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문제 정의
- 따라서 이 연구는 활성 황토 콘크리트의 보 실험을 통하여 휨 부재로서의 강도 및 균열 모멘트, 처짐, 연성능력 등을 일반 콘크리트 부재와 비교하고, 그 결과에 근거하여 현행 설계기준 적용 가능성을 알아보고자 한다.
- 이 연구에서는 활성 황토 콘크리트의 휨 부재로서의 성능과 현행 기준의 적용 가능성을 알아보기 위하여 12개의 실험체를 제작하여 실험을 실시하였다. 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트 보의 균열 모멘트 및 최대 휨 강도, 처짐, 연성도 등을 기존 기준식 및 비교 실험체인 일반 콘크리트 보와 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트 보의 사용 성을 검토하기 위하여 사용하중 상태에서의 실험에 의한 처짐값과 현행 설계기준에서 규정하고 있는 유효단면2차모멘트를 사용한 처짐값을 비교하였다. 근사적 사용하 중(Ps)은 최대하중을 1.
- 이 연구에서는 활성 황토 콘크리트의 휨 부재로서의 성능과 현행 기준의 적용 가능성을 알아보기 위하여 12개의 실험체를 제작하여 실험을 실시하였다. 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트 보의 균열 모멘트 및 최대 휨 강도, 처짐, 연성도 등을 기존 기준식 및 비교 실험체인 일반 콘크리트 보와 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 다음은 활성 황토 콘크리트 보와 일반 콘크리트 보의 연성 능력을 비교하였다. 연성도(ductility, µd)는 최대 처짐(∆u)을 항복하중에서의 처짐(∆y)으로 나누어 계산하였다.
- 5의 Hognestad model12)을 사용하였다. 단면 해석에서 콘크리트 응력 면적은 구간을 나누어 적분하여 구하였고, 압축철근과 인장철근의 압축력과 인장력을 고려하였다. 보의 단면에서 힘의 평형조건과 변형률의 선형분포를 이용하여 압축력과 인장력을 계산하였으며, 계산한 압축력과 인장력을 사용하여 모멘트를 구하고, 변형률 증가에 따른 곡률(φ)을 구하여 모멘트-곡률 관계를 구하였다.
- 보의 단면에서 힘의 평형조건과 변형률의 선형분포를 이용하여 압축력과 인장력을 계산하였으며, 계산한 압축력과 인장력을 사용하여 모멘트를 구하고, 변형률 증가에 따른 곡률(φ)을 구하여 모멘트-곡률 관계를 구하였다.
- 5) 정하였다. 실험에 의한 처짐은 하중-처짐 관계에서 이 사용하중에 해당하는 처짐을 구하였으며, 현행 기준에서는 유효단면 2차모멘트를 다음과 같이 정의한다.
- 연성도(ductility, µd)는 최대 처짐(∆u)을 항복하중에서의 처짐(∆y)으로 나누어 계산하였다.
- 이와 같이 얻어진 각 단계의 모멘트-곡률 관계를 이용 하여 보의 전 길이에 걸쳐 곡률 분포를 구하였다. 이 곡률 분포를 이용하여 보의 미소 길이에 대한 처짐각과 처짐을 구하고, 각각의 미소 길이에서의 처짐을 합하여 보 중앙부의 최대 처짐을 계산하여 그 결과를 Fig.
- 1과 같이 모두 순 간격 3m에 양단 힌지로 단순지지 되었고, 하중 가력 시 발생하는 편심을 방지하기 위하여 보 중앙으로부터 각각 250 mm 떨어진 곳에 2점 가력하였다. 전단 경간비는 4.1이며, 하중 가력은 1,000 kN 용량의 가력기를 사용하여 단순 가력 하였고, 1 mm/min로 변위제어(displacement control) 하였다. 하중의 변화에 따른 보의 처짐을 측정하기 위하여 LVDT(linear variable differential transformer)를 보의 중앙부와 하중 가력 지점 하부 및 중앙부에서 640 mm 떨어진 곳을 포함하여 대칭으로 총 5곳에 걸쳐 설치하였다.
- BFO 실험체는 일반 콘크리트(OPC)를 사용하였으며, BFA 실험체는 활성 황토 시멘트(AHT)가 20% 혼입된 실험체이고, BFN 실험체는 활성 황토 결합재 시멘트(NC)가 100% 사용된 실험체이다. 총 12개의 실험체를제작하였으며, 실험체는 인장철근비와 사용 콘크리트 재료에 따라서 4개의 시리즈로 분류하였다. 실험 변수로는 콘크리트 강도와 주인장 철근의 철근비를 사용하였다.
