본 연구는 고강도 콘크리트의 화재시 내화성능 확보를 위하여 주로 사용되는 강섬유(Steel Fiber), 폴리프로필렌(Polypropylene Fiber; 이하PP)와 PP섬유와 강섬유를 하이브리드 섬유를 혼입한 설계기준강도 40MPa의 고강도 콘크리트의 내화성능 및 폭렬 방지 방법을 검토하고, 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨 및 전단보강근이 없는 보의 구조적 특성 연구를 통하여 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨과 전단 저항거동을 파악하였다. 실험결과, 하이브리드 섬유를 보강하면 균열 및 폭렬 발생, 중성화 억제 효과 등을 나타내었다. 부재실험에서는 초기균열제어, 연성과 최대내력 증대의 효과를 나타내었다.
본 연구는 고강도 콘크리트의 화재시 내화성능 확보를 위하여 주로 사용되는 강섬유(Steel Fiber), 폴리프로필렌(Polypropylene Fiber; 이하PP)와 PP섬유와 강섬유를 하이브리드 섬유를 혼입한 설계기준강도 40MPa의 고강도 콘크리트의 내화성능 및 폭렬 방지 방법을 검토하고, 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨 및 전단보강근이 없는 보의 구조적 특성 연구를 통하여 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨과 전단 저항거동을 파악하였다. 실험결과, 하이브리드 섬유를 보강하면 균열 및 폭렬 발생, 중성화 억제 효과 등을 나타내었다. 부재실험에서는 초기균열제어, 연성과 최대내력 증대의 효과를 나타내었다.
In this paper, by using steel fiber, polypropylene fiber and these two hybrid fibers, the fire resistance performance and explosive properties of High Strength Concrete (HSC) with specified compressive strength of 40MPa are discussed. The paper also examines the bending resistance of the beam and th...
In this paper, by using steel fiber, polypropylene fiber and these two hybrid fibers, the fire resistance performance and explosive properties of High Strength Concrete (HSC) with specified compressive strength of 40MPa are discussed. The paper also examines the bending resistance of the beam and the shearing resistance properties of non-reinforced HSC beam. This research helps to clarify the fire resistance of fiber HSC and its anti-explosion methods. The test results show that crack generation, explosion and carbonization can be effectively restrained when HSC is mixed with hybrid fibers under high temperature; furthermore, the maximum internal force and ductility are increased and the initial cracking can be restrained in the mechanical test.
In this paper, by using steel fiber, polypropylene fiber and these two hybrid fibers, the fire resistance performance and explosive properties of High Strength Concrete (HSC) with specified compressive strength of 40MPa are discussed. The paper also examines the bending resistance of the beam and the shearing resistance properties of non-reinforced HSC beam. This research helps to clarify the fire resistance of fiber HSC and its anti-explosion methods. The test results show that crack generation, explosion and carbonization can be effectively restrained when HSC is mixed with hybrid fibers under high temperature; furthermore, the maximum internal force and ductility are increased and the initial cracking can be restrained in the mechanical test.
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문제 정의
따라서 본 연구는 콘크리트가 고강도화 됨에 따라 폭렬 및 취성적인 거동을 개선 하기 위해 폴리프로필렌섬유(polypropylene Fiber ; 이하 PP섬유) 및 강섬유를 혼입하여 재료 시험 및 부재 실험을 통해 고강도 콘크리트의 내화성능 및 폭렬 상황을 검토하고, 섬유 혼입 철근 콘크리트 보의 휨과 전단보강근이 없는 보의 거동을 파악하고자 한다.
변수에 따른 부재실험과 재료시험을 통해 섬유 혼입 고강도 콘크리트의 내화성능 및 횜 및 전단거동을 파악하여 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 시공시 참고자료를 제시하고자 한다.
본 연구는 고강도 콘크리트의 화재시 내화성능 확보를 위하여 주로 사용되는 강섬유(Steel Fiber), 폴리프로필렌(Polypropylene Fiber; 이하PP)와 PP섬유와 강섬유를 하이브리드 섬유를 혼입한 설계기준강도 40㎫의 고강도 콘크리트의 내화성능 및 폭렬 방지 방법을 검토하고, 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨 및 전단보강근이 없는 보의 구조적 특성 연구를 통하여 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨과 전단 저항 거동을 파악하였다. 실험결과, 하이브리드 섬유를 보강하면 균열 및 폭렬 발생, 중성화 억제 효과 등을 나타내었다.
