1. 서 론

기존의 현장타설 공법은 안전사고 발생 우려, 숙련된 작업자 필요, 소음 및 교통 문제 등이 발생하는 단점이 있다. 안전과 환경에 대한 각종 규제와 높은 임금을 필요로 하는 지역에서는 프리캐스트 콘크리트 공법이 적절한 대안으로 활용될 수 있다. 프리캐스트 콘크리트 공법은 건설 기간을 단축하고, 설계에서 요구하는 품질 수준을 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 환경적, 안전 측면에서도 많은 장점이 있다^{(Yang et al., 2024)}. 옹벽 구조물은 토압에 저항하는 구조물로, 인명과 재산의 안전을 확보하기 위해 설치되며 도로, 철도, 주택 등 다양한 현장에 적용된다. 특히 비교적 단조로운 형태를 길게 유지하기 때문에 프리캐스트 콘크리트를 통한 대량생산 및 품질의 일관성을 확보함으로써 현장시공의 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 프리캐스트 콘크리트 공법은 별도의 제작장에서 부재를 제작하고, 제작된 부재를 시공 현장으로 운반하여 최종적으로 현장에서 연결하는 일련의 과정을 의미한다. 프리캐스트 공법의 효율을 높이기 위해서는 부재의 크기를 증가시켜 부재의 개수를 줄임으로써 현장시공 물량을 최소화하는 것이 중요한데, 부재 크기의 증가는 운반 조건의 제약을 받게 된다.

프리캐스트 옹벽의 운송은 벽체를 화물칸에 눕히고 저판부의 단면이 하늘을 바라보도록 한 상태로 이루어진다. 눕혀진 프리캐스트 옹벽의 저판부 단면은 현장 연결을 위한 철근들이 돌출되어 있는데, 옹벽의 높이가 증가할수록 연결용 철근의 길이는 길어진다. 일부 대형 프리캐스트 옹벽의 경우에는 길어진 연결용 철근으로 인하여 도로 운송이 어려운 경우가 발생하기도 한다. 철근 커플러를 사용하여 철근의 이음길이를 줄임으로써 대형 프리캐스트 옹벽의 운송이 가능하게 할 수 있지만, 현장에서 커플러 체결로 인한 작업량이 증가하게 되면 프리캐스트 공법의 장점을 잃게 되는 문제가 있다. 따라서 대형 프리캐스트 옹벽의 적용성 확대를 위해서는 현장 작업을 최소화하면서 이음길이를 줄일 수 있는 연결 방법이 요구된다^{(Jung et al., 2022; Kim et al., 2022; Kim et al., 2023)}. 구조물의 실규모 실험은 많은 시간과 금전적 비용이 요구되지만, 새로운 구조 시스템의 성능평가를 위해서는 중요한 절차이므로. 많은 연구자들이 실규모 구조실험을 수행하고 있다^{(Kim et al., 2010; Ka et al., 2010; Zhangfeng et al., 2022; Liu et al., 2022; Ma et al., 2023; Farhat et al., 2017; Kong et al., 2021)}. ^{Zhangfeng et al.(2022)}은 지하 구조물용 프리캐스트 측벽에 적용되는 연결부의 구조성능 평가를 위하여 실규모 구조실험을 수행하였다. ^{Farhat at al.(2017)}, ^{Ma et al.(2023)}은 프리캐스트 옹벽에 대한 구조실험과 수치해석을 수행하고 구조거동을 분석하였다.

본 연구에서는 현장타설로 연결되는 프리캐스트 옹벽 저판부에 적용된 연결 방식에 따른 저판부 구조거동을 분석하기 위하여 프리캐스트 옹벽에 대한 실규모 실험을 수행하였다. 기존의 겹이음 방식으로 연결된 실험체와 비접촉식 철근 커플러^{(Kim et al., 2023)}로 연결된 실험체를 제작하였다. 두 가지 다른 방식의 저판부 연결부를 갖는 옹벽 구조물에 대하여 휨 실험을 수행하고, 하중-처짐 곡선, 철근과 콘크리트의 변형률, 균열 패턴을 분석하였다.

