[논문]전기로 산화슬래그 골재를 사용한 RC 보의 전단 성능에 관한 실험적 연구

이용준; 정찬유; 이범식; 김상우; 김길희

doi:10.11112/jksmi.2012.16.5.040

전기로 산화슬래그 골재를 사용한 RC 보의 전단 성능에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Shear Performance of RC Beams with Electric Arc Furnace Oxidizing Slag Aggregates 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.16 no.5, 2012년, pp.40 - 48

이용준 (공주대학교 건축공학과) , 정찬유 (공주대학교 건축공학과) , 이범식 (LH공사 토지주택연구원) , 김상우 (공주대학교 건축공학과) , 김길희 (공주대학교 건축공학과)

초록
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이 연구에서는 철강 공정에서 발생되는 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단 성능을 평가하였다. 이를 위하여 총 6개의 단순지지형 실험체를 제작하여 전단실험을 수행하였다. 주요 실험변수는 골재의 종류와 전단철근의 유무로 하였다. 실험체는 전단경간비가 2.5, 폭 200mm, 유효깊이가 300mm인 직사각형 단면으로 4점가력을 받도록 계획하였다. 기존 강도식을 사용하여 실험체의 전단강도를 예측하였으며, 전단해석모델을 사용한 유한요소해석을 수행하여 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 실험체의 전단거동을 예측하였다. 실험결과로부터, 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 실험체의 전단 성능은 천연골재를 사용한 실험체와 서로 유사한 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluates the shear performance of reinforced concrete beams with electric arc furnace oxidizing slag aggregates generated from iron manufacture. A total of six simple supported specimens were cast and tested in shear. The main test variables were the type of aggregates and the amount of shear reinforcements. The specimens under four point loading had a shear span-to-depth ratio of 2.5 and a rectangular section with a width of 200mm and an effective depth of 300mm. Existing equations to predict the shear strength of the specimens were used in this study. Furthermore, a finite element analysis using shear analytical model was performed to trace the shear behavior of the specimens with electric arc furnace oxidizing aggregates. From the test results, the shear performance of specimens with electric arc furnace oxidizing aggregates is similar to that of specimens with natural aggregates.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

사인장균열 이후 추가적인 내력의 증가는 파괴가 진행된 한쪽 경간에서 주철근의 다우월 작용에 의한 직접 전단전달이 이루어지는 동안 다른 경간에서 추가적인 전단력을 전달하였기 때문으로 판단된다. 따라서 이 연구에서는 실험결과를 안전측으로 평가하기 위하여 한쪽 경간이 사인장균열이 과도하게 발생하여 강성이 크게 저하되면서 전단파괴에 도달한 시점을 실험체의 전단강도로 규정하였다.
이 연구에서는 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 철근콘크리트 보 부재의 전단 성능을 평가하였다. 이를 위하여 전기로 산화슬래그 굵은 골재 및 잔 골재를 사용한 철근콘크리트 보를 제작하였으며, 전단보강근 유무에 따른 보의 전단 성능을 비교하여 전기로 산화슬래그 골재의 철근콘크리트 구조 부재에의 활용 가능성을 검토하였다.
이 연구에서는 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단거동을 예측하기 위하여 전단해석 모델을 이용한 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용된 전단해석모델은 Vecchio가 개발한 응력교란구역모델(disturbed stress field model)(Vecchio, 2001)로 수정 압축장 이론(modified compression field theory)(Vecchio & Collins, 1986)을 확장한 모델이다.
이 연구에서는 전기로 산화슬래그 골재를 사용할 경우 철근콘크리트 보의 전단성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 전단보강하지 않은 N시리즈와 전단보강한 R시리즈를 계획하였다. 실험체는 Table 3에서 보듯이 골재 종류와 전단보강근의 유⋅무에 따라 총 6체를 제작하였다.

