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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 콘크리트의 인장력, 부착력, 휨강도에 우수한 특성을 나타내고 보통 포틀랜드 시멘트와 재료 특성이 유사한 라텍스개질 콘크리트를 철근 콘크리트 보의 휨 부재에 적용하여 구조체로서의 휨거동 특성과 역학적 특성에 대하여 평가 고찰하고 라텍스개질 철근 콘크리트의 적용 가능성에 대해 알아보고자 하였다.
- 본 연구에서는 LMC로 보수 및 덧씌우기 보강된 철근콘크리트 보의 보수·보강효과를 확인하고, 프로그램 개발 및 유한요소해석을 위한 기초자료를 마련하기 위하여 휨 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 시험체가 항복할 때의 처짐과 극한하중에 도달할 때의 처짐의 비로 표현되는 연성지수를 사용하여 부재의 연성능력을 평가하였다. 보통 연성지수가 3이상 일 경우 연성적으로 안전하다고 평가된다.
제안 방법
- 시험체의 전단파괴형상을 관찰하기 위하여 U자형 수직 전단철근을 D6 철근을 이용하여 100 mm 간격으로 배근한 전단보강과 보강하지 않은 단순보를 제작하였다. LMC 보수는 보 높이 250 mm 단면을 기준으로 상면, 하면으로 두께를 변화하여 보수하였다. 콘크리트를 타설할 때 인장철근에 부착되어 있는 스트레인 게이지가 손상되지 않도록 주의를 기울이며, 다짐봉(temper)과 진동기로 충분한 다짐을 하였다.
- LMC로 덧씌우기 보강된 철근콘크리트 보의 정적 휨 파괴 시험은 재령 28일에 있어 200톤 용량의 UTM시험기를 사용하여 측정하였다. 하중 재하는 4점 재하를 하였으며, 수직에 가까운 전단균열을 방지하기 위하여 전단 지간 비(a/d, shear span to depth ratio)를 3.
- LMC와 보통 콘크리트의 압축강도 특성을 알아보기 위하여 보 제작 시 각 배치별 샘플링 하여 Φ10 cm×20 cm 크기의 표준 공시체를 각각 3개씩, 총 12개 제작하였으며, 콘크리트 보와 동일한 조건하에서 양생하여 만능재료 시험기를 이용하여 압축강도 실험을 실시하였다.
- 덧씌우기 된 보의 거동은 부착면의 부착정도에 따라 그 거동이 달라지게 된다. 따라서 본 연구에서는 부착면 거동을 파악하기 위하여 전단흐름 개념을 도입하였다. 전단 흐름량을 측정하기 위하여 보 중앙 부착경계사이를 두고 LMC 하부(덧씌우기 하부)와 OPC 상부(기존보 상부)에 변형률 게이지를 부착하여 하중 변화에 따른 변형률과 보 단면 위치에서의 변형률을 측정하였다.
- 9 kN 씩 증가하여 하중단계에 따른 처짐, 인장 철근의 변형률, 콘크리트의 변형률을 측정하였다. 또한 하중이 증가함에 따라 균열발생 여부를 관찰하기 위하여, 초기 균열발생하중과 균열진전의 형상을 각 하중단계별로 측정 기록하였다.
- 압축측 LMC 보수 및 전단 보강보를 3개, 압축측 LMC 보수 및 전단 무보강보를 2개 제작하였으며, 인장부 보수 또한 동일 조건으로 각 5개를 제작하여, LMC의 보수효과를 비교하기 위하여 표준시험체인 보통 포틀랜트 콘크리트 보(R-CNT-P)와 LMC 보(R-CNT-L)를 각각 한 개씩 제작하였다. 모두 12개의 동일 크기의 보를 LMC 보수두께를 변수로 하여 휨에 의해 최대내력에 도달하도록 제작하였다.
- 1과 같이 순지간 1700 mm, 총지간 2100 mm의 단순 철근콘크리트 보 시험체이며, 사용철근은 SD30의 D6, D10, D16을 사용하였다. 시험체의 전단파괴형상을 관찰하기 위하여 U자형 수직 전단철근을 D6 철근을 이용하여 100 mm 간격으로 배근한 전단보강과 보강하지 않은 단순보를 제작하였다. LMC 보수는 보 높이 250 mm 단면을 기준으로 상면, 하면으로 두께를 변화하여 보수하였다.
