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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 연구에서는 동일한 콘크리트 강도의 수준에서 평가를 수행한 것을 확장하여, 콘크리트의 강도변화에 따른 콘크리트의 손상도 해석을 수행하였으며, 또한 철근콘크리트 휨시험체를 대상으로 계면 분리 시점과 손상도 평가를 상호 비교함으로써, 철근과 콘크리트의 계면분리시점을 더욱 객관적인 입장에서의 평가가 가능함을 입증하고자 함이 본 연구의 목적이며, 또한 기존의 비파괴검사방법으로는 얻을 수 없는 AE만의 장점을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 콘크리트 강도수준별 하중을 재하하여 파괴과정 동안에 발생된 AE데이터를 분석하여 손상도 해석을 수행하였으며, 펠리시티비(FR)를 이용한 철근콘크리트 휨시험체에 대한 손상도 평가를 실시하여 얻은 연구 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- CY 및 CP 시리즈의 시험체는 단조증가하중을 재하하였으며, CB시리즈의 시험체는 반복하중을 재하하였다. 하중증가에 따른 변위응답 특성은 다음과 같다.
- 즉, 초기의 인장균열 발생시점은 육안관찰과 AE 활동성(activity)과의 상호비교에 의해 평가하였고, 계면분 리는 변위 측정결과와 높은 AE 진폭레벨 및 AE 활동성 분석에 의해서 평가를 하였다. 마지막으로 손상도 평가는 하중 재하이력과 AE 활동성 개시시점을 기준으로 평가하 였다. 그러나 계면분리시점의 평가가 단순히 AE활동성이 급격히 증가한다는 점에 초점을 맞추어 평가하는 방법은 객관화 측면에서 취약한 부분이 다소 있다.
- 본 연구에서 콘크리트가 파괴되기까지 콘크리트에서 발생하는 AE를 검측하기 위한 측정시스템은 2부분으로 구성된다. 하나는 하중 혹은 변위를 제어하여 시험체에 하중을 재하하는 압축강도 시험기(UTM)이고, 다른 하나는 시험체에 부착된 센서로부터 데이터를 처리하는 AE 측정기기로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 주변잡음의 영향을 받지 않는 범위에서 임계 값을 40〜48dB을 설정하여 AE를 측정하였으며, 측정 도중 변형에 의해 AE 센서와 시험체가 분리되지 않도록 고무밴드를 이용하여 완전 부착이 되도록 유도하였다 Table 4은 본 연구에서 수행한 시험체별 임계값 설정치와 증폭율을 정리한 것이다.
- 굵은 골재 최대치수는 25 mm로 하였고, 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다. 슬럼프 및 공기량을 조절하기 위해 사용된 혼화제는 리그린계 AE 감수제를 모든 배합에 대해 사용하였고, 고강도 배합만(MC3, CB3)은 나프탈렌계 고성능 AE감수제를 추가로 사용하였다.
- Yuyama 등5)은 철근콘크리트 휨시험체의 인장부에 보수재료로 보수를 수행한 후에 반복하중을 재하하여 파괴과정 동안에 발생한 AE를 계측함으로써 초기의 인장균열 발생시점, 콘 크리트와 철근의 계면분리, 손상도 평가가 가능함을 제시 하였다. 즉, 초기의 인장균열 발생시점은 육안관찰과 AE 활동성(activity)과의 상호비교에 의해 평가하였고, 계면분 리는 변위 측정결과와 높은 AE 진폭레벨 및 AE 활동성 분석에 의해서 평가를 하였다. 마지막으로 손상도 평가는 하중 재하이력과 AE 활동성 개시시점을 기준으로 평가하 였다.
- 손상도해석에 사용된 시험체의 배합은 MC시리즈이고, 펠리시티비를 이용한 손상도 평가에 이용된 시험체의 배합은 CB시리즈이다. 콘크리트 배합선정 원칙은 압축강도레벨의 차이를 주기 위해 W/C와 S/a를 주 변수로 하여 조정하는 하는 것으로 하였다. 굵은 골재 최대치수는 25 mm로 하였고, 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- 콘크리트가 하중을 받아 파괴되는 동안에 발생된 손상도를 평가하기 위하여 콘크리트의 강도수준은 3수준으로 설정하였다. 손상도 해석 및 평가를 위한 시험체는 원주시험체( ©10x20cm), 각주형 시험체(15x15x40cm) 및 철근콘크리트 휨시험체(炒炒90(前로 하였다.
- 하나는 하중 혹은 변위를 제어하여 시험체에 하중을 재하하는 압축강도 시험기(UTM)이고, 다른 하나는 시험체에 부착된 센서로부터 데이터를 처리하는 AE 측정기기로 구성되어 있다. 하중 및 변위제어는 UTM에 장착되어 있는 컴퓨터에 의해 제어가 가능하고, MC 시리즈의 콘크리트는 변위제어 방법에 의해 하중을 재하하였으며, CB시리즈의 콘크리트는 하중제어 방법에 의해 하중을 재하하였다. AE 측정기기에서는 시험체에 하중이 재하됨에 따라 mwi으로부터 하중 및 변위의 데이터를 실시간으로 전송 받아 손상도 해석 및 평가시 상호 비교할 수 있도록 BNC케이블로 연결하였다.