- 하중-변위 관계를 통한 황토 콘크리트와 일반 콘크리트의 연성도 비교를 위하여, 콘크리트의 압축응력-변형률 관계를 사용하여 단면 해석을 하고, 이를 통해 얻어진 하중-변위 관계와 황토 콘크리트 보 실험에 의해 측정된 하중-변위 관계를 비교하였다. 하중-변위 곡선 예측 방법은 다음과 같다.
- 1이며, 하중 가력은 1,000 kN 용량의 가력기를 사용하여 단순 가력 하였고, 1 mm/min로 변위제어(displacement control) 하였다. 하중의 변화에 따른 보의 처짐을 측정하기 위하여 LVDT(linear variable differential transformer)를 보의 중앙부와 하중 가력 지점 하부 및 중앙부에서 640 mm 떨어진 곳을 포함하여 대칭으로 총 5곳에 걸쳐 설치하였다.
- 휨 파괴를 유도하기 위하여 D10 전단철근을 150 mm 간격으로 보 전체에 걸쳐 배근하였으며, 지점부의 국부파괴를 방지하기 위하여 지점 부근에 D10 철근을 50 mm 간격으로 추가 배근하였다. 또한 주인장 철근의 부착응력 확보를 위하여 철근 단부에 90o 표준 갈고리를 사용하였다.
대상 데이터
- 1은 휨 실험 변수 및 실험체 형상을 나타낸다. BFO 실험체는 일반 콘크리트(OPC)를 사용하였으며, BFA 실험체는 활성 황토 시멘트(AHT)가 20% 혼입된 실험체이고, BFN 실험체는 활성 황토 결합재 시멘트(NC)가 100% 사용된 실험체이다. 총 12개의 실험체를제작하였으며, 실험체는 인장철근비와 사용 콘크리트 재료에 따라서 4개의 시리즈로 분류하였다.
- 68%(3-D22)를 사용하였다. 보 길이는 3.4 m로 모든 실험체가 동일하며, 단면 크기는 폭 200 mm, 높이 350 mm, 보의 유효높이는 주철근 D22 실험체는 304 mm, D19 실험체는 305.5 mm로 하였다.
- 총 12개의 실험체를제작하였으며, 실험체는 인장철근비와 사용 콘크리트 재료에 따라서 4개의 시리즈로 분류하였다. 실험 변수로는 콘크리트 강도와 주인장 철근의 철근비를 사용하였다. 콘크리트 강도는 Table 2의 사용 콘크리트의 배합에 따라 결정되었으며, 주인장 철근비는 1.
- 이 실험에서는 황토의 함유량에 따라서 3가지의 재료를 사용하였다. OPC(ordinary portland cement)는 황토가 들어가지 않은 일반 시멘트이며, AHT(activated Hwangtoh)는 총 시멘트량 중 활성 황토 시멘트가 20% 대체 되어 포함되었고, NC(no cement)는 시멘트 대신 무기물이 첨가된 활성 황토 결합재 시멘트가 100% 대체되어 사용되었다.
- 철근은 SD400을 사용하였으며, D10, D19, D22의 항복강도는 각각 524, 530, 510 MPa이 측정되었다. 공시체 압축강도 시험방법은 KS F 2453 콘크리트 압축강도 시험 방법에 준하여 실험하였다.
이론/모형
- 철근은 SD400을 사용하였으며, D10, D19, D22의 항복강도는 각각 524, 530, 510 MPa이 측정되었다. 공시체 압축강도 시험방법은 KS F 2453 콘크리트 압축강도 시험 방법에 준하여 실험하였다. Table 2에 콘크리트의 압축 강도(fck)가 나타나 있다.
- 콘크리트의 응력-변형률 관계로는 Fig. 5의 Hognestad model12)을 사용하였다. 단면 해석에서 콘크리트 응력 면적은 구간을 나누어 적분하여 구하였고, 압축철근과 인장철근의 압축력과 인장력을 고려하였다.
성능/효과
- 1) 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트 보의 단순가력 실험을 통한 파괴 및 균열 양상은 일반 콘크리트 보와 매우 유사하였으며, 하중-변위 관계 또한 일반 콘크리트 보와 유사한 결과를 나타내었다.
