이 연구에서는 LNG 탱크 수직 텐던과 같이 콘크리트 부재의 한쪽 면에서 긴장 작업이 이루어질 수 없는 경우에 적용이 효과적인 수직 고정 정착장치의 개발을 위한 실험적 연구를 수행하였다. 수직 고정 정착장치는 기존의 긴장형 정착장치와는 힘의 전달구조가 상이하므로 새로운 설계 및 평가기법의 정립이 필요한 장치이다.
기존 수직 고정 정착장치는 1,860 MPa급 PS 강연선용으로 VSL에서 개발되어 해외에서 일부 적용되고 있다. 그러나 근래 강연선 생산 기술 발달로 2,360 MPa 초고강도 PS 강연선이 개발되었으며 우리나라를 중심으로 사용이 활발해지고 있고, 앞으로 2,360 MPa PS 강연선의 사용은 세계적으로 확대될 전망이다. 따라서 초고강도 PS 강연선용 수직 고정 정착장치의 개발은 국제 건설시장에서 우리 건설기술의 선도를 위하여도 매우 중요한 위치를 차지하는 이슈이다.
이 연구는 수직 고정 정착장치의 거동 특성 및 성능평가 방안 연구를 위해 수행되었다. 먼저 이론적 연구를 통하여 성능평가방안 및 시험체 규격을 설정하였다. 이를 통해 계획된 6개의 예비성능시험체 시험을 통하여 이 구조의 특성을 분석하였다. 이 결과를 반영한 개선된 최종 수직 고정 정착장치의 검증성능시험을 실시하였으며 그 결과를 분석하였다.
연구를 위하여 먼저 현재 공인되어 널리 적용되고 있는 정착장치 관련 국내외 설계 및 시험기준에 대해 조사하고, 수직 고정 정착장치에 적용 가능한 요점을 도출하였다.
수직 고정 정착장치에서 긴장력의 도입은 캐스팅 내부에서 그립을 부착한 PS 강연선과 그라우트의 상호작용에 의한 부착성능과 캐스팅과 콘크리트 구조물 사이의 지압성능으로 이루어지며, 캐스팅 내부에서의 힘의 전달구조는 이 장치의 독특한 특징으로 별도의 설계 및 성능평가 기준 정립이 필요하다. 캐스팅 내에서 그립을 장착한 PS 강연선의 부착성능은 강연선의 강도는 물론 강연선을 둘러싼 그라우트의 강도, 그립의 지압성분 영향과 섬유보강재의 혼입, 피복두께, 강연선의 수, 그라우트의 길이 및 단면규격에도 영향을 받으며, 캐스팅의 지압성능은 횡리브의 설치 형태, 보강철근 등 다양한 요소의 영향을 함께 받는다.
이 연구에는 캐스팅 내 그라우트 깊이 결정 과정에서 여러 연구자들의 콘크리트 강도와 전달길이 관련 제안식을 고려하였으며, 캐스팅의 규격 결정을 위한 지압설계에서는 횡리브의 영향을 연구한 최근의 연구 결과를 반영하였다.
이 장치의 성능평가를 위하여 유럽의 EOTA 및 한국의 KCI에서 규정하고 있는 긴장형 정착장치의 정하중성능 시험 및 하중전달성능 시험의 방법을 준용하여 수행하고, 캐스팅 내부에서 PS 강연선의 안정성 평가를 위해 긴장력 도입 시 그립과 강연선이 그라우트로부터 뽑히지 않을 것과 그라우트가 캐스팅 내로 과다하게 빨려 들어가지 않을 것을 검증 요소로 제안하고, PPWS에서 스트랜드의 발출량을 기준으로 함몰 변위의 허용한계를 제시하였다.
제안된 시험체의 안정성 평가 및 성능향상 개선사항 도출을 위하여 6개의 예비성능시험체에 대해 시험을 실시하였으며, 그 결과 최대하중의 도입단계에서 PS 강연선 및 정착장치가 안정적으로 거동함을 확인하였다. 본 장치의 특성인 함몰 변위의 발생과 캐스팅 형상과의 영향분석을 통하여 캐스팅 하면 직경과 쐐기 작용을 발생시키는 캐스팅 내부의 경사각 등이 중요한 요소로 작용함을 확인하였다. 또한 최소 배근한 보강철근은 엄격한 표면균열 제어를 위하여 강화할 필요가 있음을 제시하였다.
