본 연구에서는 강섬유보강 고강도콘크리트의 휨강도와 휨인성을 평가하기 위하여 실험을 수행하였으며, 이러한 실험 결과와 기존 연구자들의 실험 결과를 추가하여 강섬유보강 고강도콘크리트의 휨거동 특성을 분석하였다. 고강도 강섬유 콘크리트의 휨거동 특성은 강도와 인성으로 평가할 수 있으며, 이러한 특성은 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률 및 형상비, 강섬유계수와 같은 요소에 의해 영향을 받는 것으로 파악되었다. 아울러 기존 연구자에 의해 제안된 휨강도 산정식의 유효성을 평가하였으며, 강섬유 콘크리트의 휨강도는 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률 및 형상비, 강섬유계수와 같은 구조변수의 영향을 모두 고려하여 평가하는 것이 합리적이라고 판단되었다. 최종적으로 본 연구에서는 강섬유 혼입에 따른 휨강도의 상승분과 주요 구조변수간의 상관관계를 분석함으로써 보다 합리적인 휨강도 산정식을 제시하였다.
본 연구에서는 강섬유보강 고강도콘크리트의 휨강도와 휨인성을 평가하기 위하여 실험을 수행하였으며, 이러한 실험 결과와 기존 연구자들의 실험 결과를 추가하여 강섬유보강 고강도콘크리트의 휨거동 특성을 분석하였다. 고강도 강섬유 콘크리트의 휨거동 특성은 강도와 인성으로 평가할 수 있으며, 이러한 특성은 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률 및 형상비, 강섬유계수와 같은 요소에 의해 영향을 받는 것으로 파악되었다. 아울러 기존 연구자에 의해 제안된 휨강도 산정식의 유효성을 평가하였으며, 강섬유 콘크리트의 휨강도는 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률 및 형상비, 강섬유계수와 같은 구조변수의 영향을 모두 고려하여 평가하는 것이 합리적이라고 판단되었다. 최종적으로 본 연구에서는 강섬유 혼입에 따른 휨강도의 상승분과 주요 구조변수간의 상관관계를 분석함으로써 보다 합리적인 휨강도 산정식을 제시하였다.
The purpose of this study is to investigate the mechanical properties of high strength concretes reinforced with hooked steel fiber. For this purpose, total 36 specimens whose variables are concrete compressive strength, steel fiber aspect ratio, and steel fiber volume contents, are made and tested....
The purpose of this study is to investigate the mechanical properties of high strength concretes reinforced with hooked steel fiber. For this purpose, total 36 specimens whose variables are concrete compressive strength, steel fiber aspect ratio, and steel fiber volume contents, are made and tested. From the test results including previous research work, flexural performance of steel fiber reinforced high strength concrete is evaluated in terms of flexural strength and toughness index. Flexural behavior of steel fiber reinforced high strength concrete is enhanced with respect to the fiber volume content, the aspect ratio, and concrete compressive strength. More efforts are devoted to evaluate quantitatively between the flexural strength and the structural parameters such as the fiber volume content, the aspect ratio, and concrete compressive strength.
The purpose of this study is to investigate the mechanical properties of high strength concretes reinforced with hooked steel fiber. For this purpose, total 36 specimens whose variables are concrete compressive strength, steel fiber aspect ratio, and steel fiber volume contents, are made and tested. From the test results including previous research work, flexural performance of steel fiber reinforced high strength concrete is evaluated in terms of flexural strength and toughness index. Flexural behavior of steel fiber reinforced high strength concrete is enhanced with respect to the fiber volume content, the aspect ratio, and concrete compressive strength. More efforts are devoted to evaluate quantitatively between the flexural strength and the structural parameters such as the fiber volume content, the aspect ratio, and concrete compressive strength.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 강섬유로 보강한 보통 및 고강도콘크리트의 휨강도를 평가하기 위하여 실험을 수행하였으며, 이러한 실험 결과에 기존연구의 실험 결과를 추가하여 강섬유 콘크리트의 구조변수에 대한 휨강도와 휨인성 특성을 분석하였다. 또한 기존 연구자에 의해 제안된 휨강도 산정식의 유효성을 평가하고, 보다 합리적인 휨강도 산정식을 제시하고자 하였다.
