강섬유를 혼입한 콘크리트(Steel Fiber Reinforced Concrete, SFRC) 보는 강섬유의 우수한 인장강도로 인하여 일반 철근콘크리트 보에 비하여 높은 전단강도를 가진다. 이 연구에서는 강섬유 혼입율에 따른 SFRC 보의 전단거동을 규명하기 위하여 실험을 수행하였으며, 특히, 압축영역에서의 비균열 콘크리트 단면의 전단저항 분담율을 분석하였다. 또한, 이 연구의 실험결과 및 기존에 보고된 87개의 실험 데이터를 수집하여 SFRC보의 전단예측식들에 대한 정확도를 평가하였다. 강섬유의 혼입율이 증가할수록 전단강도는 증가하는 경향성을 나타내었다. 그러나, 강섬유 혼입율이 0.5%인 실험체는 사인장 균열 이후 갑작스럽게 파괴되었고, 강섬유의 혼입율이 2.0%인 실험체에서는 전단보강효율이 감소하는 것으로 관찰되어 최대 전단보강효율을 가질 수 있는 혼입율은 1~2% 사이에 있을 것으로 추정된다. 또한, 압축영역에서의 비균열 콘크리트 단면의 전단저항 분담율은 약 21% 이상으로 관찰되었으며, 이 연구에서 평가된 SFRC보의 전단강도에 대한 기존 제안식 중에서 오영훈 등이 제안한 식이 비교적 정확하게 전단강도를 예측하였다.
강섬유를 혼입한 콘크리트(Steel Fiber Reinforced Concrete, SFRC) 보는 강섬유의 우수한 인장강도로 인하여 일반 철근콘크리트 보에 비하여 높은 전단강도를 가진다. 이 연구에서는 강섬유 혼입율에 따른 SFRC 보의 전단거동을 규명하기 위하여 실험을 수행하였으며, 특히, 압축영역에서의 비균열 콘크리트 단면의 전단저항 분담율을 분석하였다. 또한, 이 연구의 실험결과 및 기존에 보고된 87개의 실험 데이터를 수집하여 SFRC보의 전단예측식들에 대한 정확도를 평가하였다. 강섬유의 혼입율이 증가할수록 전단강도는 증가하는 경향성을 나타내었다. 그러나, 강섬유 혼입율이 0.5%인 실험체는 사인장 균열 이후 갑작스럽게 파괴되었고, 강섬유의 혼입율이 2.0%인 실험체에서는 전단보강효율이 감소하는 것으로 관찰되어 최대 전단보강효율을 가질 수 있는 혼입율은 1~2% 사이에 있을 것으로 추정된다. 또한, 압축영역에서의 비균열 콘크리트 단면의 전단저항 분담율은 약 21% 이상으로 관찰되었으며, 이 연구에서 평가된 SFRC보의 전단강도에 대한 기존 제안식 중에서 오영훈 등이 제안한 식이 비교적 정확하게 전단강도를 예측하였다.
Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) beams has greater shear strength than typical reinforced concrete beams due to the high tensile strength of steel fibers. In this research, an experiment has been conducted to investigate the shear behavior of SFRC beams, and especially, the portion of shear re...
Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) beams has greater shear strength than typical reinforced concrete beams due to the high tensile strength of steel fibers. In this research, an experiment has been conducted to investigate the shear behavior of SFRC beams, and especially, the portion of shear resistance by uncracked compressive concrete section has been measured. Based on the test results in this study and 87 test data collected from literature, the accuracy of the existing equations for the estimation of shear strength has been evaluated. The shear strength of SFRC beams increased as more steel fibers were mixed. However, it is considered that the most efficient amount of steel fiber for enhancement of shear strength would be between 1% and 2% in that the specimen with 0.5% of steel fibers were abruptly failed after inclined cracking, and that the specimen with 2.0% of steel fibers showed a relatively low efficiency in increasing shear strength. The portion of shear resistance by the uncracked compressive concrete section was measured to be greater than 21%, and the equation proposed by Oh et al. provided the best accuracy on the estimation of shear strength of SFRC beams among the approaches evaluated in this study.
Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) beams has greater shear strength than typical reinforced concrete beams due to the high tensile strength of steel fibers. In this research, an experiment has been conducted to investigate the shear behavior of SFRC beams, and especially, the portion of shear resistance by uncracked compressive concrete section has been measured. Based on the test results in this study and 87 test data collected from literature, the accuracy of the existing equations for the estimation of shear strength has been evaluated. The shear strength of SFRC beams increased as more steel fibers were mixed. However, it is considered that the most efficient amount of steel fiber for enhancement of shear strength would be between 1% and 2% in that the specimen with 0.5% of steel fibers were abruptly failed after inclined cracking, and that the specimen with 2.0% of steel fibers showed a relatively low efficiency in increasing shear strength. The portion of shear resistance by the uncracked compressive concrete section was measured to be greater than 21%, and the equation proposed by Oh et al. provided the best accuracy on the estimation of shear strength of SFRC beams among the approaches evaluated in this study.
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문제 정의
따라서 균열면에 존재하는 섬유의 개수가 전단강도증진의 주요요인이 될 수 있으므로 본 연구에서는 섬유혼입 율(Vf)을 주요변수로 4개의 SFRC 보를 제작하여 섬유혼입율이 SFRC 보의 전단거동에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 또한 기존연구들 및 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 기존 연구자들의 제안식 및 기준에서 제시하고 있는 강도예측식을 평가하였다.
0% 이하인 실험체, 최근 가장 많이 사용하는 갈고리형(hooked-shape)의 섬유가 아닌 직선형태나 구불구불한 형태(crimped-shape)의 섬유를 사용한 경우를 제외하면, 강섬유의 혼입으로 인한 SFRC보의 복잡한 전단거동을 규명하기에는 실험결과가 충분치 못한 실정이다. 본 연구에서는 Fig. 1(c)와 같은 갈고리형(hooked-shape)의 강섬유 보강으로 인한 전단강도 증진 효과를 파악하는 것을 주된 목적으로 하였다.
본 연구에서는 강섬유의 혼입율에 따른 전단보강 효율성을 알아보기 위해 SFRC 보에 대한 전단실험을 수행하였으며, 특히 비균열 압축측 콘크리트의 전단력 분담율(Vc)을 측정하였다. 또한, 기존 연구에 보고된 실험데이터를 수집하여 SFRC보의 전단예측식들에 대한 정확도를 평가하였다.
제안 방법
(1972)은 Fig. 1(a) 및 (b)에 나타난 것과 같은 원형단면의 직선형(straight type) 강섬유와 주름진 형태(crimped-shape)의 강섬유를 사용하여 강섬유의 혼입율, 전단경간비를 변수로 하여 총 90개의 RC 및 SFRC 보를 실험을 하였으며, 이를 통해 강섬유의 전단보강 효율성을 확인 하였다. 그러나, 낮은 부착강도 때문에 현재는 잘 사용하지 않는 직선형태의 섬유를 상당히 많은 수의 실험체에 사용하였고, 휨 파괴된 경우가 많아 강섬유로 인한 전단성능의 향상을 파악하기 어려운 실험 결과들을 포함하고 있다는 점이 아쉽다.
, 2000)에 보고된 실험결과와 본 연구에서 얻어진 실험체들의 전단강도를 #로 나누어 무차원화된 값을 강섬유 혼입율에 대하여 나타낸 것이다. ACI 318M-08(2008)에 의해 정의된 콘크리트의 전단강도(Vc)를 #로 나눈 값인 0.17을 그림에 수평선으로 나타내어 SFRC 보의 섬유혼입율 증가에 따른 전단강도의 상대적인 증진효과를 비교하였다. SFRC 보 실험체들의 전단강도는 ACI기준에서 제시하고 있는 콘크리트전단강도에 비하여 매우 큰 것을 알 수 있다.
0실험체의 압축측 변형율분포를 보여주고 있으며, Photp 4는 동일한 하중단계에서의 균열진행 상태를 보여주고 있다. Fig. 12에 나타낸 변형율에 탄성계수(E)를 곱해(Sherwood, E. et al., 2007) 콘크리트 압축응력을 계산하였고, 계산된 응력을 통해 A-A 단면과 B-B단면 압축영역의 압축력 차이를 계산하여 수평전단력을 산정하였다.
5에 나타내었다. Photo 1(a) 및 Fig. 5에 보이는 바와 같이 처짐을 측정하기 위하여 LVDT(Linear variable displacement transducer)를 보의 중앙, 가력점, 중앙으로부터 450mm, 600mm 떨어진 지점에 각각 설치하였다.
