150MPa 초고강도 콘크리트와 철근의 부착응력 평가

Abstract

철근콘크리트 구조물은 사용하중에서도 인장부에 균열이 발생하기 쉬우며, 균열이 발생한 부위에서는 부착력이 급격히 저하되어 철근의 응력이 콘크리트로 전달됨에 따라 응력재분배 현상이 발생하게 된다. 따라서 부착 면에서의 응력전달 현상은 균열의 전파와 함께 중요한 과제로 지적되어 왔다. 특히 현대구조물의 초고층화, 초대형화 추세에 따라 콘크리트의 초고강도화가 급격히 요구되는 상황에서 철근과 콘크리트의 부착성능평가는 매우 중요한 사항이다. 따라서 본 연구에서는 철근의 직경과 콘크리트 피복두께를 주요 변수로 150MPa의 압축강도를 가지는 콘크리트와 철근의 부착력을 비교하여 보통강도 콘크리트에 대한 기존의 부착력 산정방법이 초고강도 영역에서도 적용가능한지에 대하여 고찰하는데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 콘크리트 피복두께, 피복두께 비, 철근의 직경, 겹침이음 길이 각 변수로 콘크리트 강도 및 철근의 인장응력의 변화만을 변수로 한 부착실험과 휨 실험 부재의 하중-처짐의 관계와 철근의 미끄러짐(slip), 철근 겹침이음에 영향을 주는 콘크리트 압축강도, 철근의 겹침이음 길이 변화, 철근간격 변화, 전단철근의 유무에 따른 역학적 특성, 파괴형태를 파악하고 기존 제안식과 비교분석하기 위하여 부착실험 9개와 휨 실험 9개로 하여 총 18개의 실험체를 계획, 제작하였으며, 주요 변수는 다음과 같다. 1) 콘크리트의 압축강도() : 150MPa 2) 콘크리트의 피복두께(Concrete Cover) : 30, 40, 50mm 3) 철근의 직경(Bar Diameter) : D19, D22, D25 4) 철근의 부착길이(Embedment Length) : 5 본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 각 장별 주요내용은 다음과 같다. 제 1장 : 연구배경 및 철근과 콘크리트의 부착메커니즘, 기존연구, 연구목적 및 범위 제 2장 : 초고강도 콘크리트의 역학적 특성 제 3장 : 실 험 제 4장 : 실험결과와 기존규준식 및 제안식의 비교분석 제 5장 : 결 론 본 연구에서는 철근콘크리트의 부착응력 평가를 위하여 각 변수에 따른 부착실험과 휨 실험을 수행하였으며, 실험결과 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 부착실험 1) 본 연구에서는 각 변수별로 임계 미끄럼이 일어나는 단계가 일정하지 않은 것으로 나타났다. 이는 재하단 철근의 미끄럼이 0.25mm 발생하였을 때 임계부착응력이 발생하지 않았음을 알 수 있었다. 2) 파괴모드는 피복두께비가 2.0을 넘을 경우 대체적으로 철근이 절단되는 파괴현상이 나타났으며, 피복두께비가 2.0이하인 경우는 쪼갬 파괴가 발생하였다. 3) 철근 직경에 따른 부착응력은 철근 직경이 D19일 때와 D22일 때가 D25인 경우보다 큰 최대부착응력을 나타냈으며, 철근의 직경은 초고강도 콘크리트일 경우에도 최대부착응력에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 4) 초고강도 영역에서 피복두께 30mm에서는 최대부착응력이 철근의 직경에 따라 차이가 크게 나타났으나, 콘크리트 피복두께가 40mm이상일 경우 최대부착응력에 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났으며, 피복두께 40mm와 50mm간에는 서로 큰 차이를 보이지 않았다. 5) 피복두께비(C/db) 1.5까지는 부착응력이 증가하나 1.5 이상에서는 변수에 관계없이 거의 일정한 부착응력값을 나타내어 피복두께비 1.5이상은 부착거동에 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 6) 기존 ACI식과의 비교에서는 ACI최대부착응력이 각 변수별로 1.6~3.6배 높게 나타났으며, 실험결과가 높게 나타난 것은 부착길이가 짧아 국부부착응력(local bond stress)이 발생하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Zsutty의 제안식은 1.29배로 높게 나타나 실험결과가 ACI식 보다 Zsutty의 제안식에 더 근접하는 것으로 나타났다. 휨 실험 1) 철근 D19에서는 매우 취성적인 파괴가 발생하며, 철근 D25에서는 연성거동 발생 후 취성파괴가 발생한다. 즉, 철근의 직경이 클수록 연성거동을 보였다. 2) 초기 균열 발생 단계에서 임계 미끄럼이 0.06mm 이후 급격하게 미끄러지는 현상을 보였다. 이는 휨 파괴를 하면서 화학적 부착력이 더 이상 부착에 영향을 미치지 못하고 마찰의 단계로 넘어갈 때 크게 증가하는 것으로 판단된다. 3) 휨실험체의 경우 9개 모든 실험체가 초기 균열이 중앙부에 위치한 겹침이음 길이 양단 끝부분에서 시작되어 지점 방향으로 확산되는 현상을 보였다. 4) 기존식과 비교 결과에서는 실험결과 보다 Orangun, Jirsa, Breen과 Zuo, Darwin식이 1.07~3.9배 높게 나타났다. 이는 Orangun, Jirsa, Breen과 Zuo, Darwin식에서는 마디에 대한 영향을 반영하지 않았기 때문인 것으로 판단된다.; The purpose of this paper is to evaluate the bond characteristics of 150MPa ultra high-strength concrete and reinforcing steel. In this study 9 specimens for the pull-out test and 9 specimens for the bending test are performed to evaluate the mechanical bond characteristics according to changes of the tensile stress and the concrete strength but there are many variables to decide the basic structural behavior of ultra high-strength concrete. The major variables are slip of the bar and load- deflection, compressive strength effected on lap splice, the change of the bar lap splice, the change of bar spacing, the shearing bar existence and nonexistence. The results confirmed that