2. 비접촉식 철근 커플러의 특징

비접촉식 철근 커플러(Contactless coupler)는 연결되는 두 개의 모재 철근(Rebar for connection)을 나사식으로 직접적으로 연결하는 기존의 방식이 아니라 철근의 부착력을 극대화 시키고 정착이음길이를 감소시켜서 모재 철근 간의 하중을 전달한다(Fig. 1). 부착력을 증가시키는 요소는 다수의 ①연결 철근(Connector bars), ②스파이럴 철근(Spiral bars), ③확대마디(Expanded rib rebar)이다. ①연결 철근은 모재 철근으로부터 하중을 전달받아 직접적으로 저항하는 역할을 하며, 다수의 연결 철근 총 단면적은 모재 철근보다 커야 한다. ②스파이럴 철근은 연결 철근과 용접 등의 방법으로 결합되어 있으며, 모재 철근에 끼워 넣는 방식으로 설치된다. 스파이럴 철근의 역할은 연결 철근을 지지하는 역할과 함께 모재 철근에서 발생하는 부착력을 손실 없이 연결 철근으로 골고루 전달해 준다. ③확대마디는 모재 철근과 콘크리트의 부착력을 극대화하기 위해서 설치된다. 모재 철근의 끝 단에 하나의 앵커가 설치되는 기존의 확대머리 철근은 철근 단부로의 응력집중으로 인하여 콘크리트에 균열이 발생하는 경우가 종종 발생한다^{(Kim et al., 2022)}. 확대마디 철근은 철근의 길이 방향으로 다수의 확대마디 앵커가 설치되므로 하중을 고르게 분산시켜 콘크리트 응력집중을 막고 부착력을 증가시키는 효과가 있다.

Fig. 1. Contactless Rebar Coupler. (a) Installation of Contactless Coupler, (b) Components of Contactless Rebar Coupler(Kim et al., 2023), (c) Structural Mechanism of Contactless Rebar Couple

3. 프리캐스트 옹벽 실규모 구조실험

3.1 구조실험 개요 및 실험체 제원

실물실험에 사용된 프리캐스트 옹벽은 폭 2,000 mm, 벽체 높이 4,500 mm, 저판부 두께 450 mm, 저판부 길이 3,000 mm의 제원을 갖고 있다. 구조실험은 저판부의 구조성능을 평가하기 위하여 수행되었다. 프리캐스트 옹벽 저판부 하면의 토양이 유실된 상태에서 벽체부의 연직 토압이 저판부에 작용하는 조건를 가정하고 실험을 실시하였다. 실험장소는 한국건설기술연구원 일산 본원의 구조실험동이며, 옹벽 벽체는 반력벽에 고정하고 벽체와 저판부가 만나는 곳 하단에 롤러 지점을 설치하여 저판부를 캔틸레버 조건으로 세팅하였다. 하중재하에는 1,000 kN 액츄에이터가 사용되었다. 벽체와 저판부를 연결하는 헌치부의 중앙지점 아래에 벽체의 미끄러짐을 막기 위한 힌지 지점을 두었으며, 해당 힌지지점은 벽체 외측면에서 550 mm 떨어진 곳에 위치하고 있다. 하중재하 위치는 벽체 외측면에서 2,050 mm 떨어져 있으며, 이는 저판부 총 길이(3,500 mm)의 2/3가 되는 지점이다. 하중은 프리캐스트 옹벽 너비(2,000 mm) 길이 방향으로 재하하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Test Set-Up

하중은 액츄에이터 변위 제어 방식으로 재하하였다. 하중 값은 1,000 kN 액츄에이터의 로드셀 데이터로 계측하였고, 저판부 시공 이음부 근처의 현장 타설부 콘크리트 표면 상하부에서 인장 및 압축 변형률 값을 계측하였고, 마찬가지로 시공 이음부 근처의 인장 철근 및 압축 철근에서 변형률 값을 계측하였다. 변위 데이터는 시공 이음부 근처의 프리캐스트 콘크리트 단부 하면과, 하중 가력점이 있는 현장 타설부 하면에서 계측하였다. 계측 센서 위치 및 정보는 Table 1, Fig. 3과 같다.

