[논문]소성힌지부 강섬유 혼입 모르타르 적용 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가

조창근; 한성진; 권민호; 임청권

doi:10.4334/jkci.2012.24.3.241

[국내논문] 소성힌지부 강섬유 혼입 모르타르 적용 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가
Seismic Performance Evaluation of Reinforced Concrete Columns by Applying Steel Fiber-Reinforced Mortar at Plastic Hinge Region 원문보기 논문타임라인

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.3, 2012년, pp.241 - 248

조창근 (조선대학교 건축학부) , 한성진 (조선대학교 건축학부) , 권민호 (경상대학교 토목공학과) , 임청권 (한국건설교통기술평가원)

초록
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이 연구에서는, 철근콘크리트 기둥 실험체를 대상으로 기둥의 휨 위험 단면부에 국부적으로 강섬유 시멘트모르타르를 적용함으로서 기존 철근콘크리트 기둥에 비해 내진성능이 우수한 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합기둥공법에 관해 제시하였다. 제시된 적용공법의 성능검증을 위하여 기존 철근콘크리트 기둥 1개 및 소성힌지구간에 국부적으로 강섬유 모르타르를 적용한 복합기둥 실험체 2개를 제작하여 일정 축하중 하에서 횡방향 반복하중을 받는 재하시험을 수행하였다. 콘크리트 및 강섬유 모르타르는 모두 현장타설되었다. 재하시험 결과 기존 철근콘크리트 기둥 실험체와 비교하여 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합기둥 실험체의 경우 휨 및 전단 균열의 제어에 우수할 뿐만 아니라 기둥의 횡하중 내력 및 횡방향 변형 능력 향상에서도 우수한 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a reinforced concrete composite column method in order to improve seismic performance of reinforced concrete column specimens by selectively applying steel fiber-reinforced mortars at the column plastic hinge region. In order to evaluate seismic improvement of the newly developed column method, a series of cyclic load test of column specimens under a constant axial load was investigated by manufacturing three specimens, two reinforced concrete composite columns by applying steel fiber-reinforced mortars at the column plastic hinge region and one conventional reinforced concrete column. Both concrete and steel fiber-reinforced mortar was cast-in placed type. From cyclic load test, it was found that the newly developed steel fiber-reinforced columns showed improved seismic performances than conventional reinforced concrete column in controlling bending and shear cracks as well as improving seismic lateral load-carrying capacities and lateral deformation capacities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

재하시험 결과를 바탕으로 하여 제시된 강섬유 모르타르 적용 철근 콘크리트 복합 기둥 실험체의 내진성능, 반복하중 하에서의 이력 거동 특성, 균열 및 파괴 양상 등을 비교 및 검토하였다. 이 연구 결과를 바탕으로 수행된 실험실 내에서의 대상 실험체에 대한 성능검증 시험을 바탕으로 기존 철근 콘크리트 기둥과 비교하여 향후 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합 기둥의 구조적 장점과 더불어 실용화 가능한 구조 요소의 적용기술을 제시하는데 필요한 기초적인 성능 평가 결과를 제시하고자 한다.
이 연구에서는, 철근콘크리트 기둥에서 변곡점 부분에서 절단된 하부기둥을 캔틸레버 기둥 형태의 실험체로 제작하여, 기둥의 휨 위험 단면부인 소성힌지부 주변에 국부적으로 강섬유 시멘트 모르타르를 적용한 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합 기둥에 관한 내진성능 평가 실험을 수행한 것으로서, 향후 기존 철근콘크리트 기둥에 비해 내진성능이 우수한 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합 기둥의 개발을 위한 기본적인 내진성능 및 평가 결과를 제시하였다. 제시된 적용 방안의 성능검증을 위하여 기존 철근콘크리트 기둥 및 소성힌지구간에서의 강섬유 모르타르 적용 실험체를 제작하여 일정 축하중 하에서 횡방향 반복 하중을 받는 재하시험을 수행하였다.