- 4는 실험에 의해 측정된 균열모멘트와 콘크리트 압축강도의 관계를 나타내고 있으며, 현행기준식과 비교한 것이다. 100% 활성 황토 콘크리트(BFN), 20% 활성 황토 콘크리트(BFA)와 일반 콘크리트(BFO) 모두 압축강도가 클수록 균열 모멘트가 증가하였으며, 전체적으로 비교적 계산에 의한 값과 실험값이 비슷함을 알 수 있다.
- 다음은 연성도에 대한 실험 결과와 예측값을 Table 5에서 비교하였다. 100% 활성 황토(BFN), 20% 활성 황토(BFA) 실험체의 연성도는 예측값에 비해 전체적으로 약 0.85~1.06배를 나타내었다. Series I에서 BFA1, BFN1은 BFO1의 0.
- 2) 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트 보의 휨 실험에 의해 측정된 휨 강도는 콘크리트구조설계기준 등가응력블록 개념에 근거한 휨 강도보다 평균 8% 큰 값을 나타내었다.
- 이후 보 중앙부 콘크리트 압축측 연단의 압축파괴 발생으로 하중이 감소하였다. 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트보의 전체적인 거동 양상은 일반 콘크리트 보와 매우 비슷함을 알 수 있으며, 황토 콘크리트와 일반 콘크리트의 압축강도가 다르게 측정되었으므로, 압축 파괴 시 처짐이 다르게 나타났다.
- 4) 사용성 검토를 위하여 사용하중 상태에서의 처짐을 확인한 결과, 콘크리트구조설계기준 유효2차모멘트와 콘크리트 탄성계수 식을 사용한 처짐에 비해 1.08~1.30배를 나타내었다. 또한 기준 실험체인 일반 콘크리트의 처짐량과 상대적인 비교를 하였을때, 20% 활성 황토와 100% 활성 황토 콘크리트 보 모두 일반 콘크리트 보의 처짐량과 비슷하였다.
- 5) 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트의 휨 부재의 연성도는 예측한 하중-변위곡선의 연성도와 유사하였으며, 또한 황토 콘크리트 휨 부재에서 주인장 철근의 철근비가 순인장 철근 최소허용변형률 0.004일 때의 최대 허용 철근비에 가까워질수록 연성 능력이 줄어드는 경향을 나타내었다.
- 90배를 나타내었다. Series III에서는 BFO3가 1.16로 예측모델보다 연성도가 크게 나타났으며, BFA3, BFN3은 0.95, 0.92를 나타내었다. Series IV에서는 BFA4가 0.
- Table 4는 실험 결과를 보다 자세히 나타내고 있는데, Series I 중 BFO1(일반 콘크리트)은 최대하중이 공칭강도보다 약 1.1% 컸으며, BFA1(20% 활성 황토)와 BFN1(100%활성 황토)은 각각 7.0, 5.5% 큰 값을 나타내었다. Series II에서는 BFA2가 14.
- Table 4에서 균열 모멘트 실험값을 설계 기준값으로 나누어 비교한 결과, BFN(100% 활성 황토)실험체 4개중 BFN3 실험체를 제외하고는 모두 기준값보다 크게 나타났고, BFA(20% 활성 황토)실험체는 각 series별로 0.85, 0.76, 1.06, 1.23배로 기준값과 비슷한 분포를 나타내었다. 비교 실험체인 BFO(일반 콘크리트) 역시 1.
- 06배로 비슷한 분포를 나타내었다. 따라서 20% 활성 황토 콘크리트, 100% 활성 황토 콘크리트에 대하여 콘크리트 구조설계기준에서 제시한 파괴계수 (#)를 이용하여 균열 모멘트를 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 다만, 실험체의 개수가 제한적이므로 정확한 파괴계수의 정의를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- 16배와 거의 비슷하게 나타났다. 따라서 활성 황토 콘크리트 보는 처짐에 대한 사용성 측면에서 일반 콘크리트 보와 유사한 성능을 나타내며, 또한 현행 기준식에서 사용하는 유효강성과 탄성 계수식을 사용하여 황토 콘크리트 보의 처짐을 평가할 수 있다고 판단된다.
- 30배를 나타내었다. 또한 기준 실험체인 일반 콘크리트의 처짐량과 상대적인 비교를 하였을때, 20% 활성 황토와 100% 활성 황토 콘크리트 보 모두 일반 콘크리트 보의 처짐량과 비슷하였다.