- Table 2에서와 같이 보수 시험체는 총 12개를 제작하였다. 압축측 LMC 보수 및 전단 보강보를 3개, 압축측 LMC 보수 및 전단 무보강보를 2개 제작하였으며, 인장부 보수 또한 동일 조건으로 각 5개를 제작하여, LMC의 보수효과를 비교하기 위하여 표준시험체인 보통 포틀랜트 콘크리트 보(R-CNT-P)와 LMC 보(R-CNT-L)를 각각 한 개씩 제작하였다. 모두 12개의 동일 크기의 보를 LMC 보수두께를 변수로 하여 휨에 의해 최대내력에 도달하도록 제작하였다.
- 1로 하였다. 이때, 하중은 4.9 kN 씩 증가하여 하중단계에 따른 처짐, 인장 철근의 변형률, 콘크리트의 변형률을 측정하였다. 또한 하중이 증가함에 따라 균열발생 여부를 관찰하기 위하여, 초기 균열발생하중과 균열진전의 형상을 각 하중단계별로 측정 기록하였다.
- 따라서 본 연구에서는 부착면 거동을 파악하기 위하여 전단흐름 개념을 도입하였다. 전단 흐름량을 측정하기 위하여 보 중앙 부착경계사이를 두고 LMC 하부(덧씌우기 하부)와 OPC 상부(기존보 상부)에 변형률 게이지를 부착하여 하중 변화에 따른 변형률과 보 단면 위치에서의 변형률을 측정하였다.
- 측정된 변형률을 이용하여 각 하중별로 전단흐름-슬립변형률 관계를 도출하였다. 전단 흐름 계산과정은 다음과 같다.
- 콘크리트 배합은 기 개발되어 현장에서 적용되고 있는 라텍스 혼입률 15%의 LMC와 보통포틀랜드 시멘트 콘크리트로 구분하여 배합설계를 하였다. 보통 콘크리트는 콘크리트 교량 상판을 모사하기 위하여 28일 설계강도 27 MPa을 목표로 굵은 골재 최대 치수 25 mm의 레미콘용 쇄석을 사용하여 배합설계 되었고, 라텍스개질 콘크리트(Latex Modified Concrete; 이하 LMC)는 작업성 기준을 목표로 초기배출 슬럼프가 21 cm가 되도록 굵은 골재 최대 치수 13 mm를 사용하여 배합설계 되었다.
- LMC로 덧씌우기 보강된 철근콘크리트 보의 정적 휨 파괴 시험은 재령 28일에 있어 200톤 용량의 UTM시험기를 사용하여 측정하였다. 하중 재하는 4점 재하를 하였으며, 수직에 가까운 전단균열을 방지하기 위하여 전단 지간 비(a/d, shear span to depth ratio)를 3.1로 하였다. 이때, 하중은 4.
- 휨 거동 특성을 알아보기 위하여 각 시험체 별 처짐, 인장철근의 변형량, 콘크리트의 변형량을 측정하여 비교 분석하였다. 하중-처짐관계를 살펴보기 위하여 Fig. 3과 같이 지간중앙 하단부의 LVDT 2기를 설치하였으며, 인장철근 중앙점에 변형게이지를 부착하여 철근 변형량을 측정하였다.
- 휨 거동 특성을 알아보기 위하여 각 시험체 별 처짐, 인장철근의 변형량, 콘크리트의 변형량을 측정하여 비교 분석하였다. 하중-처짐관계를 살펴보기 위하여 Fig.
대상 데이터
- 2(a)와 같이 150×250 mm의 단면에 LMC를 보수하는 형태이다. Fig. 1과 같이 순지간 1700 mm, 총지간 2100 mm의 단순 철근콘크리트 보 시험체이며, 사용철근은 SD30의 D6, D10, D16을 사용하였다. 시험체의 전단파괴형상을 관찰하기 위하여 U자형 수직 전단철근을 D6 철근을 이용하여 100 mm 간격으로 배근한 전단보강과 보강하지 않은 단순보를 제작하였다.
