2.1 실험부재 구성

본 연구에서는 초고성능 콘크리트를 적용함으로써 이음길이가 부착 특성에 미치는 영향을 분석하고, 이에 따른 부착강도의 변화를 평가하기 위해 이음실험을 수행하였다. 철근은 항복강도 400 MPa 급의 직경 15.9 mm을 사용하였다. 주요 설계변수로는 현행 설계기준에 제시된 최소 이음길이인 15$d_{b}$를 기준으로 초고성능의 특성을 고려한 다양한 범위의 이음길이인 $l_{s}=8d_{b},\: 10d_{b},\: 15d_{b}$로, 콘크리트 압축강도는 $f_{ck}$=80 MPa, 100 MPa, 120 MPa로 설정하였다. 이는 다양한 압축강도 조건에서 이음길이가 부재의 구조 성능 및 부착 특성에 미치는 영향을 분석하기 위함이다. UHPC의 28일 압축강도는 재료실험을 통해 측정되었으며, 섬유($V_{f}$=1.5 %)를 혼입한 실제 압축강도는 82.1 MPa, 90.3 MPa, 100.5 MPa이다.

본 연구에서는 철근과 콘크리트 사이의 부착 성능을 평가하기 위해, 부착파괴 모드 중 하나인 쪼갬파괴 메커니즘을 바탕으로 설계 조건을 설정하였다^{(Jung et al. 2008; Choi 2012)}. 실험을 통해 경험적으로 분석된 쪼갬파괴를 유도하고자 피복두께를 1.5$d_{b}$로 고정하였다^{(Liang and Huang 2023)}. 14개의 실험체를 제작하였으며, 콘크리트의 압축강도와 인장강도 증진을 위해 UHPC에 첨가한 직선형 마이크로 강섬유에 대한 특성은 Table 1에 나타내었고, 각 실험체에 대한 상세 구성과 특성은 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다.

Fig. 1 Test specimen details and set up diagram

2.2 실험 및 계측 방법

본 실험에서는 1,000 kN 용량의 액추에이터를 사용하여 4점 재하방식으로, 1 mm/min의 변위제어 방식으로 하중을 가하여 실험을 수행하였다.

철근의 응력과 변형률을 측정하기 위해 철근 게이지는 철근의 최대 인장력 구간에서 이음부 끝단에 철근 직경만큼 떨어진 지점에 설치하였다. 또한, 실험체 중앙과 보 양끝의 돌출된 철근에 변위계(LVDT)를 설치하여 하중이 작용할 때 부재의 처짐과 철근의 슬립량을 측정하였다. 콘크리트 게이지의 경우, 보의 중앙에서 중앙 상부면과 상부로부터 높이 기준 10 %, 30 % 지점에 부착하여 압축 변형률을 측정하였다. 실험체의 게이지 설치 위치 및 단면은 Fig. 1에 실험체의 가력 및 처짐 세팅은 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 Test set-up and deflection measurement view

3.1 파괴모드

본 연구에서는 설계변수인 이음길이와 콘크리트 압축강도에 따라 두가지 주요 파괴모드가 관찰되었다. 철근 이음 유무에 대한 실험체의 파괴형태는 Fig. 3과 Table 3에 나타내었다. 이음 실험체는 이음길이와 콘크리트 압축강도에 따라 상이한 파괴모드가 관찰되었다. 먼저 Fig. 3(a)와 (b)에서와 같이, 80 MPa과 90 MPa 콘크리트를 사용한 모든 이음 실험체에서는 실험체 하부면의 이음 구간에서 철근의 길이 방향으로 수평 균열(Face split)이 발생하였다. 이는 이음길이가 부족하거나 콘크리트 강도가 낮을 경우, 이음 구간에서의 응력이 집중되면서 철근 리브 주변에 균열이 발생하여 철근과 콘크리트 간의 부착력이 충분히 발휘되지 못하기 때문으로 판단된다. 부착력이 저하되면서 철근이 부담해야 할 인장력이 콘크리트에 전달하게 되는데, 콘크리트는 인장강도가 낮아 추가적인 균열이 발생한다. 결국, 응력 분산이 제한되면서 철근과 콘크리트 사이에 부착파괴가 발생하게 되는 것이다.

