현대산업개발토목개발팀 (2008. 4. 14. 접수 / 2008. 10. 27. 채택 ) Experimental Study on Development Length of Prestressing Strand in Pretensioned Prestressed Concrete Members Eui-Sung, Kim Civil Development Team, Hyundai Development Company (Received April 14, 2008 / Accepted October 27, 2008) Abstract : y bond mechanism between the prestressing strand and the concrete surrounding it, the effective force of prestressing must be transferred to the concrete entirely. The distance required to transfer the effective force of prestressing is called the transfer length, and the development length is the bond length required to anchor the strand as it resists external loads on the member. Transfer length was determined from the concrete strain profile at the level of the strands at transfer and development length was determined from various external loading lengths and compared with current code equation. Through the test results, bond failure is predicted based on the distress caused by cracks when they propagate within the transfer zone of prestressing strand. The current code equation was found to be conservative in comparison with the measured value. Key Words : bond, prestressing strand, transfer length, development length, bond failure, flexural failure 1. 서론 * 프리텐션프리스트레스트콘크리트부재 (PSC) 는토목, 건축분야구조물전반에걸쳐다양하게사용되고있으며그부착특성에대한연구들이지속적으로수행되고있다 3-11). 프리텐션 PSC 부재는강연선의유효긴장력을강연선과이를둘러싸고있는콘크리트의부착응력에의해콘크리트에전달함으로써콘크리트부재의단점인인장응력의발생을감소시키고자하는부재이다. 전달길이 (transfer length) 는이러한강연선의유효긴장력을콘크리트로전달시키는데필요한최소한의길이이며, 정착길이 (development length) 는전달길이와휨부착길이의합으로써외부에서주어지는하중에의해부착파괴를일으키지않는최소한의길이이다. 프리텐션 PSC 부재단부에외부하중이작용할때그작용거리가정착길이보다짧게되면, 강연선이부담하여야할긴장력을전달할충분한정착길이가확보되지못하기때문에강연 eskim@hyundai-dvp.com 선은콘크리트내부로슬립이발생하게되며, 이로인해긴장력손실이발생하게되어부재의취성파괴로이어진다. 따라서 PSC 구조물의안전성확보를위한정착길이의정확한산정과그영향요인의파악은매우중요하다할수있으며, 이를위해본연구에서는 PSC 부재부착메커니즘의실험적이해와이를통한전달길이의산정, 그리고외부하중에의한휨및부착파괴거동분석을통한정착길이평가를실시하였다. 2. 실험 2.1. 시험체제작본연구에서는극한강도 1,900MPa 의저응력이완프리스트레싱강연선 (seven-wire strand) 을사용하였으며, 강연선극한강도의 75% 로긴장하였다. 콘크리트의압축강도는긴장력도입시 35MPa, 28일설계강도 50MPa로배합설계하였으며, 부재의길이는 3m로휨및전단파괴를모두유도할수있도록하였다. 부재의단면은 ig. 1에서보는바와같이 115
