서리 부분은 라 운드 처리를 하여 스틸밴드의 접힘 파단이 일어나지 않도록
제작하였다. 그리고, 스틸밴드는 콘크리트 표면에 접촉하지 않고, 부재의 표면과 15mm의 간격을 두었다. 스틸밴드의 긴 장력을 도입하는 방식은 에어펌프의 공기압의 조절로 목표 하는 긴장도 를 도입할 수 있으며, 스틸밴드의 고정클립도 동일한 방식으로 시공이 가능하였다. Photo 2는 개발한 코너 블럭, 스틸밴드, 공기압으로 긴장력을 도입하는 구속장비와 스틸밴드를 고정하는 클립고정 장비를 나타냈다.
3. 실 험
3.1 실험체 계획 및 제작
Fig. 2는 실험체의 형상⋅치수 및 배근 상태를 나타냈다.
Fig. 2 Test specimen with three sets of external steel-band
Table 1 List of test specimens
Specimen
(MPa)
(%)
(%)
(MPa)
No. 1 S
21 D13
4
0.10 0.21 0
3 O
No. 2 S O 0.95
No. 3 S O 1.55
No. 4 S
3 O 0
No. 5 S O 1.55
No. 6 S
D10 4
0.15 0.31 0
2 O
No. 7 S O 1.55
No. 8 S
3 O 0
No. 9 S O 1.55
Remark) S and O: Name of specimens represent the Concrete casting direct and the Opposite direction loadings, : Diameter of test bar, : Reinforcement ratio by trans re-bar( ), s: Reinforcement ratio by trans steel-band( ), :Number of re-bar, : Initial lateral pressure(), : Elsatic modulus of steel-band, : Initial strain of steel-band, : Cross-section of steel-band, : Number of sets of steel-band, : Width of member, : Bond length
Table 2 Mechanical properties of steel-band
Name Thickness×width (mm2)
Tensile Strength (MPa)
Elongation (%)
Steel band 1.0×25 206 2 Over
그리고 Table 1에 실험체 일람표를 나타냈다. 실험체의 길이 는 500mm이고, 단면 치수는 250mm × 250mm (B×D)이며 두께 32mm 철판에 CO2 용접으로 주근을 고정하였다. 각 실 험체를 세워서 타설하였으며, 타설방향과 동일한 방향 (S방 향)으로 인발되는 주근군과 이와 반대방향 (O방향)으로 인발 되는 주근군의 두 쌍으로 제작하였다. 부착길이는 HD13을 이용한 시험체의 경우는 195mm (15), HD10을 이용한 시 험체는 130mm (13)이다. 여기에서 는 주근 지름을 의 미한다. 비 부착구간은 주근에 13mm PVC 파이프를 이용 하여 콘크리트와의 부착력을 억제하였다. 그리고, 실험구간 사이에 철근과 콘크리트간의 정확한 파괴양상을 보기위하여 250mm × 25mm × 30mm 홈을 만들었다. 그리고, 실험체에 불필요한 파괴를 억제하기 위하여 D13 철근을 활용하여 보 강근을 배근하였고, 횡 보강근은 4를 2단 배근하였다.
여기에서 Eq. (1)은 긴장도 은 스틸밴드의 초기 긴장력 이 부착부분의 콘크리트 표면에 균일하게 분포하는 것으로 간주한 경우의 평균 긴장도 를 나타내었다. Fig. 1에는 긴 장도 을 도식화하여 나타냈다.
(1)
는 스틸밴드의 탄성계수, 는 스틸밴드의 초기 긴장 력 (스트레인게이지), 는 스틸밴드의 단면적, 는 보강재 수, 는 부재 폭, 은 부착 길이이다. Table 2는 스틸밴드의 역학적 성질을 나타냈다. 스틸밴드의 프리스트레스를 재료 인장강도의 최대 40% (40%= 2450, 최대강도시의 변형률 고려)로 하였으며, 보강재의 긴장력 측정은 스틸밴드에 부착
Table 3 Mechanical properties of re-bar
Bar size
Cross-sectional area (mm2)
Yield strength (MPa)
Tensile Strength (MPa)
D13(SD500) 127 855 924
D10(SD500) 71 849 895
4 13 501 549
0.2% off-set (4)
Fig. 3 Loading apparatus
Fig. 4 Splitting bond Failure Mode
한 스트레인 게이지 값으로 측정하였다. ±10% 허용 오차범 위 내에서 긴장력을 도입하였다. Table 3은 사용된 철근의 역학적 성질을 나타냈다.
