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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.2 pp.21-32
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.2.021

Bond and Anchorage Composite Behavior of RCC Device for Substitution Seismic Hook through Pull-out Experiment

Kim, Eun-young1, Yong-joo Kim2, Sung-mo Choi3, Dae-jin Kim4, kyoung-yeun Park5
1Section chief, Kyerong Construction Industry, Seogu, Deajeon, 35262, Korea
2CEO, CH Structural Engineering Co, Gangnam-gu, Seoul, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, Kyung Hee Univ, Giheung-gu, Yongin-si, Korea
5Manager, Kyeryong Construction Industry, Seogu, Daejeon 35262, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Park, Kyoung-yeun Manager, Kyeryong Construction Industry, Seogu, Daejeon 35262, Rep. of Korea Tel: +82-2-4470-7348, Fax: +82-2-486-6831, E-mail: hansol9596@hanmail.net
January 19, 2021 March 2, 2021 March 7, 2021

Abstract


Rebar Confinement Clip (RCC) was suggested to the existing park’s research. It is a device that prevents the tie-hook from being pulled out. In the existing anchorage experiment of RCC, the concrete cover thickness was not considered; therefore, the composite behavior experiment of the bond and anchorage has to be conducted considering the concrete cover thickness presented in the standards because the more similar it is to the real RCC column, the more dependable are the experiment value. A total of six specimens were analyzed considering the concrete cover thickness of 40mm. The results of the experiment showed that the bond and anchorage composite strength of RCC were higher than the standard seismic hook, and a similar crack propagation and failure mode of seismic hook was observed. Subsequently, RCC is evaluated to have structural performance similar to earthquake hook considering concrete cover thickness.



인발실험을 통한 내진갈고리 대체용 RCC장치의 부착 및 정착의 합성거동

김 은영1, 김 용주2, 최 성모3, 김 대진4, 박 경언5
1(주)계룡건설산업 과장
2(주)CH구조엔지니어링 대표
3서울시립대학교 건축학부 교수
4경희대학교 건축공학과 교수
5(주)계룡건설산업 부장

초록


철근콘크리트 기둥에서 후프철근의 내진갈고리 시공성을 개선하기 위하여 기존 연구에서 “띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치”인 RCC장치(Rebar Confinement Clip)를 제안하여 인발실험을 통한 부착 및 정착성능 실험을 실시하였다. 그러나, 기존 연구 의 실험에서는 콘크리트 구조기준에서 제시하는 피복두께를 준수하지 않았다. 그러므로, 보다 신뢰성 있는 실험 결과를 도출하 기 위하여 기준에서 제시하는 피복두께를 준수한 실험체로 실험을 실시할 필요가 있다. 이를 위하여 총 6개 실험체를 제작하여 실험을 실시하였으며 실험결과, 부착 및 정착의 합성강도는 RCC장치로 체결된 띠철근의 갈고리가 내진갈고리가 발휘하는 강도 보다 높게 나타났다. 또한, 내진갈고리의 실험체 균열 진전 및 파괴 양상과 RCC장치로 체결된 띠철근의 실험체는 유사하게 나 타났다. 그러므로, 콘크리트 피복두께를 준수한 실험체에서 RCC장치로 띠철근에 체결할 경우 내진갈고리가 발휘하는 동등한 성 능을 보유하고 있는 것으로 평가된다.



    1. 서 론

    1.1 연구 배경 및 목적

    내진갈고리(Seismic hook)는 국내⋅외 콘크리트 구조 기준에서, 철근 지름의 6배 이상 또는 최소 길이 75mm이상의 연장 길이를 가진 135° 표준갈고리로 된 늑근, 후프 및 연결철근의 갈고리로 정의된다.

    철근콘크리트 기둥에서 띠철근 중 한쪽 135° 갈고리와 다른 한쪽 90° 갈고리로 되어 있는 내부 보조근(Cross-tie)의 시공은 다소 어렵기는 하나 이 로 인하여 공정이 지연되거나 대체 상세를 모색한 사례는 없다.

    반면, 철근콘크리트 기둥에서 후프철근(Hoops)의 내진갈고리(Seismic hook)는 Fig. 1의 원형으로 표시 된 바와 같이 양단 갈고리를 135°로 교차하여 시공 하는 데 이는 현장에서 시공상 어려운 점이 많으며, 이러한 이유로 최근까지 시공성 개선을 위하여 연속 후프 보강(Eom et al., 2013), 분리형 띠철근(Choi et al., 2018), 90° 갈고리를 갖는 이중 띠철근(Castro and Imai, 2004), ‘U’자 형태의 갈고리 클립(Lukkunaprasit and Sittipunt, 2003) 등이 제안되었다. 그러나 부품 제 작, 현장여건을 고려한 성능검증, 시공성 및 경제성 평가 등에 따른 다양한 이유로 실제 건설현장에서 적용되지 못하고 있는 실정이다.

    그러므로, 철근콘크리트 기둥 후프철근에서 내진 갈고리의 교차 시공성을 개선하고 동등 이상의 구조 성능을 발휘하기 위하여 기존 연구 실험에서 Park et al. (2020) 등은 ‘ㄷ’자 형태의 부품 제작이 용이하고 현장에서 쉽게 설치가 가능한 강재 “띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치”를 제안하였다.

