원자력 발전소에는 No.36(D36)이상의 대구경 철근이 사용되는데 이러한 대구경 철근으로 갈고리 정착을 할 경우, 기준에서 요구 하는 구부림 및 갈고리 길이로 인해 설계 및 배근에 있어 큰 어려움을 겪을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 확대머리 철근을 사용할 수 있다. 2008년 개정된 ACI 318에서는 확대머리철근의 정착길이식을 도입하였으며, 제정 배경 연구를 근거로 하여 횡보강근의 영향력 을 무시하고 있다. 그러나 확대머리 철근이 겹침이음이나 컷오프 구간에서 사용될 경우, 인장재에 의해 피복 콘크리트를 밀어내는 힘이 발생하여 횡보강근에 작용하는 인장력이 크게 증가한다. 본 연구의 목적은 휨을 받는 부재 내에 정착된 확대머리 철근의 정착성능에 대한 횡보강근의 영향력을 평가하는 것으로, 이를 위해 횡보강근의 간격을 변수로 한 대구경 확대머리 철근의 정착실험을 수행하였다. 실험방법으로는 컷오프 구간을 모사한 실험을 수행하였으며, 확대머리 철근으로는 D43의 대구경 철근을 사용하였다. 실험 결과, 횡보강근이 없는 실험체의 경우 정착 구간의 쪼갬파괴에 이어 단부의 하중이 확대머리 부근의 콘크리트에 직접적으로 작용하면서 상부 피복 콘크리트가 부재에서 탈락하는 취성적 인 파괴형태가 나타났다. 또한 확대머리 철근의 발현강도가 항복강도의 절반밖에 못 미치는 매우 낮은 내력을 보였다. 이에 반해 횡보강근이 배근된 실험체의 경우 경우 횡보강근이 실험체 단부의 하중에 직접적으로 저항함에 따라 실험체 내력이 큰 폭으로 상승하였다.

일반적으로, 원전구조물은 다량의 철근이 사용되어 시공과정에서 여러 잠재적 문제점이 발생한다. 특히, 구조부재의 연결부위는 수많은 갈고리철근, 매입철물과 주변 철근 등에 의해 심각한 과밀현상이 발생하므로 여타 다른 부위보다 콘크리트 타설에 더 큰 어려움이 야기 된다. 원전구조물에 사용되는 일반강도(ASTM A615 Gr.60)의 대구경(43 mm & 57 mm) 표준갈고리 철근을 대신하여 고강도(ASTM A615 Gr.80)의 대구경(43 mm & 57 mm) 확대머리 철근을 사용할 수 있도록 관련 기술기준을 개정하여 철근 과밀배근 문제를 해결하는 데 본 연구의 목적이 있다. 확대머리 철근을 원전구조물에 효과적으로 사용하기 위해서는 기존의 정착성능을 그대로 유지하거나 그 이상으로 증가시키면서 사용 제한요건을 완화는 방안을 찾아야 하므로 철근직경, 철근 항복강도, 측면피복 두께와 같이 확대머리 철근의 사용을 제한하는 변수 영향을 검토할 수 있는 실험결과를 분석하여 정착성능을 평가하였다.

Recently, the demand for large diameter piles has been rapidly increased in order to secure the allowable bearing capacity of pile foundation due to the increase of large structures such as high rise buildings. In this study, to improve the shear capacity of a conventional PHC pile, a large diameter composite PHC pile strengthened by in-filled concrete and shear reinforcement was manufactured. All the piles were tested according to the shear strength test method of Korean Standard. As a result of the shear test, the F-type piles which are produced without shear reinforcement occurred abrupt horizontal cracks after flexural and inclined shear cracks occurred. On the contrary, the FT-type piles which are produced with shear reinforcement exhibited stable flexural and inclined shear cracks uniformly over the entire pile without abrupt horizontal cracks. Furthermore, the maximum load of the large diameter composite PHC pile improved to 2.9 times in the F series, and more than 3.3 times in the FT series compared to the conventional PHC pile. This result indicated that FT-type piles had excellent composite behavior due to the shear reinforcement and effectively prevented the unstable growth of inclined shear cracks.