제안 방법

2 및 3과 같이 기둥 단면 300 × 300 (mm), 높이 1,540 mm, 기둥 머리부분 400 × 400 (mm)로서, 기초 900 × 900 × 700 (mm) 위에 고정되도록 타설하여 실험체를 제작하였다.
실험체에 반복 횡하중을 도입하기 위하여 용량 500 kN 액츄에이터를 반력벽에 장착하였으며 실험체와 액츄에이터 머리부분의 연결을 위하여 미리 천공된 구멍을 통하여 양쪽에서 볼트로 조이는 방식을 통해 연결하도록 하여 횡하중이 가력되도록 하였다. 각 실험을 통한 각 실험체의 주철근과 전단철근의 조건에 따라 기둥의 거동 특성을 파악하기 위하여 기둥의 위험단면에 주철근과 전단철근에 각각 철근용 변형률 게이지를 부착하였다.
강섬유 시멘트 모르타르의 최적 배합 및 섬유의 혼입률을 실험 및 이론적 설계를 통하여 결정하였다. 강섬유 시멘트 모르타르의 최적 배합을 도출하기 위해 섬유의 분산성, 현장타설시 시공성을 고려한 유동성 확보가 필요하다.
강섬유의 최적의 배합과 효율적인 내진 보강 성능을 알아보기 위해 Table 6과 같이 일반 철근콘크리트 기둥인 기준 실험체 1개, 강섬유 혼입 시멘트 모르타르 적용 실험체 2개를 각각 제작하여 일정 축하중이 작용하는 조건에서 반복 횡하중 재하 실험을 실시토록 하였다. 대상 기둥 실험체는 건축물 최하층부의 기둥으로서 기초에 고정된 캔틸레버 기둥으로 기초에 완전고정의 접합형태로 제작하였다.
4에서와 같이 믹서를 이용하여 현장에서 배합 및 타설을 하였다. 거푸집에 콘크리트 타설 후 건조수축 균열을 방지하기 위하여 타설 실험체에 콘크리트 양생포를 덮어 일정한 습도가 유지되도록 물을 뿌려 습윤양생을 하였다.
기둥 기초부분을 정착시키기 위하여 기초 바닥을 직경 50 mm의 천공구에 정착형 원형봉을 도입하여 상하 부분을 볼트로 조여 반력바닥에 고정되도록 정착하였다. 실험체의 설치상황 및 고정 축압축력 도입을 위한 취구는 Fig.
기둥 콘크리트 단면적의 축 압축강도의 10%를 일정 축하중으로 하여 기둥 두부 부분에 반복 횡방향 하중을 변위제어에 의해 재하하였다. Fig.
기준 실험체에 사용되는 일반 콘크리트의 배합은 요구되는 강도와 시공성 및 선정된 재료의 최적 설계비에 따라 설계되었으며, 콘크리트의 설계기준 압축강도 24 MPa, 슬럼프 120 mm, 공기량 4.5%로 정하였다. 일반 콘크리트 배합비는 Table 4와 같다.
강섬유 시멘트 모르타르의 최적 배합을 도출하기 위해 섬유의 분산성, 현장타설시 시공성을 고려한 유동성 확보가 필요하다. 섬유 시멘트 모르타르 경우 슬럼프 플로우값이 600 mm 내외이면 자기 충전성 확보가 충분하다고 보고 분산성과 유동성 확보를 위해 혼화제(PCSP, HPMC)의 사용량을 최적화하여 자기충전 특성을 부여하였다. 이로부터 강섬유 혼입 시멘트 모르타르의 배합은 강섬유 혼입률이 1.
섬유 혼입 시멘트 모르타르를 활용하여 내진형 철근 콘크리트 복합 기둥 실험체를 제작 및 내진성능 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시멘트 매트릭스 유동성을 증가시키고 배합시 섬유의 분산성을 향상시키기 위하여 카르본산계 고성능 감수제(PCSP)를 사용하였고, 배합 시 규사, 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 섬유 등 재료의 분리를 방지하기 위하여 셀룰로즈계분리저감제(HPMC)를 사용하였으며, 표면 마무리 및 공기량 조절을 위한 소포제를 사용하였다. 이 연구에서 사용한 혼화제의 품질 특성은 다음 Table 2에 나타낸 바와 같으며, 그 기본 특성은 제조회사에서 제시한 자료를 그대로 이용하였다.
대상 기둥 실험체는 건축물 최하층부의 기둥으로서 기초에 고정된 캔틸레버 기둥으로 기초에 완전고정의 접합형태로 제작하였다. 실험의 주요 변수는 강섬유 시멘트 모르타르의 타설 여부, 섬유의 혼입률, 전단철근의 유무를 주요 실험 변수로 설정하였다. 각 실험체의 변수는 Table 6과 같다.
실험체에 반복 횡하중을 도입하기 위하여 용량 500 kN 액츄에이터를 반력벽에 장착하였으며 실험체와 액츄에이터 머리부분의 연결을 위하여 미리 천공된 구멍을 통하여 양쪽에서 볼트로 조이는 방식을 통해 연결하도록 하여 횡하중이 가력되도록 하였다. 각 실험을 통한 각 실험체의 주철근과 전단철근의 조건에 따라 기둥의 거동 특성을 파악하기 위하여 기둥의 위험단면에 주철근과 전단철근에 각각 철근용 변형률 게이지를 부착하였다.
실험체의 기둥 주두 부분에 특수하게 제작된 캡을 씌우고 실험체 기초부분에는 인장 전용 유압기를 설치할 수 있는 케이블 정착구를 설치해서 반복 횡하중이 작용하는 중에도 축하중이 편심으로 작용하지 않게 함으로서 기둥에 일정 축하중이 유지되도록 재하 시스템을 고려하였다. 이 실험체에 작용하는 일정 축하중은 모든 실험체에서 기둥 콘크리트 단면적의 축 압축강도의 10%를 일정 축하중으로 재하하도록 하였다.