3.2 실험방법
실험체의 가력방법은 Fig. 3과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 500kN 용량의 엑츄레이터를 사용하여 단순인발 방식 으로 0.5mm/sec씩 변위제어 방식으로 자유단 최대변위가 6mm가 될 때까지 진행하였으며, S방향으로 실험 후 실험체 를 다시 설치하여 O방향으로 실험을 실시하였다.
인발실험에서의 불필요한 모멘트의 영향을 받지 않기 위 하여 엑츄레이터의 중심과 주근을 일직선상에 위치하였으며, 실험 중 실험체의 변형을 억제하기 위하여 수평 H형강에 수 직 PC강봉 29mm를 관통시킨 후 실험체를 고정하였다. 그 리고, 주근의 위치에 따른 부착강도 검토를 위하여 자유단 부분에 각 주근에 50mm 변위계를 설치하였으며, 하중단 부 분의 주근에 각각의 스트레인게이지를 부착하였다.
변위의 증가에 따라 실험체에 발생되는 균열은 실시간으 로 실험체에 표시하였으며, 사진으로 기록을 남겼다. Fig. 4 와 같이 실험체를 설치하였다.
4. 실험 결과
4.1 균열상황 및 최종파괴
Fig. 4에 철근과 콘크리트간의 쪼갬파괴 (Splitting Failure) 모드를 일반화 시켜 나타냈다. 부착파괴 양상을 총 3가지 양 상으로 나누어 나타냈으며 본 실험체에 발생된 파괴양상은 같은 메카니즘을 보였다.
Fig. 5에 S방향으로 인발한 실험체의 최종파괴 양상을 나 타낸 바와 같이 철근과 콘크리트 사이의 부착력 상실 이후 철근 리브에 의한 콘크리트의 지압응력이 콘크리트의 인장 강도를 초과하여 리브마디 간격으로 미세한 사균열이 발생 한 시점의 부착응력을 부착강도라 정의하며 철근과 콘크리 트간의 부착파괴상황을 상세검토를 위하여 Photo 3과 같이 부착구간 내부를 철근과 콘크리트간의 부착실험구간을 파단 시켜 검토하였다.
모든 실험체의 부착구간의 콘크리트 표면은 매끄러운 표 면으로 나타났으며, 철근의 리브 표면에는 콘크리트가 붙어 있는 양상을 보였다. 이것으로부터 철근과 콘크리간의 부착 파괴가 일어났음을 알 수 있다. 그리고 비 실험 구간에 홈을 만든 표면에서는 Fig. 5의 전체 쪼갬파괴 양상과 같은 형태 를 나타냈다. 그리고, 도입된 긴장도가 클수록 균열의 수와 폭은 줄어드는 양상을 보였다.
4.2 주근군과 주근의 위치에 따른 부착강도
본 실험에서 계산한 부착강도 식은 다음과 같다.
∙ ∙
m ax
(2)
(a) No. 4
(b) No. 5
Photo 3 Internal cross-section final crack (a) NO. 1
(b) NO. 2
(c) NO. 3
Fig. 5 Final Crack (S Direction)
m ax (3)
Eq. (2)에서 는 주군의 부착강도, m ax는 로드셀의 최 대하중, 은 주근의 수, 는 주근의 둘레, 은 실험구간의 부착 길이며, Eq. (3)에서 는 주근의 위치에 따른 부착강 도,
은 각 주근의 변형 값의 합, 는 임의에 위치한 주근의 변형 값, m ax는 로드셀의 최대하중이다.
4.3 부착응력도-변위 곡선
Fig. 6은 S방향 실험체에 관한 각 주근의 부착응력 와 고정단의 변위와의 관계를 나타냈다. 여기에서, 각 주근의 부착응력 는 Eq. (3)에 의한 계산 값이며 고정단의 변위는 각 주근에 배치한 변위 값이고 ○는 Eq. (2)에 의한 계산 값 으로 주근군의 부착강도 를 나타냈다.
Fig. 6에서 긴장도 를 변수로 한 실험체 No. 1, No. 2와 No. 3은 보강재의 긴장도 가 클수록 각 주근의 부착강도
와 주근군의 부착강도 는 커짐을 알 수 있다. 그리고, 긴장도 가 클수록 각 외부에 위치한 주근의 부착강도 가 내부에 위치한 주근의 부착강도 커짐을 알 수 있다.
무 보강된 실험체 No. 1, No. 4, No. 6과 No. 8은 주근의 위치에 따른 부착응력 의 차이점은 보이지 않았으며, 주근 군의 부착강도 는 각 주근의 부착강도 와 유사한 양상 을 나타내고 있다. 하지만, 보강된 실험체 No. 2, No. 3, No.