대상 데이터
- FR비를 이용한 손상도 평가용 시험체는 철근콘크리트 휨 시험체이다. 여기서, 콘크리트 배합은 Table 1의 CB 시리즈이고, 철근은 콘크리트 강도수준에 관계없이 KSD 3涸에 적합한 SD30(fy = aOOOkgVcn©의 2-D10을 인장 측에 동일하게 배근하였다.
- 1과 같다. 본 연구에 사용된 AE 센서는 공명주파수가 150 kHz인 R15센서이고, AE 측정장비는 SPARTAN 2000이다.
- 손상도 해석 및 평가를 위한 시험체는 원주시험체( ©10x20cm), 각주형 시험체(15x15x40cm) 및 철근콘크리트 휨시험체(炒炒90(前로 하였다.
- 손상도 해석을 수행하기 위한 시험체는 원주형 및 각주형 시험체 2종류이고, 콘크리트 배합은 Table 1의 MC 시리즈이다 시험체 명과 시험체의 수는 Table 3에 제시하였다
- 제작용 배합은 Table 1과 같다. 손상도해석에 사용된 시험체의 배합은 MC시리즈이고, 펠리시티비를 이용한 손상도 평가에 이용된 시험체의 배합은 CB시리즈이다. 콘크리트 배합선정 원칙은 압축강도레벨의 차이를 주기 위해 W/C와 S/a를 주 변수로 하여 조정하는 하는 것으로 하였다.
- 2와 같다. 원주형 시험체에는 총 4개의 센서를 설치하였고, 각주형 시험체의 경우는 총 7개의 센서를 설치하였다.
- 콘크리트 강도수준별 AE 활동성 및 손상도 분석에 사용한 시험체는 원주형 및 각주형 시험체이다. 한편 강도 수준별 파괴응력은 Table 5과 같다.
- 펠리시티비(FR)를 이용한 손상도 평가에 사용된 시험체는 CB시리즈의 철근콘크리트 휨시험체이다. 철근콘크리트 휨 시험체는 콘크리트 강도수준에 관계없이 철근량을 동일하게 배근한 관계로 파괴하중은 콘크리트의 강도 수준이 증가함에 따라 약간 상승하는 경향을 나타냈으나, 파괴하중은 철근의 항복응력에 지배를 받기 때문에 사실상 거의 유사하게 나타났다.
성능/효과
- 1) 본 연구에서는 Dai와 Labuz^가 제안한 손상도 해석이론을 콘크리트 강도수준별 손상도 해석을 실시하였으며, 원주형 시험체의 경우는 콘크리트 강도수준즉면에서 본다면, 고강도의 재료가 낮은 응력비(절대강도가 아님)에서 손상을 더욱 많이 받는다는 결과를 얻었다 한편 각 주형 시험체에서는 횡방향 변형량이 원주형 시험체에 비해 크게 증가하여 AE 계측조건에 영향을 주게 된 관계로 원주형 시험체와 유사한 결과를 얻지 못하였다.
- 1) 철근콘크리트 휨시험체에서는 카이저 효과 및 펠리시티 효과 모두를 확인할 수 있었다.
- 1) 콘크리트 강도수준별 원주형 시험체는 응력비의 대략 82%이전에는 고강도 일수록 확률밀도함수 /(气)가더 높은 값을 나타냈고, 82%이후에는 저강도일수록 확률밀도함수 六 卩)가 더 높은 값을 나타냈다.
- 2) 카이저 효과가 존재할 때는 하중을 제거해도 AE 활동성이 나타나지 않았으나 카이저 효과가 붕괴시 즉, 펠리시티 효과가 나타나는 시기는 하중을 제거하는 동안에도 AE 활동성이 나타났다(Fig. 8 〜 Fig. 11의 점선부분). 이단계(step)은 하중이 재하되면서 휨균열이 발생된 시기이며(육안관찰에 의해 확인됨), 계속해서 철근과 콘크리트가 미세하게 계면이 분리되고, 하중을 제거하면서 인장철근은 탄성 복원력에 의해 수축 하지만 콘크리트는 탄성 복원력이 발생하지 않는 관계로 철근과 콘크리트의 계면에서 미세한 마찰(friction) 이 유발되어 AE활동성이 나타난 것으로 볼 수 있다.
- 2) 콘크리트의 손상도 평가시 중요한 특성치인 카이저 효과 및 펠리시티 효과는 저강도, 보통강도 및 고강도 콘크리트 모두에 대해서 확인할 수가 있었다.
- 3) 본 연구에서는 Dai와 Labuz')가 제안한 손상도 해석이론을 콘크리트 강도수준별 손상도 해석을 실시하였으며, 원주형 시험체의 경우는 콘크리트 강도 수준 측면에서 본다면, 고강도의 재료가 낮은 응력비(절대강도가 아님)에서 손상을 더욱 많이 받는다는 결과를 얻었다. 추가 실험을 통하여 시험체의 크기에 관계없이 이러한 실험 결과를 얻는다면, 이것은 고강도 콘크리트일수록 취성성질을 반영한 것으로 볼 수 있다.