실험체의 설계는 축하중을 받는 기둥이 지진과 같은 횡방향 하중을 받는 경우 횡하중 증가에 따라 소성힌지 발생부근을 중심으로 인장균열, 철근항복 및 철근좌굴에 따라서 인장 휨 파괴로 유도되도록 설계하였다. 경우에 따라서는 극한내력에 가까이 도달했을 때 파괴 직전에 전단균열도 일부 발생 가능한 경우를 고려하고 있다.
실험체의 기둥 주두 부분에 특수하게 제작된 캡을 씌우고 실험체 기초부분에는 인장 전용 유압기를 설치할 수 있는 케이블 정착구를 설치해서 반복 횡하중이 작용하는 중에도 축하중이 편심으로 작용하지 않게 함으로서 기둥에 일정 축하중이 유지되도록 재하 시스템을 고려하였다. 이 실험체에 작용하는 일정 축하중은 모든 실험체에서 기둥 콘크리트 단면적의 축 압축강도의 10%를 일정 축하중으로 재하하도록 하였다. 주어진 축하중 조건하에서 극한강도 설계개념에 따른 표준 실험체 RC-0의 설계휨강도 산정에 의한 기둥의 횡방향 극한내력값은 41.
강섬유의 혼입률과 형상비가 클수록 강섬유 보강 콘크리트의 시공성은 나쁜 반면 분산성이 좋은 상태에서 혼입률 증가는 역학적 성질을 향상시킨다. 이 연구에서는 갈고리(hook)형으로 항복강도 1,300 MPa인 강섬유로서 직경 0.5 mm 및 길이 30 mm인 형상비 60인 강섬유에 대해, 자기 충전성을 고려한 시공 및 분산성이 충분히 확보가능한 조건 하에서 강섬유혼입 모르타르의 섬유혼입률 및 배합을 제시하였다. 강섬유의 형상과 물리적 특성을 Fig.
이상에서 소개된 배합에 따라 제작된 강섬유 시멘트 모르타르의 역학특성 평가를 위해서 섬유가 혼입되지 않은 무섬유 모르타르 및 강섬유 혼입률 1.5%에 대해서 압축강도 및 40 × 40 × 160 mm 규격(순지간 120 mm)의 실험체를 제작하여 휨 인장강도 실험을 수행하였다.
제시된 적용 방안의 성능검증을 위하여 기존 철근콘크리트 기둥 및 소성힌지구간에서의 강섬유 모르타르 적용 실험체를 제작하여 일정 축하중 하에서 횡방향 반복 하중을 받는 재하시험을 수행하였다. 재하시험 결과를 바탕으로 하여 제시된 강섬유 모르타르 적용 철근 콘크리트 복합 기둥 실험체의 내진성능, 반복하중 하에서의 이력 거동 특성, 균열 및 파괴 양상 등을 비교 및 검토하였다. 이 연구 결과를 바탕으로 수행된 실험실 내에서의 대상 실험체에 대한 성능검증 시험을 바탕으로 기존 철근 콘크리트 기둥과 비교하여 향후 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합 기둥의 구조적 장점과 더불어 실용화 가능한 구조 요소의 적용기술을 제시하는데 필요한 기초적인 성능 평가 결과를 제시하고자 한다.
또한 철근 조립 후 주철근의 변형률 측정을 위해 소성힌지부 강섬유 혼입 시멘트 모르타르 타설부에 횡방향 철근 간격 사이로 철근용 변형률 게이지를 좌우 주철근에 부착하였다. 전단철근의 변형률 측정을 위해 기초면에서부터 상부 방향으로 두 전단철근에 철근용 변형률 게이지를 부착하였다. 강섬유 혼입 시멘트 모르타르의 배합 시공은 Fig.
이 연구에서는, 철근콘크리트 기둥에서 변곡점 부분에서 절단된 하부기둥을 캔틸레버 기둥 형태의 실험체로 제작하여, 기둥의 휨 위험 단면부인 소성힌지부 주변에 국부적으로 강섬유 시멘트 모르타르를 적용한 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합 기둥에 관한 내진성능 평가 실험을 수행한 것으로서, 향후 기존 철근콘크리트 기둥에 비해 내진성능이 우수한 강섬유 모르타르 적용 철근콘크리트 복합 기둥의 개발을 위한 기본적인 내진성능 및 평가 결과를 제시하였다. 제시된 적용 방안의 성능검증을 위하여 기존 철근콘크리트 기둥 및 소성힌지구간에서의 강섬유 모르타르 적용 실험체를 제작하여 일정 축하중 하에서 횡방향 반복 하중을 받는 재하시험을 수행하였다. 재하시험 결과를 바탕으로 하여 제시된 강섬유 모르타르 적용 철근 콘크리트 복합 기둥 실험체의 내진성능, 반복하중 하에서의 이력 거동 특성, 균열 및 파괴 양상 등을 비교 및 검토하였다.
이 연구에서 사용한 혼화제의 품질 특성은 다음 Table 2에 나타낸 바와 같으며, 그 기본 특성은 제조회사에서 제시한 자료를 그대로 이용하였다. 혼화제의 최적 혼입률은 예비비빔 시험을 통해 결정하였으며, 그 사용량은 결합재(시멘트, 플라이애시, 고로 슬래그 미분말)에 대한 중량비로 혼입하였다.
횡방향 하중 형태는 예비실험을 통하여 얻은 항복변위에 대한 µ = ∆/∆y를 변위 연성비로 가정하고 변위 연성비 µ가 0.5, 1.0, 1.5 등의 순서로 증가되도록 초기에는 0.5씩 증가시켜 초기 접합부의 연성능력을 상세하게 관측하였고, µ = 4.0 이후에는 1.0씩 증가시켜 Fig. 7과 같이 총 변위 연성비 µ = 9.0 및 총 26사이클의 반복하중을 변위제어에 의해 재하되도록 하였다.