    이에 따라, ‘ㄷ’자 형태의 강재 “띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치”를 90° 갈고리에 체결하여 기존 내 진갈고리에서 발생하는 부착강도와 ‘ㄷ’자 형태의 “띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치”를 체결한 갈고리에 서 발생하는 정착강도의 합성거동 실험을 실시하였다.

    이의 실험에서는 축하중을 받는 철근콘크리트 기 둥에서 심부(Core) 콘크리트 팽창에 따라 주철근의 좌굴 이후, 띠철근 갈고리의 뽑힘을 확인하기 위하 여 실험체를 600mm×200mm×240mm로 제작한 후 합 성거동 실험을 실시하였다.

    그러나, 기존 연구에서 실시한 합성거동 실험체 는 국내⋅외 콘크리트 구조기준에서 제시하는 철근 콘크리트 기둥의 피복두께 40mm를 준수하지 않아, 심부(Core) 콘크리트가 팽창할 때의 상황을 실제 철 근콘크리트 기둥과 같이 목업(Mock-up)하지 않았다.

    그러므로, 본 연구에서는 국내⋅외 콘크리트 구 조기준에서 제시하는 철근콘크리트 기둥의 피복두께 를 준수하여 실험체를 제작한 후, ‘ㄷ’자 형태의 강 재 “띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치”를 90° 갈고리에 체결하여 인발실험을 실시함으로서, 90° 갈고리에서 발생하는 부착강도와 ‘ㄷ’자 형태의 “띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치”에서 발생하는 정착강도의 합성거동 에 대하여 실제 철근콘크리트 기둥의 주철근 좌굴 상태와 같은 상황에서 합성거동 특성을 파악하는 데 연구의 목적이 있다.

    1.2 기존 연구 고찰

    1.2.1 인발실험을 통한 성능 평가 연구 사례 고찰

    인발(Pull-out)실험을 통한 성능 평가의 경우는 Soo et al. (2020) 등의 연구에서 기술한 바와 같이 규정된 실험 방법이 존재하지 않아 “인발실험장치” 에 대하여 제안하고, 고안된 장치나 제품 특성에 따 라 인발 실험체를 설치한 후 성능의 주된 평가로서 하중과 변위를 측정하는 것이 일반적이다.

    그러므로, 기존 인발실험을 통한 성능 평가의 사 례들에서 실험체 설치, 특히 지그(jig) 설치에 대한 고려사항을 고찰하여 본 연구에서 실험체 설치 및 제작에 참고하였다.

    Kwak et al. (2020) 등은 콘크리트 구조물 표면의 부착을 통하여 보수⋅보강용으로 기존 섬유보다 내 열성이 우수한 현무암섬유(Basalt Fiber)를 제안하였 으며, 내열성 측면에서 온도 상승에 따라 부착성능 을 평가하기 위하여 콘크리트 표면에 부착한 상태에 서 온도 상승에 따른 인발강도를 평가하였다. 이에 Fig. 2 (a)우측과 같이 인발장치를 제작하여 온도 변 화 및 인발강도의 결과로 기존 섬유보강과 부착성능 을 비교 평가하였다.

    Soo et al. (2020) 등은 현장에서 중공슬래브를 시 공할 때 중공재가 콘크리트 부력으로 떠오르는 현상 이 발생함에 따라 이를 개선하기 위하여 증공재에 Fig. 2 (b) 좌측과 같은 경량 성형재 고정장치를 제 작하여 인발실험을 실시하였다. 실험변수는 고정장 치가 설치되는 합판의 종류와 상이한 고정위치로 하 였으므로 이에 따라 Fig. 2 (b)의 중앙과 같은 “인발 실험장치”를 제작하여 실시하였다.

    Park et al. (2020) 등은 본 연구 이전의 콘크리트 피복두께를 준수하지 않은 실험체에서 인발실험을 실시한 경우로 철근콘크리트 기둥에서 후프철근의 135° 각을 가지는 내진갈고리 교차 시공성을 개선하 고, 동시에 내진갈고리와 등등 이상의 구조 성능을 발휘하고 자, “띠철근 갈고리 뽑힘 방지”를 90° 갈고 리에 체결하는 방법을 제안하여 Fig. 1 (c)와 같이, 인발실험을 실시하였다.

    1.2.2 띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치(RCC)

    본 연구 실험에서 사용되는 띠철근 갈고리 뽑힘 방지 장치는 기존 Park et al. (2020) 등이 제안하였으 며 철근콘크리트 기둥에서 심부(Core) 콘크리트 내 후프철근의 구속효과를 증진시키는 역할을 도모함으 로 그 명칭을 “Rebar Confinement Clip”의 약자인 “RCC장치”라 칭하기로 한다.

    기존 Park et al. (2020) 등이 제안한 RCC장치는 Fig. 3 (a)와 같이 2개의 띠철근 갈고리를 하나로 묶 게 만들기 위하여 ‘ㄷ’자 형태를 하고 있으며 띠철근 갈고리를 삽입할 때 양쪽 끝단에 2개의 다리가 늘어 났다가 다시 오므라들어 갈고리를 밀착하게 함으로 써 움직이지 못하도록 고안한 특징이 있다.