5, No. 7과 No. 9는 내부에 위치한 주근보다 외부에 위치한 철근의 부착강도 가 높은 것을 알 수 있다. 그리고, 주근군 의 부착강도 는 각 주근의 부착강도 와 다른 양상을 나 타내고 있다. 이것은 외부 스틸밴드의 긴장력에 영향을 크게 받고 있는 것으로 판단된다.
주근의 수 을로 한 실험체 No. 1과 No. 4 그리고 실험체 No. 3과 No. 5는 주근의 수가 적은 실험체군의 주근군의 부 착강도 는 각 주근의 부착강도 가 높게 나타났다.
(a) No. 1 (b) No. 2 (c) No. 3 Fig. 6 Bond stress-displacement curve (S Direction)
Fig. 7 Variation of with Fig. 8 Variation of concrete casting direction
주근의 크기 를 변수로 한 실험체 No. 5와 No. 9는 주 근의 크기가 작은 실험체 No. 9의 주근군의 부착강도 보 다 15% 높게 나타났다.
4.4 부착강도 와 긴장도 의 관계
Fig. 7은 주근군의 부착강도 와 긴장도 의 관계를 나 타냈다. 긴장도 이 클수록 주근군의 부착강도 는 높아 지는 경향이 보였다. 주근의 수가 적고, 주근의 크기가 작을 수록 주근군의 부착강도 는 높아졌다. 이것으로부터 부착 강도에 영향을 주는 인자에 부합하는 실험결과를 얻었다고 판단된다.
4.5 콘크리트 타설 방향에 따른 부착강도 의 관계
Fig. 8은 콘크리트 타설 방향에 따른 주근군의 부착강도
의 관계를 나타냈다. 콘크리트 타설 방향에 반대방향으로 인발한 주근군의 부착강도 o는 콘크리트 타설 방향과 동 일한 방향으로 인발한 주근군의 부착강도 s보다 약 10%
높은 부착강도 를 나타냈다.
4.6 주근의 위치에 따른 부착강도
Fig. 9는 주근군의 위치에 따른 각 주근의 부착강도 를 비교하여 나타냈다. 여기에서 m ax는 실험체 단면 외부에
Fig. 9 Variation of re-bar location Fig. 10 Variation of Exp./Cal. with (ACI 408 equation)
Fig. 11 Variation of Exp./Cal. with (Fuji equation) 위치한 2개의 철근에서의 최대부착강도를 나타냈으며, m ax
는 실험체 내부에 위치한 철근 중의 최대 부착강도를 의미한 다. 무 보강된 실험체 No. 1, No. 4, No. 6과 No. 8은 주근 의 위치에 따른 부착강도의 큰 차이는 보이지 않았지만, 보강 된 실험체의 경우는 외부에 위치한 주근의 부착강도 m ax
가 높은 값을 나타내는 경향을 보였다.
Fig. 9로부터, 스틸밴드의 긴장력으로 외부에 위치한 주근 에 더 많은 구속효과가 있다는 것을 알 수 있다.
5. 규준식 및 제안식 검토
5.1 ACI 408 제안식 (콘크리트강도 고려)
(4)
Eq. (4)에서, 는 철근의 부착응력이고, 는 철근의 직경 이고, 는 콘크리트 압축강도이다.
Fig. 10에 긴장도 에 따른 주근군의 실험값과 ACI 408 Eq. (4) 값과의 비를 나타냈다. 콘크리트 강도만을 고려한 ACI 408 Eq. (4)과의 검토에서 실험값이 다소 높게 나타났 다. 이것은 실험값에 영향을 끼치는 횡 보강근과 긴장도 를 고려하지 않았기 때문이다.
5.2 Fuji 제안식 (콘크리트강도 및 횡보강근 고려)
∙ ∙
(5)
Eq. (5)에서, 는 콘크리트 압축강도, 는 철근의 직경,
는 횡 보강근 비, 는 부재 폭, 은 주근의 수, 는 콘 크리트에 관한 영향을 는 횡 보강근의 영향을 고려한 식 을 의미한다. Fig. 11은 긴장도에 따른 주근군의 실험 값 과 Fuji Eq. (5) 값과의 비를 나타냈다.
콘크리트 강도와 횡 보강근을 고려한 Fuji Eq. (5)과의 검 토에서 실험값이 다소 높게 나타났다. 이것은 철 밴드에 의
(a) Coner re-bar
(b) Intermediate re-bar
Fig. 12 Variation of Exp./Cal. with (Watanabe equation)
한 긴장도 를 고려하지 않았기 때문이다.