가설 설정

주철근과 전단철근은 총 136개의 트러스 요소를 사용하여 모델링하였다. 철근 요소는 콘크리트와 완전부착으로 가정하였으며, 이를 위하여 철근 요소의 절점을 콘크리트 요소의 절점에 직접 연결하였다. 해석에 사용된 콘크리트와 철근의 구성법칙은 VecTor2(Vecchio, 2006)에서 제안된 것을 사용하였다.

제안 방법

4에 실험체 설치 상황을 나타내었다. 가력지점 사이의 거리는 500mm로 계획하였으며, 가력은 2,000kN 용량의 UTM을 이용하여 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 실험체의 처짐은 실험체 중앙 하단에 설치한 LVDT 2대를 이용하여 측정하였다.
또한 각 실험체에 배근된 전단보강근에 게이지를 부착하여 실험구간에서의 전단파괴 유⋅무를 확인하였다.
8은 전단보강된 실험체를 모델링한 것을 나타낸다. 이 연구에서 유한요소 해석은 트러스 메커니즘이 잘 형성되는 전단보강된 R시리즈 실험체에 대해서만 수행하였다. 모델링은 FormWorks(Wong & Vecchio, 2002) 프로그램을 이용하였다.
ACI 318-08 규준(ACI, 2008)의 전단강도식은 콘크리트와 전단철근의 기여분을 각각 나누어 산정한 뒤 합하도록 규정하고 있다. 이 연구에서는 콘크리트 인장강도와 주철근비 및 전단경간비를 고려할 수 있는 상세식으로 콘크리트의 전단강도 기여분을 산정하였다. ACI 318-08 규준에서는 전단철근의 기여분을 45도 트러스 모델을 사용하도록 권고하고 있으므로, ACI 318-08 규준의 전단강도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이 절에서는 현행 규준식 및 기존 제안식을 이용하여 전기로 산화슬래그를 사용한 철근콘크리트 보의 전단강도를 예측하였다. 실험체의 전단강도 예측을 위하여 ACI 318-08 규준(ACI, 2008)과 Arakawa(日本建築学会, 1999)가 제안한 식을 사용하였다.
이 연구에서는 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 철근콘크리트 보 부재의 전단 성능을 평가하였다. 이를 위하여 전기로 산화슬래그 굵은 골재 및 잔 골재를 사용한 철근콘크리트 보를 제작하였으며, 전단보강근 유무에 따른 보의 전단 성능을 비교하여 전기로 산화슬래그 골재의 철근콘크리트 구조 부재에의 활용 가능성을 검토하였다.

대상 데이터

3GPa을 나타내었다. 또한 천연 굵은 골재와 전기로 잔골재를 혼합하여 사용한 FS 실험체는 콘크리트 압축강도 31.6MPa과 탄성계수 23.2GPa을 나타내었다.
5로 모든 실험체가 동일하도록 계획하였다. 모든 실험체는 휨 항복 이전에 전단파괴를 유도하기 위하여 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 인장철근으로 D25 철근 3개와 압축철근으로 D19 철근 2개를 배근하였다. N시리즈 실험체는 실험구간에 전단보강근을 배근하지 않았으며, R시리즈는 전단파괴가 선행할 수 있도록 실험구간에 D10 철근을 250mm 간격으로 배근하였다.
실험에 사용된 주철근은 항복강도가 478.9MPa인 D19와 534.8MPa인 D22 철근을 사용하였다. 전단보강근은 항복강도가 359.
7MPa인 D10 철근을 사용하였다. 실험에 사용한 철근은 KS B 0802(한국표준협회, 2003)에 의거하여 기계적 성질을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 2(b)에 나타내었다.
실험체는 Table 3에서 보듯이 골재 종류와 전단보강근의 유⋅무에 따라 총 6체를 제작하였다.
가력지점 사이의 거리는 500mm로 계획하였으며, 가력은 2,000kN 용량의 UTM을 이용하여 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 실험체의 처짐은 실험체 중앙 하단에 설치한 LVDT 2대를 이용하여 측정하였다. 각 실험체의 전단변형을 측정하기 위하여 실험체 양쪽 실험구간에 LVDT를 이용한 전단패널을 Fig.
실험체의 형상은 길이 2400mm, 단면 200×350mm, 실험구간 750mm, 전단경간비(a/d) 2.5로 모든 실험체가 동일하도록 계획하였다.
이 연구에서 사용된 천연굵은골재와 천연잔골재는 절건밀도가 각각 2.59과 2.54g/cm³, 흡수율이 각각 0.80과 0.88%이었다. 전기로 산화슬래그 굵은 골재는 최대직경이 천연골재와 동일한 25mm이었으며, 비중과 흡수율은 각각 3.
8MPa인 D22 철근을 사용하였다. 전단보강근은 항복강도가 359.7MPa인 D10 철근을 사용하였다. 실험에 사용한 철근은 KS B 0802(한국표준협회, 2003)에 의거하여 기계적 성질을 측정하였으며, 그 결과를 Fig.
콘크리트 요소를 모델링하기 위하여 총 676개의 직사각형 요소를 사용하였다. 주철근과 전단철근은 총 136개의 트러스 요소를 사용하여 모델링하였다. 철근 요소는 콘크리트와 완전부착으로 가정하였으며, 이를 위하여 철근 요소의 절점을 콘크리트 요소의 절점에 직접 연결하였다.
모델링은 FormWorks(Wong & Vecchio, 2002) 프로그램을 이용하였다. 콘크리트 요소를 모델링하기 위하여 총 676개의 직사각형 요소를 사용하였다. 주철근과 전단철근은 총 136개의 트러스 요소를 사용하여 모델링하였다.

