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문제 정의
- 이번 연구에서는 크기 효과를 이용하여 콘크리트의 압축 파괴에 관한 특성을 구명하려 하였으며 두 가지 대표적인 압축 파괴 양상 중 축압축만을 그 연구 대상으로 하였다. 또한 콘크리트의 축압축 거동을 구명할 수 있는 보다 체계적인 연구방법을 정립하기 위해서 본 연구에서는 초기 균열이 있는 이 중 캔틸레버보 (Double cantilever beam, DCB) 실험체를 이용한 실험 방법을 제시하였다.
가설 설정
- 본 실험에서는 작용 하중의 편심거리에 따라 균열선단에서 균열면과 평행한 방향으로 작용하는 압축의 영향과 균 열면에 수직 방향으로 작용하는 인장의 영향이 달라질 것이다. 즉 편심하중이 각 캔틸레버보의 중심 축 안쪽에서 작용하면 중심축 바깥쪽에서 작용하는 경우보다 균열선단에서의 압축력의 영향이 더 커진다.
제안 방법
- 콘크리트의 비빔에 사용된 믹서는 공칭용량 80, 의 강제식 믹서이며, 재료를 굵은 골재, 잔골재, 시멘트 그리고 실리카 퓸의 순으로 투입하여 3분간 건비빔한 다음, 물과 고성능 감수제를 동시에 투입하여 5분간 더 비빈 후 미리 준비된 거푸집에 콘크리트 치기를 하였다. 모든 공시체는 치기를 한 후 24시간이 경과하여 탈형했으며, 실험 수행 시까지 양생조에서 수중 양생을 실시하였다.
- 2(b) 의 실험체를 사용하여 압축 파괴의 크기 효과를 살펴보았다. 사용된 실험체는 이 중 캔틸레버보로 통상은 부재의 축에 수직한 방향으로 하중을 가하지만 본 연구에서는 부재의 축과 평행한 방향으로 하중을 가하여 실험을 수행하였다.
- 현재까지 콘크리트의 축압축강도에 대한 크기 효과의 존재 여부를 밝히기 위한 많은 이론적. 실험적 연구가 수행되어 왔으며, 본 연구에서도 이와 같은 콘크리트의 특성을 살펴보기 위하여 초기 균열 길이를 갖는 이 중 캔틸레버보 에 대한 실험적 고찰을 수행하였다. 축압축 강도는 주로 원주공시체에 대한 실험에서 그 값을 얻고 있는데, 이원주공 시체뿐만 아니라 본 연구에서 사용한 실험체에서도 크기 효과가 존재함을 확인했다.
- 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(1종 시멘트)를 사용하였으며 잔골재는 금강유역의 강모래를 사용하였고 굵은 골재 는 최대치수( dj 13 mm의 부순 자갈을 사용하였다. 실험체의 콘크리트는 수평으로 치기를 하였으며 작업성을 향상시키고 다짐을 원활히 하기 위하여 고성능 감수제와 진동기를 사용하였다.
- 같은 크기의 부재에 있어서도 하중 작용점의 편심거리( e)나 초기 균열 길이( 4。)에 따라 크기 효과가 다를 것으로 예상된다. 이와 같은 사실을 확인하기 위해 편심거리와 초기 균열 길이를 각각 세 가지로 변화 (Table 2참조) 시키면서 크기 효과를 관찰하였다.
- 실험에 사용된 기기는 250 tonf 용량의 만능재료 시험기 (UTM)이며, 변위제어법에 의해 실험을 수행하였다. 제어 속도는 0.003 mWsec의 속도를 유지하였고, 실험을 통해 각 실험체에 가해진 극한하중을 구하였다. KS F 2405에 의해 압축 강도( 九摂 실험을, 그리고 KS F 2423에 의해 쪼 갬인장강도(;?) 실험을 실시하였다.
