[논문]숏크리트 강섬유 형상에 따른 인발 거동에 대한 연구

김상환; 김지태

doi:10.9711/ktaj.2011.13.1.071

[국내논문] 숏크리트 강섬유 형상에 따른 인발 거동에 대한 연구
A study on pull-out behaviours of shotcrete steel fibers according to different shapes 원문보기

한국터널지하공간학회논문집 = Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, v.13 no.1, 2011년, pp.71 - 82

초록
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본 논문에서는 강섬유 형상에 따른 인발력 거동에 대한 연구를 수행하였다. 최적의 강섬유 형상을 도출하기 위하여 매입 된 강섬유가 이루는 각도와 길이를 변화시켜가며 인발실험을 시행하였다. 또한 인발실험 결과를 모사하기 위해 수치 해석을 수행하였다. 그 결과 강섬유 형상에 있어서 hook 각도와 설치각도 클수록 인발력이 뛰어나며, 특히 강섬유의 길이가 짧아짐에 따라 인발력도 뛰어난 것으로 판단되어졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the tensile strength of shotcrete steel fibers depending on the shape of steel fiber. The experimental and numerical analyses are performed in this study. In experimental study, a series of laboratory pullout tests are carried out by changing both the angle and the length of the embedded steel fiber according to the corresponding type of steel fiber in order to derive the optimal type of steel fiber. Results obtained from the experimental work are evaluated and compared with the numerical analysis results. The results clearly show that the pull-out strength of the steel fiber are increased with increasing the hook angle and embedded angle of steel fiber. It is also found that the pull-out strength of the steel fiber is larger in case of the short steel fiber body length.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 국내의 강섬유에 대한 연구는 강섬유 혼입률, 실리카흄 혼입율과 강섬유보강 숏크리트의 휨인성등에 국한되어 있고 강섬유의 인발 거동에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 새로운 형태의 강섬유를 제작하고 강섬유의 인발실험을 통하여 새로운 형태의 강섬유 보강 숏크리트를 개발하고자 하였으며 수치해석을 통한 해석을 동시에 수행하였다.
본 실험은 강섬유 형상이 인발력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 각각의 형상에서 실시한 기본 거동실험이다. 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 강섬유는 hook ends타입으로 숏크리트에 강섬유를 혼입하여 사용하고 있다.
본 연구에서는 강섬유의 인발시험을 통해서 기존의 hook ends형 강섬유와 hook각도와 강섬유 body 길이를 변화시킨 새로운 형상을 갖는 강섬유의 거동을 비교 분석하였다. 분석결과 실내시험과 수치해석에서 강섬유의 hook각도와 body 길이에 따라 기본적으로 동일한 양상을 보이나 인발력 거동이 서로 다르다는 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 새로운 형태의 강섬유를 개발하기 위한 기초적 시험으로 새로운 형태의 강섬유를 제작하고 강섬유의 강섬유용 특수인발시험을 실시하였다. 또한 기존의 강섬유와 개발된 강섬유를 수치해석을 통하여 비교분석하였으며 이로부터 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.

