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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 HPFRCM에 사용되는 섬유의 종류에 따른 휨피로특성을 실험.실증적으로 비교분석하고자 하였다.
- 종류에 따른 휨피로특성을 실험.실증적으로 비교분석하고자 하였다. 또한 이를 통하여 HPFRCM에 대한 내피로성능 규정을 위한 기초 자료를 제시하고자하였다.
- 실증적으로 비교분석하고자 하였다. 또한 이를 통하여 HPFRCM에 대한 내피로성능 규정을 위한 기초 자료를 제시하고자하였다.
제안 방법
- 용적비는 15%로 설정하였다. 비빔시 섬유의 분산성 향상을 위해 메틸셀룰로스계 증점제를 단위 수량에 대하여 중량비로 0.25% 첨가하였다. (Table 3)
- 시험체의 크기는 100X100X400mm의 휨몰드를 이용하였다. 정적최대 인장응력에 대한 휨피로 응력수준의 비를 피로 응력 비로 하여 실험을 진행하였다.
- 도입할피로응력을 결정하기 위한 정적시험의 경우는 재하속도가 2mm/min로써 변위제어 하였다. 휨피로시험의경우 단진재하로써, 정적 재하시험으로부터 얻은 평균휨강도에 대하여 각각의 도입 피로응력에 해당하는 하중을 가력하는 하중제어방식을 택하였다. 피로하중의형태는 사인파(Sinusoidal load)로 하였으며, 최대 도입 피로응력으로부터 최대 휨강도의 10%까지를 가력영역으로 선정하였고, 재하속도는 6Hz로 하였다.
- 휨피로시험의경우 단진재하로써, 정적 재하시험으로부터 얻은 평균휨강도에 대하여 각각의 도입 피로응력에 해당하는 하중을 가력하는 하중제어방식을 택하였다. 피로하중의형태는 사인파(Sinusoidal load)로 하였으며, 최대 도입 피로응력으로부터 최대 휨강도의 10%까지를 가력영역으로 선정하였고, 재하속도는 6Hz로 하였다. 측정은 동적변형측정기를 이용하여 하중, 변위, 그리고변형특성을 240Hz의 속도로 3초간 수집한 후 측정결과를 정리하였다.
- 피로하중의형태는 사인파(Sinusoidal load)로 하였으며, 최대 도입 피로응력으로부터 최대 휨강도의 10%까지를 가력영역으로 선정하였고, 재하속도는 6Hz로 하였다. 측정은 동적변형측정기를 이용하여 하중, 변위, 그리고변형특성을 240Hz의 속도로 3초간 수집한 후 측정결과를 정리하였다. 시험상황은 Fig.
- 그러므로 본 연구에서는 HPFRCM에 사용되는 섬유의 종류에 따른 휨피로특성을 실험.실증적으로 비교분석하고자 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에는 모르터 제조를 위하여 결합재로서 시멘트는 비중 3.15의 1종 보통포틀랜드시멘트, 혼화재는 비중 2.12의 보령산 플라이애시를 사용하였다.
- 잔골재로서는 비중 2.64, 평균입경 0.2mm의 규사를 사용하였다.(Table 1) 섬유는 마이크로 섬유로서길이 12.
- 2mm의 규사를 사용하였다.(Table 1) 섬유는 마이크로 섬유로서길이 12.0mm, 직경 39㎛인 PVA(Polyvinyl alcohol fiber), 길이 15.0mm, 직경 12/zm 인 고강도 PE (Polyethylene fiber) 섬 유가 각각 사용되었다. 매크로 섬유는 32.
- 0mm, 직경 12/zm 인 고강도 PE (Polyethylene fiber) 섬 유가 각각 사용되었다. 매크로 섬유는 32.0mm, 직경 200㎛, 5연선의 SC (Steel cord)를 이용하였다.(Table 2, Fig.
- 본 실험에 사용된 매트릭스의 배합은 물결합재비는 40%, 플라이애시 대체율은 20%, 모르터 용적에 대한 잔골재 용적비는 15%로 설정하였다. 비빔시 섬유의 분산성 향상을 위해 메틸셀룰로스계 증점제를 단위 수량에 대하여 중량비로 0.
- 시험체는 피로 응력 수준을 결정하기 위한 정적 휨 시험체 5종류와 휨피로 시험체 14종류로 제작하였다. 시험체의 크기는 100X100X400mm의 휨몰드를 이용하였다. 정적최대 인장응력에 대한 휨피로 응력수준의 비를 피로 응력 비로 하여 실험을 진행하였다.
- 2 와 같은 4점휨시험 방법 (Four point bending test)을 이용하였으며 200kN 용량의 피로.시험기를 사용하였다. 도입할피로응력을 결정하기 위한 정적시험의 경우는 재하속도가 2mm/min로써 변위제어 하였다.
