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문제 정의
- 본 연구에서는 bottom ash 인공경량골재를 사용한 경량 콘크리트의 부착특성을 비교·평가하는데 목적을 두었으며, 이를 위하여 콘크리트 압축강도, 철근 직경과 묻힘 길이를 변수로 하여 경량콘크리트와 이형철근 간의 부착특성을 알아보고자 하였으며, 보통강도 콘크리트로 대조군을 제작하여 인발 실험을 수행하였다.
가설 설정
- 하중단의 미끌림 길이를 보다 정확하게 계산하기 위하여 인발실험 시 이형철근이 탄성변형을 한다는 가정 하에 다음의 계산식으로 미끌림을 계산하였다.
제안 방법
- 도출된 제안식의 정확성을 평가하기 위하여 본 실험과 비슷한 조건을 가지는 2개의 연구결과에 제안식을 적용하였다. 철근의 종류, 묻힘길이, 콘크리트 양생기간을 변수로 하여 화산 경석으로 제조된 경량콘크리트의 부착특성을 알아보는 Hossain(2008)의 연구결과와 비교하였으며, 콘크리트의 압축강도, 피복두께, 및 부착길이를 변수로 하는 고강도 경량콘크리트의 부착특성을 알아보는 김현식(1998)의 연구결과와 비교하였다.
- 콘크리트 타설시 3회에 나누어서 타설하였으며, 이형철근의 묻힘길이는 실험 변수에 따라 달리 하였으며, 부착되는 면이 시험체의 하단부터 형성하였다. 또한 시험체의 상단부터 PVC 관을 삽입하여 콘크리트와의 부착을 방지하는 부분을 형성하도록 하였다. 또한 인발실험 시 이형철근과 콘크리트 덩어리가 같이 파괴되는 현상을 방지하기 위하여 시험체 하단에 이형 철근이 10mm정도 이격되도록 제작하였다.
- 또한 시험체의 상단부터 PVC 관을 삽입하여 콘크리트와의 부착을 방지하는 부분을 형성하도록 하였다. 또한 인발실험 시 이형철근과 콘크리트 덩어리가 같이 파괴되는 현상을 방지하기 위하여 시험체 하단에 이형 철근이 10mm정도 이격되도록 제작하였다.
- 2mm/min의 속도로 가력 하는 변위제어 방식을 채택하여 실험을 진행하였다. 또한 하중단과 자유단의 미끌림 길이를 측정하기 위하여 하중단에 2개의 LVDT를 설치하였고 자유단에는 1개의 LVDT를 설치하여 미끌림 길이를 측정하였다.
- 보통콘크리트와의 비교를 위해 N50(32.47MPa)과 S40(30.32MPa)의 두 시험체 군을 비교하였다. 그림 12는 이형철근 D19를 사용한 4종류의 묻힘 길이에 대하여 경량콘크리트와 보통콘크리트 사용에 따른 부착응력을 비교하여 나타낸 것이다.
- 본 실험에서는 압축강도의 변화를 주기 위하여 경량콘크리트 배합 시 물/시멘트 비를 변수로 두었다. 물/시멘트비(50%, 40%, 25%)의 변화에 따른 콘크리트 압축강도는 각각 29.
- 본 연구에서는 경량콘크리트에 대하여 부착강도에 영향을 미치는 이형철근의 직경, 묻힘길이와 콘크리트의 압축강도를 변수로 하여 총 144개의 시험체에 대한 인발실험을 수행하였다. 실험결과 및 기존 연구의 실험결과의 회귀분석을 통해 새로운 제안식을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 압축강도, 이형철근의 직경, 묻힘길이를 변수로 하여 인발실험을 수행하였으며, 실험결과 보강근의 항복파괴의 양상을 보이는 4개의 시험체를 제외한 104개의 경량콘크리트 시험체에 대하여 회귀분석을 실시하여 부착강도를 예측할 수 있는 제안식을 유도하였다.
