이 연구에서는 순환 굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단성능을 평가하였다. 순환 굵은골재의 치환율(0%, 50%, 100%)과 전단보강근의 유 무를 변수로 하여 총 6체의 실험체를 제작하였다. 실험체는 단순지지 형태로 4점 가력을 받도록 계획하였다. 천연 및 순환 굵은골재를 사용한 실험체의 거동을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 수정 압축장 이론(MCFT)을 확장한 응력교란구역 모델(DSFM)에 바탕을 둔 2차원 비선형 유한요소해석 프로그램을 이용하여 수행하였다. 실험 결과, 순환 굵은골재 50%와 100%를 사용한 실험체와 천연골재를 사용한 실험체의 전단거동이 치환율과 전단보강근의 유무에 관계없이 서로 유사함을 알 수 있었다. 또한, 실험 결과와 해석 결과의 비교로부터 이 연구에서 제안된 수치해석 기법과 해석모델 DSFM이 순환 굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 거동을 잘 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이 연구에서는 순환 굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단성능을 평가하였다. 순환 굵은골재의 치환율(0%, 50%, 100%)과 전단보강근의 유 무를 변수로 하여 총 6체의 실험체를 제작하였다. 실험체는 단순지지 형태로 4점 가력을 받도록 계획하였다. 천연 및 순환 굵은골재를 사용한 실험체의 거동을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 수정 압축장 이론(MCFT)을 확장한 응력교란구역 모델(DSFM)에 바탕을 둔 2차원 비선형 유한요소해석 프로그램을 이용하여 수행하였다. 실험 결과, 순환 굵은골재 50%와 100%를 사용한 실험체와 천연골재를 사용한 실험체의 전단거동이 치환율과 전단보강근의 유무에 관계없이 서로 유사함을 알 수 있었다. 또한, 실험 결과와 해석 결과의 비교로부터 이 연구에서 제안된 수치해석 기법과 해석모델 DSFM이 순환 굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 거동을 잘 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
This study evaluates the shear performance of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates. A total of six specimens with various replacement ratios of recycled coarse aggregates (0%, 50%, and 100%) and different amount of shear reinforcement were cast and tested in this study. A finite...
This study evaluates the shear performance of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates. A total of six specimens with various replacement ratios of recycled coarse aggregates (0%, 50%, and 100%) and different amount of shear reinforcement were cast and tested in this study. A finite element analysis was performed to predict the shear behavior of the specimens with natural or recycled coarse aggregates. The FE analysis was performed using a two-dimensional nonlinear FE analysis program based on the disturbed stress field model (DSFM), which is an extension of the modified compression field theory (MCFT). Experimental results showed that the specimens with 50% and 100% replacement ratios of recycled coarse aggregates had the similar shear strength compared to the specimen with natural aggregates, regardless of the replacement ratios of recycled coarse aggregates and the amount of the shear reinforcement. Furthermore, the comparison between experimental and analytical results showed that the proposed numerical modeling methods and the analytical model, DSFM, can be successfully used to predict the shear behavior of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates.
This study evaluates the shear performance of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates. A total of six specimens with various replacement ratios of recycled coarse aggregates (0%, 50%, and 100%) and different amount of shear reinforcement were cast and tested in this study. A finite element analysis was performed to predict the shear behavior of the specimens with natural or recycled coarse aggregates. The FE analysis was performed using a two-dimensional nonlinear FE analysis program based on the disturbed stress field model (DSFM), which is an extension of the modified compression field theory (MCFT). Experimental results showed that the specimens with 50% and 100% replacement ratios of recycled coarse aggregates had the similar shear strength compared to the specimen with natural aggregates, regardless of the replacement ratios of recycled coarse aggregates and the amount of the shear reinforcement. Furthermore, the comparison between experimental and analytical results showed that the proposed numerical modeling methods and the analytical model, DSFM, can be successfully used to predict the shear behavior of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates.
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문제 정의
현재까지 수행된 대부분의 연구는 보의 유효깊이가 400 mm 이하의 경우를 대상으로 하고 있다. 따라서 이 연구에서는 철근콘크리트 구조부재에 대한 순환 굵은골재의 적용성을 검토하기 위하여 유효깊이가 600 mm로 비교적 큰 철근콘크리트 보의 전단거동을 평가하였다. 주요 실험 변수는 순환골재의 적용 범위를 넓히기 위하여 순환 굵은골재 치환율로 하였으며, 전단보강근의 유무에 따라 전단 실험을 수행하여 그 결과를 기존 제안식과 유한요소해석으로 비교분석하였다.