최근 구조물의 대형화에 따른 큰 지지력의 말뚝에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 이에 따라 기성 PHC말뚝의 경우에도 700~1,200 mm 범위의 대구경 말뚝에 대한 활용이 증가하고 있고 최근 국내 현장에 적용되고 있다. 이 연구에서는 대구경 PHC말뚝의 휨성능을 향상시키기 위 해 철근과 콘크리트로 보강하여 합성 PHC말뚝을 제작하였다. 휨강도 평가는 4등분점 제하실험을 통해 변위제어 방법으로 수행되었다. 휨실 험을 통해 LICPT 실험체 횡방향 철근의 변형률 분포를 분석한 결과 횡방향 철근의 배근은 전단균열의 진전과 균열폭 제어에 효과적인 것으로 나타났고, 복부전단균열 발생을 억제할 수 있었다. LICPT 실험체는 LICP 실험체 보다 휨강도가 약 1.08배, 중앙부 변위가 약 1.19배 증가하였 고, 횡방향 철근의 배근은 말뚝의 연성적인 휨거동 확보에 유리한 것으로 나타났다. 말뚝 제작시 사용되는 각각의 재료가 휨강도에 기여하는 수준을 층상화 단면 해석으로 계산된 축강도-휨모멘트 상관도를 통해 평가하였다. 기성 PHC말뚝과 LICP 실험체의 실제 휨강도를 1.13배, 1.16 배의 안전율로 예측할 수 있었다.

This study was performed to analyze the flexural performance of large diameter PHC Pile reinforced with transveres and longitudinal rebar and in-filled concrete. From the flexural test result, it was found that the initial cracking strength and maximum flexural strength of composite PHC pile were approximately 400% and 345% higher than that of the conventional PHC pile.

일반적으로 철근콘크리트 구조물에서는 철근의 정착을 위하여 갈고리 철근을 주로 사용하고 있다. 원전 구조물과 같은 특수 구조물에 갈고리 철근을 사용할 경우, 배근되는 철근간의 간섭이 심해져 배근이 어려워지며, 조밀한 배근 간격으로 인하여 콘크리트 타설이 어려지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 원전 구조물에 대한 확대머리철근의 적용이 필요하다. 현행 구조설계기준에서는 철근의 직경, 항복강도 등에 대하여 확대머리철근의 적용범위에 제한을 두고 있다. 현행 기준으로는 대구경 확대머리철근에 대한 적용이 사실 상 어렵다. 이에 따라 본 연구에서는 대구경 확대머리철근의 정착 성능 평가 및 원전구조물에 대한 적용성 평가를 위하여, 대구경 확대머리철근을 적용한 외부 보-기둥접합부 실험을 수행하였다. 실험체는 확대머리철근의 정착길이, 측면피복두께, 횡보강근 및 파괴유형을 실험변수 설정하여 설계하였으며, 반복하중을 가력하여 외부 보-기둥접합부의 성능평가를 수행하였다. 성능평가 결과, 정착성능에 큰 영향을 미치는 요인은 측면피복두께 및 횡보강근 지수임을 확인할 수 있었으며, 외부 보-기둥접합부에서 대구경 확대머리철근은 충분한 정착성능을 보여줌을 확인할 수 있었다.

최근 대구경철근에 적용할 수 있는 기계적 철근이음장치에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 대구경 기계적 철근이음재에 대한 구조적 성능평가에 대하여 연구가 수행되었다. 원자력발전소에 대구경의 기계적 철근이음장치를 적용하기 위해서2가지 형태의 철근이음장치에 대한 실험이 수행되었으며, 원자력발전소에 적용되는 11번과 14번 및 18번에 대한 대구경 철근이음 장치가 조립되어 정적 및 동적실험이 수행되었다. 실험은 ASME SEC III DIV.2 CC-4330에 따라 이루어졌다.