제안 방법

강섬유 인발시험에 사용한 시험장비는 인발속도를 제어할 수 있는 특수한 강섬유 인발시험장치를 제작하였다. 인발센서와 LVDT를 장착하여 강섬유 형상과 인발 깊이에 따른 인발력과 변위를 측정할 수 있도록 하고 데이터를 저장할 수 있는 프로그램을 제작하여 컴퓨터에서 시험장비 작동 및 측정값을 확인할 수 있게 하였다.
강섬유 형상에 따라 인발깊이를 25 mm로 하였으며 강섬유의 embedded 각도는 0°와 45°로 하여 실내 인발 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 강섬유를 개발하기 위한 기초적 시험으로 새로운 형태의 강섬유를 제작하고 강섬유의 강섬유용 특수인발시험을 실시하였다. 또한 기존의 강섬유와 개발된 강섬유를 수치해석을 통하여 비교분석하였으며 이로부터 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.
본 시험에서는 hook ends타입 강섬유와 hook를 이루는 각도와 강섬유 body길이에 따라 인발 시험을 실시하였으며 그림 4는 강섬유의 embedded 각도(인발각도)를 0°로 하고 각 형상별로 나타나는 변위에 따른 인발력 시험을 한 결과를 나타낸 그래프이며 그림 4(d)는 인발력에 따른 최대 인발력을 나타낸 것이다.
또한 선행 연구자들에 의해 강섬유 혼입률, 강섬유 숏크리트의 휨인성과 압축강도, 혼입제 등에 대한 많은 연구가 이루어 졌다. 본 실험에서는 hook ends타입 강섬유에서 hook각도와 강섬유 body길이, 그리고 embedded 각도 등을 변화시켜가며 기본적인 거동실험을 실시하였다.
시험체를 만들기 위해 석고, 물, 표준사를 배합하여 강섬유를 고정 시켰으며 강섬유의 길이는 50 mm로 하였다. 강섬유 형상에 따라 인발깊이를 25 mm로 하였으며 강섬유의 embedded 각도는 0°와 45°로 하여 실내 인발 시험을 실시하였다.
시험체를 얻기 위해 ∅ 50 mm × 50 mm의 거푸집을 제작하여 성형하였으며, 진동기에 1분 가량 진동다짐하여 실험체를 제작하였다.
컴퓨터에서 인발속도를 10 mm/min으로 설정하였다. 이후 장비를 작동시켜 인발시험을 실시하여 얻은 시험값을 정리하여 강섬유의 형상, 각도 변화에 따른 인발력과 비교 분석하였다.
강섬유 인발시험에 사용한 시험장비는 인발속도를 제어할 수 있는 특수한 강섬유 인발시험장치를 제작하였다. 인발센서와 LVDT를 장착하여 강섬유 형상과 인발 깊이에 따른 인발력과 변위를 측정할 수 있도록 하고 데이터를 저장할 수 있는 프로그램을 제작하여 컴퓨터에서 시험장비 작동 및 측정값을 확인할 수 있게 하였다.

대상 데이터

시험에 사용된 강섬유는 hook ends타입에 변형을 주어 hook 각도(15°, 30°, 45°, 60°, 75°)와 강섬유 body길이(36 mm, 24 mm, 12 mm)에 변화를 주어 제작하였으며 형상은 그림 1과 같다.
시험체를 얻기 위해 ∅ 50 mm × 50 mm의 거푸집을 제작하여 성형하였으며, 진동기에 1분 가량 진동다짐하여 실험체를 제작하였다. 실험체는 석고(2): 물(1): 표준사(1)의 배합비로 제작하였다. 실험에 사용되어진 강섬유는 국내 현장에서 사용되어지고 있는 제품으로 강섬유의 역학적 성질은 표 1과 같다.

데이터처리

본 수치해석은 실험에서 얻은 결과를 검증하기 위하여 유한요소 해석프로그램인 Visual FEA를 사용하여 비교 분석하였다.

이론/모형

본 해석은 모형실험과 동일한 조건을 적용하였으며 지반은 탄소성거동을 나타내는 Mohr-Coulomb Model을 적용하였다. 또한 숏크리트의 물성치를 적용하였고 강섬유의 물성치는 표 3과 같다.