이 연구에서는 순환골재의 치환율이 유효깊이가 비교적 큰 철근콘크리트 보의 전단성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 전단보강을 하지 않은 N시리즈와 전단보강을 한 S시리즈에 대하여 전단성능을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 순환골재의 치환율이 철근콘크리트 보의 전단성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 전단보강을 하지 않은 N시리즈와 전단보강을 한 S시리즈를 계획하였다. Table 3과 같이, 순환 굵은골재의 치환율과 전단 보강근의 배근 유ㆍ무에 따라 총 6체의 실험체를 Fig.
이 절에서는 유효깊이가 비교적 큰 순환 굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단거동을 예측하고 실험 결과의 신뢰도를 높이기 위하여 유한요소해석을 수행하였다.
제안 방법
2에서 보는 바와 같이 각 실험체의 휨 변형 및 휨 항복 여부를 확인하기 위하여 인장철근 및 압축철근 중앙부에 변형률 게이지를 부착하였다. 또한 실험체의 전단파괴 여부를 확인하고 전단보강근의 변형을 측정하기 위하여 가력지점과 반력지점 사이에 배근된 전단보강근에 게이지를 부착하였다.
콘크리트의 전단강도 기여분은 콘크리트 인장강도만을 고려한 단순식으로 계산하거나 인장 철근의 장부 작용과 전단경간의 효과를 고려한 상세식을 사용하여 계산할 수 있다. 이 연구에서는 다음과 같은 콘크리트 전단강도 상세식을 사용하여 실험체의 전단강도를 산정하였다.
이 연구에서는 순환골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단강도를 현행 규준식 및 기존 제안식과 비교분석하였다. 실험체의 전단강도 예측을 위하여 ACI 318-08 규준9)의 전단강도식과 Arakawa10)가 제안한 식을 사용하였다.
이 연구에서는 철근콘크리트 보를 전단해석하기 위하여 Fig. 9에서 보는 바와 같이 유한요소로 모델링하였다. 모델링은 FormWorks 프로그램을 이용하였다.
전단보강하지 않은 실험체는 사인장 균열 발생 이후 급격히 내력이 저하된 반면, 전단 보강된 실험체는 사인장 균열 이후 전단보강근의 기여로 인하여 더 높은 전단내력과 변형능력을 나타내었다. 이후 전단보강근의 항복과 사인장 균열이 가력점까지 진전하여 최대하중에 도달한 직후 전단파괴하였다.
따라서 이 연구에서는 철근콘크리트 구조부재에 대한 순환 굵은골재의 적용성을 검토하기 위하여 유효깊이가 600 mm로 비교적 큰 철근콘크리트 보의 전단거동을 평가하였다. 주요 실험 변수는 순환골재의 적용 범위를 넓히기 위하여 순환 굵은골재 치환율로 하였으며, 전단보강근의 유무에 따라 전단 실험을 수행하여 그 결과를 기존 제안식과 유한요소해석으로 비교분석하였다.
요소의 두께는 실험체의 폭과 동일하게 모델링하였다. 주철근과 전단보강근은 총 395개의 트러스 요소를 사용하여 모델링하였으며, 콘크리트 요소의 절점과 직접 연결하였다. 콘크리트와 철근의 구성법칙은 VecTor2에서 제안된 것을 사용하였다.
실험체의 순수한 전단변형을 측정하기 위하여 보의 전단 위험단면 주위에 5대의 LVDT로 구성된 전단패널을 보의 양 옆에 설치하였다. 콘크리트 압축영역에서의 변형 상태는 실험체 중앙부의 콘크리트 압축연단과 압축연단에서 20 mm와 40 mm 떨어진 지점에 콘크리트 게이지를 각각 부착하여 기록하였다.
5, 실험체 전체 길이는 3,900 mm로 모든 실험체가 동일하도록 계획하였다. 휨 항복 이전에 전단파괴를 유도하기 위하여 인장철근은 항복강도가 651.2 MPa인 D22 철근을 3개씩 2단 배근하였으며, 압축철근은 인장철근과 항복강도가 동일한 D22철근을 3개 배근하였다.
대상 데이터
이 연구에서는 순환골재의 치환율이 철근콘크리트 보의 전단성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 전단보강을 하지 않은 N시리즈와 전단보강을 한 S시리즈를 계획하였다. Table 3과 같이, 순환 굵은골재의 치환율과 전단 보강근의 배근 유ㆍ무에 따라 총 6체의 실험체를 Fig. 2와 같이 제작하였다.