대상 데이터

RC-0실험체는 일반 철근콘크리트 기둥인 기준 실험체로 제작되었다. 콘크리트의 압축강도는 24 MPa, 기둥의 주철근은 D13를 8개 사용하였으며, 띠철근은 100 mm 간격으로 D10을 사용하였다.
SFRC-0 실험체는 일반 콘크리트 대신에 1.5% 강섬유 혼입률의 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 기초에서부터 상부로 기둥단면의 유효깊이(d)의 2배 만큼 높이로 D10 전단철근을 100 mm 간격으로 배근하여 타설 및 제작하였다. SFRC-0 실험체는 기본적으로 철근콘크리트 표준실험체인 RC-0 실험체와 동일한 조건에서 강섬유 모르타르만을 추가적으로 실험변수로 고려한 조건이다.
강섬유 혼입 시멘트 모르타르 배합에서 굵은 골재를 사용하지 않고 평균 입경이 약 130 µm 인 국내 S사의 규사를 잔골재로 사용하였다.
기본 결합제로서 재료의 획득이 용이하고 가격면에서 저렴한 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하였다. KS L 5201의 규정에 적합한 국내 S사 제품을 사용, 그 화학적 조성 및 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다.
강섬유의 최적의 배합과 효율적인 내진 보강 성능을 알아보기 위해 Table 6과 같이 일반 철근콘크리트 기둥인 기준 실험체 1개, 강섬유 혼입 시멘트 모르타르 적용 실험체 2개를 각각 제작하여 일정 축하중이 작용하는 조건에서 반복 횡하중 재하 실험을 실시토록 하였다. 대상 기둥 실험체는 건축물 최하층부의 기둥으로서 기초에 고정된 캔틸레버 기둥으로 기초에 완전고정의 접합형태로 제작하였다. 실험의 주요 변수는 강섬유 시멘트 모르타르의 타설 여부, 섬유의 혼입률, 전단철근의 유무를 주요 실험 변수로 설정하였다.
RC-0실험체는 일반 철근콘크리트 기둥인 기준 실험체로 제작되었다. 콘크리트의 압축강도는 24 MPa, 기둥의 주철근은 D13를 8개 사용하였으며, 띠철근은 100 mm 간격으로 D10을 사용하였다.

