[논문]횡방향 판재에 의한 횡구속 효과 및 철근콘크리트 기둥에서 고강도 철근의 사용성 검토

조영재; 김진근

doi:10.4334/jkci.2012.24.6.643

횡방향 판재에 의한 횡구속 효과 및 철근콘크리트 기둥에서 고강도 철근의 사용성 검토
Confinement Effect by Plate Type Lateral Reinforcement and Investigation of the Possibility for Use of High Strength Steel Bars in Reinforced Concrete Columns 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.6, 2012년, pp.643 - 650

조영재 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) , 김진근 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과)

초록
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콘크리트구조설계기준에서는 철근콘크리트 기둥에서 주철근의 설계기준항복강도를 550 MPa 이하로 규정하고 있다. 이는 철근콘크리트 기둥에 주철근으로 고강도 철근(high-strength concrete)을 사용할 때 콘크리트가 압축강도에 도달하여도 주철근이 항복변형률에 도달하지 않아 고강도 철근을 효율적으로 사용할 수 없기 때문이다. 철근의 설계기준항복강도 제한의 문제점을 해결하기 위한 방법으로는 횡구속력(confinement effect)을 가해주는 방법과 콘크리트의 파괴변형률(peak strain)을 증진시켜주는 방법이 있다. 횡구속을 효과적으로 가하는 방법으로서 원형 단면의 철근보다는 판재를 사용하는 것이 바람직하다. 이 연구에서는 가공이 용이한 판재로서 탄소섬유판을 철근콘크리트 기둥에서 횡구속효과를 위한 구조재료로 사용하였을 경우 보강되지 않은 경우보다 증진된 압축강도 및 축압축 파괴변형률을 보였으며, 콘크리트 단면 형상이 원형에 가까울수록, 횡구속 형태가 원형에 가까울수록 횡구속 효과는 더욱 커졌다. 최종적으로 실험 결과를 토대로 철근콘크리트 기둥에서 탄소섬유판에 의한 횡구속 효과와 함께 고강도 철근의 적용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The limitation of the yield strength in reinforced concrete columns is given for the effective use of high-strength steel bar, because very high-strength steel bar does not yield while concrete fails in compression. In order to overcome this limitation, it is required to increase peak strain of the concrete. The objective of this study is to examine the confinement effect of plate type lateral reinforcement in reinforced concrete columns. From this experimental study, the reinforced concrete columns confined by plate type carbon fiber sheets showed higher compressive strength and peak concrete strain comparing to the unconfined columns. The confinement effect is higher when cross-sectional type is a circular one than a square one. Moreover, the confinement effect was also higher for circular type confinement. Based on this study, high-strength steel bars with strength exceeding 800 MPa can be effectively used for reinforced concrete columns confined by plate type lateral reinforcements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실험을 통하여 탄소섬유판을 횡구속 재료로 사용할 경우 철근콘크리트 기둥에 작용하는 횡구속 효과를 검토하고 이 연구에서 제시된 철근의 설계기준항복강도 제한의 해결 방안 및 고강도 철근의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 또한 단면 형상 및 횡구속 형태에 따른 횡구속 효과를 비교하여 최적의 탄소섬유판 횡구속 형태를 검토하고자 한다.
실험을 통하여 탄소섬유판을 횡구속 재료로 사용할 경우 철근콘크리트 기둥에 작용하는 횡구속 효과를 검토하고 이 연구에서 제시된 철근의 설계기준항복강도 제한의 해결 방안 및 고강도 철근의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 또한 단면 형상 및 횡구속 형태에 따른 횡구속 효과를 비교하여 최적의 탄소섬유판 횡구속 형태를 검토하고자 한다.
이 연구에서는 철근의 설계기준항복강도 제한을 해결할 수 있는 방안을 모색하고 고강도 철근의 적용 가능성을 확인하고자 한다. 이를 위하여 실험을 통해 탄소섬유쉬트를 횡방향 판재로서 철근콘크리트 기둥의 횡구속을 위한 구조 재료로 사용하였을 때 횡구속 효과를 검토하고, 철근콘크리트 기둥의 단면 형상 및 횡구속 형태가 횡구속 효과에 미치는 영향을 비교하여 최적의 횡구속 효과를 실험적으로 검토하고자 한다.
횡보강 판재로서 강재 또는 탄소섬유판 등을 사용할 수 있으나, 이 연구의 주된 목적은 횡보강 철근 대신에 판재를 사용할 때의 횡구속 효과 증진에 대한 연구이므로 강재보다 가공이 쉬운 탄소섬유판을 횡보강재로 선택하였다.