본 연구는 강섬유로 보강한 보통 및 고강도콘크리트의 휨강도를 평가하기 위하여 실험을 수행하였으며, 이러한 실험 결과에 기존연구의 실험 결과를 추가하여 강섬유 콘크리트의 구조변수에 대한 휨강도와 휨인성 특성을 분석하였다. 또한 기존 연구자에 의해 제안된 휨강도 산정식의 유효성을 평가하고, 보다 합리적인 휨강도 산정식을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 갈고리형 강섬유를 사용한 고강도콘크리트의 휨거동을 평가하기 위하여 실험과 통계적 분석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
63# 를 뺀 휨강도 상승분을 사용하여 상관관계를 평가하였다. 이는 일반 콘크리트에 비하여 강섬유 콘크리트의 휨강도가 더 크게 나타나게 되므로, 강섬유의 혼입에 의한 순수한 휨강도의 상승분과 구조변수의 관계를 분석하기 위한 것이다. 그 결과, 콘크리트 압축강도의 제곱근, 강섬유 혼입률 및 강섬유계수는 휨강도 상승분과 상관계수가 크게 나타나고 있다.
제안 방법
강섬유 콘크리트의 주요 구조변수인 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비 및 강섬유계수가 휨강도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 Fig. 6과 같이 실제 휨강도에서 일반 콘크리트의 휨강도7)에 해당하는 0.63# 를 뺀 휨강도 상승분을 사용하여 상관관계를 평가하였다. 이는 일반 콘크리트에 비하여 강섬유 콘크리트의 휨강도가 더 크게 나타나게 되므로, 강섬유의 혼입에 의한 순수한 휨강도의 상승분과 구조변수의 관계를 분석하기 위한 것이다.
55 mm인 갈고리형 강섬유를 사용하여 설계기준압축강도 90 MPa의 시험체를 제작하였다. 강섬유 혼입률은 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2%로 변화시켰으며, 실험 결과로부터 식 (2)의 휨강도 계산식을 제안하였다.
그 결과, 콘크리트 압축강도의 제곱근, 강섬유 혼입률 및 강섬유계수는 휨강도 상승분과 상관계수가 크게 나타나고 있다. 다음 단계에서는 콘크리트 압축강도의 제곱근을 기준으로 설정하고, 여기에 강섬유 혼입률과 강섬유계수를 각각 더하거나 곱한 값으로 구조변수를 설정한 후 휨강도 상승분과의 관계를 평가하였다. 이러한 평가결과는 Fig.
따라서 안전측의 영역에서 휨강도를 산정할 필요가 있으며, 비안전측에서 예측한 사례를 대략 25% 정도 줄일 수 있도록 식 (4)의 우변에 있는 계수를 0.75로 감소시켜 다음과 같이 휨강도 산정식을 제안하였다.
강섬유는 국내 K사 및 S사의 갈고리형 강섬유로서 형상비와 인장강도는 Table 1에 나타나 있다. 시험체의 재하는 1,000 kN 용량의 만능시험기를 사용하여 3등분점 가력을 실시하였고, 처짐 측정은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 중앙부에서 측정하였다.
실험은 콘크리트의 압축강도 (30 및 50 MPa), 강섬유 형상비 (62 및 72), 혼입률 (1.0, 1.5 및 2.0 %)을 실험변수로 설정하였으며, KS F 2566 및 JSCE-SF4 (강섬유보강 콘크리트의 휨인성 시험방법)에 준하여 각각의 변수마다 150 × 150 × 550 mm의 휨강도 시험체를 3개씩 제작하였다. 콘크리트는 팬타입 믹서기를 사용하여 제조하였으며, 혼합순서는 시멘트, 잔골재, 굵은골재를 동시에 투입하여 약 3분간 건비빔을 실시한 다음 물을 투입해 약 3분간 혼합하고, 마지막으로 강섬유를 일정한 속도로 뿌려주면서 약 5분간 추가 혼합을 실시하였다.
8 mm, 항복강도 260 MPa의 강섬유를 사용하여 설계기준압축강도 100 MPa의 시험체를 150 × 150 × 530 mm 크기로 제작하였다. 주요 실험변수는 강섬유 혼입률의 변화 (0%, 0.5%, 1.0%, 1.5% 및 2%)이며, 실험결과를 바탕으로 식 (1)의 휨강도 산정식을 제안하였다.