- 3) 철근콘크리트 휨 시험체에서 카이저 효과가 소멸하는 시기는 펠리시티 효과가 나타내는 시기이고, 특히, 이 시기는 철근과 콘크리트의 미세한 계면분리가 발생된 이후 하중을 제거시 AE활동성이 나타났으며, 펠리시티비 (FR)가 1이하의 값을 갖는 것을 확인할 수가 있었다. 이런 미세한 변형특성을 설명할 수 있는 것은 기존의 비파괴검사 방법으로는 확인할 수 없는 AE기법만이 갖는 장점이다.
- 3) 펠리시티 효과가 나타난 시기는 CB1 과 CB2의 경우는 선행하중이 2.0tonf 이후에 나타났지만 CB3은 선행하중이 2.5tonf 이후에 나타나 고강도 콘크리트일수록 콘크리트의 휨강도가 크기 때문에 나타난 효과로 볼 수 있다.
- 4) 본 연구에서 수행한 철근콘크리트 휨 시험체는 콘크리트의 강도수준에 관계없이 철근의 항복응력에 의해 파괴가 지배되기 때문에 반복하중을 받음에 따라 펠리시티비(FR)가 감소하는 경향은 콘크리트의 강도수준에 관계없이 유사한 양상을 나타내었다.
- 4) 본 연구에서 수행한 철근콘크리트 휨 시험체는 콘크리트의 강도수준에 관계없이 철근의 항복응력에 의해 파괴가 지배되기 때문에 반복하중을 받음에 따라 펠리시티비가 감소하는 경향은 콘크리트의 강도수준에 관계없이 유사한 양상을 나타내었다.
- 5) 재료의 손상정도를 나타내는 펠리시티비(FR)가 1 이하의 값은 나타내는 시기는 파괴하중의 약 33~44 % 사이에 나타났으며, 휨시험체의 휨인장균열이 발생한 시기와 일치하고 있다. 따라서 펠리시티너](FR)는 철근콘크리트 구조물의 성능저하 단계를 평가할 수는 있는 지표로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 5) 재료의 손상정도를 나타내는 펠리시티비(FR)가 1 이하의 값은 나타내는 시기는 파괴하중의 약 33~44 % 사이에 나타났으며, 휨시험체의 휨인장균열이 발생한 시기와 일치하고 있다. 따라서 펠리시티너](FR)는 철근콘크리트 구조물의 성능저하 단계를 평가할 수는 있는 지표로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 것이다. 세 번째로 일부 연구자들은 카이저 효과는 콘크리트 재료에서는 존재하지 않는다는 결론을 얻었다
- 철근콘크리트 휨 시험체는 콘크리트 강도수준에 관계없이 철근량을 동일하게 배근한 관계로 파괴하중은 콘크리트의 강도 수준이 증가함에 따라 약간 상승하는 경향을 나타냈으나, 파괴하중은 철근의 항복응력에 지배를 받기 때문에 사실상 거의 유사하게 나타났다.
- 6은 최대하중까지 측정한 재료에 대한 응력비 V 대 누적 히트 수N에 대한 그래프이다. 하중이 증가함에 따라 AE 히트 발생률은 증가하고, 곡선의 접선은 평평하게 되었으며, 콘크리트의 강도수준이 증가함에 따라 곡선의 기울기는 작아지는 경향을 나타내었다. 한편 이 곡선은 식(3)과 같이 표현되고, 실험상수( a, c, q)들은 비선형 곡선 회귀식에 의해 얻어진다.
후속연구
- 나타났으며, 휨시험체의 휨인장균열이 발생한 시기와 일치하고 있다. 따라서 펠리시티너](FR)는 철근콘크리트 구조물의 성능저하 단계를 평가할 수는 있는 지표로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 있다. 따라서 펠리시티비(FR)는 철근콘크리트 구조물의 성능저하 단계를 평가할 수는 있는 지표로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 6의 각 주형 시험체의 그래프로부터 알 수 있듯이 대략 응력비 80% 이전에 동일한 응력비에서 CP2의 누적 히트발생수가 CP3에 비해서 더욱 많이 발생하였고, 이 효과로 CP2의 확률밀도함수 以 卩)가 크게 나타났다. 이러한 CP2와 CP3의 혼전 양상은 343항에 언급된 AE 센서와 시험체 표면의 압착이 중요한 AE계측조건인데 원주형 시험체(CY시리즈)와 각 주형 시험체(CP시리즈)를 상호 비교한다면, 시험체가 압축 하중을 받아 변형을 일으킬 때 중앙부위의 횡방향 변형량이 시험체 크기가 클수록 커짐으로서 AE 센서와 시험체 표면의 완전한 압착에 영향을 준 것으로 보이며, 본 실험에서는 이러한 영향을 배제시키기 위한 측정조건를 변경시키기 위한 어떤 대책도 고려하지 못하였다.
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