4에 나타내었다. 모든 실험체는 인장철근의 항복 이전에 전단파괴가 선행하였다. 전단보강하지 않은 실험체는 사인장 균열 발생 이후 급격히 내력이 저하된 반면, 전단 보강된 실험체는 사인장 균열 이후 전단보강근의 기여로 인하여 더 높은 전단내력과 변형능력을 나타내었다.
실험체 제작에 사용된 인장철근은 항복 및 인장강도가 각각 651.2 MPa와 777.8 MPa, 탄성계수가 188 GPa인 D22 이형철근을 사용하였으며, 전단보강근은 항복강도가 346.9 MPa, 인장강도가 506.9 MPa, 탄성계수가 171 GPa 인 D10 이형철근을 사용하였다.
실험체 형상은 Fig. 2와 같이 단면 200 × 600 mm, 실험 구간 1,500 mm, 전단경간비(a/d) 2.5, 실험체 전체 길이는 3,900 mm로 모든 실험체가 동일하도록 계획하였다.
실험체는 Fig. 3과 같이 4점 가력을 받는 단순지지 보로 계획하였다. 가력점 사이의 거리는 600 mm이며, 가력은 2,000 kN 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 변위제어방식으로 수행하였다.
3과 같이 실험체 중앙부 하단에 설치한 변위변환기(LVDT) 2대를 이용하여 측정하였다. 실험체의 순수한 전단변형을 측정하기 위하여 보의 전단 위험단면 주위에 5대의 LVDT로 구성된 전단패널을 보의 양 옆에 설치하였다. 콘크리트 압축영역에서의 변형 상태는 실험체 중앙부의 콘크리트 압축연단과 압축연단에서 20 mm와 40 mm 떨어진 지점에 콘크리트 게이지를 각각 부착하여 기록하였다.
잔골재는 순환 굵은골재가 콘크리트의 전단성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 모든 실험체에 동일한 천연 잔골재를 사용하였다. 천연골재와 순환골재를 사용한 콘크리트 배합표는 Table 2에 나타내었다.
전단보강하지 않은 실험체는 실험 구간에서의 전단파괴를 유도하기 위하여 한쪽 경간에만 항복강도가 346.9 MPa인 D10 전단보강근을 300 mm 간격으로 배근하였다. 전단보강한 실험체에는 전단보강하지 않은 실험체와 동일한 전단보강근을 250 mm 간격으로 전 구간에 일정한 간격으로 배근하였다.
모델링은 FormWorks 프로그램을 이용하였다. 콘크리트 요소를 모델링하기 위하여 총 2270개의 직사각형 요소를 사용하였다. 요소의 두께는 실험체의 폭과 동일하게 모델링하였다.
이론/모형
16,17) 이 연구에서는 VecTor2 비선형 유한요소해석 프로그램과 함께 모델링을 위한 선처리 프로그램인 FormWorks18)와 해석 결과를 윈도우 환경에서 나타내어주는 후처리 프로그램인 Augustus19)를 사용하였다.
9에서 보는 바와 같이 유한요소로 모델링하였다. 모델링은 FormWorks 프로그램을 이용하였다. 콘크리트 요소를 모델링하기 위하여 총 2270개의 직사각형 요소를 사용하였다.
실험체에 사용된 각 철근의 기계적 성질을 평가하기 위하여 KS B08028)에 기초하여 인장시험을 실시하였다. 시험 결과에 따른 철근의 응력-변형률 관계는 Fig.
이 연구에서는 순환골재를 사용한 철근콘크리트 보의 전단강도를 현행 규준식 및 기존 제안식과 비교분석하였다. 실험체의 전단강도 예측을 위하여 ACI 318-08 규준9)의 전단강도식과 Arakawa10)가 제안한 식을 사용하였다.
주철근과 전단보강근은 총 395개의 트러스 요소를 사용하여 모델링하였으며, 콘크리트 요소의 절점과 직접 연결하였다. 콘크리트와 철근의 구성법칙은 VecTor2에서 제안된 것을 사용하였다.18)
성능/효과
1) 순환 굵은골재를 사용한 실험체는 전단보강근의 유ㆍ무와 순환 굵은골재 치환율에 관계없이 천연골재를 사용한 실험체와 유사한 전단강도를 나타내었다.
2) 골재 부족 현상은 콘크리트 공급가격 상승의 요인이 되어 건설산업과 국가 경제에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 천연골재를 대체할 수 있는 양질의 콘크리트용 대체골재 개발 및 적용성 평가가 절실히 필요하다.