이론/모형

모델링은 FormWorks(Wong & Vecchio, 2002) 프로그램을 이용하였다.
실험체에 사용된 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405(한국표준협회, 2010)에 준하여 실험체 파괴 일에 평가하였으며, 측정된 콘크리트 응력-변형률 곡선은 Fig. 2(a)에 나타내었다. 천연골재만을 사용한 AN 실험체와 전기로 산화슬래그만을 사용한 AS 실험체의 콘크리트 압축강도는 각각 31.
이 절에서는 현행 규준식 및 기존 제안식을 이용하여 전기로 산화슬래그를 사용한 철근콘크리트 보의 전단강도를 예측하였다. 실험체의 전단강도 예측을 위하여 ACI 318-08 규준(ACI, 2008)과 Arakawa(日本建築学会, 1999)가 제안한 식을 사용하였다.
철근 요소는 콘크리트와 완전부착으로 가정하였으며, 이를 위하여 철근 요소의 절점을 콘크리트 요소의 절점에 직접 연결하였다. 해석에 사용된 콘크리트와 철근의 구성법칙은 VecTor2(Vecchio, 2006)에서 제안된 것을 사용하였다.

성능/효과

(1) 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 실험체는 전단철근의 유⋅무와 골재종류에 관계없이 천연골재를 사용한 실험체와 동등 이상의 전단강도를 나타내는 것을 확인하였다.
(2) 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 실험체의 전단균열 진전양상과 전단변형 특성은 천연골재를 사용한 실험체와 서로 유사한 것으로 관찰되었다.
(3) 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 실험체의 전단강도는 ACI 318-08 규준식과 Arakawa 식에 의한 해석결과보다 평균 1.3배 이상 높은 성능을 보여 소요전단 강도를 만족하는 것으로 판단된다.
(4) 전단보강된 실험체에 대하여 전단해석 모델을 사용한 비선형 유한요소해석을 수행한 결과, 전단강도 실험결과를 평균 0.99, 변동계수 4.6%로 매우 정밀하게 예측할 수 있었으며, 실험체의 전단거동 또한 비교적 잘 예측하는 것으로 확인되었다.
Table 4에 나타낸 바와 같이, 전단보강 하지 않은 N시리즈 실험체에 대하여 ACI 및 Arakawa 식의 해석결과에 대한 실험결과의 비는 각각 평균 1.15와 1.16, 변동계수 10.1%와 13.4%로 ACI 및 Arakawa 식 모두 실험결과를 비교적 잘 예측하였다. 전단보강을 한 R시리즈 실험체의 경우 ACI 규준식과 Arakawa 식에 의한 해석결과는 실험결과를 각각 평균 1.
4%로 예측하였다. Table 4에서 보는 바와 같이, 전체 실험결과는 해석결과보다 평균 약 1.3배 이상 높은 결과를 보였으며, 따라서 이 연구에서 수행한 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단강도는 소요성능을 만족하는 것으로 나타났다.
9에 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이, 유한요소해석결과는 실험체의 전단강도를 평균 0.99, 변동계수 4.6%로 매우 정확하게 예측하였으며, 전단력-변위 관계 또한 실험결과를 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
6kN의 전단력에서 발생하였다. 또한 실험체가 저항한 최대 전단력은 AN-R, AS-R 및 FS-R 실험체에서 각각 193.6kN, 180.5kN 및 180.7kN으로 약 7%의 작은 오차를 나타내었다.