Table 1. Location of Sensors Installed

Specimen (Connection type)	Sensor	Note
LAP (Lap splice type)	LAP-CIP-T	LAP specimen, CIP part, Top surface
	LAP-CIP-B	LAP specimen, CIP part, Bottom surface
	LAP-PC-T	LAP specimen, PC part, Top surface
	LAP-PC-B	LAP specimen, PC part, Bottom surface
	LAP-R-T	LAP specimen, Rebar part, Top position
	LAP-R-B	LAP specimen, Rebar part, Bottom position
	LAP-PC-D	Lap specimen, PC part, Displacement
	LAP-CIP-D	Lap specimen, CIP part, Displacement
CRC (Contactless rebar coupler type)	CRC-CIP-T	CRC specimen, CIP part, Top surface
	CRC-CIP-B	CRC specimen, CIP part, Bottom surface
	LAP-PC-T	LAP specimen, PC part, Top surface
	LAP-PC-B	LAP specimen, PC part, Bottom surface
	CRC-R-T	CRC specimen, Rebar part, Top position
	CRC-R-B	CRC specimen, Rebar part, Bottom position
	LAP-PC-D	Lap specimen, PC part, Displacement
	LAP-CIP-D	Lap specimen, CIP part, Displacement

Fig. 3. Dimension of Specimen. (a) Front View, (b) Top Plain View, (c) Bottom Plain View

3.2 연결부 조건 및 재료 물성치

실물 구조실험에 사용된 옹벽 구조물은 프리캐스트 콘크리트 모듈(벽체+저판부 일부)과 현장타설 콘크리트(저판부 일부)의 결합으로 이루어져 있고, 연결부 조건이 다른 두 개의 실험체가 제작되었다(Fig. 4). 하나의 실험체(실험체 명 : LAP)는 겹이음으로 연결되어 있으며 겹침길이는 580 mm이다. 다른 실험체(실험체 명 : CRC)는 비접촉식 철근 커플러가 적용되었으며, 비접촉식 철근 커플러의 길이는 390 mm로 겹이음 실험체(LAP)의 2/3 수준이다. 따라서 비접촉식 철근 커플러 실험체(CRC)와 겹이음 실험체(LAP)의 구조성능이 동일하다면 비접촉식 커플러를 사용할 경우, 겹이음에 비해서 더욱 큰 프리캐스트 모듈을 제작할 수 있음을 의미한다. 비접촉식 철근 커플러 설계 제원은 Table 2와 같으며, 모재 철근 하나에 한 개의 확대마디가 사용되었다. 비접촉식 철근 커플러의 파괴를 방지하기 위하여 비접촉식 철근 커플러에는 연결 철근(D10)을 5개씩 설치하여 모재 철근(D19)의 1.3배 정도의 단면적을 갖도록 하였다.

Fig. 4. Base Slab Connection Fabrication. (a) LAP Specimen, (b) CRC Specimen

Table 2. Material Properties

Concrete	Compressive strength		Note
	28 days	Before test
Precast	42.2 MPa	43.6 MPa	Average value of 5 cylindrical specimens
Cast in place	33.3 MPa	34.0 MPa
Rebar	Yield Strength	Tensile Strength	Elongation
Flexural Resistance (SD400-D19)	450 MPa	581 MPa	21 %
Stirrup bars (SD400-D13)	441 MPa	562 MPa	22 %
Contactless rebar coupler	Yield Strength	Tensile Strength	Note
Connector bars (SD400-D10)	450 MPa	516 MPa	22 %, 5 EA
Expanded ribs (SS400)	339 MPa	451 MPa	25 %
Spiral bars	-	720 MPa	Diameter : 6 mm Pitch : 16 mm Length : 390 mm

