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문제 정의
- 이 연구에서는 FRP sheet와 강섬유 보강 콘크리트의 충격하중에서의 거동을 평가하기 위해 1방향 휨 및 2방향 펀칭 파괴 실험을 실시하였다. FRP는 glass FRP sheet와 carbon FRP sheet를 사용하였고, 일반적인 강섬유 보강 콘크리트 이외에도 다량의 짧은 강섬유와 높은 분체량을 갖는 초고성능 콘크리트에 대해서도 시편을 제작하여 실험하였다.
- 이 연구에서는 강섬유와 FRP로 보강한 콘크리트의 저속 충격하중에서의 파괴 양상을 평가하기 위해 휨 및 펀칭 실험을 실시하였다. 이 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- FRP 부착 이후에 온도 20 ± 3oC 및 상대습도 50%의 항온항습실에서 14일간 추가로 기건양생을 한 이후에 실험을 하였다.
- 이 연구에서는 FRP sheet와 강섬유 보강 콘크리트의 충격하중에서의 거동을 평가하기 위해 1방향 휨 및 2방향 펀칭 파괴 실험을 실시하였다. FRP는 glass FRP sheet와 carbon FRP sheet를 사용하였고, 일반적인 강섬유 보강 콘크리트 이외에도 다량의 짧은 강섬유와 높은 분체량을 갖는 초고성능 콘크리트에 대해서도 시편을 제작하여 실험하였다.
- 7 m 높이에서 낙하시켜 부재의 중앙을 타격하였다. SFRC와 UHPC, 그리고 FRP로 보강된 콘크리트 시험체에 대해서는 낙하되는 추에 공기압을 추가로 가하여, 충격 속도를 높였다. 공기압을 가하지 않고 자유 낙하한 경우에는 충격 속도가 평균 4.
- 각 시험체는 1방향(unidirection)의 섬유 시트 2장을 Fig. 2와 같이 콘크리트 시편의 형태에 대해서 ±45o와 0/90o 두 방향으로 직교하여 에폭시 수지로 부착시켰다.
- 40 MPa급의 일반 콘크리트(NC)의 배합에서 굵은골재는 최대치수 13 mm의 부순 자갈을 사용하였고, 잔골재는 세척사이다. 소정의 워커빌리티를 획득하기 위해서 액상형 폴리카르본산계 고성능 감수제를 1% 혼입하였다. 강섬유 보강 콘크리트(SFRC)는 일반 콘크리트 배합과 동일하며, 0.
- 측정된 충격 속도와 하중을 통해서 충격 에너지가 환산된다. 실험 결과에서는 추의 운동에너지와 시험체의 관성에너지는 명확하게 구분되지 않기 때문에 하중-변형 곡선의 면적을 총 소산된 에너지로 환산하였다. 이 실험에서는 33.
- 압축강도는 φ 100 × 200 mm의 실린더 공시체를 제작하여 측정하였고, 휨인장강도는 100 × 100 × 400 mm의 각주형 공시체를 제작하여 4점 재하로 측정하였다.
- 4~5와 같이 강제 프레임을 볼트로 고정하였고, 정적하중 시험에서도 같은 조건을 유지하였다. 준-정적 하중의 재하는 UTM(universal testing machine)을 이용하여 0.01 mm/s의 속도로 하중을 재하하였다. 하중 재하 중에 부재의 중앙과 지간의 1/4의 위치에 LVDT(linear variable differential transducer)를 설치하여 변위를 측정하였다.
- 저속 충격하중 실험은 낙하식 충격 시험기(drop-weight impact testing machine)를 이용하여 실시하였고, 시험의 최대 용량은 약 800 J이다. 충격 하중은 낙하되는 추의 텁(tub)에 설치된 로드 셀을 통해 측정하였고, 추가 낙하할 때 속도계를 통해 추의 속도를 측정하였다. 텁의 직경은 25 mm이고, 타격부위는 반원구의 형태이다.
- 반면 섬유보강 콘크리트는 파괴 시에 소성힌지에서 큰 변형이 발생하며, 이 국부적인 부분에 보강된 FRP에 의해서 인성이 증가된다고 판단된다. 충격하중 실험에서는 시험체의 구속 정도와 텁에 접촉 되는 부위의 스폴링(spalling) 등으로 인해 초기 최대 하중 이후에 하중이 진동하는 모양으로 측정되었다. 이 연구의 전형적인 실험 결과는 Figs.
- 01 mm/s의 속도로 하중을 재하하였다. 하중 재하 중에 부재의 중앙과 지간의 1/4의 위치에 LVDT(linear variable differential transducer)를 설치하여 변위를 측정하였다.