- 시험체는 피로 응력 수준을 결정하기 위한 정적 휨 시험체 5종류와 휨피로 시험체 14종류로 제작하였다. 시험체의 크기는 100X100X400mm의 휨몰드를 이용하였다.
이론/모형
- 정적 휨시험 및 휨피로시험은 Fig. 2 와 같은 4점휨시험 방법 (Four point bending test)을 이용하였으며 200kN 용량의 피로.시험기를 사용하였다.
성능/효과
- 21mm로써 매우 큰 변형성능을 보이고 있다. 모든 HPFRCMe 초기균열 이후에도 약 2배 이상의 휨응력에도 견디며 다수의 균열을 발생시키는 변형경화현상을 나타내었다. 섬유 종류별 휨강도 비교에서는 S-PVA2.
- 그러나 일반 몰탈 시험체와는 다르게 초기 균열 이후에 시험체는 급격히 파괴되지 않았으며 상부로 균열이 진전되는 동시에 균열이 분산되는 특성을 관찰할 수 있었다. 최종파괴는 분산된 미세 균열 중 하나의 균열 폭이 급작스럽게 증가하면서 파괴되었다. Fig.
- 9는 피로응력비 별 균열 분산특성을 예시한 것이다. 정적 휨 거동특성과 마찬가지로 본 연구에서 대상으로 하는 HPFRCMe 피로하중 하에서 휨균열 이후 상부로의 진전과 함께 분산된 미세균열 (Multiple Crack) 이 발생하였으며, 피로 응력비가 높아질수록 균열수도 증가함을 알 수 있었다. 한편, 피로응력비가 낮은 경우 상대적으로 분산된 균열의 수가 감소하는 것을 알 수 있었으나 이는 매트릭스내에 작용하는 응력레벨이 작기 때문으로 판단되었다.
- 이는 최대모멘트가 작용하는 부분에 있어 사용 하중 범위에서는 실질적으로 강성이 더 이상 감소되지않기 때문이다. 반면, 본 연구에서 대상으로 하는 HPFRCM의 경우에는 강성이 계속 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 지속적인 균열발전이 원인으로 판단되었다. 이를 통하여 HPFRCM의 휨피로하중에 대한 거동은 마치 금속재와 같은 거동 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 반복 피로하중을 받는 HPFRCM에 대한 균열 및 거동특성을 분석한 결과 매우 연성적인 거동을 보이고있음을 알 수 있었다(Table 6). 또한 이러한 연성적인 거동은 초기 균열이후 균열의 진전과 함께 발생하는 분산 미세 균열과, 균열 사이의 섬유가 발현하는가교작용에 의한 것으로 판단되었다.
- 089mm에 비해 매우 큰 변형성능을 보인다. 최대 휨웅력시 처짐특성은 PE 1.0 시험체가 4.21mm 로써 가장 큰 변형특성을 보였다. 섬유혼입율 PE 1.
- 반복회수에 따른 피로웅력비 0.9에서 4종류 시험체의 처짐을 비교해 보았을때 PE 1.0+SC 0.5와 PVA 2, 0시험체에서 처짐이 적게 일어났으며 PVA 2.0 + SC 0.5 시험체에서 처짐이 가장 많이 발생히였다. 또한 섬유혼입량 2.
- 5 시험체에서 처짐이 가장 많이 발생히였다. 또한 섬유혼입량 2.0%근처에서의 시험체가 단일 섬유나 하이브리드 섬유 혼입시 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있었다. 구조부재에 HPFRCM을 적용하는경우 내피로 성능을 검토하기 위해서는 휨 피로하중을받는 HPFRCM에 대한 파괴 메카니즘 및 파괴특성에관한 해석 모델의 정립이 필요하며 이를 위한 보다 심도 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
후속연구
- 이러한 HPFRCM의 특징인 미세균열 형성 및 변형 경화 특성은 인장 및 휨인장의 피로에 대한 높은 내피로 특성을 가질 것으로 기대된다. 그러므로 HPFRCM 이 진동이나 반복하중을 받는 교량 등과 같은 구조물에 적용되는 경우, 매우 우수한 보수재료의 특성을 보일 가능성이 있다.
- 0%근처에서의 시험체가 단일 섬유나 하이브리드 섬유 혼입시 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있었다. 구조부재에 HPFRCM을 적용하는경우 내피로 성능을 검토하기 위해서는 휨 피로하중을받는 HPFRCM에 대한 파괴 메카니즘 및 파괴특성에관한 해석 모델의 정립이 필요하며 이를 위한 보다 심도 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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