4. 프리캐스트 옹벽 실규모 구조실험 결과 및 분석

두 실험체(LAP 및 CRC) 모두 현장 타설부 콘크리트 내부의 상하부 철근(R-T 및 R-B)에 변형률 센서를 부착하였다. 저판부 시공 이음부 근처 콘크리트 표면에도 변형률 센서를 부착하였으며, 프리캐스트 콘크리트 파트의 상하부 표면(PC-T 및 PC-B)과 현장 타설부 콘크리트 파트의 상하부 표면(CIP-T 및 CIP-B)에서 계측하였다. 실험결과 및 분석에서는 각각의 센서에서 얻은 평균값을 사용하였다. 하중은 1,000 kN 액츄에이터의 로드셀 값을 사용하였고, 변위는 두 군데(CIP-D 및 PC-D)에서 계측되었다. 프리캐스트 옹벽의 폭(2,000 mm)의 중앙 지점을 기준으로 시공 이음부에 근접한 현장 타설부 콘크리트 하면의 변위(CIP-D)를 계측하고, 하중이 재하되는 위치(벽체 외측으로부터 2,050 mm)의 프리캐스트 콘크리트 하면에서 변위(PC-D)를 계측하였다.

4.1 하중-처짐곡선 및 균열

Fig. 5에 나타낸 것과 같이, 하중-처짐곡선에서 비접촉식 철근 커플러가 적용된 CRC 실험체의 강도가 373.4 kN, 겹이음된 LAP 실험체의 강도가 357.6 kN로 나타났다. 최대강도에서의 변위는 CRC-CIP-D가 12.9 mm, CRC-PC-D가 29.8 mm로 나타났고, LAP-CIP-D는 21.6 mm, LAP-PC-D는 47.4 mm로 나타났다. 최대하중은 CRC 실험체가 5 % 정도 높게 나타나고, CIP 파트의 변위는 37 % 감소하고, PC 파트 변위는 40 % 감소한 것으로 나타났다. 이는 CRC 실험체의 연결부에서 하중전달이 우수하게 이루어졌다는 것을 의미한다. 또한 PC 파트의 변위 감소량이 CIP 파트에 비하여 크다는 것은 LAP 실험체 시공 이음부에서 CIP 부와 PC 부 간의 상대변위가 발생한 것을 의미하며, 이러한 현상이 LAP 실험체 항복 이후의 강성을 감소시켰음을 추정할 수 있다. CRC 및 LAP 실험체의 유일한 차이가 연결부 조건인 것을 고려하면, 연결부의 성능차이에 의해서 이러한 구조거동 차이가 발생하였음을 알 수 있다. 또한 두 실험체의 CIP 파트 균열 여부를 통해서도 하중전달 효과를 비교할 수 있다. Fig. 5에 보이는 바와 같이 CRC 실험체에서만 CIP 파트에 균열이 발생하였는데, 이는 PC 파트와 CIP 파트 사이의 시공 이음부 사이의 벌어짐이 상대적으로 적게 발생하여 두 파트 간의 응력전달이 원활하게 발생하였음을 의미하므로, CRC 조건이 LAP 조건에 비하여 시공 이음부 하중전달 효과가 우수한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Load-Displacement Curve And Crack Patterns. (a) Load-Displacement Curves, (b) Crack Patterns