대상 데이터
- 1방향 휨실험에서는 50 × 100 × 350 mm의 시편을 제작하였고, 2방향 펀칭 실험체는 50 × 350 × 350 mm의 정방형으로 제작하였다.
- 콘크리트의 배합표는 Tables 3 및 4와 같다. 40 MPa급의 일반 콘크리트(NC)의 배합에서 굵은골재는 최대치수 13 mm의 부순 자갈을 사용하였고, 잔골재는 세척사이다. 소정의 워커빌리티를 획득하기 위해서 액상형 폴리카르본산계 고성능 감수제를 1% 혼입하였다.
- SFRC와 UHPC에 사용된 강섬유는 Table 5에 정리된 것과 같다. SFRC에서는 길이 30 mm의 end-hooked 형태의 강섬유가 사용되었고, UHPC에서는 길이 13 mm의 straight 형태의 짧은 강섬유를 사용하였다.
- 소정의 워커빌리티를 획득하기 위해서 액상형 폴리카르본산계 고성능 감수제를 1% 혼입하였다. 강섬유 보강 콘크리트(SFRC)는 일반 콘크리트 배합과 동일하며, 0.75%의 혼입률로 긴 강섬유를 투입하였다.
- 초고성능 콘크리트(UHPC)는 한국건설기술연구원에서 개발한 압축강도 180 MPa 초고성능 콘크리트의 표준배합으로 제작되었다. 해당 배합에서는 시멘트와 실리카퓸 등 분체가 20%의 물결합재비(W/B)에 따라 사용되고, 굵은골재 없이 잔골재와 충전재가 사용된다.
- 이 실험의 변수는 Table 1에 정리된 것과 같다. 콘크리트는 일반 콘크리트(normal concrete, NC) 및 강섬유 보강 콘크리트(steel fiber reinforced concrete, SFRC), 초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete, UHPC)로 시편을 제작하였다. 시험체 제작에 사용된 FRP의 섬유와 레진은 Table 2와 같다.
성능/효과
- ±45o로 FRP 보강한 NC 시험체는 정적 하중에서 하중이 크게 증가하지 않았고, Fig. 6에서 보는 바와 같이 GFRP 보강 시험체에 비해 CFRP로 보강한 경우가 큰 처짐량에서 최대하중을 보였다.
- 1) 일반 콘크리트(NC)에 FRP를 보강한 경우 정적하중 휨 실험에서 최대 하중 및 최대 하중 시 처짐량이 크게 증가하였다. 섬유보강 콘크리트에 FRP를 보강하는 경우 최대 하중은 증가하지만 최대하중 이후에 FRP의 박리로 인해 강도가 크게 감소하는 경향을 보였다.
- 33배, 소산되는 에너지가 4~5배 이상 증가하였다. 1방향 시험체의 충격하중 실험에서는 SFRC가 NC에 비해 12%의 에너지 증가를 보인 반면 2방향 시험체에서는 217%의 에너지가 증가하였다. FRP보강 SFRC와 모든 UHPC 시험체는 1회의 타격으로 파괴되지 않고 2회의 타격에서 파괴되었다.
- 2) 충격하중 휨 실험에서 FRP로 보강한 NC와 강섬유 보강 콘크리트(SFRC) 시험체는 소산된 에너지가 2배 이상 증가하였다. 초고성능 콘크리트(UHPC) 시험체는 콘크리트 자체의 높은 강도와 인성으로 인해 CFRP로 보강한 경우 소산되는 에너지가 4~8% 정도 증가하였다.
- FRP보강 SFRC와 모든 UHPC 시험체는 1회의 타격으로 파괴되지 않고 2회의 타격에서 파괴되었다. 2회의 타격에서 소산된 에너지를 합산할 경우 SFRC에 CFRP를 보강할 때 2배 이상의 소산된 에너지를 보였다.
- 3) FRP로 보강한 2방향 NC 시험체는 정적하중에서 보강하지 않은 시험체에 비해 2.65~3.03배의 강도 증가를 보였다. 보강하지 않은 UHPC 실험체는 변형률 경화를 보이고, CFRP로 보강한 시험체는 최대 하중 이후에 하중이 감소하면서 변형률 연화를 나타내었다.
- 4) FRP로 보강한 2방향 NC 시험체는 충격하중에서 보강하지 않은 경우에 비해 최대 하중은 1.33배, 소산되는 에너지가 4~5배 이상 증가하였다. 2방향 SFRC 시험체에서 FRP의 보강은 충격하중에서 소산된 에너지가 약 2배로 증가하였다.