ig. 1. Cross sections of test specimens. ig. 2. Labelling of test specimens. 강연선직경 12.7mm, 15.2mm 에대해측면피복두께 (Cs) 를 50mm 로일정하게하고, 하면피복두께 (Cb) 는 30, 40, 50mm 로변화시켜이에대한영향을평가하였다시험부재의구분은강연선의직경과콘크리트피복두께를변수로하며 ig. 2 와같다. 2.2. 전달길이평가 ig. 3 과같이부재측면에 50mm 간격으로변형률측정센서 (Demec gage point) 를부착한후, 측정기기 (Demec gage) 를이용하여긴장력을도입한직후의부재길이방향콘크리트변형률을측정하였다. 측정된콘크리트변형률로부터 ig. 4 에서보는바와같이 95% AMS 1) 방법을이용하여부재의전달길이를산정하였다. ig. 4. Calculation method of transfer length (95%AMS). 2.3. 정착길이평가 정착길이는재하위치에따른프리텐션 PSC 콘크리트부재의파괴거동에의해결정된다. 본연구에서는동일한조건의시험체를대상으로하중재하위치에따른부재거동을분석함으로써휨파괴와부착파괴의경계점을평가하였다. (a) Damec Gags (b) Demec Gage Point ig. 3. Details of Demec gage and Demec gage point. ig. 5. Instruments for evaluating development length. 116 Journal of the KOSOS, Vol. 23, No. 6, 2008
즉, 1 개실험 series 당 4 개의시험부재를제작하여순차적으로하중재하를실시하되휨파괴가발생하면하중재하위치를다시조정하는일련의과정을반복함으로써부착파괴가유도되는경계재하위치를평가하였다 (ig. 5). 또한부재단부에 ig. 5 와같은길이변화측정기를설치하여하중재하시강연선의슬립양을측정하였다. 3. 실험결과분석 3.1. 부착응력과슬립과의관계 강연선변형률로부터의응력과콘크리트변형률값을통한강연선과콘크리트의상대변형률차로부터슬립을산정하여부착응력 - 슬립관계를도출하였다. 부착응력 - 슬립그래프는직경 12.7mm, 15.2 mm 강연선에대해 ig. 6, ig. 7 과같다. ig. 6, ig. 7 로부터도출된콘크리트와강연선의상대적인부착응력 - 슬립관계식은다음과같다. 직경 12.7mm 강연선의부착응력 - 슬립관계식 (1) 직경 15.2mm 강연선의부착응력 - 슬립관계식 (2) 여기서, τ = 부착응력 (MPa), s = 슬립, d b = 강연선의직경 직경 15.2mm 의강연선의경우직경 12.7mm 의강연선에비해동일한슬립에의해발생하는부착응력의크기가상당히감소하는것으로나타났다. ig. 6. ond stress-slip relationship for φ12.7mm strand. ig. 7. ond stress-slip relationship for φ15.2mm strand. 이러한부착응력 - 슬립의관계식은외부하중에의해프리텐션 PSC 부재에의해발생하는균열폭및간격을예측하는데유용하게적용될수있다. 3.2. 전달길이측정결과 긴장력도입직후전달길이측정결과는 Table 1 과같다. 전달길이는프리스트레싱강연선의직경이클수록커지는양상을나타내었으며, 콘크리트의하부피복두께가증가할수록감소하는경향을보였다. 콘크리트피복두께의영향을살펴보면, 피복두께 40mm, 50mm 의경우, ϕ15.2mm 의강연선을사용한부재에서 ϕ12.7mm 를사용한부재에비해전달길이가평균 8.5% 정도증가하였으나, 피복두께가 30 mm 인경우에는약 2 배정도인 18.6% 가증가하였다. 3.3. 정착길이측정결과 정착길이산정시에는재하시험후부재의파괴모드를평가하여야한다. PSC 부재의휨파괴시에 Table 1. Test results of transfer length 구분 13C3-1 13C3-2 13C3-3 13C3-4 13C3-1 13C3-2 13C3-3 13C3-4 13C5-1 13C5-2 13C5-3 13C5-4 12.7mm Strand 전달길이 753 724 732 741 675 680 665 654 620 634 615 625 평균 737.5 668.5 623.5 구분 15C3-1 15C3-2 15C3-3 15C3-4 15C4-1 15C4-2 15C4-3 15C4-4 15C5-1 15C5-2 15C5-3 15C5-4 15.2mm Strand 전달길이 897 887 875 840 712 732 725 751 690 675 654 680 평균 874.8 730.0 674.8 한국안전학회지, 제 23 권제 6 호, 2008 년 117
ig. 8. Strain distributions of prestressing strand(flexural failure). 는일반적으로상부콘크리트의변형률이 0.003 을초과하고, 단부의강연선과콘크리트사이의슬립이발생하지않는다. 또한부재단부에서전달길이사이구간의강연선변형률이하중에의해큰변 ig. 9. Strain distributions of prestressing strand(bond failure). 화를보이지않으며 (ig. 8) 4,11) 하중재하위치하면에서상면으로휨균열이진행된다. 부착파괴의경우외부하중에의해증가되는강연선의응력증가분이강연선과콘크리트사이의 (a) 12.7mm diameter strand (b) 15.2mm diameter strand ig. 10. Crack patterns and failure modes of pretensioned prestressed concrete members. 118 Journal of the KOSOS, Vol. 23, No. 6, 2008
