Development and Performance Verification of Post-Tensioned Anchor for Unbonded Single-Strand Tendon

Abstract

건축 포스트텐션(PT) 공법에 직경 15.2mm의 7연선 강연선을 사용하는 추세인 국내 시장과는 달리, 미국이나 유럽에서는 직경 12.7mm인 강연선을 주로 사용하고 있다. 정착장치 역시 12.7mm 강연선용 정착구는 상대적으로 작은 크기를 가지고 있지만, 15.2mm 강연선용 정착구는 크기가 최적화되어 있지 않아서 다소 비효율적이다. 본 논문에서는 이러한 현실을 반영하여 단일 비부착 강연선(직경 15.2mm)용 건축 포스트텐션 1구 정착구를 개발하였고, 각종 시험을 통해 성능을 검증한 후 실제 건축물에 적용한 일련의 과정을 담고 있다. 먼저 유한요소해석을 통해 정착판, 몸통, 거셋의 형태를 변화시켜가며 최대 폰 미세스 응력을 최소화하는 방향으로 형태를 최적화하였다. 또한, 긴장기의 사용이나 액세사리와의 결합, 시공성 등을 고려하여 주물 정착구를 개발하였다. 한편, ACI 423.7-14는 부식에 탁월한 캡슐화된 (encapsulated) 정착장치를 사용하도록 규정하고 있다. 본 연구에서도 PT 텐던 및 건축물의 내구성을 증진시키기 위하여 캡슐화된 정착구를 개발하였다. 그 후 국내 시험방법인 KCI-PS101에 따라 정착구 성능시험을 수행하였다. 강연선 공칭인장강도의 95% 이상의 하중에 대한 정착장치 거동을 정하중시험을 통해 검증하였다. 피로시험에서는 정착장치의 장기사용에 대한 성능을 확인하였다. 하중전달시험에서는 정착구역의 보강상세에 따른 파괴강도의 변화를 확인하였다. 수밀시험은 ACI 423.7-14의 방법에 따라 수행되었으며, 8.6 kPa의 수압을 24시간 동안 유지하였음에도 정착장치 내부로 물이 유입되지 않았다. 다소 복잡하고 많은 시간을 요구하는 성능시험을 대신하여, 현장에서 간단하게 수행할 수 있는 압축시험과 긴장시험을 또한 고안하였다. 압축시험은 압축을 통해 고정단을 만드는 과정을 반영한 것이며, 긴장시험은 강연선을 긴장하여 정착장치 성능을 검증하는 방법이다. 추가적으로, 개발된 정착장치를 실제 현장에 적용하기에 앞서 2방향 슬래브 목업 실험체를 통해 텐던의 거동과 시공성을 검토하였다. 실제 건물에서의 PT 텐던의 거동을 확인하기 위해, 광센서(fiber Bragg grating system)가 적용된 강연선을 이용해 장기응력을 측정하였으며, 슬래브의 단기처짐 및 장기처짐을 3년 9개월에 걸쳐 계측하였다. 시공 과정에서 수시로 변하는 시공하중과 부재의 물성치를 이용하여, 슬래브의 단기처짐을 유한요소해석을 통해 예측하였다. 계측한 처짐 데이터를 기반으로 PT 슬래브에 대한 시간의존계수값을 새로 제안하여 기존식보다 PT 슬래브의 장기처짐의 경향을 보다 잘 예측함을 확인하였다. 이 과정에서 비균열단면의 사용이 적절한 것으로 나타났고, 개발된 정착구 장기성능에 문제가 없음이 밝혀졌다. 본 논문에서 개발된 정착구는 특허를 받았으며, 현재까지 4개의 건물에 적용되었다. 또한 PT 부재의 거동을 확인하는 추가적인 극한실험 연구에도 두 차례 활용되었다.

Unlike Korea, where a 15.2-mm diameter strand is used for post-tensioning (PT) method, the United States or Europe primarily uses the strand with a diameter of 12.7 mm. An anchor using the Ø12.7 mm single-strand has a relatively small size, but the anchor for the Ø15.2-mm strand is large and inefficient. In this dissertation, a post-tensioned anchor for Ø15.2-mm unbonded single-strand tendon was developed to reflect the existing trend in domestic PT construction. In addition, its performance was verified through various tests. The shape of the anchor is optimized to minimize the von Mises stress through finite element analysis by varying the shape of bearing plate, body, and gusset. In addition, the design is also determined in consideration of a jacking device, accessories, and workability. ACI 423.7-14, on the other hand, requires the use of encapsulation system, which is highly resistant to corrosion. Therefore, the encapsulated anchor was developed to enhance the durability of PT tendons and buildings. Three kinds of performance tests (static load test, fatigue test, load transfer test) were carried out in accordance with the domestic test method KCI-PS101. Static load tests were performed to verify the anchorage behavior for the load greater than 95% of the strands nominal tensile strength. Also the fatigue test was conducted in order to confirm the long-term performance of the anchor. The load transfer test verified the change of fracture strength based on the reinforcement details of the anchorage zone. The hydrostatic tests were conducted according to ACI 423.7-14 and no water flowed into the anchorage despite maintaining the water pressure of 8.6 kPa for 24 hours. Instead of carrying out rather complicated and time-consuming performance tests, a compression test and a jacking test were devised that could be performed easily in the field of construction. The compression test reflects the process of making the fixed end through compression, while the jacking test is a method of verifying the anchorage performance by tensioning the strands. Prior to applying the developed anchor to the building, the behavior and construction of the tendon were examined by performing a mockup test. To observe the long-term behavior of PT tendons with developed anchors in the actual building, the stress of strand was measured using a strand with fiber Bragg grating system, and the slab deflection has been measured for three years and nine months (which will be continued). The short-term deflection is predicted using the finite element analysis program by applying the construction load and properties of the member that is known to change frequently during the construction process. For long-term deflection, the value of time-dependent coefficient for PT slab is smaller than that for RC slab and thus proposed on the basis of measured data. The proposed equation expresses the tendency of long-term deflection of PT slab better than the conventional formula. From the long-term behavior assessment, the developed anchor performance was demonstrated to be satisfactory. The anchorage developed in this dissertation is patented and has been applied to four actual building projects. It was also used in two previous experimental studies that examine the ultimate limit state of PT elements, which confirmed the behavior of PT structures with developed anchors.