본 연구에서는 강섬유와 PP섬유를 혼입한 하이브리드 고강도 콘크리트의 내화시험과 중성화시험 및 부재실험을 실시하여 하이브리드 섬유 혼입 고강도 콘크리트의 내화성능 및 역학적 특성을 파악하여, 다음 결론을 얻었다.
제안 방법
강섬유 및 PP섬유를 혼입한 콘크리트의콘크리트 설계기준 강도는 기존 고층건축물에 사용된 40㎫로 설정하였다.
부재 실험은 섬유 조합변수에 따른 섬유를 혼입한 철근콘크리트 보의 구조적 특성 을 파악하기 위해서 휨과 전단보강근이 없는 실험을 실시한다.
부재 실험은 휨실험과 전단보강근이 없는 실험으로 구분하여 실험을 실시하였으며 실험체의 단면크기 및 길이는 Figure 8, 9에서 보는 바와 같이 극한강도설계법으로 설계하여 실시한다.
섬유 혼입에 따라 공시체를 내화 시험기로 200℃, 400℃, 600℃, 800℃의 온도별로 1시간 가열한 후 압축강도, 질량변화 및 표면상황을 분석하였다.
시험항목은 공시체(Ø100×200㎜)의 폭렬 유‧무 및 표면관찰과 질량변화, 잔류강도 평가를 실시한다.
일반적으로 콘크리트의 강도가 높을수록 취성적인 파괴를 쉽게 발생하여 본 실험에서 고강도 콘크리트 취성적인 파괴를 연성파괴도 유도하기 위해 PP섬유(3D-20㎜-1.5㎏/㎥) 및 강섬유(40㎏/㎥)를 혼입하여 하이브리드 고강도 철근콘크리트 보 실험체를 제작하여 섬유 보강 유무에 따라 실험을 실시한다.
재료시험은 섬유의 조합변수에 따른 설계기준강도 40㎫의 원주형 공시체(Ø100㎜×200㎜)를 제작하여 내화시험(200℃, 400℃, 600℃, 800℃), 내화시험 후 잔존 압축강도시험과 중성화시험 등을 통해 섬유 혼입 고강도 콘크리트의 내화성능 및 역학적 특성을 검토한다.
5㎏/㎥ :SHF)를 실험체를 제작하였다. 하이브리드 섬유의 혼입 양은 기존의 연구를 토대로 결정하였다.3)
대상 데이터
강섬유는 K사의 후크형 제품을 사용하였으며 강섬유의 물리적 특성은 Table 3과 같다.
기준 실험체(섬유를 혼입하지 않은 콘크리트 : N), 강섬유 혼입 실험체(강섬유 혼입량 40㎏/㎥ : HCS), 하이브리드 섬유 혼입 실험체(강섬유 40㎏/㎥+폴리프로필렌섬유 1.5㎏/㎥ :SHF)를 실험체를 제작하였다. 하이브리드 섬유의 혼입 양은 기존의 연구를 토대로 결정하였다.
본 실험에 사용한 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트, 2006.10)에 규정된 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 시멘트의 화학적 성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
본 연구에 사용된 폴리프로필렌섬유는 K사의 망사형 섬유를 사용하였으며 일반적인 물리적 성질은 Table 3과 같다.
본 연구에서는 공시체에 사용된 섬유는 K사의 강섬유(40㎏/㎥), 폴리프로필렌섬유(1.5㎏/㎥)와 하이브리드 섬유(강섬유 40㎏/㎥, PP섬유1.5㎏/㎥)를 사용하였다.
잔골재와 굵은골재는 KS L 5202(골재의 체가름 실험 방법, 2005.12)의 규격에 적합한 골재를 사용하며, 잔골재는 섬진강산 강모래, 굵은골재는 쇄석을 사용한다. 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
공시체(Ø100×200㎜)를 제작해서 양생 후에 내화 시험기를 사용하여 200℃, 400℃, 600℃, 800℃의 온도별로 KS F 2257-1(건축부재의 내화시험방법-일반요구사항, 2005.7)에서 규정하는 사항으로 1시간 가열을 실시하였다.
내화 시험은 순환골재 치환율과 섬유 혼입 유, 무에 따라 제작한 실험체를 양생한 다음 KS F 2257-1(건축부재의 내화 시험방법-일반요구사항, 2005.7)의 방법에 의해 내화 시험기를 사용하여 200℃, 400℃, 600℃, 800℃의 온도별로 60분 가열한 후 압축강도 실험을 한다.
성능/효과
1) 하이브리드 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트는 폭렬의 발생 억제 효과가 우수한 것으로 나타났다.