    이러한 탄력적 거동을 도모하기 위하여 주로 공 업용이나 자동차의 판 스프린용으로 많이 사용되는 스프링 강재인 SK5M-S강을 이용하여 제작한 다음으 로 탄력성을 유지하기 위하여 최종 열처리한 후 완 성하였다. 스프링 강재인 SK5M-S강의 재료적 특성 및 인장시험 결과는 Table 1과 Fig. 4와 같다.

    2. 콘크리트 피복두께를 적용한 실험체에서 부착 및 정착 합성 거동 특성

    2.1 부착 및 정착의 합성강도

    식 (1)은 Fig. 5에서 띠철근 90° 갈고리에 띠철근 갈 고리 뽑힘 방지 장치(이하, “RCC장치”)를 체결하지 않은 경우로 한쪽의 90° 갈고리 상태에서 발생하는 부착 강도를 나타낸 식이다.

    P 1 = 2 τ b l d b ( π d b ) cos θ 2
    (1)

    P 2 = [ 2 τ b l d b ( π d b ) cos θ 2 + R R C C ]
    (2)

    식 (2)는 90° 갈고리에 RCC장치를 체결함에 따라 띠철근 갈고리가 90° 갈고리 상태에서 발휘되는 부 착 강도에 RCC장치가 콘크리트에 매입되어 있어 발 휘되는 정착 강도가 추가하여 나타나는 합성 강도를 나타낸다. RCC장치는 띠철근 90° 갈고리에 체결함에 따라, 부가적으로 발생하는 정착력인 RRCC를 제공한다.

    추가적으로 발휘되는 정착력 RRCC에 의하여 더 큰 인발력 P에 저항할 수 있게 되어 철근콘크리트 기둥 내에서의 심부(Core) 콘크리트에 대한 구속 효 과가 향상된다. 이는 결과적으로 내진갈고리가 갖고 있는 굽힘 각도 135° 및 띠철근 직경 6배 또는 최소 75mm 이상으로 콘크리트에 묻혀 발휘되는 강도와 비교하여 동등 이상의 강도 및 거동을 보일 경우 국 내⋅외 콘크리트 구조기준에서 제시한 내진갈고리의 상세를 대체할 수 있을 것이다.

    여기서, τb는 띠철근 90° 갈고리에 발생되는 부착 응력이고, P1는 RCC장치로 체결되지 않은 상태에서 주철근을 인발할 때의 90° 갈고리에 의하여 발휘되 는 한쪽 갈고리의 부착 강도이다.

    P2는 RCC장치로 띠철근 90° 갈고리에 체결함으 로서 90° 갈고리에서 발생하는 부착 강도에 추가하 여 콘크리트에 묻힌 RCC장치에 의하여 발휘되는 정 착강도가 더해진 한쪽 갈고리의 최종 합성 강도이 다. dbldb는 각각 띠철근의 공칭지름과 부착 응력 이 발휘되는 묻힘 길이(여장)을 의미한다. 또한, θ는 갈고리 135° 각일 경우를 0° 로 기준하여 90° 갈고리 일 때 최대 45° 각도를 의미한다.

    2.2 실험 계획

    국내⋅외 콘크리트 구조기준에 따라 철근콘크리트 기둥 내에서 콘크리트 설계기준 압축강도(fck) 40 MPa이하일 경우에 준수하여야 할 콘크리트 피복두 께 40mm를 적용하고, RCC장치로 띠철근 90° 갈고리 에 체결한 띠철근의 합성거동을 평가하기 위하여 총 6개의 실험체를 제작하였다. 콘크리트 피복두께 40mm 는 콘크리트 구조기준에서 제시하는 옥외에 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트이면서 동시에 철근 콘크리트 기둥인 경우의 최소 피복두께를 적용하였다.

    Table 2와 Fig. 6에서 보는 바와 같이 실험체는 30MPa 보통강도 콘크리트에서 콘크리트 구조기준에서 제시한 내진갈고리 교차 시공한 실험체와 한쪽은 135° 갈고리와 다른쪽의 90° 갈고리에는 RCC장치로 체결 한 실험체, 양쪽 90° 갈고리에 RCC장치로 체결한 실 험체, 총 3가지 종류의 실험체로 띠철근 직경 10mm 와 13mm인 경우로 각각 3개씩, 총 6개를 제작하였다.

    한쪽 90° 갈고리에 RCC장치의 설치 위치 및 장 치의 묻힘 길이는 Fig. 6 (a)에 제시된 바와 같고 부 착과 정착의 합성거동 성능 평가를 위한 실험체 상 세는 Fig. 6 (b)와 같다.

    실험체 크기는 600mm×200mm×240mm의 크기에 배근된 띠철근의 외곽표면으로부터 콘크리트 피복두 께 40mm를 제외한 나머지 역삼각 형태의 부분은 모 두 제거하였으며 최종 실험체 형상은 Fig. 6 (b)와 같이 제작하였다.

    2.3 재료특성

    사용한 철근의 인장시험 결과는 Fig. 7에 나타내었 다. 주철근과 띠철근으로 사용된 D25 (SD600) D10 (SD500), D13 (SD500)의 항복강도는 각각 635, 573, 608MPa 나타났다. 측정한 강도 중 SD500의 D13철근 은 항복강도가 예상한 값보다 다소 높게 나타났다.

