1.서 론

선행연구[1, 2]에서는 중공 철근콘크리트 교각단면을 위한 물량저감 철 근상세를 개발하고 그 타당성을 검증하였다.

경제성과 합리성을 고려하여 개발된 물량저감 철근상세는 내측 횡철근 의 생략 내지 감축을 실현하였으며 배근작업의 편의성과 급속시공 등을 통 해 공사 기간을 단축시키고 안전성을 제고하였다.

중공단면 교각은 사용재료의 절감과 수화열의 효율적인 제어 등 경제적, 시공적 이점이 있을 뿐만 아니라 동일한 단면적을 갖는 중실단면 교각과 내 진성능이 유사하여 최근에는 고속도로 교량 및 기타 교량에 널리 적용되고 있다[3-7].

이러한 중공단면 교각을 위한 내진설계 기준은 현재까지 명확하게 정립 되지 못하였으며 일반적으로 중실단면 교각으로 치환하여 설계기준[8]에 제시되어 있는 횡철근비로 설계되고 있는 실정이다. 이러한 설계법은 보수 적인 설계결과를 제공할 수 있지만 바람직한 방법이라고는 할 수 없다.

중공단면 교각은 축방향으로 내외측 축방향철근을 배근하고 이를 각각 둘러 감도록 내외측 횡철근을 배근하며, 최종적으로 내외측 축방향철근에 보강 횡철근을 배근하는 방식으로 시공된다. 이러한 방법은 내외측 횡철근 과 보강 횡철근 사이에 배근간섭이 발생하고 배근공간 확보 등 어려운 문제 점을 갖고 있다.

선행연구에서는 이러한 중공단면 교각의 문제점을 개선하기 위하여 외 측 횡철근과 보강 횡철근에 의한 삼각망을 구성하여 내측 횡철근의 생략 내 지 감축을 실현한 새로운 철근 배근상세와 이에 대한 시공방법을 개발하였 다(Fig. 1).

개발된 물량저감 철근상세는 중공단면의 거동 특성을 고려하며 합리성 과 경제성을 동시에 만족시킬 수 있다. 즉 축방향철근이 기존의 배근구조보 다 내측보다 외측에 상대적으로 많이 배근되어 구조적으로 유리한 거동 특 성을 나타내며 외측 횡철근과 보강 횡철근이 구성하는 삼각망에 의한 구속 응력으로 콘크리트의 3축 구속을 충분하게 실현하기 때문에 취성 파괴에 유리하게 저항할 수 있다. 이를 통해 소성거동 능력에 미치는 영향이 미미한 내측 횡철근[9]을 생략 내지 감축할 수 있으며 급속시공이 가능하며 중공 철근콘크리트 교각의 내진설계를 할 때 심부구속을 위한 횡방향철근량 산정에 관한 문제점 등을 해결할 수 있다.

이 연구의 목적은 선행연구에서 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철 근콘크리트 교각단면의 적용확대를 위해 외측 횡철근과 삼각망 보강 횡철근 의 간격 조정과 최소화 등을 통한 물량저감 방안, 현재 0.7 까지의 중공치수비 (내경/외경) 적용을 0.8 까지 확대하는 방안 등을 검증하고 평가하는데 있다.

2.새로운 중공 철근콘크리트 교각단면 실험체

2.1실험체의 설계

선행연구[1, 2]에서 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리 트 교각단면의 적용확대를 위해 제시한 방안 등을 평가하고 검증하기 위하 여 Fig. 2 ~ 4와 같은 실물크기의 실험체를 설계하였다. 실험체는 국내외 중공단면 교각의 설계 및 시공사례를 분석하여 도출된 대표단면을 근거로 하였으며 중공치수비는 0.8로 결정하였다.

실험체의 변수는 단면의 형상, 철근상세, 횡방향 철근의 수직간격이며, 각 변수의 경우에 따라 Table 1과 같은 6개 실험체가 설계되었다. 이때 R은 사각형, C는 원형, H는 중공단면, C는 기존, T는 개발 그리고 BS는 횡철근 중심간 간격이 축방향 철근 지름의 6배를 의미한다.