성능/효과

1) 인장 균열 발생 이후의 콘크리트의 취성 및 균열에 대한 취약성을 개선한 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 기둥의 휨 위험단면의 소성힌지 발생구간인 기초바닥으로부터 상부로 기둥 단면 유효깊이의 2배 높이로 타설한 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용한 철근콘크리트 내진형 복합 기둥의 경우 일반 철근콘크리트 기둥 실험체에 비해 횡방향 최대 내력 및 변형능력 향상에 우수하였다. 이는 소성힌지 부근에서의 휨 및 전단 균열 억제에 따른 휨 파괴, 주철근의 좌굴, 및 콘크리트 박리 등의 현상을 억제할 수 있었기 때문으로 판단된다.
5∆y(2 cycle)에서 인장측 콘크리트 표면에 수평 휨 균열이 발생한 후에 하중이력의 증가와 함께 수평 휨 균열의 수가 점차 증가되는 양상을 보였다. 1.5∆y(5cycle) 도달에서부터 균열의 수는 크게 증가되지 않고 기존의 수평 휨 균열폭이 크게 증가되었고, 2∆y(8 cycle)에서 기둥과 기초의 접합부 부근에서 휨 균열이 발생하였다. 6∆y(19 cycle)에서 최대내력에 도달하였으며, 이후 하단부 소성 힌지 발생영역에 걸쳐서 전단 균열이 진전되면서 수평 휨 균열 폭의 확대와 함께 압축 콘크리트의 피복 박리가 진전되었다.
2) 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용한 실험체의 경우 띠철근을 배근하지 않은 경우에도 충분히 전단 균열을 억제할 수 있는 것으로 나타나, 기둥의 휨 위험단면부근을 중심으로 국부적으로 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용할 경우 띠철근의 사용량을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
이후 2∆y(8 cycle)까지 균열의 수가 점차적으로 증가하다가 그 이후에는 균열의 수는 증가하지 않고 미세하게 균열폭이 증가하는 양상을 보였다. 2.5∆y(9 cycle)에서 접합부 부근에서 균열의 발생이 증가되기 시작하였으며, 6∆y(19 cycle)에서 접합부 부근의 휨 균열이 증가하면서 콘크리트의 표면의 박리가 나타나기 시작하였다. 이후로 큰 균열의 발생 없이 균열폭이 점차 증가하였으나, 실험체 RC-0에 비해서 균열폭의 증대 및 표면박리 현상은 두드러지지 않았으며, 철근의 좌굴 또한 목격되지 않았다.
^1,2) 한편, 철근콘크리트 기둥의 경우, 지진하중과 같은 횡하중 하에서는 기둥 하단부에서 철근이 항복 및 좌굴하면서 콘크리트에 균열 및 파괴가 급격히 증대되어 내력을 상실하게 되는 파괴 양상을 나타낸다.³⁾ 이를 위해 내진설계를 고려할 경우 횡하중에 대한 내력 및 내진저항능력 개선을 위해 상대적으로 철근량을 많이 늘리거나 단면치수를 늘리는 등 충분한 내진설계 및 보강을 해주어야 한다. 한편 강관충전 및 강-콘크리트 합성, 또는 CFRP 복합재료를 이용한 합성 기둥을 사용할 경우 강재 및 탄소섬유 사용량의 증가는 경제적 측면에서 불리할 수 있다.
강섬유 혼입 시멘트 모르타르의 경우 전단철근을 배근하지 않은 경우에도 이 구간에서의 전단파괴 및 전단균열 양상은 관찰되지 않아 강섬유 혼입 시멘트 모르타르 타설 구간에서 전단철근을 배근하지 않아도 충분히 전단 균열 제어효과를 발휘하는 것으로 관찰되었다.
5%에 대해서 압축강도 및 40 × 40 × 160 mm 규격(순지간 120 mm)의 실험체를 제작하여 휨 인장강도 실험을 수행하였다. 그 결과 무섬유 모르타르 및 강섬유 시멘트 모르타르의 28일 압축강도는 각각 평균 38.8 MPa 및 38.5 MPa, 휨 인장강도는 각각 3.83 MPa 및 5.12 MPa로 평가되었다. 한편 휨인장 실험 결과로부터 ASTM C1018 방법에 의한 인성지수평가에서,¹⁵⁾ 1.
65 kN을 나타내었다. 그 후 변위가 증가하여도 내력이 증가하지 않고 강도저하 및 강성저하 현상의 경향이 뚜렷하게 나타내었다. 이후 내력이 감소하면서 변형이 증가하다가 최대 91.
기존 철근콘크리트 기둥 실험체와 비교하여 이 연구에서 적용한 강섬유 혼입 시멘트 모르타르 적용 기둥 실험체의 경우 수평 내력의 비교에서 10~20% 정도의 향상된 수평 내력의 증진효과를 보였다. 반복 횡하중에 대한 변형능력 개선 효과에 있어서도 최대내력에 도달했을 때의 연성비가 일반 철근콘크리트 기둥 실험체의 경우 4.
기준 실험체인 철근콘크리트 기둥 RC-0 실험체는 0.5∆y(2 cycle)에서 인장측 콘크리트 표면에 수평 휨 균열이 발생한 후에 하중이력의 증가와 함께 수평 휨 균열의 수가 점차 증가되는 양상을 보였다. 1.
