프리캐스트 콘크리트 슬래브 우각부 보강의 균열 방지 효과 분석

Abstract

The precast concrete is a method of manufacturing reinforced concrete members in factory and assembling them on-site. Because reinforced concrete members are repeatedly produced in precast concrete method, detailed examination of crack occurrence is required compared to reinforced concrete cast-in-site method. Particularly, in the case of precast concrete slabs in which prestress is introduced through the pretension method, high stress occurs around the strands, making them vulnerable to cracking. The purpose of this study is to identify the causes of re-entrant corner cracks and their reinforcing effects, which were repeatedly observed in the diagonal direction in the concrete around the strands of precast concrete slabs. To identify the cause of re-entrant corner cracks, it is necessary to describe the bond behavior between strand and concrete. Therefore, in this study, the bond behavior of strand and surrounding concrete cylinder was expressed using Thick Walled Cylinder Model. In addition, confining stress due to the radial expansion of concrete cylinder was calculated using Concrete Confinement Model, which considers the decrease in tensile strength of concrete with cracks. The expansion of the surrounding concrete cylinder of the strand pull-out test is induced according to slip and tensile force. Therefore, during the strand pull-out test, the slip and tensile force were measured to calculate the amount of expansion of the concrete cylinder in the radial direction, and the confining stress of the concrete cylinder was calculated again using Concrete Confinement Model. To verify the analysis model presented in this study, the experimental result of previous study in which a pull-out test was conducted on an untensioned strand was compared with the analysis result. The analysis was performed by using slip and tensile force measured in the strand pull-out test to find the friction coefficient between the strand and concrete by performing Step-by-Step Integration. As a result of the analysis, the distribution of the bond stress when the strand was pulled-out showed a similar tendency to the experimental result, but the analysis result showed a larger bond stress value and the location of the maximum bond stress value was closer to the free end. In this study, an experiment was conducted to confirm the reinforcing effect of reinforcing members which was placed across the cracked surface when re-entrant corner cracking occurred. As a result of the experiment, the reinforcing effect of metal lath, which is made of steel and has high ductility and a hollow inside, was high. The maximum pull-out load of the specimen increased by 7.3% and exhibited more ductile behavior than the unreinforced specimen. For the interpretation of the experimental results, a modified model that reflects the effect of the reinforcement on the Concrete Confinement Model was derived. Through the analysis using modified model, it was found that the reinforcing member resisted the widening of the concrete cylinder due to the occurrence of cracks, there by maintaining the confining effect of the concrete. Through this study, analysis methods and reinforcement methods for re-entrant corner crack prevention, which were not separately presented in Strength Design Method used for designing precast concrete slabs, were presented. A Step-by-Step Integration algorithm was presented to find the friction coefficient during strand pull-out test using the mechanical behavior of stand and concrete in this study. In addition, it is meaningful to experimentally confirm the reinforcing effect according to the reinforcement of cracks around the strands and analyze the reinforcement effect by presenting a modified model that reflects the effect of the reinforcement in the Concrete Confinement Model.

프리캐스트 콘크리트 공법은 철근 콘크리트 부재를 공장에서 생산하여 현장에서 조립 시공하는 공법으로 제품화된 철근 콘크리트 부재를 반복 생산하므로 철근 콘크리트 현장타설 공법에 비해 균열 발생에 대한 상세한 검토가 필요하다. 특히 프리텐션 공법을 통해 프리스트레스가 도입되는 프리캐스트 콘크리트 슬래브의 경우 강연선 주변에 높은 응력이 발생하여 균열 발생에 취약하다. 본 연구는 프리캐스트 콘크리트 슬래브의 강연선 주변 콘크리트에서 대각선 방향으로 반복적인 발생이 관찰된 우각부 균열의 발생 원인과 그 보강 효과를 확인하는 것을 목적으로 한다. 우각부 균열의 발생 원인을 확인하기 위해서는 강연선과 콘크리트의 부착과 그에 따른 역학적 거동을 확인할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 Thick Walled Cylinder Model을 이용하여 강연선과 주변 콘크리트 실린더의 부착 거동을 표현하였다. 또한 콘크리트의 균열 발생 시의 인장강도 저하를 고려하는 Concrete Confinement Model을 이용하여 콘크리트 실린더의 반경 방향 팽창에 따른 구속 응력을 산정하였다. 강연선의 인발 시 주변 콘크리트 실린더의 팽창은 슬립량 및 인장하중에 따라 유도되었다. 이에 따라 강연선 인발 시 슬립량 및 인장하중을 측정하여 콘크리트 실린더의 반경 방향 팽창량을 산정하고 다시 Concrete Confinement Model을 이용하여 콘크리트 실린더의 구속 응력을 산정하였다. 본 연구에서 제시된 해석 모델을 검증하기 위해 긴장되지 않은 강연선에 대해 인발 실험을 실시한 기존 연구의 실험결과와 해석 모델에 따른 결과를 비교하였다. 해석은 강연선 인발 실험에서 측정된 슬립 값 및 인장하중을 이용하여 Step-by-Step Integration을 수행하여 강연선과 콘크리트 접촉면의 마찰계수를 찾아내는 방식으로 이루어졌다. 해석 결과 강연선 인발 시 부착응력 분포는 실험 결과와 유사한 경향성을 보였지만 더 큰 부착응력 값을 보였고 최대 부착응력 발생 위치가 자유단에 더 가까웠다. 본 연구에서는 우각부 균열 발생 시 균열면을 가로지르는 보강재의 보강 효과를 확인하기 위한 실험이 실시되었다. 실험 결과 강재로 제작되어 연성이 높고 내부에 중공이 존재하는 메탈라스의 보강 효과가 높았다. 실험체는 최대 인장하중이 7.3% 증가하였으며 보강되지 않은 실험체보다 연성적인 거동을 나타내었다. 실험 결과의 해석을 위해 Concrete Confinement Model에 보강재의 영향을 반영하는 수정 모델을 유도하였다. 수정 모델을 이용한 해석 을 통해 균열 발생에 따른 콘크리트 실린더의 벌어짐을 보강재가 저항하여 콘크리트의 구속효과를 유지시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 프리캐스트 콘크리트 슬래브의 설계에 사용되는 강도설계법에서 별도로 제시되지 않았던 우각부 균열 방지에 대한 해석 방법 및 보강 방법을 제시하였다. 본 연구에서는 강연선과 콘크리트의 역학적 거동을 이용하여 강연선 인발 실험 시 부착계수를 찾아내는 Step-by-Step Integration 알고리즘을 제시하였다. 또한 강연선 주변 균열 보강에 따른 보강 효과를 실험적으로 확인하고, Concrete Confinement Model에 보강재의 효과를 반영하는 수정 모델을 제시하여 보강 효과를 해석하였다는 의의가 있다.