이와는 다르게 100 MPa 콘크리트를 사용한 실험체 중 이음길이가 15$d_{b}$일 경우, 높은 압축강도로 인해 하부 피복두께를 1.5$d_{b}$로 작게 설계하였음에도 불구하고 부착파괴가 발생하지 않았다. 이렇게 철근의 이음길이가 충분하거나 Fig. 3(c)와 (d)에서 보이는 것처럼 이음이 되지 않은 경우에는 하중 가력 지점에서의 일반적인 휨균열(Flexural)만 발생하였다. 이는 철근과 콘크리트가 완전부착된 상태에서 철근이 인장력을 충분히 부담하여 철근과 콘크리트 간 응력 전달이 안정적으로 이루어졌기 때문으로 판단된다.

Fig. 3 Failure mode of splice test

이를 통해, 이음길이와 콘크리트 압축강도가 철근과 콘크리트 간의 부착 성능 및 파괴모드에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.

3.2 하중-처짐 관계

Fig. 4에서는 이음실험을 통해 도출된 하중-처짐 관계 곡선을 나타내었으며, 콘크리트 압축강도(80 MPa, 90 MPa, 100 MPa)에 따라 분류하여 그 결과를 Table 3에 나타내었다. Fig. 4(a)에서는 이음되지 않은 실험체와 비교하였을 때, 이음 실험체 모두 최대하중에 도달하지 못하였다. 80 MPa 콘크리트를 사용한 실험체에서는 타설 과정에서 작업성과 섬유의 균일성을 유지하기 어려운 문제가 발생하였고, 이로 인해 압축강도가 설계값만큼 발현되지 못하였다. 낮은 압축강도와 짧은 이음길이가 철근과 콘크리트 간 부착강도를 약화시켜 부착파괴로 이어질 가능성을 높였다. 이로 인해 이음 구간에서 하중 전달이 효과적으로 이루어지지 않았으며, 결과적으로 80 MPa 모든 실험체가 충분한 부착 성능을 확보하지 못하여 최대하중에 도달하기 전에 강도 저하가 발생한 것으로 판단된다.

반면, Fig. 4(b)와 (c)에 나타낸 90 MPa와 100 MPa 콘크리트를 사용한 경우, 일부 이음 실험체가 이음되지 않은 실험체만큼의 최대강도에 도달하였다. Fig. 4(c)에서 100 MPa 콘크리트를 사용한 실험체는 이음길이가 8$d_{b}$인 실험체를 제외하고, 모든 실험체가 이음되지 않은 실험체와 동등한 성능을 확보하였으며, 철근 항복 이후에도 유사한 연성 거동을 나타냈다. 이는 초고성능 콘크리트의 재료적 특성과 섬유의 효과로 연관지을 수 있는데, 높은 압축강도일수록 철근과 콘크리트 간의 부착강도가 크게 향상시키는 것으로 판단된다. 이러한 부착 특성은 철근 항복 이후에도 철근과 콘크리트 간의 상호작용을 지속해서 유지시켜 구조물의 연성거동을 가능하게 하는 것으로 판단된다.

또한, 섬유는 초기균열 발생 시 콘크리트 내부에서 가교역할을 수행하여, 균열의 성장을 억제하고 균열 폭을 감소시키는 역할을 한다. 결과적으로 초고성능 콘크리트에서 이음길이가 짧더라도 충분한 구조적 성능을 확보할 수 있음을 나타냈다. 그러나 이음길이가 충분하지 않은 실험체에서는 철근 항복 이후 급격한 하중 저하와 함께 취성적 거동이 나타났다. 이는 철근과 콘크리트 간 부착력이 손실되면서 결과적으로 부착파괴가 발생하였기 때문이다.