기초면에서부터 타설 높이 2.0d 구간에 전단철근의 배근없이 섬유혼입률 1.0% 혼입한 강섬유 시멘트 모르타르를 타설한 이 실험체의 경우, 수평변위 4.72 mm에서 최초로 휨 균열이 발견되었으며, 최초 균열 이후 내력이 증가하다가 수평변위 24.14 mm에서 주철근의 최초 항복점에 도달하였다. 수평변위 102.
기존 철근콘크리트 기둥 실험체와 비교하여 이 연구에서 적용한 강섬유 혼입 시멘트 모르타르 적용 기둥 실험체의 경우 수평 내력의 비교에서 10~20% 정도의 향상된 수평 내력의 증진효과를 보였다. 반복 횡하중에 대한 변형능력 개선 효과에 있어서도 최대내력에 도달했을 때의 연성비가 일반 철근콘크리트 기둥 실험체의 경우 4.19인 반면에 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용한 기둥 실험체의 경우 4.63 이상이며, 이는 액츄에이터의 최대용량을 감안하여 측정된 값으로서 보다 높은 연성거동능력 및 에너지 소산능력을 발휘할 수 있는 것으로 평가되었다.
실험체 SFRC-0과 같이 제어 액츄에이터의 변위 용량을 더 이상 초과할 수 없어 최대변위제어 25 cycle에서 재하 시험을 중지하였고, 부재가 파괴상태에 도달하지 않고 충분히 수평 내력의 저하현상이 없이 추가적인 횡방향 내력을 발휘할 수 있는 상태로서 재하시험을 중지하였다.
강섬유 혼입 콘크리트를 구조 부재에 적용한 기존 연구에서, Tang 등(1992)은 5개의 외측 및 7개의 내측 보-기둥 접합부에 강섬유 콘크리트를 적용한 실험체를 제작하여 반복 횡하중에 대한 내진성능실험을 수행하였다. 이로부터 강섬유 콘크리트를 적용한 경우 접합부의 전단강도 및 최초 균열 발생 시의 균열 전단응력이 크게 향상되는 것으로 평가되었다.¹³⁾ Liu(2006)는 철근콘크리트 보 -기둥 접합부에 섬유혼입률 1.
섬유 시멘트 모르타르 경우 슬럼프 플로우값이 600 mm 내외이면 자기 충전성 확보가 충분하다고 보고 분산성과 유동성 확보를 위해 혼화제(PCSP, HPMC)의 사용량을 최적화하여 자기충전 특성을 부여하였다. 이로부터 강섬유 혼입 시멘트 모르타르의 배합은 강섬유 혼입률이 1.0% 및 1.5%로서 Table 5과 같게 결정되었으며, 강섬유 혼입률 1.0% 및 1.5% 각각의 경우 슬럼프 플로우 측정값은 685 mm 및 678 mm로서 충분한 자기 충전성이 확보되었다.
그 후 변위가 증가하여도 내력이 증가하지 않고 강도저하 및 강성저하 현상의 경향이 뚜렷하게 나타내었다. 이후 내력이 감소하면서 변형이 증가하다가 최대 91.6 mm 변위에서 휨 균열폭의 증대, 주철근의 좌굴, 압축 콘크리트의 압괴, 및 피복 박리가 급진전되면서 소성힌지 위험 구간의 내력저하로 더 이상의 내력을 부담할 수 없는 것으로 나타났다.
5∆y(9 cycle)에서 접합부 부근에서 균열의 발생이 증가되기 시작하였으며, 6∆y(19 cycle)에서 접합부 부근의 휨 균열이 증가하면서 콘크리트의 표면의 박리가 나타나기 시작하였다. 이후로 큰 균열의 발생 없이 균열폭이 점차 증가하였으나, 실험체 RC-0에 비해서 균열폭의 증대 및 표면박리 현상은 두드러지지 않았으며, 철근의 좌굴 또한 목격되지 않았다. 최대 횡방향 변위제어 9∆y(25 cycle)에 도달될 때까지 수평내력의 저하현상이 없이 최대내력을 나타내었다.
17 mm에서 더 이상 액츄에이터 변위 증가에 의한 하중 재하를 적용할 수 없어 재하 실험을 중지하였다. 일반 철근 콘크리트 기둥 실험체와 비교하여 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용한 이 실험체는 최초의 철근의 항복 시의 수평 변위값이 높게 관측되었으며, 철근의 항복 이후에도 반복하중의 재하에 따른 강도저하 및 강성저하 현상이 뚜렷하게 나타나지 않고 변위 증가에 따른 높은 내력증가 양상을 보여 구조적으로 안정된 거동을 발휘하였다.
12 MPa로 평가되었다. 한편 휨인장 실험 결과로부터 ASTM C1018 방법에 의한 인성지수평가에서,¹⁵⁾ 1.5% 섬유혼입률의 경우 최초 휨인장균열 발생 시의 실험체 중앙에서의 수직변위의 10.5배 변위에 도달될 때까지 예측된 인성지수는 3일, 7일, 그리고 28일 재령에서 수행된 휨인장 실험 결과 각각 15.8, 12.7, 그리고 10.3으로 평가되어 섬유 보강 시멘트 모르타르가 취성적인 무섬유 모르타르에 비해 인성 거동을 발휘하는 것으로 나타났다.
5∆y(5 cycle)까지 균열의 수가 증가하였다. 횡방향 변위제어 하중이 3∆y(12 cycle) 에서 6∆y(19 cycle) 사이에 도달하면서 접합부 부근에서의 균열폭이 점진적으로 증가하는 양상을 나타내었다. 이후로 큰 균열의 발생은 보이지 않았고, 6∆y(20 cycle)부터 표면박리가 기초와의 접합부 부근에서 관찰되기 시작하였다.