교각단면 실험체는 실험설비의 능력을 고려한 실물 크기의 부분실험체로 제작하였으며 실제와 같은 경계조건을 갖도록 하여 실물실험과 같은 효과를 나타내었다. 특히 원형단면 실험체의 경우 강체부분을 함께 제작하여 전체 단면의 중공교각과 같은 경계조건을 갖도록 하였으며 이때 횡방향 철근은 강체부분 보강철근까지 삽입과 연결을 통해 실제 거동특성을 구현하였다.

삼각망 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각단면의 설계는 도로교 설계기준[8], 콘크리트구조기준[10], 그리고 AASHTO LRFD[11]를 근 거로 현행 심부구속 횡방향철근량 산정식을 준용하였다. 실험체의 설계는 부재의 제작과정을 통해 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검토 하고 반영하여 시공성을 고려하였다.

이 연구에서는 삼각망 보강 횡철근을 적용하여 내부에 콘크리트가 완전 히 채워지는 중실 철근콘크리트 기둥에서 단면을 가로지르는 보강 띠철근 의 생략 내지 감축을 도모할 수 있도록 하였으며 이를 검증하기 위하여 Fig. 3 과 같은 사각형 중실단면 실험체를 설계하였다.

중실단면 기둥은 보강 띠철근 때문에 시공성이 떨어지는 단점이 있다. 시공 현장에서 기둥 단면을 가로지르면서 보강 띠철근을 배근해야 하는데, 이 배근작업은 번거로울 뿐만 아니라 많은 작업시간이 필요하고 경우에 따 라 축방향 철근의 전도 방지를 위해 크레인을 사용하여야 한다. 또한 보강 띠철근은 콘크리트 골재와의 간섭으로 콘크리트 타설시 품질을 저하시키 기도 한다.

이 연구에서는 이러한 중실단면 기둥의 철근 배근 문제를 개선하고자 Fig. 3(c)와 같이 축방향으로 배근되는 외측 축방향철근과 2본 또는 3본의 외측 축방향철근 사이에 위치하도록 배근되는 내측 축방향 철근, 외측 축방 향철근 바깥을 둘러 감으면서 배근되는 외측 횡철근과 외측 축방향철근과 내측 축방향철근을 삼각망으로 연결하는 보강 횡철근을 주요 특징으로 하 는 물량저감 철근상세를 개발하였다. 이때 내측 축방향 철근은 기둥 축방향 철근으로 설계되는 것은 물론, 단지 외측 축방향철근과 삼각 구도를 형성시 키기 위한 조립철근으로 강성에 포함되지 않게 단순 조립철근으로 설계하 는 것도 가능하다.

이러한 삼각망 철근상세는 축방향철근, 횡철근, 보강 횡철근을 매개변 수로 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)[12]를 이용한 사전 해석 등을 통해 가장 적절한 형태로 개발되었다. 개발된 중실 철근콘크리트 기둥의 철근상세는 배근작업이 손쉽고 급속시공이 가능하며 경제성과 합 리성이 고려된 새로운 철근 배근상세이다.

2.2실험체의 제작

교각단면 실험체는 비교․ 검증을 위하여 Fig. 5 ~ 7과 같이 사각형 중공 단면 실험체, 사각형 중실단면 실험체 그리고 원형 중공단면 실험체를 제작 하였다.

실험체군은 기존 철근상세를 갖는 실험체[C-RHC-BS, C-RSC-BS, C-CHC-BS]와 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 실험체[C-RHT-BS, C-RST-BS, C-CHT-BS]로 구성된다.