그러나, 이러한 주요 저항요소들 각각의 분담력은 측정이 매우 어려우며, 특히 압축영역의 손상되지 않은 콘크리트가 분담하는 전단력(Vcc)은 전단매커니즘에서 중요한 요소임에도 불구하고 SFRC보에서는 Vcc를 정량적으로 평가한 사례가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 9에 보이는 바와 같이 보의 압축영역 측면 부에 각각 3개의 변형율 게이지로 구성된 2세트의 게이지를 설치하였으며, 이 데이터를 이용하여 전체 전단력에서 Vcc가 분담하는 비율을 정량적으로 평가하였다.
)을 주요변수로 4개의 SFRC 보를 제작하여 섬유혼입율이 SFRC 보의 전단거동에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 또한 기존연구들 및 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 기존 연구자들의 제안식 및 기준에서 제시하고 있는 강도예측식을 평가하였다. 특히, 본 연구에서는 압축측에서 측정된 변형율을 바탕으로 SFRC 보의 전단 강도에서 손상되지 않은 압축측 콘크리트에 의한 전단분담율을 평가하였다.
)을 측정하였다. 또한, 기존 연구에 보고된 실험데이터를 수집하여 SFRC보의 전단예측식들에 대한 정확도를 평가하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
본 실험의 주요 변수인 강섬유 혼입율은(실험체 체적의) 0.5, 1.0, 1.5, 2.0%로 제작되었으며, SFRC보의 전단강도에 영향을 미칠 수 있는 다른 요소들인 압축강도 및 인장철근비 등은 고정하였다.
5에 나타낸 것과 같이 8개의 변형율 게이지를 설치하였다. 실험체는 1,000kN 유압잭을 사용하여 3등분점 재하를 하였으며, 처짐 및 변형율은 설치된 LVDT 및 스트레인 게이지를 통해 측정된 값을 중앙에 설치된 데이터로거(Data logger)에 저장하였다.
또한 기존연구들 및 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 기존 연구자들의 제안식 및 기준에서 제시하고 있는 강도예측식을 평가하였다. 특히, 본 연구에서는 압축측에서 측정된 변형율을 바탕으로 SFRC 보의 전단 강도에서 손상되지 않은 압축측 콘크리트에 의한 전단분담율을 평가하였다.
대상 데이터
SFRC 보에 대한 기존 제안식들의 정확도를 평가하기 위하여 본 연구에서 수행한 실험결과와 함께 Table 6에 보이는 바와 같이 기존 문헌에 보고된 총 87개의 실험결과를 수집하였다. 수집된 실험체들은 전단경간비(a/d)가 2.
각각의 실험체 제작 시 2개의 100×200mm 콘크리트 압축강도 공시체, 1개의 150×300mm 쪼갬 인장강도 공시체 및 1개의 150×150×540mm 휨 실험 공시체를 제작하였다.
65, 최대직경 20mm 크기의 것을 사용하였다. 강섬유는 Table 3에 나타낸 것과 같이 인장강도가 1,300 MPa이고, 직경 및 길이가 각각 0.5mm, 30mm 인 갈고리(hook)형 강섬유를 사용하였다.
강섬유로 보강된 콘크리트보의 섬유혼입율이 전단거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 Fig. 2에 나타낸 것과 같은 4개의 실험체를 제작하였다. Table 1에 보이는 바와 같이 보의 단면은 폭이 100mm, 높이가 200mm인 장방형단면이며, 보의 길이는 1600mm, 지점간거리는 1500mm이다.
콘크리트의 설계압축강도는 30MPa이며, 콘크리트의 배합은 Table 2에 나타낸 바와 같다. 사용된 시멘트는 밀도 3.15kg/m3의 Type I 포틀랜드 시멘트이고, 조골재는 비중 2.65, 최대직경 20mm 크기의 것을 사용하였다. 강섬유는 Table 3에 나타낸 것과 같이 인장강도가 1,300 MPa이고, 직경 및 길이가 각각 0.
SFRC 보에 대한 기존 제안식들의 정확도를 평가하기 위하여 본 연구에서 수행한 실험결과와 함께 Table 6에 보이는 바와 같이 기존 문헌에 보고된 총 87개의 실험결과를 수집하였다. 수집된 실험체들은 전단경간비(a/d)가 2.5이상, 전단철근이 없으며, 휨파괴되지 않은 SFRC 보만을 포함시켰다. 수집된 실험체들은 섬유의 혼입율은 0.
성능/효과
1) 강섬유의 혼입율이 증가할수록 보의 사인장 균열 강도는 대체적으로 증가하는 경향을 보였다.