이 결과를 반영하여 개선된 검증성능시험체 6개를 제작하고 정하중성능 및 하중전달성능 시험을 실시하였으며, 그 결과 캐스팅의 경사각과 규격조정이 정착장치의 안정에 매우 중요한 요소로 작용하며, 스터럽 및 띠철근의 보강은 표면균열 제어에 매우 큰 효과를 나타냄을 확인하였다.
이 연구 결과, 수직 고정 정착장치는 새로운 평가 방법 및 기준 정립이 필요한 분야로 제안된 규격 설정 과정과 평가방안이 이 장치의 실용화에 큰 도움을 줄 것으로 기대하며, 향후 이번 연구에서 도출된 제 영향요인의 효과를 적절히 고려하면 수직 고정 정착장치의 성능을 보다 더 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

As in the case of large prestressed concrete structures such as LNG tanks, there are cases where tensioning work cannot be done on one side of the concrete member. In this study, an experimental study was conducted for the development of a vertically embedded post-tensioning anchorage device that is effective in this case. Since the vertically embedded post-tensioning anchorage device has a different structure from the stressing anchorage, it is a field that requires the establishment of a new design and evaluation technique.
The vertically embedded post-tensioning anchorage device was developed by VSL for strength of 1,860 MPa and is being partially applied overseas. In recent years, the use of high-strength strands of 2,360 MPa class has been active in Korea due to the development of strand production technology, and the use of high-strength strands is expected to expand worldwide in the future. Therefore, the development of vertically embedded post-tensioning anchorage devices for high-strength strands is an issue that occupies a very important position in the international construction market for the leading of our construction technology.
This study was conducted to study the behavior characteristics and performance evaluation method of this device. First, the characteristics of this device were analyzed through testing of preliminary specimens planned through theoretical studies. The performance test of the final vertically embedded post-tensioning anchorage device reflecting this result was conducted, and the results were analyzed.
For the research, first, domestic and foreign design and test standards related to the currently recognized and widely applied anchorage device were investigated, and the applicable points for the vertically embedded post-tensioning anchorage device were derived.
In the vertically embedded post-tensioning anchorage device, the introduction of tension force can be seen as the bond performance by the interaction between the grout and the strand attached to the grip inside the casting and the bearing performance between the casting and the concrete structure. The transmission of force inside the casting is a unique feature of this device, and it is necessary to establish a new design and performance evaluation criteria. The bond performance of strands with grips in the casting affected not only by the strength of the strands, but also by the strength of the grout surrounding the strands, the influence of the bearing stress of the grip, the mixing of fiber reinforcement, the thickness of the covering, the number of strands, and the length and cross-section of the grout. In addition, the bearing performance of casting is affected by various factors such as the installation shape of the transverse ribs and reinforcing bars.
In this study, in the process of determining the depth of the grout in the casting, many researchers'' proposed formulas related to concrete strength and delivery length were considered. And in the bearing strength design for determining the casting size, the results of recent studies on the effect of transverse ribs were reflected.
For the performance evaluation of this device, the static load test and the load transfer test of the stressing anchorage device specified by EOTA in Europe and KCI in Korea were used. In order to evaluate the stability of the strand inside the casting, it is suggested that the grip and strand will not be pulled out from the grout when tension is introduced and that the grout will not be excessively sucked into the casting as verification factors.
And the permissible limit of the depression displacement was presented based on the amount of ejection of the strands in the PPWS.
In order to evaluate the stability of the proposed specimen and to derive performance improvement improvements, a test was conducted on six preliminary specimens. As a result, it was confirmed that the strand and the anchoring device behaved stably during the introduction stage of the maximum load. Through the analysis of the effect of the occurrence of pull-out displacement and the casting shape, which are characteristics of this device, it was confirmed that the diameter and the inclination angle of the inside of the casting that generate wedge action act as important factors when casting. In addition, it was suggested that rebar with minimal reinforcement needs to be strengthened for strict surface crack control.
Static load test and load transfer test were performed on 6 performance test specimens reflecting this result. As a result, it was confirmed that the inclination angle and size adjustment of the casting act as very important factors for the stability of the anchoage device, and the reinforcement of the stirrups and the spiral bars has a very large effect on the control of surface cracks. As a result of this study, it is expected that the standard setting process and evaluation method proposed for the vertically embedded post-tensioning anchorage device will be of great help to the practical use of this device as a field that requires the establishment of new evaluation methods and standards. In the future, it is expected that an optimized structure of a vertically embedded post-tensioning anchorage device can be derived by appropriately combining the effects of various influencing factors derived from this research process.