성능평가를 위한 사각형단면 실험체와 원형단면 실험체의 제작과정을 Fig. 5 ~ 7에 나타내었다. Fig. 5(a), 6(a), 7(a)는 철근조립이 완성된 모습 이며 철근의 국부적 거동특성에 대한 분석을 위하여 계측용 게이지를 부착 하였다. Fig. 5(b), 5(c), 6(b), 6(c), 7(b), 7(c)는 각 실험체의 축방향철근, 횡철근 그리고 보강 횡철근에 대한 철근상세를 나타낸다. Fig. 5(d), 6(d), 7(d)는 사각형 중공단면 실험체, 사각형 중실단면 실험체 그리고 원형 중공 단면 실험체의 거푸집 모습이다. Fig. 5(e), 6(e), 7(e)는 각 실험체에 콘크 리트를 타설하는 모습이다. Fig. 5(f), 6(f), 7(f)는 콘크리트 타설후 재하면 에 대한 면 마무리를 하는 모습이다. 그리고 Fig. 5(g), 6(g), 7(g)는 최종적 으로 완성된 사각형 중공단면 실험체, 사각형 중실단면 실험체 그리고 원형 중공단면 실험체의 모습이다.

3.새로운 중공 철근콘크리트 교각단면 실험체의 파괴실험

3.1개요

개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각단면의 적용 확대를 위한 방안을 평가하고 검증하기 위하여 기존 철근상세를 갖는 실험 체와 함께 파괴실험을 수행하였다. 심부 콘크리트에 철근상세 등에 따른 구 속력을 발현시키도록 Fig. 8과 같이 등분포 압축하중을 재하하였다. 이때 재하판의 변형을 방지하기 위해서 재하판 두께를 충분히 확보하였으며 재 하판의 도심과 성능시험기의 중심이 일치하도록 하여 편심의 영향을 최소 화하였다.

재하실험은 30 MN 용량의 성능시험기를 사용하였다. 실험체에 똑같은 속도로 변위를 가하면서 충격을 주지 않도록 하였으며 이때 재하속도는 0.01 mm/sec로 하였다. 실험체 양 끝단에서 사각형단면 실험체는 290 mm, 원형단면 실험체는 240 mm 위치까지 확폭구간을 제작하여 단부에서 의 국부파괴를 방지하고 복부파괴를 유도하였다. 그리고 측정된 하중-변위 관계로부터 축방향 하중-변형률 관계를 도출하였다.

실험체에는 축방향철근, 횡철근, 그리고 보강 횡철근에 Fig. 9와 같이 변 형률 게이지를 부착하였으며 하중 재하점의 변위와 하중은 성능시험기에 설치된 변위계와 로드셀에 의해 계측하였다.

3.2검증 및 고찰

검증 실험체에 대한 축하중-축변형률 곡선을 Fig. 10 ~ 12에 나타내었 다. 또한 각 실험체의 최종 재하 단계에서의 파괴 양상과 설계축강도를 함께 나타내었다. 모든 실험체는 피복콘크리트의 박리, 축방향철근의 좌굴 그리 고 횡방향철근의 파단 등에 의해 내하력이 저하되는 일반적인 파괴 거동을 보였다.

개발된 삼각망 철근상세를 갖는 실험체[C-RHT-BS, C-RST-BS, C-CHT-BS]의 설계축강도는 9264.4 kN, 9284.1 kN, 8435.1 kN이며 실 험값은 각각 21668.7 kN, 18944.5 kN. 17638.8 kN이다. 그리고 기존 철 근상세를 갖는 실험체[C-RHC-BS, C-RSC-BS, C-CHC-BS]의 설계축강 도는 9395.7 kN, 9286.3 kN, 8435.1 kN이며 실험값은 각각 20475.3 kN, 21076.1 kN. 14946.0 kN이다(Table 2). 축강도 산정시 횡구속 콘크리트 의 압축강도 증가분은 현행 설계기준대로 고려하지 않았다.

물량저감 철근상세를 갖는 실험체[C-RHT-BS, C-RST-BS, C-CHT-BS] 의 경우 설계축강도의 210% 수준까지 내력이 나타나고 있으며 기존 철근 상세를 갖는 실험체[C-RHC-BS, C-RSC-BS, C-CHC-BS]의 경우 설계 축강도의 200% 수준으로 내력이 발휘되고 있다.Fig. 11.