가설 설정

실험 결과를 2.1절의 식 (1) (Acfcon ≥ Agfcu)에 적용하였을 때, 단면 크기가 커질수록 전체 단면에 대한 피복 콘크리트 단면의 비율은 작아질 것이며, 횡구속된 심부 콘크리트 단면의 축압축강도는 횡구속되지 않은 전체 콘크리트 단면의 축압축강도보다 커질 것이다.

제안 방법

수중양생 후에 상 · 하면 요철 제거 및 탄소섬유판이 부착될 표면부 그라인딩 등의 작업 시간과 탄소섬유판의 에폭시 함침을 위한 표면 건조시간을 포함하여 총 7일 동안 건조시켰다. 그리고 탄소섬유판의 에폭시 함침 시공 후 경화를 위해 7일 동안 추가적으로 건조시켰다. 최종적으로 압축강도 및 변형률 측정은 타설 42일 후에 실시하였다.
무보강 실험체의 횡방향 변형률은 실험체 중앙부터 위 쪽으로 거리를 나타내는 z=0 위치에서 측정하였으며, 외부 및 내부 · 외부 횡구속된 실험체의 횡방향 변형률은 z=0, z=37.5 mm 위치에서 측정하였다.
변형률 측정을 위하여 실험체 크기에 적합한 정사각형 컴프레소미터(compressometer)와 원형 컴프레소미터를 별도 제작하였다. 정사각형 실험체와 정팔각형 실험체는 정사각형 컴프레소미터를 사용하였으며, 육각형 실험체와 원형 실험체는 원형 컴프레소미터를 사용하였다.
사각형 단면만을 고려했을 때 내부 횡구속 형태에 따른 횡구속 효과를 비교하기 위하여 내부 · 외부 횡구속된 전체 실험체에 대한 압축강도와 축압축 파괴변형률을 측정하였으며 평균 응력-변형률 곡선을 구하여 Fig. 7에 나타내었다.
수중양생 후에 상 · 하면 요철 제거 및 탄소섬유판이 부착될 표면부 그라인딩 등의 작업 시간과 탄소섬유판의 에폭시 함침을 위한 표면 건조시간을 포함하여 총 7일 동안 건조시켰다.
실험체는 횡구속하지 않은 실험군, 외부만 횡구속한 실험군, 내부와 외부를 동시에 횡구속한 복합 단면 실험군으로 분류하고 각 실험체의 이름을 지정하였다.
압축강도 측정은 최대 용량 2.5 MN의 만능재료시험기를 사용하였으며, 0.02 mm/s의 속도로 변위 제어를 실시하였다.
외부 보강 및 내부 보강을 할 때 각 실험체마다 총 3개의 탄소섬유판을 보강하였으며 실험체 중앙 부분에 1개의 띠를 설치하고 실험체 중앙에서 위 · 아래 쪽으로 75 mm 이격되도록 각각 나머지 2개의 띠 중심을 위치시켰다.
외부 횡구속 실험체도 무보강 실험체에서 보인 바와 같이 각 실험체의 압축강도와 파괴변형률을 측정하였으며, 2개 실험체에 대한 평균 응력-변형률 곡선을 구하여 Fig. 6에 나타내었다.
이 연구에서는 철근의 설계기준항복강도 제한을 해결할 수 있는 방안을 모색하고 고강도 철근의 적용 가능성을 확인하고자 한다. 이를 위하여 실험을 통해 탄소섬유쉬트를 횡방향 판재로서 철근콘크리트 기둥의 횡구속을 위한 구조 재료로 사용하였을 때 횡구속 효과를 검토하고, 철근콘크리트 기둥의 단면 형상 및 횡구속 형태가 횡구속 효과에 미치는 영향을 비교하여 최적의 횡구속 효과를 실험적으로 검토하고자 한다.
5 mm 지점은 탄소섬유판에 의한 횡구속 영향이 가장 작은 지점이다. 정사각형 실험체와 정팔각형 실험체는 균등하게 이격된 4개 지점의 횡방향 변형률을 측정하여 평균값을 구하였으며, 정육각형 실험체와 원형 실험체는 균등하게 이격된 3개 지점의 횡방향 변형률을 측정하여 평균값을 구하였다.
정사각형 실험체와 정팔각형 실험체는 정사각형 컴프레소미터를 사용하였으며, 육각형 실험체와 원형 실험체는 원형 컴프레소미터를 사용하였다. 정사각형 컴프레소미터는 양 쪽 맞은 편에, 원형 컴프레소미터는 균등히 이격된 3개 지점에 종방향 LVDT를 설치할 수 있도록 제작하였다.
정사각형, 정육각형, 정팔각형 실험체의 몰드는 두께 18 mm의 소나무 집성목을 이용하여 제작하였으며 목재용 코팅제를 사용하여 내부 면을 방수처리한 후 실리콘을 사용하여 모서리 부분의 미세한 틈새를 퍼팅(putting)하였다.
철근의 설계기준항복강도 제한의 해결 방안을 모색하고, 탄소섬유판과 같은 횡구속 판재에 의한 횡구속 효과를 통해서 고강도 철근의 적용 가능성을 확인하였다. 탄소섬유판에 의한 횡구속 효과는 횡구속재의 보강 폭이 넓어질 수록 효율성은 더욱 커질 것이며 횡구속량이 많을수록, 횡구속 간격이 작을수록 횡구속 효과는 더욱 커질 것이나 이 연구를 통해서 얻은 최종적인 결론은 다음과 같다.
그리고 탄소섬유판의 에폭시 함침 시공 후 경화를 위해 7일 동안 추가적으로 건조시켰다. 최종적으로 압축강도 및 변형률 측정은 타설 42일 후에 실시하였다.
5 kN과 유사하다. 탄소섬유판은 3겹을 이루기 위해 필요한 각 단면 둘레의 3배 길이보다 100 mm를 추가로 정착길이를 확보하였으며, 실험체 보강을 실시할 때이 정착 부분의 위치는 방향성이 없도록 균등히 분산시켰다.

