철근의 기계적이음 등급 평가 방법

철근의 기계적이음 등급 평가 방법

Standard Evaluation Method for Grades of Mechanical Splices of Reinforcing Bars

 

 

1.  적용범위

이 규격은 철근 기계적이음 등급 평가 방법을 규정한다.

 

2. 인용표준

다음의 인용표준은 최신판을 적용한다.

 

KS B 0802 금속 재료 인장 시험 방법

KS D 3504 철근 콘크리트용 봉강

 

3. 시험 일반

이 규격은 철근의 기계적이음의 등급을 결정하기 위하여 시험체의 준비와 가력방법, 계측항목, 등급 결정 방법을 규정한다. 이 규격에 규정ㅇ된 내용 외에 계측결과에 영향을 줄 수 있는 힘과 변형을 포함한 어떠한 영향도 기계적이음 시험체에 작용해서는 안된다.

 

4. 시험용 장치 및 기구

4.1 가력기

시험에 사용되는 철근에 설계기준항복강도 fy의 5% 이상 압축응력을 유발하는 힘을 시험체에 가할 수 있고 하중 계측을 데이터 수집 장치를 연결할 수 있어야 한다.

 

4.2 변위계

0.05mm 이하까지 측정하고 데이터 수집 장치를 연결할 수 있어야 한다.

 

5. 시험체

5.1 시험체의 준비

제조사의 특기시방서에 따라 기계적이음하여야 한다. 특기시방서에 표현되지 않는 힘과 변형을 포함한 어떠한 영향도 기계적이음 시험쳉에 작용해서는 안된다. 시험체의 길이는 시험체를 가력기에 체결할 때 변형량 측정 표점에 영향을 주지 않도록 시험기관과 시험 의뢰자가 협의하여 정한다.

 

5.2 시험체 개체수

제품규격별 3개 이상으로 한다.

 

6. 시험 방법

6.1 시험 방법

다음 순서에 따라 재하속도 30MPa/s 이하로 시험한다. 단, ⑦은 KS B 0802의 재하속도를 따른다. 각 응력의 허용오차는 ±0.005 fy이고, 표점위치의 허용오차는 ±1.0mm이다. 시험 시작부터 종료까지, 각 응력단계의 하중을 포함하여 하중을 측정하고, ⑤까지 계측되는 하중에 해당되는 변형량을 측정한다.

① 그림 1과 같이 기계적 이음장치를 양쪽에 철근지름의 1/2과 20mm 중 큰 값만큼 떨어진 곳을 표점으로 정하고 2개 이상의 변위계를 설치한다.

② 인장력 0.2fy 이상을 유발하는 인장력을 가한다. 단, 인장응력 0.1fy와 0.2fy일 때의 하중과 변형량을 계측해야 한다.

③ 압축응력 -0.05fy 이상을 유발하는 압축력을 가한다.

④ 인장응력 0.95fy 이상을 유발하는 인장력을 가한다.

⑤ 인장력을 제거한다. 단, 인장응력 0.02fy일 때의 하중과 변형량을 계측해야한다.

⑥ 변위계를 해체한다.

⑦ 판단까지 인장력을 가한다.

 

그림 1. 기계적이음 시험체와 변위계

 

 

7. 시험 결과 분석

계측된 하중을 철근의 공칭단면적  Ab 로 나눈 응력으로 시험 결과를 분석한다.

7.1 기울기 k 산정방법

최초 인장응력 0.2fy 이상을 유발하는 인장력을 가하여, 0.1fy ±  0.005fy 구간에서 계측된 응력 중 0.1 fy 에 가장 가까운 응력이 f1이고, 0.2fy  ±  0.005fy  구간에서 계측된 응력 중 0.2 fy 에 가장 가까운 응력이 f2이며, f1과 f2에 변형량이 각각 δ1, δ2이다. 기울기 k는 식(1)산정한다. 그림 2는 최초 인장응력 0.2fy이상을 유발하는 가력까지의 철근응력-변형량 그래프이다.