- 본 연구에서는 경량콘크리트에 대하여 부착강도에 영향을 미치는 이형철근의 직경, 묻힘길이와 콘크리트의 압축강도를 변수로 하여 총 144개의 시험체에 대한 인발실험을 수행하였다. 실험결과 및 기존 연구의 실험결과의 회귀분석을 통해 새로운 제안식을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 콘크리트 타설시 규준에 의거하여 3회에 걸쳐 다짐봉으로 매회 25회 다짐을 실시하면서 타설하였다. 압축강도 시험은 7일, 28일 강도를 각각 4개씩 측정하였다. 배합설계와 배합설계에 따른 압축강도를 표 1에 정리하였다.
- 인발실험은 인발 시험체가 파괴되거나 이형철근이 뽑힐 때까지 실험을 수행하였으며, 인발실험 중 최대 인발하중에 도달하였을 때 평균 부착 응력을 구하였다. 이때의 하중단과 자유단의 미끌림 길이와 파괴형상에 대해 조사하였으며, 경량콘크리트의 부착특성에 대한 결과는 표 3에 정리하여 나타내었다.
- ASTM C 234(1991)의 기준에 따라 인발실험을 수행하였다. 인발실험을 수행하기 위하여 그림 3과 같이 별도의 지그를 제작하였으며, 1,000kN 용량의 만능시험기(UTM)을 이용하여 1.2mm/min의 속도로 가력 하는 변위제어 방식을 채택하여 실험을 진행하였다. 또한 하중단과 자유단의 미끌림 길이를 측정하기 위하여 하중단에 2개의 LVDT를 설치하였고 자유단에는 1개의 LVDT를 설치하여 미끌림 길이를 측정하였다.
- 도출된 제안식의 정확성을 평가하기 위하여 본 실험과 비슷한 조건을 가지는 2개의 연구결과에 제안식을 적용하였다. 철근의 종류, 묻힘길이, 콘크리트 양생기간을 변수로 하여 화산 경석으로 제조된 경량콘크리트의 부착특성을 알아보는 Hossain(2008)의 연구결과와 비교하였으며, 콘크리트의 압축강도, 피복두께, 및 부착길이를 변수로 하는 고강도 경량콘크리트의 부착특성을 알아보는 김현식(1998)의 연구결과와 비교하였다. 실험결과/계산값의 비가 0.
- 그림 1과 같이 150mm×150mm×150mm의 정방형 시험체를 사용하였으며 사각형의 중심에 길이 680mm 의 이형철근을 설치한 후에 콘크리트를 타설하였다. 콘크리트 타설시 3회에 나누어서 타설하였으며, 이형철근의 묻힘길이는 실험 변수에 따라 달리 하였으며, 부착되는 면이 시험체의 하단부터 형성하였다. 또한 시험체의 상단부터 PVC 관을 삽입하여 콘크리트와의 부착을 방지하는 부분을 형성하도록 하였다.
- 공시체는 실린더형의 φ100×200mm의 크기의 몰드를 사용하였으며, 총 32개의 공시체를 제작하였다. 콘크리트 타설시 규준에 의거하여 3회에 걸쳐 다짐봉으로 매회 25회 다짐을 실시하면서 타설하였다. 압축강도 시험은 7일, 28일 강도를 각각 4개씩 측정하였다.
- 콘크리트의 부착특성을 알아보기 위한 인발실험을 위해 4종류의 경량콘크리트와 보통강도의 콘크리트에 대한 배합설계를 하였으며, 압축강도 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 공시체는 실린더형의 φ100×200mm의 크기의 몰드를 사용하였으며, 총 32개의 공시체를 제작하였다.
- 그림 1과 같이 150mm×150mm×150mm의 정방형 시험체를 사용하였으며 사각형의 중심에 길이 680mm 의 이형철근을 설치한 후에 콘크리트를 타설하였다.
- 선행 실험결과에 따르면 인발실험에 의한 시험체의 파괴형 상은 쪼갬파괴, 뽑힘파괴, 보강근의 항복에 의한 파괴, 보강근의 부착면의 파괴 총 4가지 경우로 나타난다고 기술하고 있다(Okelo 등, 2005; Lee 등, 2008; 문경주 등, 2005). 본 실험에 사용된 시험체는 대부분 그림 4와 같이 콘크리트의 쪼갬에 의한 파괴에 의한 파괴현상(약 73%)을 보이고 있으며 다음으로는 그림 5와 같이 뽑힘에 의한 파괴형상(약 24%)이 관찰되었다. 보강근의 항복에 의한 파괴는 N50_4D 시험체 등 5개의 시험체에서 보이는 것으로 나타났다.