- 지금까지 수행된 대부분의 콘크리트 축압축 강도의 크기 효과에 관한 연구들은 원주시 공체에 의한 것이었지만, 보다 체계적인 연구를 위하여 이 중 켄틸레버보를 이용한 실험을 제시하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 균열이 발생하고 진전하는 과정 및 압축 파괴의 전형적인 양상에 대해서는 참고문헌 12에 나타나 있다. 축압축력을 받는 실험체에 대하여 실험을 수행해보면 거의가 균열 면 에 대하여 수직인인 장응력을 받는 모드 I에 따라 파괴되므로 본 연구에서도 모드 I에 대하여 그 특성을 살펴보았다.
- 콘크리트의 비빔에 사용된 믹서는 공칭용량 80, 의 강제식 믹서이며, 재료를 굵은 골재, 잔골재, 시멘트 그리고 실리카 퓸의 순으로 투입하여 3분간 건비빔한 다음, 물과 고성능 감수제를 동시에 투입하여 5분간 더 비빈 후 미리 준비된 거푸집에 콘크리트 치기를 하였다. 모든 공시체는 치기를 한 후 24시간이 경과하여 탈형했으며, 실험 수행 시까지 양생조에서 수중 양생을 실시하였다.
- 이것은 파괴진행영역의 크기가 작고 크기 효과가 크게 나타난다는 것을 의미한다. 파괴진행 영역의 크기가 작아지면 실험체의 크기를 작게 할 수 있는 이점이 있으므로 본 실험에서는 강도 수준 700 kgVM의 고강도 콘크리트가 되도록 배합설계를 하였다. 실험체를 만들기 위해 선택된 콘크리트 배합표는 Table 1에 주어져 있다.
대상 데이터
- 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(1종 시멘트)를 사용하였으며 잔골재는 금강유역의 강모래를 사용하였고 굵은 골재 는 최대치수( dj 13 mm의 부순 자갈을 사용하였다. 실험체의 콘크리트는 수평으로 치기를 하였으며 작업성을 향상시키고 다짐을 원활히 하기 위하여 고성능 감수제와 진동기를 사용하였다.
- 실험에 사용된 기기는 250 tonf 용량의 만능재료 시험기 (UTM)이며, 변위제어법에 의해 실험을 수행하였다. 제어 속도는 0.
- Table 2의 실험체번호에서 S(Small), M(Mddle), 및 L(Large)은 실험체의 크기를 El, E2, 및 E3은 편심거리와 폭의 비인 e/b에 따른 실험체의 일련번호를, Al, A2, 및 A3은 초기 균열 길이와 실험체 폭의 비인에 따른 각 실험체 크기의 일련번호를 나타낸다. 실험체의 크기가 가장 작은 경우(S)에는 실험 결과의 흩어짐이 다른 크기의 실험체보다 클 것으로 예상되어 6개의 실험체를 선택했다. 그러나 Table 2에서 6개보다 적은 수의 실험체수가 나타나 있는 것은 여러 가지 의 원인에 의해 실험자료가 생략된 실험체가 있음을 의미하고 있다.
- 이번 연구에서는 크기 효과를 이용하여 콘크리트의 압축 파괴에 관한 특성을 구명하려 하였으며 두 가지 대표적인 압축 파괴 양상 중 축압축만을 그 연구 대상으로 하였다. 또한 콘크리트의 축압축 거동을 구명할 수 있는 보다 체계적인 연구방법을 정립하기 위해서 본 연구에서는 초기 균열이 있는 이 중 캔틸레버보 (Double cantilever beam, DCB) 실험체를 이용한 실험 방법을 제시하였다.
이론/모형
- 003 mWsec의 속도를 유지하였고, 실험을 통해 각 실험체에 가해진 극한하중을 구하였다. KS F 2405에 의해 압축 강도( 九摂 실험을, 그리고 KS F 2423에 의해 쪼 갬인장강도(;?) 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 본 실험을 통해 콘크리트의 압축 파괴도 결국은 횡방향인 인장변형에 의해 발생하므로 콘크리트의 축압축 파괴에 서도 크기 효과가 나타난다는 사실을 확인하였다.