대상 데이터

탄소섬유판으로 횡구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계를 고찰하면서 단면 형상에 따른 횡구속 효과와 횡구속 형태에 따른 횡구속 효과를 비교하기 위해 Fig. 2(a), (b), (c)와 같이 모든 실험체의 단면적이 22500 mm²으로 동일하고 높이가 450 mm인 정사각형, 정육각형, 정팔각형, 원형 단면의 실험체를 제작하였다.
2(c)에 나타낸 것과 같이 사각형 단면에 대해서 내부 보강과 외부 보강을 모두 실시한 단면으로 횡구속 형태에 따른 횡구속 효과를 비교하기 위한 것이다. 내부 횡구속 형태는 정사각형, 육각형, 정팔각형, 원형이며 동일한 실험체는 모두 2개씩 제작하였고 실험 결과를 비교할 때에는 2개 실험체에 대한 평균값을 사용하였다.
단면 형상과 횡구속 형태에 따른 횡구속 효과를 비교하기 위하여 실험체 단면은 실제 구조물에 주로 사용되는 횡구속 형태로 선정하였다.
실험체는 Table 1과 같이 물-시멘트비 0.40, 배합강도 45 MPa인 콘크리트 배합을 사용하였다.
원형 몰드는 내경 170 mm의 아크릴 관을 이용하여 제작하였으며 다른 몰드와 마찬가지로 실리콘을 사용하여 몰드 개구부의 미세한 틈새를 퍼팅하였다. 각 몰드는 실험체 마다 2개씩 제작하였으며 몰드의 형태는 Fig.
2(b)에 나타낸 것과 같이 단면 형상에 따른 횡구속 효과를 비교하기 위한 것이다. 정사각형 단면(S4S4)의 한 변의 길이는 150 mm이며, 정육각형 단면(S6S6)은 93 mm, 정팔각형 단면(S8S8)은 68 mm이고, 원형 단면(S0S0)의 지름은 170 mm이다.
변형률 측정을 위하여 실험체 크기에 적합한 정사각형 컴프레소미터(compressometer)와 원형 컴프레소미터를 별도 제작하였다. 정사각형 실험체와 정팔각형 실험체는 정사각형 컴프레소미터를 사용하였으며, 육각형 실험체와 원형 실험체는 원형 컴프레소미터를 사용하였다. 정사각형 컴프레소미터는 양 쪽 맞은 편에, 원형 컴프레소미터는 균등히 이격된 3개 지점에 종방향 LVDT를 설치할 수 있도록 제작하였다.
탄소섬유판은 S사에서 제공하는 설계인장강도 3550 MPa에 해당하는 두께 0.111 mm의 N200 제품을 사용하였으며, 폭이 24 mm가 되도록 하여 3겹으로 이루어진 판 형태로 제작하였다. 이 탄소섬유판의 최대 인장력은 28.
횡방향 변형률은 K사에서 제공하는 62 mm 길이의 변형률 게이지(strain gauge)를 사용하였다. 무보강 실험체의 횡방향 변형률은 실험체 중앙부터 위 쪽으로 거리를 나타내는 z=0 위치에서 측정하였으며, 외부 및 내부 · 외부 횡구속된 실험체의 횡방향 변형률은 z=0, z=37.