    콘크리트의 압축강도는 레미콘을 이용하여 타설 하한 후, 공시체 ∅100mm×200mm를 이용하여 측정 하였다. 콘크리트 기건 양생 후 부재 실험 직전과 실험 종료할 때의 압축강도를 측정하였다. 각각의 공시체 3개로부터 얻은 평균 실제 압축강도(fcu )는 각각 30MPa이다.

    2.4 실험 방법

    띠철근 양단의 갈고리를 인발(Pull-out)하기 위하여 Fig. 8 (a)와 같이 띠철근 갈고리에 배치된 주철근 축 의 직각 방향으로 인장력을 도입하였다.

    인장력은 500kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 인발하였다. 인장력을 도입할 때 실험체의 회전 또 는 이동을 최소화하기 위하여 실험체 상부와 하부 위치에 Fig. 8 (a)에 표시된 원형 점선과 같은 상단 지지대(지그)와 하단의 철판 지지대를 설치하였다.

    띠철근 갈고리 부분에 작용된 인발력에 따른 변 위량은 엑츄에이터의 하중 센서를 이용하여 변위를 측정하였다. 그 이유는 변위계(LVDT)를 실험체 상단 부에 설치하여야 하지만, 실험체 특성상 상부 쪽이 뾰족하여 변위계를 설치할 수 없었기 때문이다. 하 중에 따른 띠철근의 변형률은 Fig. 8 (b)와 같이 주 철근 중심을 기준으로 굽혀져 있는 중앙 위치 지점 에 변형률 게이지(Strain gauge)를 설치하여 변형률을 측정하였다. 본 연구에서는 작용하는 하중에 대하여 띠철근이 변형할 때 RCC장치 자체의 변형도 확인하 기 위하여 Fig. 8 (c) 우측사진과 같은 위치에 변형률 게이지를 설치하여 확인하였다.

    3. 실험 결과 및 분석

    3.1 합성 거동 및 강도

    3.1.1 RCC장치와 띠철근 직경의 영향

    인발 하중과 변위의 관계에서 실험이 종료될 때까지 의 합성거동에 대하여 측정된 하중과의 관계는 Fig. 10과 Table 3에 나타내었다.

    Fig. 9는 철근콘크리트 기둥 표면에서 주철근 좌 굴에 의한 수평 변위가 30mm까지 발생한다면 일반 적으로 콘크리트 피복은 모두 탈락되고 갈고리도 일 부 뽑히게 되어 기둥으로서 내력을 대부분 상실할 것으로 판단하여 30mm까지의 변위를 최종 측정기준 으로 하여 각 실험체의 거동을 비교하였다.

    Fig. 11과 Table 4는 콘크리트 피복두께를 적용하 지 않은 기존 연구 실험 결과값과 이번 콘크리트 피 복두께를 적용한 실험 결과값을 동일한 조건(띠철근 직경, 갈고리 형상)에서 하중-변위값을 비교한 결과 이다.

    Fig. 11과 Table 4의 실험체명 N10CH, N10NC1, N10NC2의 의미는 기존 연구 실험에서 보통강도와 고강도 콘크리트에서 실험을 실시하였으며 N은 이 번 연구의 콘크리트 실제 강도값과 동일한 30MPa의 보통강도 콘트리트를 사용하였다고 하여 Normal의 약자인 N이 사용되었다. CH는 Crietia of Hoop detial 의 약자로 본 연구의 내진갈고리 교차시공된 표준상 세 실험체명의 Standard의 약자 ST와 동일한 의미로 사용되었다. NC1과 NC2는 New clip의 약자로 1과 2 는 1개 및 2개의 사용을 의미하며 본 연구에서의 C1 과 C2의 Clip 1개, 2개의 의미와 동일하다. 그러므로, 콘크리트의 피복두께 준수 여부를 제외하고 동일한 변수에서 기존 연구 실험 결과값과 본 연구의 실험 결과값을 비교하였다.

    Table 34에서 표기된 100%의 의미는 각 실험 체에서 표준상세를 적용한 실험체의 최대 하중값을 기준으로 증⋅감 비율을 보기 쉽게 분석하기 위하여 표준상세를 적용한 실험체 10ST와 13ST를 100%를 하여 RCC장치를 설치할 경우의 최대 하중값을 비교 하여 %로 표시하였다.

    Fig. 10과 Table 3의 결과로부터 RCC장치로 90° 갈고리에 체결한 경우 콘크리트 피복두께를 준수하 더라도 내진갈고리를 적용한 표준실험체의 실험 결 과값보다 띠철근 D10과 D13 사용에 무관하게 최대 하중값 상승을 보여주었으며 띠철근 D10인 경우 내 진갈고리를 적용한 표준실험체(10ST)와 비교할 때 20%이상, 띠철근 D13인 경우(13ST) 19%이상의 상승 값을 보여주었다. 이는 RCC장치 사용에 따라서 최 대 하중값에 도달할 때까지를 기준으로 할 때 정착 성능 향상에 기여하고 있는 것으로 판단된다.

    그러나, 띠철근 D10인 경우에 내진갈고리를 적용 한 표준실험체와 RCC장치로 90° 갈고리에 체결한 실험체 모두 최대 하중값 이후 급격한 하중 감소를 보여 주었다.