4), Dahan Institute of Technology5))에서 수행한 휨강도 실험 결과를 Table 2에서 정리하여 보여주고 있다. 콘크리트 압축강도는 실험계획의 설계기준강도와 실제강도가 크게 다르지 않으므로 설계기준강도를 사용하였다.
0 %)을 실험변수로 설정하였으며, KS F 2566 및 JSCE-SF4 (강섬유보강 콘크리트의 휨인성 시험방법)에 준하여 각각의 변수마다 150 × 150 × 550 mm의 휨강도 시험체를 3개씩 제작하였다. 콘크리트는 팬타입 믹서기를 사용하여 제조하였으며, 혼합순서는 시멘트, 잔골재, 굵은골재를 동시에 투입하여 약 3분간 건비빔을 실시한 다음 물을 투입해 약 3분간 혼합하고, 마지막으로 강섬유를 일정한 속도로 뿌려주면서 약 5분간 추가 혼합을 실시하였다. 혼입률이 2.
대상 데이터
Wafa와 Ashour6)는 강섬유 콘크리트의 휨강도를 평가하기 위한 실험을 수행하였으며, 길이 60 mm, 지름 0.8 mm, 항복강도 260 MPa의 강섬유를 사용하여 설계기준압축강도 100 MPa의 시험체를 150 × 150 × 530 mm 크기로 제작하였다. 주요 실험변수는 강섬유 혼입률의 변화 (0%, 0.
콘크리트는 보통포틀랜드시멘트와 강모래 및 최대치수 19 mm인 굵은골재를 사용하여 배합하였다. 강섬유는 국내 K사 및 S사의 갈고리형 강섬유로서 형상비와 인장강도는 Table 1에 나타나 있다.
데이터처리
기존 휨강도 제안식의 정확성과 안전성을 정량적으로 평가하기 위하여 예측 결과의 오차율을 평가하였다. 오차율의 산정은 식 (3)에 의하여 구하였고, 각각의 예측 결과에 대한 오차율과 평균오차율은 Fig.
성능/효과
1) 강섬유 콘크리트의 휨강도와 휨인성지수의 크기는 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비 및 강섬유계수와 같은 구조변수의 영향에 의해 다르게 나타나고 있으며, 이러한 구조변수의 효과를 고려하여 휨거동의 특성을 평가하는 것이 타당하다고 판단된다.
2) 휨강도와 휨인성지수의 크기 변화에 미치는 영향은 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유계수의 경우 큰 값의 상관계수를 나타내고 있으며, 강섬유 형상비의 효과는 상대적으로 작은 상관계수를 보여주고 있다.
3) 강섬유의 혼입에 의한 휨강도의 상승분은 시험체의 휨강도에서 일반 콘크리트에 대한 휨강도 계산값을 뺀 것으로 구하였으며, 이러한 휨강도의 상승분은 콘크리트 압축강도의 제곱급과 강섬유계수의 곱으로 나타낸 구조변수와 가장 상관도가 크게 나타나고 있다. 따라서 강섬유 콘크리트의 휨강도는 이러한 구조변수를 사용하여 평가하는 것이 적절하다고 판단된다.
4) 본 연구에서 제안한 휨강도 산정식은 일반 콘크리트에 대한 휨강도에 추가하여 강섬유 콘크리트의 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률 및 형상비 등의 구조변수의 영향을 고려할 수 있도록 콘크리트 압축강도의 제곱급과 강섬유계수의 곱으로 설정한 항목을 더한 형태로 구성되었다. 다음식과 같이 제안된 휨강도 산정식은 평균 1.
5는 JSCE 방법에 의한 휨인성지수와 구조변수의 상관관계를 보여주고 있다. JSCE 방법에 의한 휨인성지수는 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비, 강섬유 계수에 대하여 각각 80.9%, 74.7%, 65.6%, 82.9%의 상관계수를 갖는 것으로 나타났다.