후속연구

3) 이 실험체와 같이 강섬유 혼입 모르타르의 구조 부재 적용시 현장타설의 경우 시공은 여러 단점이 있으므로, 강섬유 혼입 모르타르 적용의 경우 프리캐스트 방식으로 제작 및 공법화에 따라 적용하는 방법의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 고성능화 및 재료 특성을 개선하는 방법으로 무엇이 사용되어 왔는가?	콘크리트의 고강도화는 재료 자체의 수축과 취성, 폭열 문제 등 해결해야할 문제점을 가지고 있으며, 인장강도는 압축강도에 비해 적으므로 균열 발생이 쉬운 취성적 결점을 가지고 있다. 콘크리트의 고성능화 및 재료 특성을 개선하는 방법으로 첨단 섬유를 적용하는 방법이 사용되어 왔으며, 탄소섬유, 유리섬유, PVA 및 PP 등의 합성섬유 등 여러 종류의 섬유가 고려되어왔다.1,2) 한편, 철근콘크리트 기둥의 경우, 지진하중과 같은 횡하중 하에 서는 기둥 하단부에서 철근이 항복 및 좌굴하면서 콘크리트에 균열 및 파괴가 급격히 증대되어 내력을 상실하게 되는 파괴 양상을 나타낸다.
	콘크리트의 고강도화는 어떤 문제점을 갖고 있는가?	콘크리트의 고강도화는 재료 자체의 수축과 취성, 폭열 문제 등 해결해야할 문제점을 가지고 있으며, 인장강도는 압축강도에 비해 적으므로 균열 발생이 쉬운 취성적 결점을 가지고 있다. 콘크리트의 고성능화 및 재료 특성을 개선하는 방법으로 첨단 섬유를 적용하는 방법이 사용되어 왔으며, 탄소섬유, 유리섬유, PVA 및 PP 등의 합성섬유 등 여러 종류의 섬유가 고려되어왔다.
	본 연구에서 섬유 혼입 시멘트 모르타르를 활용하여 내진형 철근 콘크리트 복합 기둥 실험체를 제작하여 내진성능 실험을 수행한 결과는 어떠한가?	1) 인장 균열 발생 이후의 콘크리트의 취성 및 균열에 대한 취약성을 개선한 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 기둥의 휨 위험단면의 소성힌지 발생구간인 기초바닥으로부터 상부로 기둥 단면 유효깊이의 2배 높이로 타설한 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용한 철근콘크리트 내진형 복합 기둥의 경우 일반 철근콘크리트 기둥 실험체에 비해 횡방향 최대 내력 및 변형능력 향상에 우수하였다. 이는 소성힌지 부근에서의 휨 및 전단 균열 억제에 따른 휨 파괴, 주철근의 좌굴, 및 콘크리트 박리 등의 현상을 억제할 수 있었기 때문으로 판단된다. 2) 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용한 실험체의 경우 띠철근을 배근하지 않은 경우에도 충분히 전단 균열을 억제할 수 있는 것으로 나타나, 기둥의 휨 위험단면부근을 중심으로 국부적으로 강섬유 혼입 시멘트 모르타르를 적용할 경우 띠철근의 사용량을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 3) 이 실험체와 같이 강섬유 혼입 모르타르의 구조 부재 적용시 현장타설의 경우 시공은 여러 단점이 있으므로, 강섬유 혼입 모르타르 적용의 경우 프리캐스트 방식으로 제작 및 공법화에 따라 적용하는 방법의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)
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Kanda, T. and Li, V. C., "Interface Property and Apparent Strength of a High Strength Hydrophilic Fiber in Cement Matrix," Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 10, No. 1, 1998, pp. 5-13.

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콘크리트의 고성능화 및 재료 특성을 개선하는 방법으로 첨단 섬유를 적용하는 방법이 사용되어 왔으며, 탄소섬유, 유리섬유, PVA 및 PP 등의 합성섬유 등 여러 종류의 섬유가 고려되어왔다.^1,2)

⁽¹⁾Diameter (mm)

⁽¹⁾B: OPC+FA+BFS
방진욱, 김정수, 이방연, 장영일, 김윤용, "하이브리드 섬유로 보강된 고강도 경량 시멘트 복합체의 개발," 한국복합재료학회 논문집, 23권, 4호, 2010, pp. 35-43.

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콘크리트의 고성능화 및 재료 특성을 개선하는 방법으로 첨단 섬유를 적용하는 방법이 사용되어 왔으며, 탄소섬유, 유리섬유, PVA 및 PP 등의 합성섬유 등 여러 종류의 섬유가 고려되어왔다.^1,2)
Priestley, M. J. N., Seible, F., and Calvi, G. M., Seismic Design and Retrofit of Bridges, John Wiley & Sons, New York, 1996, 686 pp.

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한편, 철근콘크리트 기둥의 경우, 지진하중과 같은 횡하중 하에서는 기둥 하단부에서 철근이 항복 및 좌굴하면서 콘크리트에 균열 및 파괴가 급격히 증대되어 내력을 상실하게 되는 파괴 양상을 나타낸다.³⁾
Cho, C. G., Kwon, M., and Spacone, E., "Analytical Model of Concrete-Filled Fiber-Reinforced Polymer Tubes based on Multiaxial Constitutive Laws," ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 131, No. 9, 2005, pp. 1426-1433.

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한편 강관충전 및 강-콘크리트 합성, 또는 CFRP 복합재료를 이용한 합성 기둥을 사용할 경우 강재 및 탄소섬유 사용량의 증가는 경제적 측면에서 불리할 수 있다.^4-6)
조창근, "FRP 콘크리트 복합구조 부재시스템의 휨 및 전 단거동예측," 대한건축학회 구조계 논문집, 20권, 8호, 2004, pp. 35-42.

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한편 강관충전 및 강-콘크리트 합성, 또는 CFRP 복합재료를 이용한 합성 기둥을 사용할 경우 강재 및 탄소섬유 사용량의 증가는 경제적 측면에서 불리할 수 있다.^4-6)
정인규, 조창근, 박순응, "변위기반 설계법에 의한 RC 기둥의 Steel Jacket 보강 내진성능개선 설계법," 한국공간구조학회 논문집, 10권, 4호, 2010, pp. 49-57.

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한편 강관충전 및 강-콘크리트 합성, 또는 CFRP 복합재료를 이용한 합성 기둥을 사용할 경우 강재 및 탄소섬유 사용량의 증가는 경제적 측면에서 불리할 수 있다.^4-6)
ACI Committee 544, "Design Consideration for Steel Fiber Reinforced Concrete," Structural Journal, Vol. 85, No. 5, 1988, pp. 563-580.