 

그림 2. 최초 인장응력 0.2fy 이상을 유발하는 인장력 가력까지의 철근응력-변형량 관계

 

7.2 초기 변형량 δ0 산정방법

0.2fy 이상을 유발하는 인장력에서 0.05fy Ab 이상의 압축력을 가하고, 압축응력 -0.05fy ±  0.005fy 구간에서 계측된 응력 중 -0.05fy 에 가장 가까운 응력과 변형량이 각각 f3과 δ3 이다.  초기 변형량 δ0는 식 (2)로 산정한다. 그림 3은 0.05fy Ab 이상의 압축력 가력까지의 철근응력-변형량 그래프이다.

그림 3. 0.05fy Ab 이상의 압축력 가력까지의 철근응력-변형량 관계

 

7.3 잔류 변형량 δ 산정방법

0.05fy Ab 이상의 압축력에서 0.95fy 이상을 유발하는 인장력을 가한 후 하중을 제거한다. 하중을 제거하는 중 0.02fy  ±  0.005fy 구간에서 계측된 응력 중 0.02fy에 가장 가까운 응력과 그 때의 변형랴이 각각 f4와   δ4 이다.  잔류 변형량 δ는 식 (3)으로 산정한다. 그림 4는 0.95fy 이상을 유발하는 인장력 가력 후 하중을 제거한 상황의 철근응력-변형량 그래프이다.

그림 3. 0.95fy 이상을 유발하는 인장력 가력 후 하중을 제거한 상황의 철근응력-변형량 관계

 

7.4 인장강도

7.4.1 파단 부위에 상관없이, 시험체가 파단될 때까지 최대하중을 철근의 공칭단면적으로 나눈값이 인장강도(MPa)이다. 모든 시험체의 인장강도는 철근의 설계기준항복강도 125%이상이어야 한다.

 

7.4.2 KS D 3504 일반용 철근 또는 용접용 철근에만 적용되는 기계적이음에 한하여, 시험에 사용된 철근이 KS D 3504를 만족하고 철근의 실제 인장강도가 설계기준항복강도의 125% 미만이라도 7.4.1을 만족한 것으로 본다. 단, 기계적이음을 위하여 가공된 철근 부위가 설계기준항복강도 125% 미만에서 파단되어서는 안된다.

 

7.5 기계적이음 등급

7.4를 만족하면서, 7.3에서 산정한 모든 시험체의 잔류 변형량 평균에 따라 1등급과 2등급, 3등급으로 분류하낟. 시험체를 선택하여 잔류 변형량 평균을 구해서는 안된다.

① 1등급 기계적 이음 : 잔류 변형량 평균 0.3mm 이하

② 2등급 기계적 이음 : 잔류 변형량 평균 0.6mm 이하

③ 3등급 기계적 이음 : 잔류 변형량 평균 1.0mm 이하

 

8. 보고

검사성적서에는 다음 a에서 g까지의 사항을 반드시 기록하며, h가 포함되어야 한다. 선택사항으로 c에서 e까지를 나타내는 철근응력-변형량 그래프를 포함하여 시험계측 자료를 추가할 수 있다.

 

a) 시험체별 시험 일시

b) KDS 3504 표 3에 따른 철근의 종류기호

c) 시험체별 f1, f2, f3, f4와 그 때의 변형량 δ1, δ2, δ3, δ4

d) 시험체별 0.95fy이상 응력과 그 때의 변형량

e) 시험체별 인장강도

f) 시험체별 초기 변형량 δ0과 잔류 변형량 δ

g) 기계적이음 등급

h) 기계적이음의 재료와 생산방법, 시공방법을 포함한 특기시방서

 

 

 

철근의 기계적이음 등급 평가 방법

해설

 

이 해설은 본문의 배경을 설명하여 시험의 목적을 이해하기 위하여 작성되었다. 시험 방법 본문만으로 명확하지 않을 때는 이 해설에서 설명하는 목적에 부합하게 시험해야 한다. 이 해설에서 설명한 목적에 부합하지 않는 어떠한 영향도 기계적이음 시험체에 작용해서는 안된다.