2) 내화실험 후 실시한 하이브리드 섬유 혼입 콘크리트에서 압축강도의 잔존율이 보통 콘크리트보다 우수한 것으로 나타났다.
3) 하이브리드 섬유 혼입 고강도 콘크리트의 중성화 깊이는 온도의 증가에 따라 증가 경향이 나타나지만 중성화에 대하여 우수한 억제효과를 나타내었다.
4) 휨 실험결관, 강섬유 혼입 실험체와 하이브리드 섬유 혼입 실험체의 초기균열하중이 높게 나타났으며 하이브리드 섬유를 혼입함으로써 철근콘크리트 보의 초기균열 제어 효과를 나타내었다.
5) 전단보강근이 없는 실험체 실험 결과, 기준실험체 보다 하이브리드 섬유를 혼입한 실험체가 44.6% 정도 높게 나타나고 하이브리드 섬유를 혼입함으로써 전단보강근이 없는 철근콘크리트 보의 초기균열 제어 효과는 크게 나타났다. 최대내력은 기준실험체보다 하이브리드 섬유를 혼입한 실험체는 19.
각 실험체별 항복하중은 비슷한 경향을 보였으며 최대하중의 경우, 기준실험체에 비해 강섬유 혼입 실험체가 0.4% 정도 높게, PP섬유와 강섬유를 혼입 하이브리드 실험체가 0.4% 정도 낮게 나타났다.
각 실험체별 항복하중은 비슷한 경향을 보였으며 최대하중의 경우, 기준실험체에 비해 강섬유 혼입 실험체가 28.5% 정도, PP섬유와 강섬유를 혼입 하이브리드 실험체가 19.4% 정도 높게 나타났다.
기준시험체와 비교하여 강섬유를 혼입한 시험체는 400℃에서 7.32% 정도, 600℃에서 4.35% 정도, 800℃에서 0.4% 정도 높게 증가하였고 하이브리드 섬유를 혼입한 시험체는 400℃에서 5.73% 정도, 600℃에서 7.36% 정도, 800℃에서 10.60% 정도 높게 나타났다.
기준실험체는 최대하중 이후 하중이 급격히 감소하면서 취성적인 거동을 나타내었지만, 섬유 혼입 경우는 최대하중 이후 하중은 저하되었지만 변위는 증대되면서 연성거동을 보였다.
기준실험체와 강섬유 혼입 실험체는 거의 비슷한 연성을 나타냈으며 기준실험체에 비해 하이브리드한 실험체는 3.5% 정도 연성계수가 높게 나타났다.
또한, 200℃, 400℃, 800℃에서 강섬유를 혼입한 시험체의 압축강도 잔존률은 높게 나타났고 600℃에서 하이브리드 섬유를 혼입한 시험체의 압축강도 잔존률은 높음을 알 수 있다.
또한, 하이브리드 섬유와 강섬유를 혼입함으로써 파괴최대 하중은 19.4~28.5% 정도 향상된 것으로 나타났다.
섬유 혼입하지 않는 기준실험체의 연성계수는 2.67, 강섬유 혼입 실험체는 3.49, 섬유 혼입 하이브리드 실험체는3.45로 나타났고, 강섬유 혼입 실험체와 하이브리드 섬유 혼입 실험체의 연성계수는 유사한 연성을 보였으며 기준실험체에 비해 강섬유 혼입 실쳄체는 30.7% 정도 연성계수가 높게 나타났다.
섬유를 혼입하지 않는 경우와 강섬유를 혼입한 경우는 중성화비는 온도의 증가 따라 크게 발생하였고, 하이브리드 섬유를 혼입한 경우 온도의 증가 따라 증가 경향을 나타나지만 중성화에 대하여 우수한 억제효과를 나타내었다.
섬유을 혼입 휨 실험체별 초기균열하중의 경우, 섬유 혼입지 않는 기준실험체에 비해 강섬유 혼입 실험체가 39.8%, PP 섬유와 강섬유를 혼입 하이브리드 실험체가 44.6% 높게 나타났으며 섬유를 혼입함으로써 철근콘크리트 보 휨 실험체의 초기균열 제어 효과가 있는 것으로 나타났다.
시험체의 압축강도 잔존률은 200℃에서 내화시험 후에 각 시험체의 압축강도 잔존률은 93.17% 정도 나타나고 큰 차이가 없었다.