    이는 갈고리가 최대 하중값 이후 내진갈고리를 적용한 표준실험체를 포함하여 모든 실험체에서 갈 고리가 정착되지 않고, 일부 뽑힘이 발생하여 강도 가 감소한 것으로 판단된다.

    띠철근 D13인 경우에는 RCC장치로 단부 90° 갈 고리에 체결한 실험체는 최대 하중값 도달 이후 바 로 최대 하중의 약 30%이상 감소된 하중값을 보인 반면, 내진갈고리를 적용한 표준실험체(13ST)인 경우 에는 일부 감소하기는 하였으나 큰 감소 폭 없이 일 정 변위내에서 지속적인 하중값을 보여 주었다.

    이의 결과를 띠철근 D10인 경우와 비교하면 띠 철근 D13을 사용할 때 내진갈고리를 적용한 표준실 험체에 한해서 작용하는 하중에 대하여 보다 덜 뽑 히며 이로 인하여 실험이 종료될 때까지 일정 변위 범위 안에서 지속적인 정착 강도값을 유지하는 것으 로 판단된다.

    전반적으로 RCC장치를 사용하는 경우 최대 하중 값 도달까지는 표준실험체와 비교하면, 내력 상승에 기여하고 있으나 최대 하중값 이후 RCC장치의 뽑힘 에 따른 급격한 하중 감소가 있어 형상의 보완이 요 구된다.

    3.1.2 콘크리트 피복두께 영향

    Fig. 11과 Table 4에서 보는 바와 같이 최대 하중값 은 띠철근 D10과 D13 사용에 무관하게 기존 연구 실험의 콘크리트 피복두께를 준수하지 않는 경우가 피복두께를 준수한 본 연구의 실험 결과값과 비교할 때 Table 4Pmax.pre/Pmax값에서 보는 바와 같이 9 ∼46%의 상승 값을 보여 주었다.

    기존 연구 실험값에서는 Fig. 11의 점선 그래프에 서 보는 바와 같이 띠철근 갈고리의 합성 거동에 의 한 강도 변화는 최대 하중값 이후에도 이번 실험값 보다 완만한 거동을 보여 준다.

    콘크리트 피복두께를 준수한 본 연구에서는 띠철 근 D13에서 내진갈고리를 적용한 표준실험체 13ST 에서는 피복두께를 준수하지 않은 기존 연구 실험체 (N13CH)와 최대 하중값 이후에도 유사한 거동을 보 여 준다. 반면, 13ST실험체를 제외한 나머지 5개 실 험체(10ST, 10C1, 10C2, 13C1, 13C2)에서는 최대 하 중값 이후 급격한 하중 감소 그래프를 보여 준다.

    이는 실제 철근콘크리트 기둥에서 띠철근 D10과 D13의 사용에 무관하게 피복 콘크리트 탈락 이후, 내진갈고리를 포함하여 갈고리 형상에 관계없이 급 격한 하중 감소를 가져 올 수 있음을 보여 주는 것 이다.

    단지, 다른 실험체와 거동이 다르게 나타난 띠철 근 D13의 내진갈고리 표준실험체(13ST)에서 최대 하 중값 이후 일정한 변위 범위 내에서 지속적인 하중 값을 유지하는 거동을 보여 주고 있는 것에 대하여 추 가 실험을 실시하여 거동에 대해 재확인할 필요가 있다.

    3.1.3 하중-띠철근 변형률 관계

    Fig. 12는 Fig. 8 (b)의 주철근의 중앙 부분을 기준으 로 양방향으로 굽혀지는 띠철근 중앙 위치에 설치한 변형률 게이지에서 측정된 값으로 한쪽 135° 갈고리 와 RCC장치로 다른 한쪽 90° 갈고리에 체결한 실험 체인 띠철근 D10에서의 10C1과 띠철근 D13에서의 13C1실험체에서 측정값을 나타낸 것이다.

    Fig. 12에서 보는 바와 같이 띠철근 D10과 D13 경우에서, 내진갈고리를 갖는 띠철근 변형과 RCC장 치로 90° 갈고리에 체결된 띠철근 변형은 유사한 거 동을 보여 주고 있다.

    이러한 거동 형태는 띠철근 D10과 D13에 무관하 게 RCC장치로 90° 갈고리에 체결한 띠철근은 작용 하는 인발하중에 대하여 135° 각의 내진갈고리를 갖 는 띠철근과 동등한 성능의 거동을 하고 있음을 보 여 주는 것이다.

    또한, 90° 갈고리에 체결한 RCC장치가 작용하는 인발하중에 대해서도 변형을 확인하기 위하여 Fig. 8 (c)와 같이 RCC장치 상단면에 변형률 게이지를 부착 한 후 135° 각의 내진갈고리를 갖는 띠철근 거동과 비교한 결과, Fig. 12의 RCC장치 점선그래프에서 보 는 바와 같이 작용하는 하중에 따라서 최대 하중값 까지 띠철근과 유사한 거동을 하고 있으며 최대 하 중값 이후에도 RCC장치 자체는 내진갈고리 띠철근 에서 보여주는 하중 하락 곡선과 유사한 거동을 보 여 주고 있다.