성능/효과

(a)는 강섬유 body의 길이가 12 mm일 때 강섬유형상변화에 따른 인발응력을 비교한 그래프로 형상의 각도가 75°일 때 경우 최대 인발응력을 나타냈으며 형상의 각도가 60°일 때 인발응력은 약 5.6% 감소하였다.
(a)는 강섬유 body의 길이가 12 mm일 때 강섬유형상에 따라 인발력을 비교한 그래프로 형상의 각도가 75°일 때 경우 최대 인발력을 나타냈으며 형상의 각도가 60°일 때 인발력은 약 16% 감소하였다.
(a)는 강섬유 body의 길이가 12 mm일 때 강섬유형상에 따라 인발력을 비교한 그래프로 형상의 각도가 75°일 때 최대 인발력을 나타냈으며 형상의 각도가 60°일 때 인발력은 약 16% 감소하였다.
(a)는 인발각도(45°)와 강섬유 body 길이가 12 mm일 때 나타난 결과로 강섬유형상 각도가 75°일 때 최대 인발응력을 나타냈으며 인발각도가 0°일 때 보다 약 14% 증가하였다.
(b)는 강섬유 body의 길이가 24 mm일 때의 강섬유형상변화에 따른 인발응력을 비교한 그래프로 강섬유형상의 각도가 75°일 때 최대 인발응력을 나타냈으며 형상의 각도가 60°일 때 약 6% 감소하였다.
(b)는 강섬유 body의 길이가 24 mm일 때의 강섬유형상에 따라 인발력을 비교한 그래프로 강섬유형상의 각도가 75°일 때 최대 인발력을 나타냈으며 형상의 각도가 60°일 때 약 20% 감소하였다.
(b)는 강섬유 body의 길이가 24 mm일 때의 강섬유형상에 따라 인발력을 비교한 그래프로 강섬유형상의 각도가 75°일 때 최대 인발력을 나타냈으며 형상의 각도가 60°일 때 약 6% 감소하였다.
(d)는 강섬유 형상별 최대 인발응력을 나타낸 결과로 강섬유 body의 길이가 12 mm일 때 보다 24 mm이고 형상을 이루는 각이 75°의 경우 약 21%, 60°의 경우 약 26%, 45°의 경우 27%, 30°의 경우 28%, 15°의 경우 35% 감소하였다.
1. 인발시험을 통하여 기존의 hook ends형 강섬유와 hook각도를 변화시켜 인발력을 분석한 결과, 이루는 각이 75°일 경우 가장 큰 인발력을 나타났으며 수치해석에서도 가장 큰 인발력을나타냈다.
2. 강섬유의 embedded각 즉, 인발각도(0, 45°)에 따른 인발실험을 실시한 결과 인발각도(0°)에서 hook각도가 75°이고 강섬유 Body의 길이가 12 mm일 때 가장 큰 인발력을 나타냈으며 또한 시험과 수치해석결과에 따른 강섬유의 거동도 유사하게 나타났다.
인발시험을 통하여 기존의 hook ends형 강섬유와 hook각도를 변화시켜 인발력을 분석한 결과, 이루는 각이 75°일 경우 가장 큰 인발력을 나타났으며 수치해석에서도 가장 큰 인발력을나타냈다. 또한 hook ends형 강섬유 body의 길이를 변화시켜 인발실험을 실시한 결과 기존의 36 mm보다 12 mm에서 큰 인발력을 나타냈으며 수치해석에서도 같은 결과를 나타났다.
또한 강섬유 body의 길이가 24 mm일 때보다 강섬유 body가 36 mm이고 강섬유를 이루는 각이 75°일 때 약 17% 감소하였으나 60°, 45°, 30°, 15°의 경우는 최대인발응력은 감소율이 미미하게 나타났다.
또한 강섬유 body의 길이가 24 mm일 때보다 강섬유 body가 36 mm이고 강섬유를 이루는 각이 75°일 때 약 17% 감소하였으나 60°, 45,° 30°, 15°의 경우는 최대인발응력은 감소율이 미미하게 나타났다.
그림 9(d)는 강섬유 형상별 최대 인발응력을 나타낸 그래프로 강섬유 body의 길이가 12 mm일 때 보다 강섬유 body가 24 mm이고 형상을 이루는 각이 75°의 경우 약 12% 감소하였으며 60°, 45°, 30°, 15°의 경우 최대인발응력은 감소율이 미미하게 나타났다. 또한 강섬유 body의 길이가 24 mm일 때보다 강섬유 body가 36 mm일 때 모든 형상에서 최대인발력은 감소하였으나 감소율은 미미하게 나타났다.
본 연구에서는 강섬유의 인발시험을 통해서 기존의 hook ends형 강섬유와 hook각도와 강섬유 body 길이를 변화시킨 새로운 형상을 갖는 강섬유의 거동을 비교 분석하였다. 분석결과 실내시험과 수치해석에서 강섬유의 hook각도와 body 길이에 따라 기본적으로 동일한 양상을 보이나 인발력 거동이 서로 다르다는 것을 확인 할 수 있었다. 추후 이 실험 결과를 바탕으로 휨실험, 압축강도 실험 등을 실시하고 국내 현장상황에 맞는 강섬유 형상을 도출하는 연구가 필요할 것으로 판단되어 진다.
형상의 각도가 75°보다 60°일 때 인발응력은 약 6% 감소하였으며 또한 45°의 경우 약 20%, 30°의 경우 약 23%, 15°의 경우 약 25% 인발응력이 감소하였다.