부착력에의해평형상태를이루지못하고슬립이발생하여강연선의유효프리스트레스가손실된다. 이러한급격한유효프리스트레스손실로인해외부하중을콘크리트가전부부담하게되어취성파괴가발생하게된다 4,8). 부착파괴시에는재하위치에서단부방향으로사인장균열혹은전단균열이발생하며, 이러한균열발생후급격히부재가파괴되었다 (ig. 9). 시험부재별재하위치에따른균열양상과파괴모드는 ig. 10 과같다. 하중에따른시험부재의처짐, 강연선 - 콘크리트상대슬립그래프는 ig. 11 과같다. 대부분의경우강연선의슬립이발생하는경우는부착파괴, 슬립이발생하지않는경우는휨파괴가발생하는것으로나타났다. Table 2. Test results of development lengths 구분 13C3-1 13C3-2 13C3-3 13C3-4 13C4-1 13C4-2 13C4-3 13C4-4 13C5-1 13C5-2 13C5-3 13C5-4 재하길이 1300 1425 1275 1300 1250 파괴모드 : 휨파괴, : 부착파괴 정착길이구분 15C3-1 15C3-2 15C3-3 15C3-4 15C4-1 15C4-2 1312 15C4-3 15C4-4 15C5-1 15C5-2 1275 15C5-3 15C5-4 재하길이 1550 1430 1425 1275 1300 1250 파괴모드 S/ 정착길이 1500 1320 1280 본연구를통해평가된정착길이결과는 Table 2, ig. 12 와같다. ig. 12 에서보듯직경 15.2mm 의 ig. 11. Load-deflection, load-end slip curves of pretensioned prestressed concrete members. 한국안전학회지, 제 23 권제 6 호, 2008 년 119
싱강연선의콘크리트와의부착응력 - 슬립관계식을도출하였으며, 강연선의직경, 콘크리트피복두께에따른전달길이를평가하였다. 또한하중재하실험을통해부재의파괴거동에대한분석을실시하여정착길이를평가하였으며, 강연선의직경및콘크리트피복두께에대한영향을분석하였다. 본연구를통해얻은결론을요약하면다음과같다. ig. 12. Development length vs. concrete cover. ig. 13. Comparison between test results and code provisions. 강연선을적용한경우직경 12.7mm 의강연선을적용한경우보다정착길이가증가하는것으로나타났다. 12.7mm 직경의강연선을적용한경우에는콘크리트피복두께가증가할수록정착길이가선형적으로감소하지만, 15.2mm 직경의강연선을적용한경우에는피복두께 30mm 에서정착길이의급격한증가를보였다. 본연구를통해도출된정착길이결과와식 (3) 과같은현시방서규정 2) 에의한정착길이를 ig. 13 에비교하였다. (3) 여기서, l d = 정착길이, f se = 유효프리스트레싱응력 (MPa), f ps = 설계시강연선의파괴응력 (MPa) 4. 결론및토의 본연구에서는프리텐션프리스트레스트콘크리트부재를제작하여전달길이및정착길이평가를위한실험을수행하였다. 실험을통해프리스트레 1) 직경 15.2mm 프리스트레싱강연선의경우직경 12.7mm 와비교하여동일한슬립에의해발생하는부착응력의크기는감소하였다. 2) 피복두께 40mm, 50mm 의경우, ϕ15.2mm 의강연선을사용한부재에서 ϕ12.7mm 를사용한부재에비해전달길이가평균 8.5% 정도증가하였으나, 피복두께가 30mm 인경우에는약 2 배정도인 18.6% 가증가하였다. 3) 부착파괴의경우콘크리트단부의강연선과콘크리트사이의슬립이발생하면서급작스러운취성파괴가발생하였으며, 재하위치에서단부방향으로사인장균열혹은전단균열이진행되었다. 4) 전달길이와비슷한양상으로직경 12.7mm 의강연선을적용한시편의경우보다직경 15.2mm 의강연선을적용한시편의정착길이가더큰값을보였으며, 특히 15.2mm 직경의강연선을적용한경우피복두께 30mm 에서정착길이의급격한증가를보였다. 5) 직경 12.7mm, 15.2mm 를적용한본실험시편의정착길이실험결과는현시방서규정에의한정착길이산정결과보다다소작게나타났으며, 실험결과에따르면정착길이는콘크리트피복두께에영향을많이받는것으로나타났다. 하지만, 현행시방서의경우콘크리트피복두께의영향을고려하지못하고있어, 향후이에대한추가연구가필요할것으로판단된다. 참고문헌 1), 프리텐션프리스트레스트콘크리트부재의전달영역해석및전달길이예측, 박사학위논문, 서울대학교, 2000. 2) 한국도로교통협회, 도로교설계기준, p. 348, 2005. 3) Kahn L.. et al., Transfer and Development Length of 15-mm Strand in High Performance Concrete Girders, Journal of structural engineering, ASCE, 128(7), 913~ 921, 2002. 4) Russell,. W., Design Guidelines for Transfer, De- 120 Journal of the KOSOS, Vol. 23, No. 6, 2008
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