- Table 2에서와 같이 보수 시험체는 총 12개를 제작하였다. 압축측 LMC 보수 및 전단 보강보를 3개, 압축측 LMC 보수 및 전단 무보강보를 2개 제작하였으며, 인장부 보수 또한 동일 조건으로 각 5개를 제작하여, LMC의 보수효과를 비교하기 위하여 표준시험체인 보통 포틀랜트 콘크리트 보(R-CNT-P)와 LMC 보(R-CNT-L)를 각각 한 개씩 제작하였다.
- 덧씌우기 보강된 시험체는 Fig. 2(b)와 같은 150×250 mm의 기준보에 추가적인 덧씌우기 높이 변화를 변수로 하여 압축부 보강 3개 및 인장부 보강 3개의 시험체와 표준 시험체인 보통 포틀랜드 콘크리트 보(O-CNT-P), LMC 보(O-CNT-L)를 각각 제작하였다.
이론/모형
- ③ 계산된 변형률은 아래와 같은 Kent에 의해 제안된 응력-변형률 관계식을 이용하여 응력값을 산정하였다(Kent 1971).
성능/효과
- 인장부에 LMC로 보수된 시험체(h), 시험체(i) 부착면의 수평방향으로 균열이 평균 65.4 kN에서 발생되어 휨 파괴와 박리 파괴의 조합된 파괴형태를 보였다. 전단철근이 보강되고 LMC로 인장보수된 경우, 압축보수 된 경우와 유사한 균열 양상을 보였으나, 압축부 보수 시험체보다 낮은 하중하에서 부착 경계부 균열이 발생하였다.
- 1. 전단철근이 배근되고 압축부 및 인장부에 LMC로 보수된 시험체의 경우 보수두께 변화에 따른 영향은 없는 것으로 나타났으나, 모든 시험체가 표준시험체와 동일한 거동을 보여주어 내하력이 100% 회복되는 결과를 보여주었고, 연성능력 또한 2.71이상의 연성지수를 나타내어 연성적으로 안전한 구조로 판명 되었다.
- 2. 전단철근이 보강되지 않고 압축부 및 인장부에 LMC로 보수된 시험체의 경우 전단철근이 보강된 보의 극한하중보다 1/3~1/2 크기의 낮은 하중에서 전단파괴 되어 보수 효과가 없는 것으로 나타났으며, 연성지수 또한 1이하로 나타나 연성적으로 안전하지 못한 구조로 판명되었다.
- 20 mm 덧씌우기 보강된 시험체의 경우 103 kN의 항복하중과 137.3 kN의 극한하중을 나타내었으며, 50 mm 덧씌우기 보강된 시험체의 경우 항복하중 및 극한하중이 각각 122.3 kN과 166.8 kN, 80 mm 덧씌우기 보강된 시험체는 각각 157.9 kN, 192.0 kN을 나타내었다. 따라서, 압축부 덧씌우기 보강 두께가 증가함에 따라 하중재하 능력이 증가되는 현상이 뚜렷하게 나타났다.
- 3. 압축부에 LMC로 덧씌우기 보강된 시험체의 경우 압축부 덧씌우기 보강 두께가 증가함에 따라 하중재하 능력이 증가되는 현상이 뚜렷하게 나타났으며, 3이상의 연성지수를 나타냄으로써 연성적으로 안정한 구조로 나타났다. 이와 같은 결과는 LMC의 우수한 부착성능에 기인 된 것으로 판단된다.
- 4. 인장부에 LMC로 덧씌우기 보강된 시험체의 경우 덧씌우기 두께에 따른 보강효과는 없는 것으로 나타났다.
- 5. 전단철근이 보강되고 LMC로 보수된 시험체의 경우 대부분 휨 파괴와 박리파괴의 조합된 파괴형태가 보였으며, 전단보강이 없는 보수 시험체의 경우 취성파괴인 전단파괴와 부착면 박리파괴의 조합된 파괴형태를 보여주었으며, LMC로 압축부 덧씌우기 보강된 시험체의 경우 모두 휨 균열 파괴형태를 나타내었다.
- LMC로 압축부 덧씌우기 보강된 시험체의 경우 덧씌우기 두께가 증가할수록 연성능력이 증가하는 경향을 보여주었으며, 모든 시험체가 4이상의 연성지수를 나타내어 연성적으로 안정한 구조임을 알 수 있었다.
- Os-T-5와 Os-T-8의 전단흐름-슬립변형률관계를 비교해 본 결과 전단흐름이 각각 327.7 kN/mm와 335.5 kN/mm 이후에 급격한 슬립 변형률의 증가 현상을 통해 부착파괴가 유발되고 있음을 파악할 수 있다.