후속연구

분석결과 실내시험과 수치해석에서 강섬유의 hook각도와 body 길이에 따라 기본적으로 동일한 양상을 보이나 인발력 거동이 서로 다르다는 것을 확인 할 수 있었다. 추후 이 실험 결과를 바탕으로 휨실험, 압축강도 실험 등을 실시하고 국내 현장상황에 맞는 강섬유 형상을 도출하는 연구가 필요할 것으로 판단되어 진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NATM공법이란?	국내에서 이루어지는 터널시공의 주요 공법으로 NATM공법이 많이 채택되어 이용되고 있다. NATM공법은 원지반의 강도를 유지하고 보강하는 수단으로 록볼트, 숏크리트, 지보재를 이용하여 굴착 후 지반의 변위를 최소한으로 허용하면서 지반의 강도를 유지한 상태에서 지반과 지보재의 평형을 이루는 것으로 터널의 안전성을 유지시키는 공법이다.
	숏크리트의 역할은?	이중 숏크리트는 별도의 거푸집이 필요 없이 숏크리트 장비를 사용하여 굴착된 원지반에 공기압으로 뿜어 붙이는 콘크리트로서 지반의 이완를 방지하고 원지반의 강도를 유지하여 콘크리트 아치로서 하중을 분담하는 역할을 하게 된다. 과거에는 와이어메시를 이용한 숏크리트가 주로 사용되었으나 1995년 이후 국내 고속도로 터널현장에 강섬유 보강 숏크리트가 적용되었다.
	여러 가지 형태로 변형시킨 강섬유의 형상은 어떤 것이 있는가?	강섬유의 형상에 있어서는 단순한 직선형보다 뽑힘 저항능력을 크게 할 수 있도록 여러 가지 형태로 변형시킨 것이 주로 사용된다. 여기에는 강섬유의 양단을 구부린 형태 또는 길이 전체에 걸쳐 주름형으로 변형을 시킨 것 그리고 강섬유 양단을 약간 확장시킨 형태 등이 적용된다.

참고문헌 (6)

손영현, 박우진(1998), "강섬유보강 숏크리트의 역학적 특성 및 경제성 평가", 한국안전학회지, 제13권 제2호, pp. 122-129.
백신원, 김동백(1996), "강섬유보강 숏크리트에 관한 실험적 연구", 대한토목학회논문집, Vol. 16, No. 1-3, pp. 217-226.
Chanvillard, G., Aitcint, P. C. (1996), "Pull-out behavior of corrugated steel fibers", Advanced Cement Based Materials, Vol. 4, pp. 28-41.

상세보기
Hadjis, N., Piggott, M. R. (1997), "The effect of matrix stresses on fibre pull-out forces", Journal of Materials Science, Vol. 24, pp. 358-364.
Marchese, B., Marchese, G. (1993), "Fibre pullout-microstructural relationships for cementitious mortars", Journal of Materials Science, Vol. 12, pp. 1592-1595.
Robins, P., Austin, S., Jones, P. (2001), "Pull-out behaviour of hooked steel fibres", Materials and Structures, Vol. 35, pp. 434-442.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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