Fig. 12에는 최종 재하 단계에서 원형 중공단면 실험체의 중공 내부를 함께 나타내고 있는데 대부분의 실험체가 파괴가 발생하지 않고 있다. 그리 고 일부 실험체의 경우 실험구간과 가력부의 확폭구간이 만나는 지점에서 파괴현상이 발생하였는데, 이는 실험구간 단면에 중심 축하중이 아닌 편심 축하중이 부분적으로 재하된 것으로 판단된다. 실험결과에서 이의 영향을 가능한 배제하여 실험결과 분석을 수행하였다.

교량상부의 하중을 지지하는 교각부는 연성거동을 확보하여 갑작스러 운 취성파괴를 방지하여야 한다[13]. 이 연구에서는 상당한 수준의 변형까 지 내력이 유지되고 있음을 평가하기 위해 실험체의 극한변형률을 확인하 였다. 극한변형률(ε_0.85P _max )은 Eurocode[14]를 근거로 축하중-축변형률 곡선으로부터 최대 내력에 비하여 저항능력이 15% 저하되었을 때의 변형 률을 극한변형률로 정의하였다.

삼각망 철근상세를 갖는 실험체[C-RHT-BS, C-RST-BS, C-CHT-BS] 의 극한변형률은 각각 0.0583, 0.0489, 0.0244이다. 그리고 기존 철근상세 를 갖는 실험체[C-RHC-BS, C-RSC-BS, C-CHC-BS]의 극한변형률은 각각 0.0388, 0.0669, 0.0183이다. 물량저감 철근상세를 갖는 실험체는 극 한강도 이후에도 상당한 수준의 변형까지 기존 철근상세를 갖는 실험체와 같이 내력을 유지하고 있음이 확인되었다(Fig. 13).

Fig. 13과 같은 정규화한 축하중-축변형률 포락곡선을 이용하여 실험변 수에 따른 거동특성 차이를 확인하였으며 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 새로운 중공 교각단면의 설계기준안 마련에 기본적인 자료로 사용될 수 있 을 것으로 판단된다.

이때 사각형 중실단면 실험체의 경우 다른 실험체와 다르게 삼각망 철근 상세를 갖는 실험체[C-RST-BS]가 기존 철근상세를 갖는 실험체 [C-RSC-BS] 보다 소요성능이 다소 낮게 나타났다. 개발된 물량저감 철근 상세는 모든 축방향철근을 삼각형 보강 횡철근이 둘러 감도록 되어 있으나 이 연구의 중실단면 실험체 크기에서 보수적으로 기존 철근상세를 갖는 단 면과 정량적으로 동일하게 비교하기 위하여 모든 축방철근에 삼각형 보강 횡철근을 배치하지 못했기 때문에 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다.

전술한 바와 같이 실험체 복부구간의 축방향철근, 횡철근, 보강 횡철근 에 변형률 게이지를 부착하여 삼각망 철근상세를 갖는 실험체와 기존 철근 상세를 갖는 실험체의 국부적 거동특성을 비교 · 분석하였다. Fig. 14와 같 이 횡철근과 보강 횡철근은 축하중의 변화에 따라서 변형률의 증가 또는 감 소가 발생하고 있으며, 항복변형률(2,000 microstrains) 내외에서 전반적 으로 유사한 거동특성을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

특히 Fig. 14(c)의 원형 중공단면 실험체를 통해 가력하중에 의해 콘크 리트가 중공 중심방향으로 변형함에 따라 아치로써 작용하여 내측 횡철근 에 압축변형률이 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 이로부터 내측에 배근된 횡철근은 단면의 아치 거동에 의한 압축력의 작용으로 횡구속력이 상쇄되 기 때문에 부재의 소성거동 능력에 미치는 영향이 미미하고 이에 따라 내측 횡철근을 생략 내지 감축한 삼각망 철근상세의 타당성을 확인할 수 있었다.

비교 · 검증을 통해 선행연구에서 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각단면의 적용확대를 위해 제안한 새로운 방안은 기존 철근 상세와 동등한 성능을 보이고 있으며 그 타당성과 적용성이 검증되었다.

4.결 론

이 연구에서는 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각단면 의 적용확대를 위해 제시한 방안의 검증을 위하여 실험적 연구가 수행되었 으며 다음과 같은 결론을 얻었다.