    이의 RCC장치로 체결된 90° 갈고리와 변형률의 차이를 보이는 것은 RCC장치와 90° 갈고리의 띠철 근이 용접된 상태로 일체화된 것이 아니고 서로 다 른 재료의 특성을 보유한 RCC장치와 띠철근이 콘크 리트내 환경에서 겹침된 상태로 거동을 하기 때문에 그 차이에서 오는 변형률의 차이로 판단된다.

    이와 같이 서로 비교한 띠철근 변형률의 비교로 부터 135° 각으로 매입된 내진갈고리를 갖는 한쪽의 띠철근의 변형률과 RCC장치로 90° 갈고리에 체결한 띠철근의 변형률은 작용하는 하중에 대하여 주철근 좌굴에 의한 철근콘크리트 기둥 단면에서의 수평 변 위 30mm까지를 기준으로 그 변형률 거동의 비교분 석 결과, 동등한 성능을 보유한 것으로 평가할 수 있다.

    3.2 균열 진전 및 파괴 양상

    3.2.1 RCC장치 및 띠철근 직경에 따른 영향

    RCC장치 1개를 띠철근 90° 갈고리에 체결한 경우, RCC장치로 체결한 콘크리트 범위에서는 내진갈고리 가 적용된 표준갈고리 실험체의 콘크리트 범위와 비 교할 때 Fig. 13의 10C1과 13C1에서 보는 바와 같이, 각기 서로 유사한 콘크리트 피복두께 파괴 및 탈락 범위를 보였다.

    RCC장치 2개를 양쪽 단부 90° 갈고리에 체결한 경우 Fig. 13의 10C2와 13C2에서 보는 바와 같이 RCC장치로 체결한 양쪽 콘크리트 파괴 범위 또한 서로 유사한 콘크리트 파괴 범위를 보였다.

    양쪽 내진갈고리의 표준실험체(10ST, 13ST)와 비 교할 때 큰 차이는 보이지 않았다. 이의 콘크리트 파괴 범위 비교 결과는 RCC장치로 체결한 양쪽의 갈고리가 부담하는 합성거동에 대한 강도가 동일하 게 분담하여 인발하중에 저항하고 있으며 내진갈고 리보다 높은 인발하중에 저항하여 다소 넓은 파괴 범위를 보이고 있는 것으로 판단된다.

    띠철근 D13인 경우 D10인 경우와 비교할 때 콘 크리트 파괴 범위에서보다 큰 범위를 보여 주었다.

    이는 띠철근 직경이 상향됨에 따라 부착과 정착 의 합성거동에 의한 강도에 기여하는 띠철근 둘레의 면적이 증가하여 합성응력이 커지기 때문인 것으로 사료된다. 동일한 직경의 띠철근일 경우에는 RCC장 치의 사용에 무관하게 전체적인 콘크리트 탈락 및 파괴 범위가 양쪽 내진갈고리를 적용한 표준실험체 와 유사한 콘크리트 파괴 범위를 보였다.

    위의 콘크리트 파괴범위의 비교 결과로부터 내진 갈고리 띠철근과 RCC장치로 90° 갈고리에 체결한 띠철근은 콘크리트 피복두께 40mm를 적용하더라도 부착과 정착에 따른 합성거동에 대해서는 동등한 파 괴특성을 보유하고 있는 것으로 판단된다.

    3.2.2 콘크리트 피복두께 영향

    본 연구 실험에서의 실험체 균열 진전 및 최종 파괴 양상은 Fig. 14 (d)와 같다.

    국내⋅외 콘크리트기준에서 제시한 콘크리트 피 복두께를 적용하지 않은 경우의 실험체인 기존 Park et al. (2020) 등의 연구에서는 Fig. 14 (a)와 같이 본 연구 실험체와 다르게 직사각형 형태로 되어 있어 배근된 띠철근 외곽 표면으로부터 40mm를 유지하지 않고 있지 않으며 본 연구 실험체는 Fig. 14 (b)와 같이 배근된 띠철근 외곽 표면으로부터 40mm를 유 지하고 있는 점이 차이가 있다. 본 연구의 40mm 피 복두께는 국내 콘크리트 구조기준(KCI, 2017) 제5장 및 ACI기준의 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않 는 콘크리트의 부재 중 기둥에 해당하는 피복두께 40mm의 기준을 적용하였다.

    기존 연구의 실험체에서 피복두께가 “두꺼워진 다”는 의미는 Fig. 14 (b)와 같이 중앙의 주철근 중심 으로 띠철근이 배근되어 있는 형상에서 띠철근의 외 곽으로부터 일률적으로 40mm 피복두께를 유지하여 정면에서 볼 때 삼각형 형상으로 제작되어야 하나, 이런 모양의 실험체인 경우 중앙 지점이 뾰족하게 되어 실험체 제작의 편의상 기존 연구에서는 Fig. 14 (a)와 같이 단순하게 직사각형 형태로 제작되었다.

    결과적으로, 기존 연구 실험체에서는 중앙 지점 의 주철근을 중심으로 배근된 띠철근 외곽 바깥으로 피복두께가 40mm에서 점점 증가되어 중앙지점에서 외곽부에 가서는 3배의 두께인 120mm이상의 피복두 께를 갖는 결과가 된다.

    본 연구의 실험체의 Fig. 14 (b)의 원형 점선 표 시된 것은 인발하중에 실험체를 고정하기 위해 기존 인발실험 사례를 참고하여 제작하였다.