- 2) 편심거리를 변화시킨 경우, 초기 균열선단에 미치는 압축과 인장의 영향에 따라 크기 효과가 변화함을 알 수 있었다. 즉 균열 면에 인접한 위치에 하중을 가하면 압축의 영향이 커지므로 크기 효과가 작게 나타나고, 균열 면에서 멀리 떨어진 위치에 하중을 가하면 인장의 영향이 커져서 크기 효과가 증가함을 알 수 있었다.
- 3) 초기 균열길이에 따른 크기 효과 실험에서도 크기효과가 존재함을 확인하였다. 그러나 균열길이에 따른 강도의 차이는 뚜렷하지 않았는데, 이는 본 논문에서 사용된 콘크리트가 고강도이므로 저강도의 경우보다 파괴진행 영역의 크기가 작고 또한 서로 유사하기 때문으로 판단된다.
- 그러나 본 논문에서는 700 皿危의 고강도 콘크리트가 사용되었으며 이 경우 리가먼트(Ligament) 길이의 차이에도 불구하고 파괴진행 영역의 크기가 모든 공시체에서 유사하고 또한 저강도의 콘크리트와 비교해서 작으므로 Fig. 7 에서 알 수 있는 바와 같이 부재의 크기에 따른 크기 효과 는 존재하지만 균열길이에 따른 극한 강도에는 큰 차이가 없는 것으로 판단된다. 즉 하중이 가해져 파괴진행 영역에 미세 균열이 발생하면 주균열이 곧바로 생기고 이는 전체 부재의 파괴와 직접적으로 연결됨을 알 수 있다.
- 2) 편심거리를 변화시킨 경우, 초기 균열선단에 미치는 압축과 인장의 영향에 따라 크기 효과가 변화함을 알 수 있었다. 즉 균열 면에 인접한 위치에 하중을 가하면 압축의 영향이 커지므로 크기 효과가 작게 나타나고, 균열 면에서 멀리 떨어진 위치에 하중을 가하면 인장의 영향이 커져서 크기 효과가 증가함을 알 수 있었다.
- 실험적 연구가 수행되어 왔으며, 본 연구에서도 이와 같은 콘크리트의 특성을 살펴보기 위하여 초기 균열 길이를 갖는 이 중 캔틸레버보 에 대한 실험적 고찰을 수행하였다. 축압축 강도는 주로 원주공시체에 대한 실험에서 그 값을 얻고 있는데, 이원주공 시체뿐만 아니라 본 연구에서 사용한 실험체에서도 크기 효과가 존재함을 확인했다.
후속연구
- 4) 본 논문의 결과로부터 현재 실제 설계에 사용되고 있는 강도 기준이 개선되어야 함을 알 수 있었다. 이는 구조물의 설계시에 ©15X30 cm와 같이 획일화된 원주공시체의 콘크리트 압축강도를 사용하기보다는 그 구조물의 크기에 적합한 콘크리트 압축 강도를 크기효과 법칙에 근거하여 구한 후 이를 사용하는 것이 바람직함을 의미한다.
- 따라서 보다 정확한 실험이 이루어지기 위해서는 실험체의 크기를 조정하거나 파괴진행 영역이 충분히 확보될 수 있는 실험체를 제안하여 실험을 해야 할 것으로 사료된다.
- 여기서 콘크리트의 축압축강도는 강도기준에 따라 설계를 수행할 때 사용되는 가장 중요한 재료적 특성이므로 이 강도에 크기 효과가 존재한다는 사실은 큰 문제의 제기가 될 수 있다. 따라서 앞으로의 연구에서는 크기효과 법칙에 근거하여 콘크리트의 압축 강도를 얻을 수 있는 실험체의 크기를 구조물이나 부재의 크기별로 제시할 수 있다면 실무자들에게 상당한 도움이 되리라 생각된다.
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