포스트텐션 정착구역의 파열력 산정에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Prestressed concrete is a form of concrete used in construction which is “pre-stressed” by being placed under compression prior to supporting any loads. This compression is produced by the tensioning of high-strength tendons located within or adjacent to the concrete volume, and is done to improve the performance of the concrete in service.
Prestressed concrete has developed beyond pre-tensioning to include post-tensioning, which occurs after the concrete is cast.
Tensile stress is generated in the concrete due to the pre-stressing force applied to the post-tensioned member. This part is called the anchorage zone, and the tensile stress is called bursting stress. The reinforcement of the anchorage zone is required to prevent the member from failure by the bursting stress. In order to calculate the amount of reinforcement, bursting force is computed as the transverse load perpendicular to the axial direction of the member. However, standards such as AASHTO and equations proposed by previous studies do not include shape of anchorage and duct as variables. Therefore, it is considered that it is difficult to predict the bursting force of the unbonded post-tensioned member.
In this study, finite element analysis was performed by setting the shape of anchorage, angle of tendons, duct, and eccentricity as variables to predict the bursting force in the anchorage zone. It is found through finite element analysis that the bursting force depending on the angle of tendons is influenced by length of the anchorage in the concrete. Also, it is confirmed that the cross-sectional loss of the member due to the duct is the cause of increasing the bursting force. A bursting force equation is proposed to consider all of these variables.
In order to evaluate the proposed equation, the results of finite element analysis are compared with those of the bursting force equations proposed by the previous studies and this study. In addition, the validity of the proposed equation for the design of the anchorage zone reinforcement was evaluated through the bending strength test of unbonded post-tensioned one-way slabs. As a results, the proposed equation predicts the bursting force accurately compared with the equations of the previous studies. The slab specimens reinforced by the bursting force calculated by the proposed equation was verified as satisfying the structural performance and without cracks in the anchorage zone.

국문 초록 (Abstract)

하중이 작용하여 콘크리트에 발생하는 인장응력을 상쇄하기 위해 미리 압축응력을 준 콘크리트를 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete)라고 한다. 긴장재를 긴장하는 시기에 따라 프리텐션 방식과 포스트텐션 방식으로 구분된다. 이 중 비부착 포스트텐션 방식은 콘크리트가 경화한 후 PS 강재를 긴장하여 정착장치를 통해 콘크리트 단부에 정착함으로써 프리스트레스를 도입하는 방법이고, 그라우팅을 실시하지 않아 콘크리트 내부에 PS 강재의 통로인 덕트가 생성된다.
프리스트레스트 콘크리트에 적용된 긴장력으로 인해 콘크리트 내부에 인장응력이 발생한다. 이 구역을 정착구역이라고 하며, 인장응력을 파열응력이라 한다. 이 응력으로 인한 부재의 파괴를 방지하기 위해 정착구역 보강이 요구된다. 이때 필요한 보강 철근량을 산출하기 위하여 파열응력을 부재의 축방향에 수직인 횡방향 하중으로 산정하여 파열력을 구한다. 하지만 AASHTO와 같은 현행 규준과 선행 연구에서 제안된 파열력 산정식은 정착장치의 형상과 비부착 포스트텐션 부재의 덕트를 변수로 포함하고 있지 않다. 이로 인하여 덕트가 설치되는 포스트텐션 부재의 파열력을 예측하는데 어려움이 있을 것으로 판단된다.
이에 본 연구에서는 정착구역에서 발생하는 파열력을 예측하기 위해 정착구의 형상과 긴장재의 각도, 덕트의 유무, 편심을 변수로 설정하여 유한요소해석을 진행하였다. 유한요소해석을 통해 긴장재의 각도에 따른 파열력의 변화가 콘크리트 내부로 인입된 정착장치의 길이에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 덕트로 인한 부재의 단면 손실이 파열력을 증가시키는 원인으로 작용하는 것을 확인하였다. 이러한 변수를 모두 고려할 수 있는 파열력 산정식을 제안하였다.
제안식을 평가하기 위해 기존 파열력 산정식 및 제안식의 결과와 유한요소해석 결과를 비교하였다. 또한, 비부착 포스트텐션 일방향 슬래브 시험체의 휨강도 실험을 통해 정착구역 보강설계를 위한 제안식의 유효성을 평가하였다. 그 결과, 본 연구의 제안식이 기존 산정식과 비교하여 높은 정확도로 파열력을 예측하는 것을 확인하였다. 제안식이 산정한 파열력으로 정착구역이 보강된 슬래브 시험체가 구조성능을 만족하고 정착구역에 균열이 발생하지 않은 것으로 유효성을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 국내·외 연구동향 2
• 1.3 연구 과정 및 계획 5
• 제 2 장 포스트텐션 정착구역의 파열력 산정 7
• 2.1 파열력 산정식 7
• 2.1.1 Mӧrsch(1924) 7
• 2.1.2 Guyon(1953) 8
• 2.1.3 Burdet(1990), AASHTO 9
• 2.1.4 Sahoo et al.(2009), He and Liu(2011) 10
• 2.1.5 Zhou et al.(2015) 12
• 2.2 유한요소법 14
• 제 3 장 포스트텐션 정착구역의 유한요소해석 15
• 3.1 모델링 15
• 3.2 해석변수 및 해석방법 18
• 3.2.1 해석변수 18
• 3.2.2 해석방법 21
• 3.3 파열력 산정 23
• 제 4 장 포스트텐션 정착구역의 파열력 산정식 제안 및 평가 24
• 4.1 변수해석 결과 분석 24
• 4.1.1 정착구 형상 24
• 4.1.2 긴장재의 각도 30
• 4.1.3 덕트의 유무 33
• 4.1.4 편심거리 36
• 4.2 파열력 산정식 제안 39
• 4.3 선행 연구된 제안식과 비교 42
• 제 5 장 포스트텐션 정착구역의 파열력 산정식 유효성 검증 46
• 5.1 실험 계획 46
• 5.1.1 실험개요 46
• 5.1.2 시험체 설계 47
• 5.2 실험 방법 49
• 5.2.1 긴장력 도입 49
• 5.2.2 시험체 세팅 48
• 5.3 실험 결과 51
• 제 6 장 결 론 54