 

3. 시험 일반

기계적이음의 등급은 잔류 변형량으로 평가하는데, 잔류 변형량에 따라 콘크리트 구조물에 유해한 균열이 발생할뿐만 아니라 구조무르이 강도에도 영향을 미친다. 기계적이음 시험체를 가력기에 체결한 직후 시험을 수행하낟. 초기 변형량과 잔류 변형량에 영향을 주는 어떠한 작용도 해서는 안된다.

 

5. 시험체

기계적이음의 성능은 시공방법에 많은 영향을 받는다. 제조사는 기계적이음이 실제 시공되는 과정을 설명한 특기시방서를 작성하고, 이에 따라 준비된 기계적이음으로 시험을 실시한다. 검사성적서에 특기시방서를 첨부해야 한다.

 

6. 시험 방법

그림 1은 표점과 변위계 설치를 나타낸 개념도이다. 시험기관은 잔류변형량을 산정할 수 있는 방법으로 변위계 고정판과 변위계를 설치한다.

 

7. 시험 결과 분석

철근에 인장력이 작용하면 철근과 기계적 이음장치 사이의 미끄러짐이 생기거나, 철근 또는 기계적 이음 장치의 탄성변형 및 소성변형이 발생할 수 있다. 또한 철근에 작용되는 힘의 방향이 바뀌는 경우에도 미끄러짐이 발생하기도 한다. 이러한 변형은 기계적이음 주변 콘크리트에 유해한 균열을 유발하거나 설계 가정과 다른 응력상태를 일으킬 수 있다. 기계적이음의 변형은 주로 콘크리트 균열과 관련되기 때문에 사용하중에서의 변형량을 기준으로 평가할 수도 있지만, 기계적이음의 구성방법과 재료가 매우 다양하기 때문에 발생가능한 모든 변형을 포괄하기 위하여 잔류 변형량 시험방법을 규정하였다.

 콘크리트학회(2022) "이음 부위별 요구성능에 따른 철근 기계적 이음 및 이음일반사항 기준 연구"에 따르면 잔류 변형량 1.0mm 정도인 기계적 이음으이 사용된 휨부재는 극한상태에서 KDS 14 20 20 (4.1)을 맞고하여 구조물의 안전성을 확보하고 요구되는 연성을 발휘할 수 있다. 따라서 기계적 이음에 허용되는 최대 잔류 변형량을 1.0mm로 규정하였다. 또한 사용하중에서 기계적 이음 주변 콘크리트에 유해한 균열이 발생해서는 안 되므로 기계적 이음 위치의 철근 인장응력과 동일 위치에서 이음되는 철근량의 비율에 따라 기계적 이음에 허용되는 잔류변형량이 달라진다. 잔류 변형량이 0.3mm 이하인 기계적 이음을 fy가 요구되는 위치에 전수이음하여도 사용하중에서 콘크리트에 유해한 균열을 유발하지 않았다. 잔류 변형량 0.6mm 정도인 기계적 이음은, fy가 요구되는 위치에 50% 철근에만 적용하거나 배근량이 소요철근량의 2배 이상이 위치(0.5fy가 요구되는 위치)에서 모든 철근에 적용하여도 사용하중에서 콘크리트에 유해한 균열을 유발하지 않았다. 따라서 잔류 변형량을 기준으로 기계적 이음을 3가지 등급으로 분류한다. 기계적이음에 따라 잔류 변형량의 변동성이 클 수 있으므로, 시험한 모든 시험결과로 잔류 변형량 평균을 산정해야 한다. 여러 시험체를 시험하고, 특정 시험체 결과만으로 기계적이음 등급을 결정해서는 안된다.