2) 강섬유의 혼입율이 증가할수록 보의 전단강도는 증가하는 경향성을 나타내었으나, 강섬유의 혼입율이 1.5%를 초과하는 경우에는 강섬유의 뭉침현상에 의해 전단보강 효율성이 감소할 수 있는 것으로 관찰되었다.
3) 강섬유 혼입율이 0.5%인 실험체는 사인장 균열 이후 갑작스럽게 파괴되었고, 1.0% 이상의 실험체에서는 사인장 균열 이후 균열면 사이에 존재하는 강섬유의 인장력저항으로 인하여 사인장 균열폭이 상당히 커질 때까지 비교적 안정적인 하중지지 능력을 보여주었다.
4) 압축영역에서 비균열 콘크리트 단면의 전단력 분담율을 측정한 결과 극한상태에서 전단력의 약 21.34% 이상을 분담하는 것으로 나타났다.
5) 전단경간비가 2.5 이상인 스터럽이 없는 SFRC 보 실험체를 대상으로 본 연구에서 평가한 기존 제안식들 중에서 오영훈과 김정해(2008)의 제안식이 가장 높은 예측 정확도를 나타내었다.
0010으로 상당히 크게 나타났고, 사인장 균열이 AA단면의 상부까지 진행되었다. 두 단면의 압축력의 차이를 이용하여 구한 압축측 콘크리트의 전단력 분담율은 최고하중의 24%일 때 12.6%로 나타났고, 하중의 증가에 따라 점점 증가하여 극한상태에 근접한 최고하중의 86%에서 대략 21.3%로 나타났다. 따라서, 하중이 증가됨에 따라 균열단면의 전단기여도는 작아질 것이므로 전단파괴시 압축측 콘크리트의 전단력 분담율은 적어도 21% 이상이 될 것으로 판단된다.
3%로 나타났다. 따라서, 하중이 증가됨에 따라 균열단면의 전단기여도는 작아질 것이므로 전단파괴시 압축측 콘크리트의 전단력 분담율은 적어도 21% 이상이 될 것으로 판단된다.
이와 같은 결과는 강섬유의 뭉침현상으로 인해 강섬유를 많이 혼입할수록 전단보강의 효율성이 비례하여 증가하는 것이 아니라 최적의 효율성을 발휘하는 특정 강섬유 혼입율이 존재한다는 기존의 연구결과와 일치하며(Swamy and Mangat, 1974), SFRC의 전단강도는 강섬유혼입율 뿐만 아니라 강섬유의 방향성도 중요한 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 전단강도는 S-0.5의 경우 1.81MPa, S-1.0은 3.13MPa, S-1.5는 3.24MPa, S-2.0은 2.88MPa로 강섬유의 혼입율에 따라 대체적으로 전단강도가 증가되는 것을 알 수 있으며, 섬유혼입율이 1.0%인 경우에 가장 큰 전단 변형능력을 나타내었다.
이는 균열사이에서 발생되는 섬유의 가교효과(Bridging effect)(윤현도 등, 2006)에 의하여 보가 취성적으로 파괴되지 않고 강섬유가 인장력을 균열면 사이로 전달하였기 때문이다. 섬유혼입율이 2.0%인 S-2.0실험체의 경우에는 사인장 균열 강도가 75kN으로 다른 실험체들에 비하여 비교적 크게 나타났고, S-1.0 및 S-1.5 실험체들과 마찬가지로 전단균열 이후 급격한 파괴가 발생되지 않고 계속적으로 하중이 증가한 후에 95kN에서 전단파괴 되었다. S-2.
5이상, 전단철근이 없으며, 휨파괴되지 않은 SFRC 보만을 포함시켰다. 수집된 실험체들은 섬유의 혼입율은 0.22%~2.00%, 섬유의 형상비(L/D)가 60~133, SFRC의 압축 강도는 20.6~97.1MPa, 보의 유효춤은 102~570mm, 전단경간비는 2.5~6.0, 인장철근비는 1.10-5.72%의 범위에 분포하여 다양한 특성을 가진 실험체들임을 알 수 있다.
9에 보이는 바와 같이 사인장 균열이 발생한 61 kN 부근에서 급격히 하중저항이 줄어들면서 전단파괴 되었다. 이에 비하여 1.0% 및 1.5%가 사용된 실험체 S-1.0 및 S-1.5의 경우에는 각각 61kN 및 73kN에서 전단균열이 발생하였지만, 0.5%가 사용된 S-0.5의 실험체에 비하여 균열폭이 상대적으로 크게 확장되지 않고 계속적으로 하중이 증가하는 양상으로 보였으며, 최종적으로 104kN 및 108kN에서 각각 전단 파괴 되었다. 이는 균열사이에서 발생되는 섬유의 가교효과(Bridging effect)(윤현도 등, 2006)에 의하여 보가 취성적으로 파괴되지 않고 강섬유가 인장력을 균열면 사이로 전달하였기 때문이다.