    본 연구의 총 6개 합성거동 실험체에서는 띠철근 D10과 D13의 차이에 무관하게 모든 실험체의 균열 진전 및 파괴 양상은 피복 콘크리트의 탈락 양상에 서 Fig. 14 (d)에 보는 바와 같이 실험체 중앙의 모 서리를 중심으로 실험체 양옆 단면 방향으로 퍼지는 수평 균열이 발생한 후 최종 삼각형 모양의 콘크리 트 피복이 탈락하는 형상을 보여 주고 있다.

    콘크리트 피복두께를 적용하지 않은 경우의 실험 체인 기존 Park et al. (2020) 등의 연구에서는 Fig. 14 (c)와 같이 인발하는 주철근을 중심으로 하부에서 실험체 상부 방향으로 45° 사선 균열이 발생하면서 진전하였으며, 균열 진전 과정에서 균열 폭은 점차 커지고 콘크리트가 상부를 기준으로 역삼각형 형태 의 콘(Cone) 모양으로 진전하면서 최종 탈락하는 양 상을 보여 주었다.

    이렇게 다른 양상을 보여 주는 이유는 피복두께 가 두꺼운 경우, 두꺼운 콘크리트 자중의 압력 때문 에 주철근 좌굴 방향에서 중앙을 기준으로 양쪽 방 향으로 균열이 진행되면서 파괴되는 양상을 보인 것 으로 사료된다.

    본 연구 실험에서 보여준 콘크리트 피복 탈락과 균열 진전은 철근콘크리트 기둥을 목업하여 실시한 기존 중심축하중 실험들에서 보여 주는 피복 콘크리 트 탈락과 유사한 파괴 양상을 보여 주고 있어 일반 적으로 축하중을 받는 철근콘크리트 기둥에서의 주 철근이 좌굴할 때 실제 파괴 양상에 보다 더 가까운 파괴양상을 보여 주는 것으로 판단된다.

    3.2.3 최종 파괴 후 갈고리 변형 형태 비교

    RCC장치로 체결된 띠철근 합성거동의 총 6개 실험 체에 대하여 실험 종료 후 각 실험체별 띠철근 갈고 리 변형 형태를 Fig. 15와 같이 비교하여 나타내었다.

    콘크리트 피복두께를 준수하지 않은 기존 Park et al. (2020) 등의 정착성능 실험 결과와 비교할 때 Fig. 16에서 보는 바와 같이 모든 띠철근의 갈고리가 처 음 띠철근 배근 당시의 각도를 유지하면서 실험체 안쪽 방향으로 매입 되어 있는 상태를 유지하고 갈 고리가 외부 바깥 방향으로 벌어지는 현상을 보이지 않았다.

    이와 비교하여 콘크리트 피복두께 40mm를 적용 한 본 연구 실험에서는, 띠철근 양단 내진갈고리를 적용한 표준실험체(10ST, 13ST)에서 피복 콘크리트 탈락 이후 갈고리가 충분한 정착효과를 발휘하고 있 어 실험체 안쪽으로 처음 배근된 당시 형태의 각도 로 유지하고 있었으며 갈고리가 바깥 방향으로 벌어 지는 현상은 나타나지 않았다.

    반면에, RCC장치가 체결된 실험체인 10C1, 10C2, 13C1, 13C2인 경우는 갈고리가 외부 바깥 방향으로 벌어지는 현상이 발생하였다.

    이의 결과는 콘크리트 피복두께가 두꺼운 경우 콘크리트 피복두께로 인하여 균열 진전 및 탈락을 지연시키는 데 기여하고 있음을 알 수 있다. 또한, 피복두께가 두껍지 않을 경우, RCC장치는 최대 하 중값을 기준으로 그 이후 내진갈고리만큼의 정착효 과는 발휘하지 못하는 것으로 판단된다.

    띠철근 직경 13mm와 양단 90° 갈고리에 각 1개 씩, 총 2개의 RCC장치로 체결한 13C2 실험체에서는 RCC장치가 90° 갈고리에 체결된 상태에서 띠철근 직경 10mm인 경우와 비교할 때 갈고리의 벌어진 각 도는 보다 작았다.

    결과적으로 실험 종료 후 갈고리 변형 형태 비교 로부터 기준에서 제시한 콘크리트 피복두께를 적용 하지 않은 실험체에서는 Fig. 16에서 보는 바와 같이 갈고리의 RCC장치를 90° 갈고리에 체결하더라도 실 험 종료 이후 갈고리 벌어짐 정도가 발생하지 않았 으나, 본 연구 실험의 콘크리트 피복두께를 준수한 실험체에서는 Fig. 15에서 보는 바와 같이 최대 하중 값 이후 콘크리트 피복두께 탈락한 다음 RCC장치가 매입되어 있던 콘크리트와 함께 동시에 탈락되어 결 과적으로 갈고리 형태는 대부분 최종 외부 바깥 방 향으로 벌어지는 현상이 발생하였다.

    이의 결과로부터 기준의 콘크리트 피복두께가 적 용하지 않은 실험체와 피복두께를 준수한 경우의 실 험체와 비교할 때 균열 진전 및 파괴 양상은 달랐으 며, 실험 종료 후 최종 갈고리 변형 형태도 다르게 나타났다.