실험 결과를 통해 콘크리트 압축강도가 부착강도에 미치는 영향을 확인하였으며, 본 연구는 초고성능 콘크리트의 높은 강성과 부착 특성이 짧은 이음길이에서도 부재 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다. 특히, 100 MPa 콘크리트를 적용한 실험 결과는 기존 설계기준에서 요구되는 이음길이보다 더 짧은 길이를 활용할 가능성을 확인함으로써, 초고성능 콘크리트와 섬유보강 효과를 반영한 새로운 설계기준의 필요성을 시사한다.

Fig. 4 Load–deflection curves of splice test specimens

3.3 섬유의 효과

섬유보강은 콘크리트 구조물의 안정성 및 부착 특성을 향상하는 데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 섬유보강 실험체와 비섬유보강 실험체를 비교하여 섬유보강의 효과를 정량적으로 평가하고자 하였다.

3.3.1 파괴 시 중립축의 이동

여기서 사용된 중립축은 부착파괴가 발생한 시점을 기준으로 결정하였으며, 이는 부착파괴 시 구조물 내 부착 특성을 분석하는 데 활용된다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 F90-L8db와 F90f-L8db 실험체를 예로 들면, 비섬유보강 실험체 F90-L8db는 파괴 시 중립축이 78.1 mm에 위치하는 반면, F90f-L8db($V_{f}$=1.5 %)의 섬유보강 실험체는 93.4 mm로 중립축의 깊이가 더 낮게 나타난 경향을 보였다. 이러한 결과는 섬유가 콘크리트 내부에서 균열을 제어하며 인장 응력을 분산시키는 역할을 통해 구조물의 연성과 인장강도를 향상시키는 특성과 연관지어 볼 수 있다^{(Yang et al. 2009)}. 특히, 섬유는 압축 영역에서 국부적인 응력 집중을 완화하여 전체적인 응력 분포를 재조정하여 압축 변형률이 증가하게 하였다.

이는 섬유가 구조물의 모든 영역에서 인장 및 부착효과를 발휘함으로써 비섬유보강 실험체 대비 압축 변형률의 상대적 증가가 더 크게 나타난 결과로 해석된다.

이를 통해, 섬유는 응력 분포를 개선하고 부착강도를 증진시켜 철근과 콘크리트 간의 응력 전달 효율성을 높이는 기능을 한다고 판단된다.

Fig. 5 Variation in cross-section due to neutral axis movement at failure

3.4 평균 부착응력

본 연구에서는 설계변수(압축강도, 이음길이)가 부착강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 평균 부착응력은 철근과 콘크리트 계면에서 발생하는 응력으로, 철근이 콘크리트에 하중을 전달하는 과정에서 작용하는 전단응력으로 정의된다. 식 (1)에 나타냈듯이 평균 부착응력은 철근의 이음길이($l_{s}$)와 철근의 공칭직경 그리고 철근에 작용하는 인장력($T=f_{s}A_{s}$) 간의 힘의 평형관계를 통해 계산된다. 식 (1)을 활용하여 평균 부착응력을 도출하였으며, 이를 통해 분석을 수행하였다.

여기서, $A_{s}$는 철근의 단면적(mm²), $f_{s}$는 하중 재하 시 철근에 발생하는 응력(MPa), $d_{b}$는 철근의 직경(mm), $l_{s}$는 이음길이(mm)를 나타낸다.

Fig. 6에는 콘크리트 압축강도와 이음길이에 따른 평균부착응력을 나타내었다. 같은 이음길이에서 콘크리트 압축강도가 높아질수록 평균 부착응력이 높게 나타났는데, 이는 초고성능 콘크리트가 더 높은 압축 저항 능력을 갖추고, 철근 주변의 계면 균열 발생을 억제하는 데 기여하기 때문으로 판단된다. 또한, 초고성능 콘크리트는 계면 부착력과 마찰력이 증가하여 철근과 콘크리트 간의 응력 전달에 있어 효과적인 역할을 한다.