2) 실험체의 전단위험단면을 중심으로 전단변형률을 측정한 결과, 순환 굵은골재의 치환율과 전단보강근의 유무에 관계없이 서로 유사한 전단응력-전단변형률 관계를 나타내었다. 이러한 경향은 실험체의 하중-처짐 관계에서도 유사하게 나타났다.
3) 기존 전단강도식을 이용하여 전단보강근이 없는 실험체의 전단강도를 예측한 결과, 해석 결과는 실험결과를 약 10% 높게 평가하였다. 이는 실험체의 유효깊이가 600 mm로 높아 크기 효과에 의한 전단강도 감소가 발생하였기 때문으로 판단된다.
4) 전단해석모델인 DSFM에 바탕을 둔 VecTor2 비선형 유한요소해석 프로그램을 이용하여 해석을 수행한결과, 유효높이가 비교적 큰 순환 굵은골재를 사용한 실험체의 전단거동을 비교적 정확히 예측할 수 있었다.
7에서 보는 바와 같이 사인장 균열 발생 이전에는 전단변형률이 거의 증가하지 않다가 사인장 균열 발생 이후 전단내력의 감소와 함께 전단변형률이 크게 증대되었다. 각 실험체의 최대 전단응력은 N-R0과 N-R50 실험체가 1.05 MPa, N-R100 실험체는 1.04 MPa로 나타났다.
그림에서 x축은 전단보강근에 부착된 게이지 위치를 나타내며 y축은 게이지로부터 측정된 값을 나타낸다. 모든 실험체에서 전단보강근의 변형률은 하중이 증가함에 따라 증가하였으며 최대 하중에 도달하기 이전에 항복변형률에 도달하였음을 Fig. 6으로부터 확인할 수 있다. Figs.
사인장 균열 발생 이후 전단보강하지 않은 실험체는 취성적인 파괴양상을 나타내었으며, 전단보강한 실험체는 전단보강하지 않은 실험체에 비하여 연성적인 파괴 양상을 나타내었다. 사인장 균열은 전단보강하지 않은 실험체의 경우 약 120 kN에서 발생하였으며, 전단보강 한 실험체의 경우 약 125~135 kN에 발생해 골재의 치환율에 따른 차이는 거의 발견할 수 없었다.
3 kN에서 발생하였다. 순환 굵은골재 100%를 치환한 S-R100실험체가 가장 높은 내력에서 최초 휨균열이 발생하였다.
이 연구에 사용된 순환 굵은골재는 Table 1에 나타낸 바와 같이 천연 굵은골재와 물리적 성질이 유사하였다. 실험에 사용된 순환골재의 흡수율은 1.67%로 2008년 개정하여 시행중인 순환골재 품질기준4) 3.0% 이하를 만족하였으며, 밀도는 2.57 g/cm3로 KS F 2573(콘크리용 순환골재)3)에서 요구하는 2.5 g/cm3 이상을 만족하였다. 굵은골재의 최대 직경은 천연 굵은골재와 순환 굵은골재 모두 25 mm로 동일하였다.
실험체의 최대하중 시 처짐에 대한 예측 결과는 Table 4에 나타낸 바와 같이 전체 실험체에 대하여 평균 1.37, 변동계수 12.6%로 비교적 잘 예측하였다. 특히 전단력-처짐관계를 나타낸 Fig.
이는 전단보강된 경우 크기 효과에 의한 전단 강도 감소효과가 미약해지기 때문으로 판단된다. 이상의 결과로부터 순환 굵은골재의 치환율에 따른 전단거동의 차이는 관찰할 수 없었으며, 전단보강이 되지 않은 경우 전단강도 감소 효과는 순환 굵은골재 치환율에 관계없이 천연골재와 유사하였음을 확인할 수 있었다.
전단보강 실험체인 S-R0, S-R50, S-R100 실험체의 전단강도는 각각 2.54, 2.50, 2.61 MPa로 나타났으며, 전단 변형률 0.005를 전후하여 최대 전단응력에 도달하였음을 Fig. 7로부터 알 수 있다. 전단보강 한 S시리즈 실험체는 전단보강 하지 않은 N시리즈 실험체에 비하여 약 2.
7로부터 알 수 있다. 전단보강 한 S시리즈 실험체는 전단보강 하지 않은 N시리즈 실험체에 비하여 약 2.5배의 전단강도 증진을 보였으며 연성 또한 크게 증가하였다.