    그러므로, 최대 하중값의 상승효과로 인한 기둥 내력 증진에는 RCC장치가 효과적인 것은 알 수 있 으나, 최대 하중값 이후 내진갈고리와 같은 등등 이 상의 연성거동과 같이 보다 안정적인 정착거동을 보 이기 위해서는 Fig. 17과 같이, RCC장치 상세가 묻 힘 길이를 더 길게 하고 ‘ㄷ’자 형태 끝단의 위⋅아 래 방향으로 뻗어 있는 다리를 좀 더 길게 개선하여 콘크리트 내에 매입된 상태에서 보다 확실한 정착효 과를 발휘하도록 해야 할 것으로 사료된다.

    4. 결론

    국내⋅외 콘크리트기준에서 제시한 철근콘크리트 기 둥의 콘크리트 피복두께 40mm를 준수한 실험체에서 내진갈고리(Seismic hook)의 띠철근과 “RCC장치”로 90° 갈고리에 체결한 띠철근의 인발실험에서 도출된 결과는 다음과 같다.

    • 1) 작용하는 하중에 대하여 띠철근의 거동에서 띠철근 D10과 D13의 사용 및 체결된 RCC장 치의 사용 개수에 무관하게 내진갈고리의 띠 철근과 RCC 장치로 90° 갈고리에 체결한 띠 철근은 최대 하중값까지 유사한 거동을 보였 으며 인발하중에서는 약 20%이상의 상승된 높은 값을 보여 더 우수한 정착성능을 보여 주었다.

      그러나, 최대 하중값을 기준으로 그 이후 급 속한 하중 감소를 보여주고 있으므로 이의 개 선을 위하여 RCC장치의 매입 길이와 장치 끝 단의 위⋅아래 뻗어있는 다리의 길이를 좀 더 길게 하는 등의 형상 변경이 요구된다.

    • 2) 작용하는 하중에 대하여 띠철근 변형률 관계 와 RCC장치 자체의 변형률의 비교로부터 135° 각의 내진갈고리 갖는 띠철근과 RCC장 치로 90° 갈고리에 체결한 띠철근은 작용하는 하중 상태에 따라 유사한 거동을 보였다.

      특히, RCC장치 자체의 변형률을 확인한 결과 90° 갈고리에 체결된 상태를 고려할 때 하중 상태에 따라 내진갈고리의 띠철근과 유사한 거동을 보여 주었다.

    • 3) 콘크리트 피복두께 40mm가 적용된 실험체의 콘크리트 균열 진전 및 실험체 파괴 양상의 비교로부터 내진갈고리를 갖는 띠철근과 RCC 장치로 90° 갈고리에 체결한 띠철근은 유사한 파괴 특성을 보여 주었다.

    • 4) 최종 파괴 후 갈고리 형상 비교에서, 콘크리트 피복두께 탈락 후 RCC장치로 체결한 띠철근 갈고리의 경우 외부 바깥쪽으로 벌어진 상태 를 보여 주고 있어, 기존 콘크리트 피복두께를 준수하지 않는 실험체에서 두꺼운 피복 콘크 리트 자중에 의한 압력에 따라 띠철근 갈고리 가 콘크리트 심부(Core) 방향으로 매입된 형태 와는 다르게 나타났다.

    이는 콘크리트 피복두께가 두꺼워질수록 RCC장 치의 정착성능에 기여하고 있음을 보여 주는 결과이다.

    이상과 같은 결론으로부터 국내⋅외 콘크리트 구 조기준에서 제시한 콘크리트 피복두께 40mm에서 RCC장치로 90° 갈고리에 체결하는 방법은 인발실험 에서 내진갈고리와 최대 하중값까지는 동등한 구조 적 성능이 발휘되는 것으로 평가할 수 있다.

    그러나, 최종 파괴 후 갈고리 형상 비교에서와 같이 내진갈고리와 같은 최대 하중값 이후의 거동을 보이기 위해서는 좀 더 우수한 합성거동의 정착성능 의 확보가 필요하며 이를 위하여 RCC장치 형상의 상세 개선을 실시하고, 그 이후 추가 실험을 통한 구조성능 검증이 요구된다.

    감사의 글

    본 논문은 CH건설기술의 재원으로 지원을 받아 실 험은 ㈜페트라텍에서 수행된 연구로 이에 감사 드립 니다.

    Figure

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    135° Standard Hook of Hoop
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    Preexisting Research Case
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    RCC (Rebar Confinement Clip)
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    SK5M-S Steel Tensile Test Results
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    Composite Concept of Bond & Anchorage Force
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    Details of Specimens
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    Steel Tensile Test Results
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    Test Setup of Specimen
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    Comparisons of Load- max 30mm Displacement Relationships
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    Comparisons of Applied Load Displacement Relationships
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    Comparisons of Concrete Cover Thickness Influence
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    Comparisons of Final Tie-hook Patterns
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    Crack Patterns of Specimens after Ultimate Failure
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    Comparing the Preexisting Experiments with the Crack Progress of this Experiment
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    Comparisons of Final Tie-hook Patterns
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    Hook Patterns of Preexisting Experiment
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    Shape Improvement of RCC

    Table

    Materail Properties of RCC
    Specimen Classification
    Pull Out Experimental Results
    Comparison with Preexisting

    Reference

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