- 시험체는 경량콘크리트의 압축강도(W/C 50%, 40%, 25%), 보강근의 직경(D13, D16, D19)과 묻힘길이(40mm, 80mm, 120mm, 150mm)에 따라 각각 3개의 시험체를 제작하였으며, 경량콘크리트의 부착특성을 비교하기 위하여 W/C 50%의 보통콘크리트를 사용하였다. 총 144개의 시험체를 제작하여 실험을 수행하였으며 시험체의 표기방법은 그림 2와 같다.
- 시험체는 경량콘크리트의 압축강도(W/C 50%, 40%, 25%), 보강근의 직경(D13, D16, D19)과 묻힘길이(40mm, 80mm, 120mm, 150mm)에 따라 각각 3개의 시험체를 제작하였으며, 경량콘크리트의 부착특성을 비교하기 위하여 W/C 50%의 보통콘크리트를 사용하였다. 총 144개의 시험체를 제작하여 실험을 수행하였으며 시험체의 표기방법은 그림 2와 같다.
- 콘크리트의 부착특성을 알아보기 위하여 사용된 보강 근은 ASTM A 615(2004)에 제시되어 있는 No. 4(D13), No. 5(D16), No. 6(D19) 3종류의 이형철근을 사용하였으며, 각각 10개 시편의 인장강도 실험을 수행한 결과를 표 2에 정리하였다.
이론/모형
- ASTM C 234(1991)의 기준에 따라 인발실험을 수행하였다. 인발실험을 수행하기 위하여 그림 3과 같이 별도의 지그를 제작하였으며, 1,000kN 용량의 만능시험기(UTM)을 이용하여 1.
- 시험체는 ASTM C 234(1991)에서 제시된 규격에 의하여 제작되었다. 그림 1과 같이 150mm×150mm×150mm의 정방형 시험체를 사용하였으며 사각형의 중심에 길이 680mm 의 이형철근을 설치한 후에 콘크리트를 타설하였다.
- 압축강도 실험은 KS F 2405(2005)에 의하여 실험을 수행하였다. 공시체는 실린더형의 φ100×200mm의 크기의 몰드를 사용하였으며, 총 32개의 공시체를 제작하였다.
- 콘크리트의 부착강도의 제곱근에 비례한다는 기존 연구결과(ACI-408R, 2003; Orangun 등, 1977)를 토대로 하여 영향변수로는 #을 선정하였으며, 그림 14는 영향변수에 따른 부착응력의 상관관계를 나타내고 있다. 상관계수는 0.
성능/효과
- 1) 경량콘크리트의 묻힘길이에 대한 실험결과 묻힘길이가 증가할수록 평균 부착응력은 조금씩 감소하는 경향을 보인다. 묻힘길이가 적은 부분에서는 큰 차이를 보였지만 묻힘길이가 큰 부분에서는 적은 감소현상을 보였으므로, 감소현상은 일정한 비례에 의하여 이루어지는 것이 아니라고 판단할 수 있다.
- 2) 대체로 이형철근의 직경이 증가함에 따라 인발하중이 증가하는 경향을 보이고 있으나 부착응력의 뚜렷한 증감현상을 확인할 수 없었다. 이는 직경이 증가할수록 콘크리트와의 접촉 면적이 증가하여 인발하중은 증가 하지만 동일한 묻힘길이에서 이형철근의 직경은 부착 면적의 증/감에 미비한 영향을 주기 때문인 것으로 사료된다.
- 3) 보통콘크리트와의 비교하였을 때 묻힘길이가 40mm인 시험체 군에서는 부착응력이 약 18% 증가하는 현상을 보였으나 나머지 부분에서는 감소하는 현상을 보이고 있으며, 이는 같은 콘크리트 압축강도에서 경량골재의 강도가 적기 때문에 낮은 인장강도와 지지력으로 인하여 부착특성이 떨어진다는 연구결과에 부합하는 것을 알 수 있다.