- 29를 나타내었다. Rs-B-8 시험체의 경우 3 이하의 연성지수를 나타내었으나, 나머지 시험체의 경우 4.85 이상의 결과를 나타내어 전단 보강되고 LMC로 인장부 보수된 시험체의 경우도 연성적으로 안전한 구조임을 알 수 있었다.
- 0 kN을 나타내었다. 따라서, 압축부 덧씌우기 보강 두께가 증가함에 따라 하중재하 능력이 증가되는 현상이 뚜렷하게 나타났다.
- 5 cm 보수된 시험체의 하중-처짐 관계는 보수된 세 시험체 모두 동일한 거동을 보여줌으로써 보수두께에 대한 유효한 결과를 보여주지 못하였으나, 세 시험체 모두 표준시험체와 동일한 거동을 보여줌으로써 내력이 회복하는 결과를 보여주었다. 따라서, 전단 보강되고 LMC로 압축부가 보수된 경우 보수효과가 있음을 명확히 확인할 수 있었다.
- 인장부 덧씌우기 두께가 증가할수록 항복하중 및 극한하중 재하 능력이 조금씩 떨어지는 경향을 보여주었으나, 그 차이는 미소하였다. 또한 인장부 덧씌우기 보강두께가 증가할수록 연성능력이 떨어지는 경향을 보여주었다. 따라서.
- 그 실험결과는 Table 3에 나타내었다. 실험 결과를 살펴보면 LMC의 압축강도가 라텍스를 혼입하지 않은 OPC에 비해 크게 측정되었다. 이러한 압축강도 증가는 라텍스 혼입에 의한 영향보다는 물-시멘트 비의 감소로 인한 것으로 판단된다.
- 압축부 보수된 시험체와 표준시험체는 유사한항복강도 및 극한 강도 값을 나타내었으며, 모든 시험체가 통상적인 항복 후 휨 파괴되는 양상을 나타내었다.
- 7에 나타내었다. 이들 시험체의 하중-처짐 관계를 살펴본 결과 항복 하중은 96.8~98.1 kN의 값을 보였고, 극한 하중은 104~105.9 kN의 값을 보여주어 표준시험체와 유사한 거동을 보여주었다. 인장부 덧씌우기 두께가 증가할수록 항복하중 및 극한하중 재하 능력이 조금씩 떨어지는 경향을 보여주었으나, 그 차이는 미소하였다.
- 전단 보강되고 LMC로 압축부가 3 cm, 8 cm, 12.5 cm 보수된 시험체의 하중-처짐 관계는 보수된 세 시험체 모두 동일한 거동을 보여줌으로써 보수두께에 대한 유효한 결과를 보여주지 못하였으나, 세 시험체 모두 표준시험체와 동일한 거동을 보여줌으로써 내력이 회복하는 결과를 보여주었다. 따라서, 전단 보강되고 LMC로 압축부가 보수된 경우 보수효과가 있음을 명확히 확인할 수 있었다.
- 전단철근이 보강되고 LMC로 압축부 보수된 시험체의 경우 연성지수가 3.89이상을 나타내었으며, 특히, 80 mm 이하의 보수두께를 가질 경우 6이상의 연성지수를 나타내어 연성적으로 안전한구조물로 평가되었다.
- 전단철근이 보강되질 않은 보수 시험체는 1 이하의 연성지수를 나타내어 연성적으로 안전하지 못한 구조로 판명되었다. LMC로 보수된 시험체의 연성지수를 Table 4.
- LMC 보수는 보 높이 250 mm 단면을 기준으로 상면, 하면으로 두께를 변화하여 보수하였다. 콘크리트를 타설할 때 인장철근에 부착되어 있는 스트레인 게이지가 손상되지 않도록 주의를 기울이며, 다짐봉(temper)과 진동기로 충분한 다짐을 하였다. 모든 시험체는 습윤양생을 위하여 시험체에 양생포를 덮고 충분한 물을 공급하였다.
후속연구
- 6. LMC로 덧씌우기된 보에서 부착면의 부착거동을 전단흐름-슬립변형률 관계로 도출함으로써 이 자료는 향후 수치 해석 등의 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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