4.2 철근 변형률

모든 실험체의 최종 파괴는 캔틸레버 지점 근처 헌치부의 단면변화가 종료되고 저판부가 시작되는 지점의 균열로 나타났으며, Fig. 6에 철근의 하중-변형률 관계를 나타내었다. 헌치부 주철근이 먼저 항복하는 시점은 연결부의 변형률이 약 100×106 되는 시점으로 CRC 실험체와 LAP 실험체 모두 비슷하게 나타났고, 압축부 철근(R-B)은 항복 이후에도 실험체의 차이가 없었다. 하지만 항복 이후의 철근 인장 변형률 거동을 보면 CRC-R-T는 변형률이 계속 증가하는 반면, LAP-R-T는 변형률의 변화가 없다. 따라서 상대적으로 CRC 연결부의 철근은 항복 이후에도 구조적으로 양호한 연결상태를 유지하는 것을 알수 있다. 반면에 LAP 연결부의 경우 항복 이후의 변형률에 변화가 없는 것으로 보아, 극한 거동에서 부착성능이 감소할 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 6. Laod-Strain Curves of Rebar

4.3 콘크리트 변형률

실험체의 시공 이음부 근처에 설치된 압축부 변형률(CIP-B, PC-B) 및 인장부 변형률(CIP-T, PC-T)의 계측 결과를 Fig. 7에 그래프로 나타내었다. 콘크리트 인장부 변형률은 앞서 언급한 인장부 철근 변형률과 비슷하게 더 높은 하중 단계까지 인장 변형률을 유지하였다. 인장부에 비하여 연결부의 영향이 적은 압축부 변형률에서는 CRC 실험체와 LAP 실험체 모두 재하된 하중에 대하여 안정적인 변형률을 나타내었다. 다만 CRC 실험체가 LAP 실험체에 비해서 변형률이 다소 높게 나타나고, CIP 부의 변형률과 PC 부의 변형률 차이가 적게 발생하는 현상은 나타났으며, 이 역시 하중 전달효과에 의한 차이로 판단된다.

Fig. 7. Laod-Strain Curves of Rebar

5. 결 론

본 연구에서는 프리캐스트 옹벽의 구조실험을 통하여 저판부 연결부 조건에 따른 구조거동을 분석하였다. 프리캐스트 옹벽 저판부의 연결부 조건에 따라 겹이음 조건 실험체(LAP)와 비접촉식 철근 커플러 조건 실험체(CRC)로 구분하였고 4,500 mm 높이의 벽체와 3,000 mm 길이의 저판부를 갖는 폭 2,000 mm의 실물 실험체를 제작하였다. 저판부의 거동을 분석하기 위하여 실험체 벽체를 반력벽에 고정시켜 캔틸레버 조건을 구현하였고, 벽체 외면으로부터 저판부 길이의 2/3 지점에 하중을 재하 하였다. 시공 이음부의 철근과 콘크리트의 변형률 및 CIP 부와 PC 부의 변위를 계측하고 하중-변위 곡선과 하중-변형률 관계를 분석하였다. 그 결과 CRC 실험체가 LAP 실험체에 비하여 높은 강도를 가지며, 항복 이후의 강성도 더 높은 것을 확인하였다. 또한 실험체 균열 패턴에서 CRC 실험체에서는 CIP 부 콘크리트 균열이 발생하였으나, LAP 실험체에서는 CIP 부 균열이 발생하지 않은 것을 확인하였다. 이러한 실험 결과들을 통하여, 비접촉식 철근 커플러가 겹이음에 비하여 하중 전달효과가 우수한 것을 확인하였다. 또한 철근과 콘크리트의 변형률 관계를 보면 연결부의 영향이 비교적 적은 압축부에서는 CRC 실험체와 LAP 실험체의 차이가 크게 나타나지는 않았으나, 인장부에서는 CRC 실험체가 더 높은 하중 단계에서도 안정적인 변형률 증가를 나타내는 것을 확인하였다. 특히 철근 인장부의 경우 CRC 실험체는 철근 항복까지 변형률이 증가한 것에 비하여 LAP 실험체는 항복 이후 변형률의 증가가 없었다. 이러한 현상은 철근 항복 이후에는 겹이음의 부착성능이 급격하게 감소할 수 있음을 의미한다.