- 기준에 의한 처짐 계산에서 자중에 의한 처짐은 제외하였다. 비교 결과, BFA(20% 활성 황토 콘크리트)는 실험값이 계산값에 비해 약 1.08~1.24배, BFN(100% 활성 황토 콘크리트)는 1.08~1.3배, BFO(일반 콘크리트)는 1.11~1.29배를 나타내어, 전체적으로 실험값이 약간 큰 것을 알 수 있다. 그러나 Table 4의 기준식을 사용한 상대적 처짐량 비교에서 평균적으로 BFA(20% 활성 황토 콘크리트)는 1.
- 비교 결과, 초기 균열이 발생하기 전까지는 실험 결과와 예측값이 거의 비슷하였으며, 항복 후 연성 구간도 매우 비슷하게 나타나 전체적으로 일반 콘크리트와 100%활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트 모두 예측값과 비슷한 거동을 나타내는 것을 알 수 있다. 다만, 휨 균열 발생 후부터 항복점까지 보의 강성이 예측값보다 약간 작게 나타났다.
- BFO1, BFA1, BFN1 실험체 모두 비슷한 균열 양상을 나타내었다. 실험시작 후 최초로 보의 중앙 하부 부근에서 휨 균열이 발생하기 시작하였고, 하중이 점차 증가함에 따라 보의 전 구간에 걸쳐 휨 균열이 발생하면서, 휨-전단 균열로 발전하여 보 상부로 진전되는 모습을 나타내었다. 철근이 항복한 후에는 하중의 증가 없이 처짐만 증가하는 연성 거동을 나타내면서 균열의 폭이 점점 증가하다가 보의 중앙 상단부에서 콘크리트 압축파괴가 발생하였다.
- 위의 실험 결과를 통하여, 이 연구에서 수행된 활성 황토 콘크리트 보는 건축물의 휨 부재에 적용이 가능한 것으로 판단되며, 기존 콘크리트구조설계기준 2007을 사용하여 휨 설계 가능하다고 판단된다. 추후 활성 황토 콘크리트 보의 전단 강도 및 철근과의 부착 강도 등의 구조성능에 대한 연구와 황토 콘크리트의 FRESH특성과 철근부식, 동결융해, 내후성 등의 내구성에 대한 물성평가 연구가 추가로 수행되어야 한다.
- 이러한 결과는 현행 콘크리트 구조설계기준에 따라서 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트 보의 휨 강도를 안전측으로 평가할 수 있는 것을 나타낸다.
- 06으로 큰 비율을 나타내었다. 이상의 결과에서 활성 황토 콘크리트 휨 부재의 연성도는 예측 모델과 비슷한 연성도를 나타내었으며, 비교 실험체인 일반 콘크리트(BFO) 휨 부재의 연성도에 비해서도 떨어지지 않는 연성 능력을 보여 주었다.
- 4% 만큼 공칭강도 보다 크게 나타났다. 전체적으로 최대공칭강도와 비교하였을 때, 제시한 강도보다 높은 결과를 나타내었으며, 비교 실험체인 일반 콘크리트보(BFO)의 강도와 비슷하게 나타났다.
- 3은 보 실험체의 하중-중앙부 처짐 관계를 나타내고 있다. 하중이 증가함에 따라 보 중앙에서의 최초 균열이 발생한 후, 휨 강성의 저하로 인하여 기울기가 감소하였으며, 철근 항복 이후 최대 하중에 도달한 이후에는 변위만 증가하는 연성거동이 나타났다. 이후 보 중앙부 콘크리트 압축측 연단의 압축파괴 발생으로 하중이 감소하였다.
후속연구
- 따라서 20% 활성 황토 콘크리트, 100% 활성 황토 콘크리트에 대하여 콘크리트 구조설계기준에서 제시한 파괴계수 (#)를 이용하여 균열 모멘트를 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 다만, 실험체의 개수가 제한적이므로 정확한 파괴계수의 정의를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- 위의 실험 결과를 통하여, 이 연구에서 수행된 활성 황토 콘크리트 보는 건축물의 휨 부재에 적용이 가능한 것으로 판단되며, 기존 콘크리트구조설계기준 2007을 사용하여 휨 설계 가능하다고 판단된다. 추후 활성 황토 콘크리트 보의 전단 강도 및 철근과의 부착 강도 등의 구조성능에 대한 연구와 황토 콘크리트의 FRESH특성과 철근부식, 동결융해, 내후성 등의 내구성에 대한 물성평가 연구가 추가로 수행되어야 한다.
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