- FRP로 보강한 SFRC와 모든 UHPC 2방향 시험체는 2회의 타격에서 파괴되었고, UHPC 시험체는 2번째 타격 시에도 높은 저항성능을 보였다. FRP 또는 강섬유로 보강한 시험체는 쪼갬 파괴와 펀칭 파괴가 복합적으로 나타났고, FRP로 보강한 강섬유 보강 콘크리트는 뚜렷한 펀칭 파괴가 나타났다.
- FRP로 보강한 부재의 하부사진(bottom)은 실험 종료 후에 FRP를 강제로 탈락시켜 FRP(좌측)와 콘크리트 시편의 하부부분(우측)을 각각 나타낸 것이다. FRP 또는 강섬유로 보강한 시험체는 쪼갬 파괴와 펀칭 파괴가 복합적으로 나타났다. 강섬유 보강 콘크리트(SFRC-N)는 방사형의 쪼갬 균열이 발생하였다.
- 충격하중 실험의 결과는 Table 10과 같다. FRP로 보강한 NC 시험체는 충격하중에서 최대 하중은 1.33배, 소산되는 에너지가 4~5배 이상 증가하였다. 1방향 시험체의 충격하중 실험에서는 SFRC가 NC에 비해 12%의 에너지 증가를 보인 반면 2방향 시험체에서는 217%의 에너지가 증가하였다.
- 2방향 SFRC 시험체에서 FRP의 보강은 충격하중에서 소산된 에너지가 약 2배로 증가하였다. FRP로 보강한 SFRC와 모든 UHPC 2방향 시험체는 2회의 타격에서 파괴되었고, UHPC 시험체는 2번째 타격 시에도 높은 저항성능을 보였다. FRP 또는 강섬유로 보강한 시험체는 쪼갬 파괴와 펀칭 파괴가 복합적으로 나타났고, FRP로 보강한 강섬유 보강 콘크리트는 뚜렷한 펀칭 파괴가 나타났다.
- 1방향 시험체의 충격하중 실험에서는 SFRC가 NC에 비해 12%의 에너지 증가를 보인 반면 2방향 시험체에서는 217%의 에너지가 증가하였다. FRP보강 SFRC와 모든 UHPC 시험체는 1회의 타격으로 파괴되지 않고 2회의 타격에서 파괴되었다. 2회의 타격에서 소산된 에너지를 합산할 경우 SFRC에 CFRP를 보강할 때 2배 이상의 소산된 에너지를 보였다.
- SFRC-N은 Fig. 12와 같이 1방향에서와 마찬가지로 하중이 지속적으로 증가하는 형태를 보였고, CFRP로 보강하는 경우 최고 하중 이후에 변형률 연화 양상을 보였다. UHPC 실험체는 SFRC와 비슷하게 보강하지 않은 시편은 변형률 경화를 보이고, CFRP로 보강한 시험체 역시 1방향 시험체와 마찬가지로 최대 하중 이후에 FRP가 박리되면서 하중이 감소하면서 변형률 연화를 나타내었다.
- SFRC를 CFRP로 보강한 경우 최대 하중이 약 2배 정도 증가하였고, 처짐량이 6 mm 이후의 큰 변형에서는 보강하지 않은 경우와 비슷한 양상을 보였다. UHPC에 CFRP를 보강한 시험체는 최대 하중이 46% 정도 증가하였지만, 최대 하중 이후에 CFRP가 박리되면서 급격하게 하중이 감소하는 다소 취성적인 거동을 보였다.
- 8과 같다. 대상 시험체의 강도가 하중 에너지에 비해 약한 경우 시간-변위 관계는 선형에 가깝지만, 시험체의 강도가 커지면 최대 하중 시점 이후에 비선형성이 커지는 것으로 나타났다. 또한 충격하중 실험의 결과는 Table 8과 같다.
- 03배의 강도 증가를 보였다. 보강하지 않은 UHPC 실험체는 변형률 경화를 보이고, CFRP로 보강한 시험체는 최대 하중 이후에 하중이 감소하면서 변형률 연화를 나타내었다.
- 1) 일반 콘크리트(NC)에 FRP를 보강한 경우 정적하중 휨 실험에서 최대 하중 및 최대 하중 시 처짐량이 크게 증가하였다. 섬유보강 콘크리트에 FRP를 보강하는 경우 최대 하중은 증가하지만 최대하중 이후에 FRP의 박리로 인해 강도가 크게 감소하는 경향을 보였다.
- 정적하중 실험에서는 시험체의 길이 방향으로 FRP를 보강한 시험체(0/90 시리즈)가 ± 45o 시리즈 시험체보다 높은 강도를 보였으나 저속 충격하중에서는 다른 양상을 보였다.
- 즉 NC 시험체는 FRP가 부담하는 인장력이 주요하기 때문에 ± 45o 보강한 경우가 0/95o인 보강한 경우보다 소산되는 에너지가 다소 작게 나타났다.
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