Fig. 6 Comparison between bond stress and concrete compressive strength

3.5 기존 설계기준과의 비교

본 연구에서 도출된 실험값과 섬유보강 SUPER Concrete 구조설계지침(2019), 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법, 2021)의 부착강도 산정식을 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. 식 (2), (3)은 각각 섬유보강 SUPER Concrete 구조설계지침(2019), 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법, 2021)의 부착강도 산정식이다. 식 (2)는 콘크리트 기준부착강도($f_{bk}$)를 기준으로 하며, 부착조건과 철근의 위치계수 및 철근의 지름과 관계되는 보정계수인자 $\eta_{1},\: \eta_{2}$를 도입하였다. 여기에, 경험적으로 도출된 콘크리트 저항계수 0.65를 적용하여 부착강도를 산정하고 있다. 한편, 식 (3)은 콘크리트 압축강도를 50 MPa 제한을 두고 있으며, 콘크리트 기준인장강도($f_{ctk}$)를 기준으로 하여 콘크리트 재료저감계수 $\phi_{c}$로는 0.65를 사용하고 있다.

여기서, $f_{bk}$는 콘크리트 기준부착강도(MPa), $f_{ctk}$는 콘크리트 기준인장강도(MPa), $\eta_{1}$는 부착조건과 콘크리트 타설 시 철근의 위치와 관계되는 계수, $\eta_{2}$는 철근의 지름과 관계되는 계수, $\phi_{c}$는 콘크리트의 재료저감계수를 나타낸다.

80 MPa 콘크리트를 사용한 실험체에서는 타설 과정에서 작업성과 섬유의 균일성을 유지하기 어려운 문제가 발생하여 실험 결과에 대한 분석과정에서 제외하였다. Fig. 7은 실험값과 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법, 2021), 섬유보강 SUPER Concrete 구조설계지침(2019)의 부착강도를 비교한 그래프이다.

먼저, Fig. 7(a)는 압축강도 상한선이 없는 섬유보강 SUPER Concrete 구조설계지침(2019)와 실험결과를 비교한 그래프이다. 압축강도가 증가할수록 기존 설계기준과 실험값 간의 차이가 점점 커지는 경향을 볼 수 있다. 이는 기존의 식 (2)이 이음길이를 충분히 고려하지 않은 반면, 실험 결과에서는 부착강도에 따른 이음길이의 영향이 압축강도보다 더욱 크게 작용한다는 점을 보여준다. 이를 통해, 초고성능 콘크리트를 적용 시 부착강도를 기존의 설계기준보다 더 향상시킬 수 있으며, 이음길이를 감소시킬 수 있다고 판단된다.

Fig. 7(b)의 콘크리트 압축강도 100 MPa에서의 기존의 부착강도 산정식과 실험값을 비교한 평균 부착응력 그래프를 보면, 실험값과 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법, 2021), 섬유보강 SUPER Concrete 구조설계지침(2019)은 이음길이 설계를 위한 부착강도를 산정할 때, 적용된 실험방법과 변수에 따라 서로 다른 값을 제시하고 있다. 식 (2), (3)은 인발실험을 통해 도출되었으며, 콘크리트 압축강도를 주요 변수로 고려하여 부착강도를 산정하고 있음을 보여준다. 따라서, 기존의 부착강도 산정식은 이음길이의 영향을 반영하지 않아, 실제 구조물에서의 부착 특성과 차이가 발생하는 한계점이 존재할 수 있다.

본 연구에서는 콘크리트 압축강도와 더불어 이음길이를 설계변수로 설정하여 부착응력을 측정하였고, 기존 설계기준의 산정식을 적용했을 때 이음길이의 변화에 따라 부착응력이 일정하게 산정되는 한계점과 본 실험 결과에서는 압축강도와 이음길이의 변화에 따라 부착강도 값이 변화하는 것을 발견하였다.

따라서, 본 연구는 이음실험에서 도출된 부착응력 데이터를 기반으로, 초고성능 콘크리트를 적용할 경우 이음길이를 감소시킬 수 있는 가능성과 기존 설계기준의 한계를 보완하기 위해 이음길이를 인자로 포함하는 새로운 부착강도 산정식이 필요하다고 판단된다.

Fig. 7 Bond stress curve between design equation and experimental values