the bond stress has decreased when the bar diameter has increased and bond stress has increased when the covering depth increased. Also it show the ductile behavior when the bar diameter increased and the sharply sliding phenomenon after the sliding appeared 0.06mm in the early age cracking. Besides the early age cracking happened lap splice length. The experimental results show lower 1.07-3.9 times than Orangun, Jirsa, Breen and Zuo, Darwin equations. (1) Concrete Compressive Strength : 150MPa (2) Concrete Cover : 30, 40, 50mm (3) Bar Diameter : D19, D22, D25 (4) Embedment Length : 5 This thesis consists of 5 Chapters as follows. Chapter 1 : Background of investigation, previous research, purpose, and scope of this study. Chapter 2 : Mechanical properties of high strength concrete. Chapter 3 : Materials, Test Chapter 4 : Test results, comparison test results with proposed equations. The following conclusions were drawn from the analysis and comparison of test results. Bond Test 1) The current study revealed that the critical bond stress per different variables were inconsistent. When the slip occurred at 0.25mm on the bar, critical bond stress didn't take place. 2) When the ratio of concrete cover was higher than 2.0, the bar broke, showing a splitting failure and when the ratio was lower that 2.0, splitting failure occurred. 3) The bond stress was at the highest on D25 than it was D19 or D22. The bar diameter had little effect on the limited even when the ultra high-strength concrete was used. 4) For the ultra high-strength concrete, when the concrete cover exceed 40mm, the concrete cover had little effect on the maximum bond stress. When the concrete cover is 30mm, the maximum bond stress showed significant different according to the bar diameter. But at 40mm and 50mm, There was no significant difference. 5) Up to ratio of concrete cover of 1.5, the bond stress increased. But when the ratio is higher than 1.5, bond stress was consistent no matter what other variables were changed. Therefore, any ratio of concrete cover higher than 1.5 has no real impact on the bond movement. 6) Compared to the existing ACI Form, the maximum bond stress value showed a result values is 1.6 to 3.6 times higher, representing a safe level. The reason for higher value seems to have come from the occurrence of local bond stress coming from the shorter bond length. Because result value is 1.29 times higher than the proposal formula of Zsutty, the test result is close to the proposal formula of Zsutty. Bending Test 1) D19 reinforcing bar occur to very brittle failure, and D25 reinforcing bar occur to brittle failure after ductility movement. 2) It shows the rapidly slip after 0.06mm in the early age cracking. It proves that the chemical bond force no longer affect the bond with bending failure when it moves to the next stage. 3) In case of the bending specimen, All 9 specimens show the phenomenon which the early age cracking diffuse, beginning at the both parts of the end. 4) In comparison with the existing formula, it appear that Orangun, Jirsa, Breen and Zuo, Darwin formulas are higher 1.07~3.9 times than the experiment result. It proves that Orangun, Jirsa, Breen and Zuo, Darwin formulas does not reflect an effect on transverse reinforcement.