- 4) 본 실험결과를 ACI-408R(2003), Orangun(1977) 및 Darwin(1992; 2000)의 연구결과에서 제시된 제안 식을 통한 계산값을 비교하였을 때, ACI-408R(2003)의 제안식은 다소 보수적인 결과를 보이고 있으며, 묻힘 길이에 따른 영향을 고려하지 않아 유효성이 떨어짐을 알 수 있었다. 또한 Orangun(1977) 및 Darwin (1992; 2000)의 제안식은 묻힘길이의 증감에 따라 모두 만족하지 못함을 알 수 있었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 콘크리트의 압축강도와 보강근의 직경만 고려한 ACI-408R (2003)의 제안식은 정확도가 상당히 떨어짐을 알 수 있다. Orangun(1977)의 식과 David Darwin(1992, 2000)의 식은 실험결과/계산값의 비가 1.12 및 1.09로 비교적 정확한 값을 예측하고 있으나 본 연구의 제안식은 실험결과/계산 값의 비가 1.03으로 1에 가장 근접한 결과를 보이고 있어 상당한 유효성을 가지고 있는 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 압축강도의 변화를 주기 위하여 경량콘크리트 배합 시 물/시멘트 비를 변수로 두었다. 물/시멘트비(50%, 40%, 25%)의 변화에 따른 콘크리트 압축강도는 각각 29.44MPa, 30.32MPa, 39.88MPa로 나타났다. 4종류의 묻힘 길이에 대해 콘크리트 압축강도에 따른 부착응력을 그림 11에 나타내었으며, 그림에서 볼 수 있듯이 콘크리트의 압축강도가 증가할수록 부착응력이 증가함을 알 수 있다.
- 본 실험에서 동일한 묻힘길이(150mm)에서 이형철근의 직경에 따른 부착 특성을 비교한 결과, 그림 9와 10에 나타난 것처럼 이형철근의 직경이 증가할수록 인발하중은 대체로 증가하는 경향을 보이고 있다. 그러나 이형철근의 직경이 증가함에 따라 부착응력의 뚜렷한 증감현상을 확인하기 어려움을 알 수 있다.
- 선행 실험된 고강도 경량콘크리트와 이형철근의 부착특성의 연구에 의하면 보강근의 경우 묻힘길이가 증가할수록 부착강도는 감소하는 경향을 보인다고 기술하였다(김현식 등, 1998). 본 실험에서 사용된 이형철근도 그림 8과 같이 묻힘 길이가 증가할수록 평균 부착강도는 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 묻힘길이가 길어질수록 이형철근과 콘크리트와 접하는 면적이 커지게 되며 인발하중이 증가하게 된다.
- 본 연구에서 유도된 부착응력 제안식을 ACI-408R(2003), Orangun(1977) 및 Darwin(1992; 2000)의 제안식과 비교 분석하였으며 표 5에서 알 수 있듯이 본 연구의 제안식은 평균 1.02 표준편차 0.25로 다른 연구자들의 제안식에 비하여 비교적 정확한 값을 예측하고 있다고 볼 수 있다.
- 철근의 종류, 묻힘길이, 콘크리트 양생기간을 변수로 하여 화산 경석으로 제조된 경량콘크리트의 부착특성을 알아보는 Hossain(2008)의 연구결과와 비교하였으며, 콘크리트의 압축강도, 피복두께, 및 부착길이를 변수로 하는 고강도 경량콘크리트의 부착특성을 알아보는 김현식(1998)의 연구결과와 비교하였다. 실험결과/계산값의 비가 0.99로 본 연구에서 도출해낸 실험결과의 비(1.03)보다 더 정확한 값을 나타내고 있으며, 그림 17에서 보는 바와 같이 결정계수는 0.89로 보다 큰 유효성을 보여주고 있음을 알 수 있다.
- 또한 Orangun(1977) 및 Darwin (1992; 2000)의 제안식은 묻힘길이의 증감에 따라 모두 만족하지 못함을 알 수 있었다. 이에 본 실험에서는 새로운 제안식을 도출하였으며, 이는 본 실험결과 및 기존 실험결과에 상당히 부합하는 결과를 나타내는 것으로 확인되었다.
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