본 연구는 고강도 콘크리트의 화재시 내화성능 확보를 위하여 주로 사용되는 강섬유(Steel Fiber), 폴리프로필렌(Polypropylene Fiber; 이하PP)와 PP섬유와 강섬유를 하이브리드 섬유를 혼입한 설계기준강도 40㎫의 고강도 콘크리트의 내화성능 및 폭렬 방지 방법을 검토하고, 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨 및 전단보강근이 없는 보의 구조적 특성 연구를 통하여 섬유 혼입 고강도 콘크리트 보의 휨과 전단 저항 거동을 파악하였다. 실험결과, 하이브리드 섬유를 보강하면 균열 및 폭렬 발생, 중성화 억제 효과 등을 나타내었다. 부재실험에서는 초기균열제어, 연성과 최대내력 증대의 효과를 나타내었다.
앞의 휨실험과 마찬가지로 섬유를 혼입함으로써 전단보강근이 없는 철근콘크리트 실험체의 초기균열 제어 효과는 크게 나타났다.
전단보강근이 없는 실험체별 초기균열하중의 경우, 섬유 혼입지 않는 기준실험체에 비해 강섬유 혼입 실험체가 62.0%정도, PP섬유와 강섬유를 혼입 하이브리드 실험체가 44.6%정도 높게 나타났다.
전단보강근이 없는 실험체에 대해서 섬유 혼입 유무는 실험체의 전단거동에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
질량손실률은 200℃에서 1.84% 정도, 400℃에서 7.14% 정도, 600℃에서 8.71% 정도, 800℃에서 10.35% 정도 나타났고 기준시험체보다 강섬유를 혼입한 시험체는 400℃에서 0.30% 정도, 600℃에서 0.27% 정도, 800℃에서 0.65% 정도 증가하였다.
6% 정도 높게 나타나고 하이브리드 섬유를 혼입함으로써 전단보강근이 없는 철근콘크리트 보의 초기균열 제어 효과는 크게 나타났다. 최대내력은 기준실험체보다 하이브리드 섬유를 혼입한 실험체는 19.4% 정도 높게 나타났다.
휨 실험체별 연성은 비슷한 경향을 나타내었지만 하이브리드 섬유 혼입 실험체의 연성이 기준실험체에 비해 4% 정도 높게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고강도 콘크리트가 가지는 특징은 무엇인가?
고강도 콘크리트의 성질은 보통콘크리트의 성질과 마찬가지로 경제성과 압축강도, 강성 등 우수한 물성을 가지고 있으나 인장, 휨 및 충격강도가 낮고 에너지 흡수능력이 적어 매우 취성적이며 균열에 대한 저항성이 낮은 단점을 가지고 있다.
전단보강되지 않은 철근콘크리트 부재에 발생하면 어떻게 되는가?
또한 보는 휨과 더불어 전단력의 영향이 큰 부재이다. 전단보강되지 않은 철근콘크리트 부재에서는 균열이 생기기 전에는 전단응력이 콘크리트 자체의 전단저항에 의하여 저항하나 균열이 발생하면 이러한 전단저항이 감소하고 급작스런 파괴가 일어나게 된다[6].
본 연구에서 실험한 강섬유 및 PP섬유를 혼입한 하이브리드 고강도 콘크리트의 내화 중성화 및 부재실험을 통한 특성 결론은 어떠한가?
1) 하이브리드 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트는 폭렬의 발생 억제 효과가 우수한 것으로 나타났다.
2) 내화실험 후 실시한 하이브리드 섬유 혼입 콘크리트에서 압축강도의 잔존율이 보통 콘크리트보다 우수한 것으로 나타났다.
3) 하이브리드 섬유 혼입 고강도 콘크리트의 중성화 깊이는 온도의 증가에 따라 증가 경향이 나타나지만 중성화에 대하여 우수한 억제효과를 나타내었다.
4) 휨 실험결관, 강섬유 혼입 실험체와 하이브리드 섬유 혼입 실험체의 초기균열하중이 높게 나타났으며 하이브리드 섬유를 혼입함으로써 철근콘크리트 보의 초기균열 제어 효과를 나타내었다.
휨 실험체별 연성은 비슷한 경향을 나타내었지만 하이브리드 섬유 혼입 실험체의 연성이 기준실험체에 비해 4% 정도 높게 나타났다.
5) 전단보강근이 없는 실험체 실험 결과, 기준실험체 보다 하이브리드 섬유를 혼입한 실험체가 44.6% 정도 높게 나타나고 하이브리드 섬유를 혼입함으로써 전단보강근이 없는 철근콘크리트 보의 초기균열 제어 효과는 크게 나타났다. 최대내력은 기준실험체보다 하이브리드 섬유를 혼입한 실험체는 19.4% 정도 높게 나타났다.
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