성능/효과

1) 탄소섬유판과 같은 횡방향 판재를 철근콘크리트 기둥에서 횡구속 재료로 사용하였을 때 단면 형태와 보강량에 따라 다르지만 횡구속 효과로 인하여 무 보강 단면보다 압축강도는 최대 41.1% 증가했고 축 압축 파괴변형률은 최대 58.5% 증진되었으며 이는 횡방향 판재에 의한 횡구속 효과가 효율적으로 나타난 것으로 판단된다.
2) 횡방향 판재를 이용하여 철근콘크리트 기둥을 횡구속할 때 콘크리트의 단면 형태가 사각형에서 원형으로 갈수록 또는 횡구속 형태가 사각형에서 원형으로 갈수록 콘크리트의 압축강도와 축압축 파괴변형률 증진율이 커졌으며, 이는 원형 단면 또는 원형 횡구속 형태의 경우 사각형보다 더욱 효율적인 횡구속 효과가 발생하는 것으로 판단된다.
3) 실험 결과를 바탕으로 고강도 철근의 적용성을 검토해 보았을 때 탄소섬유판과 같은 횡방향 판재를 실제 구조물에서 주로 사용되는 S4R8의 횡구속 형태로 적용하였을 경우 최대 800 MPa까지 항복강도의 고강도 철근도 사용 가능할 것으로 판단된다.
각 실험체의 응력-변형률 곡선 결과를 보았을 때, 탄소섬유판은 효율적인 횡구속 효과를 나타냈으며 단면 형태가 원형에 가까울수록, 횡구속 형태가 원형에 가까울수록 더욱 효율적인 횡구속 효과가 나타났다.
내부 · 외부 횡구속 실험 결과는 단면 내부의 횡구속 형태에 따라서도 횡구속 효과가 크게 달라지는 것으로 나타났으며, 외부 보강과 마찬가지로 내부 횡구속 형태가 사각형에서 원형으로 될수록 횡구속 효과가 증가하는 것으로 나타났다.
또한 내부 · 외부 횡구속 실험체의 경우 각 실험체의 횡구속 형상은 포아송 비에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
무보강 실험체와 내부 · 외부 횡구속 실험체의 결과 비교를 통해 압축강도는 41.1%, 축압축 파괴변형률은 58.5%까지 증가하는 것으로 나타났다.
무보강 실험체와 외부 횡구속 실험체의 결과에 의하면 무보강 단면을 사용할 때나 외부 횡구속 단면을 사용할 경우, 예상한 바와 같이 원형 단면 및 원형 횡구속 형태인 S0, S0S0실험체가 압축내력이나 연성 거동에 가장 유리한 것으로 나타났다.
외부 횡구속 실험체에서 단면 형상에 따른 횡구속 효과를 고려했을 때 사각형에서 원형 단면으로 갈수록 무보강 실험체에 대한 외부 횡구속 실험체의 압축강도 증가량은 커졌으나 축압축 파괴변형률 증가량은 작아졌다.

후속연구

또한 매우 가볍고 유연성을 가진 형태로 공급되기 때문에 복잡한 형상을 갖는 부재에 쉽게 적용할 수 있으며, 가공이 쉬워 원하는 형태로 구조물을 보강할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 탄소섬유쉬트를 횡방향 판재로 사용할 경우 기존의 보강재에 비하여 더욱 효율적인 횡구속 효과를 나타낼 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조재료의 성능 향상을 위한 연구는 무엇이 있는가?	대형 고층구조물이 건설됨에 따라 구조재료의 성능 향상이 요구되고 있다. 이에 고강도 콘크리트, 고강도 철근과 같은 고강도 재료를 구조물에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.1,2)
	철근콘크리트 기둥에서 주철근으로 고강도 철근을 사용할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방법은 무엇이 있는가	철근콘크리트 기둥에서 주철근으로 고강도 철근을 사용할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방법으로 Fig. 1(a)에 나타낸 것과 같이 횡구속 재료를 사용하여 심부 콘크리트에 횡구속 압력을 가해주는 방법과 Fig. 1(b)에 나타낸 것과 같이 축압축 파괴가 일어날 때 콘크리트의 축압축 파괴변형률(peak strain)을 증진시켜 주는 방법이 있다.
	철근콘크리트 기둥에 횡구속 철근을 사용하면 어떻게 되는가?	현재 철근콘크리트 기둥에 주로 사용하는 횡구속 방법으로 나선철근이 사용되고 있다. 철근콘크리트 기둥에 횡구속 철근을 사용할 경우 콘크리트는 횡구속 효과로 3축 압축을 받아 콘크리트의 축압축 파괴변형률이 증가하여 기둥 부재의 연성 능력이 증진된다.4,5) 또한 횡구속 철근의 종류에 따라 횡구속 효과는 달라지게 되며,6) 철근의 간격 및 배근 방법에 따라서도 횡구속 효과는 차이가 발생한다. Saatcioglu7)와 Cusson8)은 철근콘크리트 기둥에서 횡구속 철근의 간격 및 배근 방법에 따라 횡구속 효과의 차이가 크게 나타나는 것을 보여주었다.

참고문헌 (10)

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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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