Bond Behavior between Concrete and Reinforcing Steel Subjected to Extreme Loadings

Abstract

As concrete structures these days are being designed with bigger scale compared to ones in the past, the potential risks with extreme loadings are getting larger. Extreme loadings like collision of car, ship, and aircraft, explosion, earthquake, tsunami, etc. are applying high deformation rate than that under quasi-static state, so-called dynamic loadings. Especially, for reinforced concrete structures like bridge or pylon, those dynamic loadings are applied mostly under the bottom part of structures in high possibility. And, since the material properties such as concrete and reinforcing steel are changed, bond behavior between them should be investigated. In the bottom part of them, there is joint part between columns and foundations, so basically it could be said these parts are comparatively weak part in the whole structure. So, to remove this flaw the concrete structure is being designed with the development length. In the design equations of development length in ACI 318 and Eurocode 2, numerator and denominator imply rebar yield strength and concrete bond strength, respectively. At this moment, when we consider dynamic effect on each term, rebar yield strength and concrete bond strength, if the DIFb is smaller than DIFs, it means that it requires longer development length in dynamic loadings than one in static loadings. However, currently no design codes and guidelines are considering dynamic effect on development length design or concrete bond strength, and no proper bond DIF is found in previous studies. Moreover, in previous dynamic pull-out test, the amount of test data with specimens showing pull-out failure is short. Therefore, this study focuses on that once the bond DIF is obtained with static and dynamic pull-out test showing pull-out failure mode, the safety of the current development length design method is investigated with comparing to DIF for rebar yield strength. After the specimen dimension showing pull-out failure mode is decided in preliminary test, the main pull-out test is being performed with same experimental method. With the data of rebar tensile test and strain gauge, bond strength is calculated. Strain rate is also read with slope between moments when the strain is zero and maximum in strain gauge data. At the result, bond DIF is being generated with ratio bond strength in dynamic test to one in static test along the strain rate. Malvar DIFs was used to compare with bond DIF from this study, and it is found that on the strain rate in currently tested range, the bond DIF is bigger than rebar yield strength DIF, which means no dynamic effect need to be considered in development length design. The conclusion above is only valid in the test performed range. So, it could be said that the dynamic effect does not need to be considered where the rebar strain rate is smaller than 5s-1, concrete compressive strength is smaller than 25MPa, and the reinforcing steel yield strength is bigger than 400MPa. However, it should be verified in concrete with higher compressive strength because the bond DIF would be affected with it.

과거에 비해 대형화가 진행되고 있는 근래의 철근 콘크리트 구조물은 그 크기에 비례하여 극한 하중에 의한 잠재적 위험성 또한 커지고 있다. 차량, 선박, 항공기 충돌, 폭발, 지진, 쓰나미 등 극한 하중은 일반적으로 정적 하중과 비교하여 높은 변형 속도가 작용하게 된다. 특히, 철근 콘크리트 교각이나 주탑의 경우, 이러한 동적 하중이 구조물의 하부에 발생할 가능성이 크게 된다. 이때 정적 하중 상황과 비교하여 동적 하중 작용 시에는 콘크리트나 철근의 재료 특성이 변하게 되므로, 그 둘 사이의 부착 거동 또한 조사되어야 한다. 이때 위에 말한 구조물의 하부는 기둥과 기초 사이에 접합부가 존재하게 되고, 이러한 부분은 구조물 전체로 보았을 때 비교적 취약부에 해당하게 된다. 하여 이러한 부분은 충분한 철근 정착 길이를 제공하는 방식으로 설계가 되고있고, 설계식으로는 ACI 318 과 Eurocode 2 에서 제시하는 식이 있다. 각 식의 분자는 철근 항복 강도 그리고 분모는 철근 콘크리트의 부착 강도를 고려하기 위한 항이 들어가게 된다. 이때 그 두 항에 동적 효과를 고려하여 동적증가계수를 적용하게 될 시, 만약 부착 강도의 동적증가계수가 철근 항복 강도에 대한 동적증가계수보다 작을 경우, 동적 상황에서의 필요 철근 정착 길이가 정적 상황에서의 것보다 크게 된다. 이는 정적 하중 상황만을 고려하여 설계된 철근 콘크리트 구조물에 동적 하중 작용 시 적절하지 못한 부착 파괴가 발생할 수 있다는 뜻이 된다. 하지만, 현재 어떠한 설계 기준이나 가이드 라인에서 철근 정착 길이에 대하여 동적 효과를 고려하고 있지 않아 이에 대해 검토가 필요하다고 판단하였다. 또한 현재 부착 강도에 대한 적절한 동적증가계수 모델이 없고, 풀 아웃 파괴 모드를 보이는 동적 풀 아웃 실험 데이터 수 또한 많이 부족한 상황임을 확인하였다. 그러므로, 본 연구는 정적 및 동적 실험에 동일한 실험 기법을 사용하여 모든 시편에 대하여 풀 아웃 파괴 모드를 보이는 실험 데이터로 부착 강도에 대한 동적증가계수 모델을 제안하고, 제안된 모델과 기존 철근 항복 강도에 대한 동적증가계수를 비교하여 현행 철근 정착 길이 설계식의 적정성 평가를 하고자 하였다. 먼저 풀 아웃 실험 시 풀 아웃 파괴 모드를 보장하기 위하여 예비 실험을 통하여 본 실험에서 쓰일 시편의 재원을 결정하였다. 풀 아웃 실험에 사용된 철근의 인장 실험 결과값과 철근 변형률 게이지에서 얻어진 값으로 부착 강도를 계산하였고, 변형률 속도는 변형률이 없을 때와 최대값일 때의 기울기로 얻어졌다. 실험 수행 후 변형률 속도에 따라 제안된 부착 강도의 동적증가계수와 Malvar 제안한 철근 항복 강도에 대한 동적증가계수를 비교해 보았다. 결과적으로 본 연구에서 수행된 모든 변형률 속도 구간에 대하여 부착 강도의 동적증가계수가 철근 항복 강도에 대한 동적 증가계수보다 큰 것으로 나타나, 철근 정착 길이 설계 시 동적 효과를 고려하지 않아도 된다는 결론에 이르게 되었다. 하지만, 위의 결론은 본 실험이 수행된 범위 내에서만 쓰일 수 있는 결론으로, 세부적으로는 철근 변형률 속도 5s-1 이하, 콘크리트 압축 강도 25MPa 이하, 그리고 철근 항복 강도 400MPa 이상인 철근 콘크리트 구조물에 대해서 적용이 가능하다. 하여, 현재 일반적인 철근 콘크리트 구조물에 적용하기 위해서는 높은 콘크리트 압축강도에 대하여 실험적 검증이 필요하다고 판단된다.