5%가 사용된 실험체들에 비하여 약간 낮게 측정 되었는데, 이는 강섬유혼입율이 높은 경우에 발생할 수 있는 뭉침현상(Balling phenomenon)때문인 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 강섬유의 뭉침현상으로 인해 강섬유를 많이 혼입할수록 전단보강의 효율성이 비례하여 증가하는 것이 아니라 최적의 효율성을 발휘하는 특정 강섬유 혼입율이 존재한다는 기존의 연구결과와 일치하며(Swamy and Mangat, 1974), SFRC의 전단강도는 강섬유혼입율 뿐만 아니라 강섬유의 방향성도 중요한 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 전단강도는 S-0.
00004 정도로 매우 작았다. 최고하중의 65% 단계에서는 복부 사인장 균열이 발생하였으며, A-A단면과 B-B단면 압축영역의 변형율이 -0.0011, -0.0010으로 각각 측정되었고, 최종하중의 79% 하중상태까지는 A-A단면과 B-B단면 압축연단의 변형율 차이는 비교적 크지 않았다. 그러나, 최고하중의 86%에 이른 하중상태에서는 A-A단면과 B-B단면 압축연단의 변형율 차이가 -0.
SFRC 보 실험체들의 전단강도는 ACI기준에서 제시하고 있는 콘크리트전단강도에 비하여 매우 큰 것을 알 수 있다. 특히, 본 실험에서 나타난 결과는 실험체들의 전단강도는 ACI 기준식에 비하여 각각 1.7배, 2.9배, 3.0배 및 2.8배로 나타나서 섬유혼입율이 증가할수록 대체적으로 전단강도가 증가하는 경향이 있었다. 그러나, ACI 기준에서 제시하는 전단철근을 배근하지 않을 수 있는 최소 섬유혼입율인 1.
후속연구
8배로 나타나서 섬유혼입율이 증가할수록 대체적으로 전단강도가 증가하는 경향이 있었다. 그러나, ACI 기준에서 제시하는 전단철근을 배근하지 않을 수 있는 최소 섬유혼입율인 1.0%를 초과한 S-1.5 및 S-2.0 실험체들의 전단강도가 S-1.0 실험체의 전단강도와 거의 다르지 않게 나타나서 강섬유 혼입율이 1.0%를 초과한 SFRC 보의 전단성능 및 강섬유의 뭉침현상에 대해서는 추가적인 연구가 필요 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트는 왜 널리 사용되고 있는가?
콘크리트는 우수한 압축강도 및 뛰어난 성형성과 경제성으로 인하여 건축 및 토목구조물에 널리 사용되고 있다. 그러나 압축에 비하여 상대적으로 취약한 인장응력으로 인하여 발생되는 균열 때문에 이를 개선하기 위한 각종 혼입 재료의 개발 및 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
강섬유를 혼입한 콘크리트의 장점은 무엇인가?
강섬유를 혼입한 콘크리트(Steel Fiber Reinforced Concrete, SFRC) 보는 강섬유의 우수한 인장강도로 인하여 일반 철근콘크리트 보에 비하여 높은 전단강도를 가진다. 이 연구에서는 강섬유 혼입율에 따른 SFRC 보의 전단거동을 규명하기 위하여 실험을 수행하였으며, 특히, 압축영역에서의 비균열 콘크리트 단면의 전단저항 분담율을 분석하였다.
콘크리트에 혼입되는 혼입재료에는 어떤 것들이 있는가?
그러나 압축에 비하여 상대적으로 취약한 인장응력으로 인하여 발생되는 균열 때문에 이를 개선하기 위한 각종 혼입 재료의 개발 및 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 이러한 혼입재료들 중에는 강섬유(Steel Fiber Polymer), 폴리 에틸렌(Polyethylene, PE)섬유, 폴리비닐 알콜(Polyvinyl Alcohol, PVA)섬유 등이 있다. 이중에서 강섬유는 수급이 비교적 용이하고, 많은 구조엔지니어 및 연구자들에게 이미 친숙한 재료가 되었다.
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