모든 실험체의 최종 파괴양상은 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 골재 종류와 관계없이 모두 유사한 파괴양상을 나타내었다. 모든 실험체는 가력 초기에 가력지점 사이의 실험체 중앙 하단에서 초기 휨 균열이 발생하였다.
2%이었다. 사용된 전기로 산화슬래그 골재의 유리석회 함유량은 0.15%로 염기도 1.51을 나타내어 골재로 인한 콘크리트의 박리 및 분말화의 가능성은 없는 것으로 확인되었다. 이는 염기도가 2.
이후 전단보강근의 기여가 한계에 도달하면서 전단응력의 감소와 함께 전단변형이 크게 증가하였다. 실험체의 전체적인 전단응력-전단변형률 관계는 골재종류에 관계없이 서로 유사하였으며, 약 0.005의 전단변형률을 전후하여 최대전단응력에 도달하였다.
전단보강하지 않은 N시리즈 실험체의 최대 전단력은 AN-N 실험체가 70.0kN, 전기로 산화슬래그 골재만을 사용한 AS-N 실험체가 85.9kN, 전기로 산화슬래그 잔골재만 사용한 FS-N 실험체가 75.0kN을 나타내었다. 전단보강한 실험체는 Fig.
5(b)에서 보는 바와 같이 골재 종류에 관계없이 서로 유사한 전단거동을 보였다. 즉, 전단보강한 실험체의 경우 사인장균열 발생 이후 전단보강근의 영향으로 더 높은 내력과 변형능력을 나타내었으며, 이후 휨 항복 이전에 사인장균열의 폭이 증가하면서 전단파괴 되었다. 사인장균열은 천연골재만을 사용한 AN-R 실험체가 70.

후속연구

특히 골재가 달라지는 경우 콘크리트의 인장특성은 매우 중요하며, 인장특성에 직접적인 영향을 받는 전단에 대한 거동 평가는 매우 중요하다. 따라서 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단거동에 대하여 추후 다양한 실험변수에 대한 실험적 검증이 필요할 것으로 판단된다.
류득현(2010)은 전기로 산화슬래그 골재가 천연골재에 비하여 상대적으로 밀도와 강도가 높기 때문에 동일 물시멘트비에 대한 콘크리트 압축강도와 탄성계수가 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 콘크리트에서 더 높은 것으로 보고하였다. 전기로 산화슬래그 골재는 높은 밀도와 강도 특성으로 인하여 방사선 차폐 콘크리트, 건물의 저층부 및 댐 등에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기로 슬래그란?	전기로 슬래그는 철강 생산 공정 중 전기로에서 발생되는 산업 부산물로서 주성분이 석회(CaO) 및 실리카(SiO2)로 구성되어 일반적인 암석이나 광물의 화학조성과 유사하다. 또한 전기로 슬래그는 콘크리트와 동일한 알칼리성을 가져 골재로서의 활용 가능성이 기대되는 자원이다(김길희 등, 2007; 조성현, 2005).
	전기로 슬래그의 일종인 환원슬래그를 콘크리트용 골재로 사용할 수 없는 이유는?	1과 같이 산화 정련에서 발생하는 산화슬래그와 환원 정련에서 발생하는 환원슬래그로 구분할 수 있다(김길희 등, 2007; 日本建築学会, 2005). 여기서 환원슬래그는 유리석회의 함유율이 높아 콘크리트용 골재로서 사용할 수 없지만, 산화슬래그는 유리석회(free-CaO) 및 유리마그네시아(free-MgO)의 함유량이 거의 없다. 최근에는 공정 관리를 통하여 산화슬래그와 환원슬래그를 분리할 수 있게 됨으로써 콘크리트용 골재로서의 활용 가능성이 높아졌다(류득현 등, 2009).
	철강 산업의 특징은?	철강 산업은 그 제조 공정의 특성상 다량의 원료와 에너지를 사용할 뿐만 아니라 다양한 종류의 부산물과 폐기물을 필연적으로 발생시키고 있다. 부산물 중에서 가장 많은 양을 차지하는 슬래그는 철, 탄소, 석회석 등 재활용이 가능한 유효한 자원을 다량 포함하고 있다(김길희 등, 2007).