전단보강을 한 R시리즈 실험체의 전단강도 실험 결과는 무보강 실험체인 N시리즈와 다르게 ACI와 Arakawa식에 의한 해석 결과보다 각각 평균 1.19배와 1.41배 상회하였다. 이는 전단보강된 경우 크기 효과에 의한 전단 강도 감소효과가 미약해지기 때문으로 판단된다.
모든 실험체는 인장철근의 항복 이전에 전단파괴가 선행하였다. 전단보강하지 않은 실험체는 사인장 균열 발생 이후 급격히 내력이 저하된 반면, 전단 보강된 실험체는 사인장 균열 이후 전단보강근의 기여로 인하여 더 높은 전단내력과 변형능력을 나타내었다. 이후 전단보강근의 항복과 사인장 균열이 가력점까지 진전하여 최대하중에 도달한 직후 전단파괴하였다.
4에서 확인할 수 있듯이 모든 실험체는 순환골재 치환율과 무관하게 유사한 강성과 내력을 나타내었다. 전단보강하지 않은 실험체의 최대내력은 천연골재를 사용한 N-R0 실험체와 순환 굵은골재 50%와 100%를 치환한 N-R50 및 N-R100 실험체 모두 약 125 kN으로 유사하게 나타났다. 전단보강 실험체의 전단강도 또한 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연골재를 대체할 수 있는 양질의 콘크리트용 대체골재 개발 및 적용성 평가가 필요한 이유는 무엇인가?
현재 우리나라는 콘크리트 구조물의 지속적인 건설로 인하여 향후 20년 이내에 천연골재가 고갈될 것으로 예상되고 있다.2) 골재 부족 현상은 콘크리트 공급가격 상승의 요인이 되어 건설산업과 국가 경제에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 천연골재를 대체할 수 있는 양질의 콘크리트용 대체골재 개발 및 적용성 평가가 절실히 필요하다.
대부분의 순환골재가 성토용이나 도로 노반재 등의 한정된 비구조물에만 재활용되고 있는 이유는 무엇인가?
순환골재의 생산과 소비를 활성화하기 위하여 KS 규준3)에서는 폐 콘크리트에서 발생하는 순환골재를 콘크리트용 골재로 사용할 수 있도록 규정하여 콘크리트 구조물에 적용할 수 있는 기반을 마련하였다. 그러나 순환골재에 대한 부정적인 인식과 관련 연구 및 적용사례의 미비 등으로 대부분의 순환골재는 성토용이나 도로 노반재 등의 한정된 비구조물에만 재활용되고 있는 실정이며, 순환골재 품질기준4)에서도 콘크리트용으로 사용할 경우 순환골재 최대 치환율을 30%로 제한하고 있다. 따라서 순환골재를 사용한 콘크리트에 대한 부정적인 인식을 변화시키고 다양한 구조부재에 활용하기 위하여 순환골재를 사용한 콘크리트 구조부재의 구조적 성능 검토가 반드시 필요하다.
본 연구에서 순환골재의 치환율이 유효깊이가 비교적 큰 철근콘크리트 보의 전단성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 전단보강을 하지 않은 N시리즈와 전단보강을 한 S시리즈에 대하여 전단성능을 평가한 결과는 어떠한가?
1) 순환 굵은골재를 사용한 실험체는 전단보강근의 유ㆍ무와 순환 굵은골재 치환율에 관계없이 천연골재를 사용한 실험체와 유사한 전단강도를 나타내었다.
2) 실험체의 전단위험단면을 중심으로 전단변형률을 측정한 결과, 순환 굵은골재의 치환율과 전단보강근의 유무에 관계없이 서로 유사한 전단응력-전단변형률 관계를 나타내었다. 이러한 경향은 실험체의 하중-처짐 관계에서도 유사하게 나타났다.
3) 기존 전단강도식을 이용하여 전단보강근이 없는 실험체의 전단강도를 예측한 결과, 해석 결과는 실험결과를 약 10% 높게 평가하였다. 이는 실험체의 유효깊이가 600 mm로 높아 크기 효과에 의한 전단강도 감소가 발생하였기 때문으로 판단된다. 반면에 전단보강된 실험체의 경우에는 실험 결과가 해석 결과보다 약 20% 높은 전단강도를 나타내었는데, 이는 전단보강된 철근콘크리트 보에서는 전단강도 크기 효과가 두드러지지 않기 때문이다.
4) 전단해석모델인 DSFM에 바탕을 둔 VecTor2 비선형 유한요소해석 프로그램을 이용하여 해석을 수행한결과, 유효높이가 비교적 큰 순환 굵은골재를 사용한 실험체의 전단거동을 비교적 정확히 예측할 수 있었다.
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