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인장 균열 발생 시 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성 파괴되는 단점을 개선하고, 균열강도 이후 국부균열이 발생하지 않고 미세균열이 넓게 분포하도록 브리징 효과를 발휘하여 휨 및 전단 거동 하에서 내진저항능력 및 변형능력을 향상시켜주는 장점이 기대될 수 있다.^7-12)
Swamy, R. N. and Bahia, H. M., "Effectiveness of Steel Fibers as Shear Reinforcement," Concrete International: Design and Construction, Vol. 7, No. 3, 1985, pp. 35-40.

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인장 균열 발생 시 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성 파괴되는 단점을 개선하고, 균열강도 이후 국부균열이 발생하지 않고 미세균열이 넓게 분포하도록 브리징 효과를 발휘하여 휨 및 전단 거동 하에서 내진저항능력 및 변형능력을 향상시켜주는 장점이 기대될 수 있다.^7-12)
Li, V. C., "From Micromechanics to Structural Engineering- The Design of Cementitious Composites for Civil Engineering Applications," Journal of Structural Mechanics and Earthquake, Vol. 10, No. 2, 1993, pp. 37-48.

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인장 균열 발생 시 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성 파괴되는 단점을 개선하고, 균열강도 이후 국부균열이 발생하지 않고 미세균열이 넓게 분포하도록 브리징 효과를 발휘하여 휨 및 전단 거동 하에서 내진저항능력 및 변형능력을 향상시켜주는 장점이 기대될 수 있다.^7-12)
Cho, C. G., Ha, G. J., and Kim, Y. Y., "Nonlinear Model of Reinforced Concrete Frames Retrofitted by In-Filled HPFRCC Walls," Structural Engineering and Mechanics, Vol. 30, No. 2, 2008, pp. 211-223.

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인장 균열 발생 시 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성 파괴되는 단점을 개선하고, 균열강도 이후 국부균열이 발생하지 않고 미세균열이 넓게 분포하도록 브리징 효과를 발휘하여 휨 및 전단 거동 하에서 내진저항능력 및 변형능력을 향상시켜주는 장점이 기대될 수 있다.^7-12)
조창근, 김윤용, "섬유보강 고인성시멘트복합체패널의 2축 전단 비선형 모델," 한국전산구조공학회 논문집, 22 권, 6호, 2009, pp. 597-605.

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인장 균열 발생 시 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성 파괴되는 단점을 개선하고, 균열강도 이후 국부균열이 발생하지 않고 미세균열이 넓게 분포하도록 브리징 효과를 발휘하여 휨 및 전단 거동 하에서 내진저항능력 및 변형능력을 향상시켜주는 장점이 기대될 수 있다.^7-12)
조창근, 한병찬, 이정한, 김윤용, "압출성형 ECC 패널을 이용하여 제작된 복합바닥슬래브의 휨 거동," 콘크리트 학회 논문집, 22권, 5호, 2010, pp. 695-702.

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인장 균열 발생 시 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성 파괴되는 단점을 개선하고, 균열강도 이후 국부균열이 발생하지 않고 미세균열이 넓게 분포하도록 브리징 효과를 발휘하여 휨 및 전단 거동 하에서 내진저항능력 및 변형능력을 향상시켜주는 장점이 기대될 수 있다.^7-12)
Tang, J., Hu, C., Yang, K., and Yan, Y., "Seismic Behavior and Shear Strength of Framed Joint Using Steel-Fiber Reinforced Concrete," Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 2, 1992, pp. 341-358.

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이로부터 강섬유 콘크리트를 적용한 경우 접합부의 전단강도 및 최초 균열 발생 시의 균열 전단응력이 크게 향상되는 것으로 평가되었다.¹³⁾
Liu, C., "Seismic Behaviour of Beam-Column Joint Subassemblies Reinforced Concrete with Steel Fibers," Master's Thesis, University of Canterbury, New Zealand, 2006, 195 pp.

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Liu(2006)는 철근콘크리트 보 -기둥 접합부에 섬유혼입률 1.0%의 강섬유를 혼입한 실험체를 제작하여 기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체와 비교한 내진 성능 실험 평가에서 접합부 전단 내력이 10.8~16.5% 정도 개선된 것으로 나타났다.¹⁴⁾
ASTM C1018, Standard Test Methods for Flexural Toughness and First Crack Strength of Fiber Reinforced Concrete, ASTM, Vol. 4.02, 1997, pp. 634-637.

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한편 휨인장 실험 결과로부터 ASTM C1018 방법에 의한 인성지수평가에서,¹⁵⁾ 1.5% 섬유혼입률의 경우 최초 휨인장균열 발생 시의 실험체 중앙에서의 수직변위의 10.5배 변위에 도달될 때까지 예측된 인성지수는 3일, 7일, 그리고 28일 재령에서 수행된 휨인장 실험 결과 각각 15.8, 12.7, 그리고 10.3으로 평가되어 섬유 보강 시멘트 모르타르가 취성적인 무섬유 모르타르에 비해 인성 거동을 발휘하는 것으로 나타났다.

저자의 다른 논문 :

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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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