참고문헌 (17)

김길희, 임지영, 류득현, 최성우, "전기로 산화슬래그의 국내외 이용 사례", 한국콘크리트학회지, 제19권 6호, 2007, pp.51-52.
류득현, 임지영, 이용준, 이정미, 김상우, 김길희, "전기로 산화 슬래그 골재를 사용한 RC 보의 휨 거동에 관한 실험적 연구", 대한건축학회 논문집(구조계), 제25권 10호, 2009, pp.27-34.

원문보기 상세보기
류득현, 전기로 산화슬래그 골재를 활용한 콘크리트의 재료 및 구조 성능 평가, 공주대학교, 박사학위논문, 2010.
문한영, 유정훈, 윤희경, 이재준, "전기로슬래그 골재를 사용한 콘크리트의 강도에 대한 실험적 연구", 대한토목학회 학술발표회 논문집(1), 1997, pp.401-404.
문한영, 유정훈, "콘크리트용 골재로서 전기로슬래그의 적용성 에 대한 연구", 한국콘크리트학회 논문집, 제11권 3호, 1999, pp.101-111.
유정훈, 최재진, "전기로슬래그 골재의 잔류팽창성에 대한 고찰", 한국건설순환자원학회 논문집, 제2권 1호, 2006, pp.124-131.
조성현, 급냉 제강슬래그 잔골재를 사용한 특수 모르타르 및 콘크리트의 개발과 실용화 방안, 박사학위논문, 충남대학교, 2005, pp.17-18.
한국표준협회, 콘크리트 압축시험 방법(KS F 2405), 한국표준협회, 2010.
한국표준협회, 금속재료 인장시험(KS B 0802), 한국표준협회, 2003.
한국표준협회, 콘크리트용 전기로 산화 슬래그 골재(KS F 4571), 한국표준협회, 2011.
日本建築？？, 電？？酸化スラグ細骨材を用いるコンクリ"[トの設計施工指針(案) ？同解？, 日本建築？？, 2005.
日本建築？？, ？筋コソクリ？ト構造計算規準.同解？, 日本建築？？, 1999.
ACI Committee 318, "Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-08) and Commentary", American Concrete Institute, Farmington Hill, MI, 2008.
Vecchio, F. J. and Collins, M. P., "The Modified Compression Field Theory for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear", ACI Journal, Proceedings vol. 83, No. 2, 1986, pp.219-231.
Vecchio, F. J., "Disturbed Stress Field Model for Reinforced Concrete: Validation", Journal of Structural Engineering, ASCE, vol. 127, No. 4, 2001, pp.350-358.

상세보기
Vecchio, F. J., "http://www.civ.utoronto.ca/vector/", Web address of program VecTor2, Ver.5.1, 2006.
Wong, P. S. and Vecchio, F. J., "VecTor2 and Form Works User's Manual", Technical Report, Department of Civil Engineering, University of Toronto, Canada, 2002. (available at http://www.civ.utoronto.ca/vector/)

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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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