한편 Table 3에서는 ASTM C1018에 의한 방법으로 산정한 휨인성지수도 함께 나타나 있다. JSCE의 방법으로 구한 휨인성지수는 콘크리트의 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비, 강섬유계수와 같은 구조변수와 상관성이 크게 나타나고 있지만, ASTM으로 구한 결과는 상관계수의 변동 폭이 크고 일관성이 결여된 것으로 나타났다. Fig.
Wafa와 Ashour의 휨강도 산정식은 평균 37.9%의 오차율을 나타내고 있으며, Fig 4(c)에 보여지는 바와 같이 비안전측의 영역에서 대다수의 예측이 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 또한 Song과 Hwang의 휨강도 산정식은 평균 15.
강섬유 콘크리트의 휨강도를 평가하기 위하여 기존 연구자들이 제안한 휨강도 산정식을 적용한 결과, 실제 강도를 과대평가하거나 비안전측의 영역에서 휨강도를 예측하는 것으로 나타났다. 또한 식 (1) 또는 식 (2)에 나타난 휨강도 산정식은 강섬유 콘크리트의 다양한 구조변수의 영향을 적절히 고려하기에는 예측모형이 단순하게 구성되었다고 할 수 있다.
3에서는 Table 2에 나타난 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률 (Vf), 강섬유 형상비 (lf/df), 강섬유 계수(F1 = Vf × lf / df)에 따라 휨강도에 미치는 영향을 보여주고 있다. 그 결과 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비 및 강섬유 계수가 커짐에 따라 휨강도 역시 증가하는 것으로 나타났으며, 이러한 구조변수와 휨강도 간의 상관계수 (R)는 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비, 강섬유계수에 대하여 각각 87.5%, 77.8%, 81.0%, 85.7%로 나타났다. 따라서 콘크리트 압축 강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비 또는 강섬유 계수는 각각 강섬유 콘크리트의 휨강도 상승에 고른 영향을 준다고 판단되었다.
이는 일반 콘크리트에 비하여 강섬유 콘크리트의 휨강도가 더 크게 나타나게 되므로, 강섬유의 혼입에 의한 순수한 휨강도의 상승분과 구조변수의 관계를 분석하기 위한 것이다. 그 결과, 콘크리트 압축강도의 제곱근, 강섬유 혼입률 및 강섬유계수는 휨강도 상승분과 상관계수가 크게 나타나고 있다. 다음 단계에서는 콘크리트 압축강도의 제곱근을 기준으로 설정하고, 여기에 강섬유 혼입률과 강섬유계수를 각각 더하거나 곱한 값으로 구조변수를 설정한 후 휨강도 상승분과의 관계를 평가하였다.
7에서 휨강도 계산값과 실험값을 비교하여 보여주고 있다. 그 결과에 의하면 실험값에 대한 예측값의 비율은 평균 0.93, 변동계수 12%의 양호한 예측 결과를 보여주고 있다. 그러나 Fig.
4) 본 연구에서 제안한 휨강도 산정식은 일반 콘크리트에 대한 휨강도에 추가하여 강섬유 콘크리트의 콘크리트 압축강도, 강섬유 혼입률 및 형상비 등의 구조변수의 영향을 고려할 수 있도록 콘크리트 압축강도의 제곱급과 강섬유계수의 곱으로 설정한 항목을 더한 형태로 구성되었다. 다음식과 같이 제안된 휨강도 산정식은 평균 1.07, 변동계수 13%, 평균 오차율 9%의 범위에서 휨강도를 예측할 수 있었고, 기존 연구자의 휨강도 산정식보다 정확성과 안전성이 높은 예측 결과를 보여주고 있다.
4%의 상관계수를 나타내고 있다. 따라서 강섬유 콘크리트의 휨강도는 콘크리트의 압축강도와 강섬유계수를 곱한 형태로부터 얻어진 구조변수를 고려한 회귀분석 모형에 의해 실제 휨강도를 효과적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 강섬유계수는 강섬유 혼입률과 강섬유 형상비의 영향을 포함하는 구조변수이므로 강섬유 콘크리트의 주요 구조변수의 효과를 모두 반영한 형태의 휨강도 평가가 가능하다고 할 수 있다.