5.3 Matsuno제안식
(콘크리트 강도, 횡보강근과 긴장도를 고려)
(6)
Eq. (6)에서, 는 콘크리트 압축강도, 는 횡 보강근을 고려, 는 긴장도 의 효과를 표기한 계수를 의미한다. 그 리고 Fig. 12에는 Eq. (6)은 철근의 위치를 고려하지 않지만 각 주근의 부착강도 실험결과와 계산 값을 비교하여 나타 냈다. 긴장도 가 커질수록 실험값이 커지는 양상을 나타났
다. 하지만, Fig. 12(b)에서는 비부착 실험결과에서 나타 날 수 있는 실험값이 낮게 평가되는 경향을 보였다. 이것으로부 터 본 실험의 결과와 부적합하다고 판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는 외부 스틸밴드로 보강된 부착실험체를 제 작하여 철근과 콘크리트간의 부착강도에 관한 실험결과 및 제안식에 관한 결과를 아래와 같이 서술하였으며, 차후 스틸 밴드로 외부보강된 RC 부재에 관한 명확한 부착강도식 제안 을 위하여 추가 실험이 필요하다고 판단된다.
(1) 긴장도가 클수록 주근군의 부착강도는 높아지는 경향 을 보였으며, 주근이 4개인 실험체군이 3개인 실험체 군 보다 낮은 부착강도를 나타냈다.
(2) 콘크리트 타설 방향에 반대 방향으로 인발한 부착강도 는 콘크리트 타설방향과 동일한 방향으로 인발한 부착 강도보다 약 10% 높은 부착강도를 나타냈다.
(3) 무 보강된 실험체는 주근의 위치에 따른 부착강도의 차이는 보이지 않았지만, 보강된 실험체는 내부에 위 치한 주근보다 모서리에 위치한 주근의 부착강도가 높 은 경향을 보였다. 이것으로부터, 스틸밴드의 긴장력으 로 인한 모서리에 위치한 주근이 더 많은 구속효과가 있다고 판단된다.
(4) 실험결과와 제안식 검토에서는 주근군의 부착강도의 경우 콘크리트 강도, 횡 보강근, 긴장도를 고려한 MATSUNO 제안식이 가장 유사한 결과를 나타냈다. 하지만, 기존 의 제안식에서는 각 주근의 부착강도에 관한 긴장도
를 고려하지 않고 있음으로 실험결과와 다른 결과 를 나타냈다.
감사의 글
이 연구는 본 연구는 중소기업청에서 지원하는 2013년도 산 학연협력 기술개발사업 (No. 과제번호 C01247910100402315) 의 지원으로 수행되었습니다.
References
1. ACI Committee 317 (2002), Building code requirements for structural concrete (ACI318-02) and commentary (318R-02), American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 443.
요 지
실험에서는 스틸밴드로 외부보강된 철근콘크리트 부재의 부착강도에 관한 연구를 진행하였으며 총 9개의 실험체를 제작하여 인발 실험 을 실시하였다.
실험결과 스틸밴드의 수와 초기응력의 증가에 따라 부착강도는 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 스틸밴드에 의해 가해지는 긴장력으 로부터 철근과 콘크리트간 횡방향에 의한 구속력 증가로 판단된다. 변수로한 실험결과들을 통하여 스틸밴드로 외부보강된 철근콘크리트 부 재에 관한 부착강도 산정식을 검토하였다.
핵심 용어 : 부착강도, 외부보강, 스틸밴드
2. Fujii, S., Morita, S. (1983), SPLITTING BOND CAPACITIES OF DEFORMED BARS, Part 2 A proposed ultimate strength equation for splitting bond failure, Transactions of the Architectural Institute of Japan, 324, 45-53.
3. Hussain, M. A., and Driver, R. G. (2005), Experimental Investigation of External Confinement of Reinforced Concrete Columns by Hollow Structural Section Collars, ACI Structural Journal, 102(2), 242-251.
4. Joo, J. W., Yang, K. H., Lee, Y. H., Chung, H. S. (1999), An Experimental Study on the Strength and the Ductility of Concentric Loaded High-Strength R.C Columns, Journal of Architectural Institute of Korea, 19(1), 289-294.
5. MATSUNO, K., Kono, S., KAKU, T. (2001), BOND SPLITTING STRENGTH OF RC MEMBERS CONFINED
WITH FRP SHEETS, Part 1 Proposal of bond strength equation, Architectural Institute of Japan, Journal of structural and construction engineering, 548, 95-100.
6. Yamakawa, T., Kamogawa, S., Kurashige, M. (1999), An experimental study on the seismic retrofit technique for RC columns confined with PC bar prestressing as external hoops, Journal of Structural and Construction Engineering, Architectural Institute of Japan, 526, 141-145.
Received : 10/10/2014 Revised : 10/16/2014 Accepted : 10/27/2014