7%로 나타났다. 따라서 콘크리트 압축 강도, 강섬유 혼입률, 강섬유 형상비 또는 강섬유 계수는 각각 강섬유 콘크리트의 휨강도 상승에 고른 영향을 준다고 판단되었다.
또한 오차율로서 평가한 안전성 역시 평균오차율 9%의 값으로 안전측의 영역에서 휨강도를 예측할 수 있었다. Table 4는 제안된 휨강도 산정식과 기존 연구자들의 제안식을 사용한 경우의 휨강도 예측 결과로부터 평가한 정확성과 안전성의 지표들을 비교하여 보여주고 있다.
그 결과, 식 (5)는 강섬유 콘크리트의 휨강도를 정확성과 안전성의 측면에서 모두 양호하게 예측하는 것으로 나타났다. 즉 제안된 휨강도 산정식은 실험값과 계산값의 비율에 있어서 평균 1.07, 변동계수 13%의 범위에서 예측하는 결과를 보여주고 있다.
2는 시험체의 하중-변위 곡선을 변수별로 비교하여 보여주고 있다. 초기 휨균열이 발생하기 전까지 하중-변위 곡선의 기울기는 혼입률의 변화와 무관하게 거의 동일한 수준으로 나타나고 있지만, 강섬유의 혼입률이 증가할수록 최대하중이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 단점은?
일반적으로 콘크리트는 압축하중을 저항하는 건설재료로서 경제성이 있지만, 인장 또는 휨하중에 대해서는 균열이 쉽게 발생하고 취성적인 파괴특성을 보여주는 단점을 갖고 있다. 특히 콘크리트가 점차 고강도화 하면서 수반되는 취성적인 파괴거동을 보완할 유효한 수단으로서 강섬유의 혼입을 고려할 수 있다.
강섬유 콘크리트의 향상된 역학적 특성은 무엇인가?
강섬유 콘크리트가 강도 증진, 균열저감 및 에너지흡수능력 등의 역학적 특성을 개선할 수 있다는 사실은 많은 연구결과에서 확인되고 있다.1-6) 강섬유 콘크리트의 향상된 역학적 특성은 인장강도, 전단강도, 휨강도 및 인성 등을 들 수 있으며, 콘크리트 압축강도, 강섬유 형상비, 강섬유 혼입률 등은 강섬유 콘크리트의 역학적 특성을 좌우하는 주요한 구조 변수라고 할 수 있다.1,5,6)
강섬유 혼입으로 인한 강섬유 콘크리트를 제작 할 경우 콘크리트의 무엇을 보완할 수 있는가?
일반적으로 콘크리트는 압축하중을 저항하는 건설재료로서 경제성이 있지만, 인장 또는 휨하중에 대해서는 균열이 쉽게 발생하고 취성적인 파괴특성을 보여주는 단점을 갖고 있다. 특히 콘크리트가 점차 고강도화 하면서 수반되는 취성적인 파괴거동을 보완할 유효한 수단으로서 강섬유의 혼입을 고려할 수 있다. 강섬유 콘크리트가 강도 증진, 균열저감 및 에너지흡수능력 등의 역학적 특성을 개선할 수 있다는 사실은 많은 연구결과에서 확인되고 있다.
참고문헌 (7)
이현호, 이화진, "강섬유 계수 및 혼입율을 고려한 SFRC의 강도 및 변형 특성," 콘크리트학회 논문집, 16권, 6호, 2004, pp.759-766
윤의식, 박승범, "고강도 강섬유보강 콘크리트의 역학적 특성 및 장기변형 특성에 관한 실험적 연구," 대한토목학회 논문집, 26권, 2A호, 2006, pp.401-409
Jeng, F., Lin, M. L., and Yuan, S. C., "Performance of Toughness Indices for Steel Fiber Reinforced Shotcrete," Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 17, 2002, pp.69-82
Song, P. S. and Hwang, S., "Mechanical Properties of High-Strength Steel Fiber-Reinforced Concrete," Construction and Building Materials, Vol.18, 2004, pp.669-673
Wafa, F. F. and Ashour, S. A., "Mechanical Properties of High-Strength Fiber Reinforced Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 89, No. 5, 1992, pp.449-455
ACI Committee 318, Building Code Requirements for Reinforced Concrete, American Concrete Institute, 2002, 443 pp
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.