[논문]섬유 보강재로 외부 보강된 강섬유 보강 콘크리트 슬래브의 충격저항성능 평가

류두열; 민경환; 이진영; 윤영수

doi:10.4334/jkci.2012.24.3.293

섬유 보강재로 외부 보강된 강섬유 보강 콘크리트 슬래브의 충격저항성능 평가
Evaluating Impact Resistance of Externally Strengthened Steel Fiber Reinforced Concrete Slab with Fiber Reinforced Polymers 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.3, 2012년, pp.293 - 303

류두열 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 민경환 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 이진영 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 윤영수 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
AI-Helper

최근 건설기술의 발전에 따라 구조물이 대형화, 고층화, 장대화되고 있으며, 동시에 다양한 기능을 수행하고 있다. 그러나 요즘 들어 그 빈도수가 증가하고 있는 충돌 사고나 테러에 의한 폭발, 화재 등에 의한 극한하중이 상기의 구조물에 작용할 경우, 구조물의 손상뿐만 아니라 인명과 재산의 피해 정도가 상당히 커질 수 있다. 특히, 충격이나 폭발하중은 구조물에 작용하는 압력 또는 하중이 매우 짧은 시간에 발생하게 되고, 이러한 하중을 받는 구조물은 준-정적(quasi-static) 하중을 받는 구조물과는 다른 응답을 나타내게 되며 반드시 변형률 속도와 손상 효과를 고려해서 설계가 이루어져야 한다. 그러므로 이 연구에서는 콘크리트 슬래브의 충격저항성능 향상을 위해서 강섬유를 전체 부피의 0%에서 1.5%까지 혼입하고, 두 가지 종류의 FRP 시트를 인장부에 보강하여 저속 충격하중에서의 휨 실험을 수행하였다. 실험 결과 FRP 시트를 인장부에 보강할 경우에 최대 충격하중 및 소산에너지, 파괴 시의 타격 횟수가 증가하였으며, 최대 처짐 및 회전각은 감소하여 충격저항성능이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 추후 극한하중에 노출될 수 있는 주요 시설물의 설계 시 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 이 논문에서는 두 가지 종류의 FRP 시트로 보강된 강섬유 보강 콘크리트 슬래브의 저속 충격하중에서의 동적응답을 해석하기 위하여 외연적 시간적분에 기초한 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였으며, 해석 결과 오차율 5% 이내로 비교적 정확하게 최대 처짐을 예측하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as construction technology improved, concrete structures not only became larger, taller and longer but were able to perform various functions. However, if extreme loads such as impact, blast, and fire are applied to those structures, it would cause severe property damages and human casualties. Especially, the structural responses from extreme loading are totally different than that from quasi-static loading, because large pressure is applied to structures from mass acceleration effect of impact and blast loads. Therefore, the strain rate effect and damage levels should be considered when concrete structure is designed. In this study, the low velocity impact loading test of steel fiber reinforced concrete (SFRC) slabs including 0%~1.5% (by volume) of steel fibers, and strengthened with two types of FRP sheets was performed to develop an impact resistant structural member. From the test results, the maximum impact load, dissipated energy and the number of drop to failure increased, whereas the maximum displacement and support rotation were reduced by strengthening SFRC slab with FRP sheets in tensile zone. The test results showed that the impact resistance of concrete slab can be substantially improved by externally strengthening using FRP sheets. This result can be used in designing of primary facilities exposed to such extreme loads. The dynamic responses of SFRC slab strengthened with FRP sheets under low velocity impact load were also analyzed using LS-DYNA, a finite element analysis program with an explicit time integration scheme. The comparison of test and analytical results showed that they were within 5% of error with respect to maximum displacements.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

²⁷⁾ 변형률 속도가 빠를수록 부재의 강도는 증가하는 경향을 보이며, 흔히 충격이나 폭발과 같이 높은 변형률 속도를 갖는 부재의 거동을 예측하기 위해서는 DIF를 구하여 정적하중 상태에서 측정한 강도에 곱하여 반영한다. 그러므로 이 연구에서는 낙하 추의 충격 하중에 의한 부재의 압축 변형률 속도를 측정하기 위하여, Fig. 11과 같이 부재의 상부면에 콘크리트 표면게이 지를 부착하여 시간에 따른 압축 변형률을 측정하였다. 낙하 추가 부재의 중앙부를 타격하기 때문에 콘크리트표면게이지는 끝단에서 15 mm 떨어진 곳에 부착하여 실험을 수행하였다.
이 연구에서는 FRP 시트로 보강된 강섬유 보강 콘크리트(steel fiber reinforced concrete, SFRC) 슬래브의 충격 저항성능을 평가하기 위하여, 50 × 100 × 350 mm 크기의 콘크리트 슬래브에 강섬유를 0%에서 1.5%까지 혼입하고 아라미드섬유 보강재(AFRP)와 탄소섬유 보강재(CFRP)를 인장부에 부착하여 저속 충격하중 실험을 수행하였다.
이 연구에서는 강섬유의 혼입과 FRP 시트의 보강 여부를 변수로 하여 저속 충격하중이 콘크리트 슬래브에 미치는 영향을 실험을 통해 분석하였으며, 충격에 의한 구조물의 동적거동을 예측하기 위하여 외연적 유한요소 해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 충격 해석을 수행하였다. 이 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

충격하중 실험은 Fig. 2(a)와 같이 최대 용량 800 J의 낙하식 충격 시험기(drop-weight impact testing machine)를 사용하여 실시하였으며, 충격하중과 낙하 속도는 낙하되는 추의 텁 (tup)에 설치된 로드셀(load cell)과 속도계를 이용하여 0.0024 ms(millisecond)의 시간 간격으로 데이터를 측정하였다. 낙하 추의 직경은 25 mm이고 타격부위는 반구형의 형태이다.
저속 충격하중에서의 일방향 SFRC 슬래브의 휨 거동을 평가하기 위하여 50 × 100 × 350 mm 크기의 각주형 시편을 제작하였다. 강섬유는 전체 부피의 0%에서 1.5% 로 혼입률을 달리하여 적용하였고, FRP 시트의 종류에 따른 충격저항성능을 평가하고자 두 가지 종류의 FRP (AFRP, CFRP) 시트를 사용하였으며 일방향(uni-direction)으로 배열된 FRP 시트 2겹을 슬래브의 인장부에 길이방향으로 보강하였다. 특히, FRP 시트는 Fig.
강섬유의 혼입률에 따른 콘크리트의 압축강도를 평가하기 위하여 KS F 2405의 규정에 따라서 Φ100 × 200 mm 크기의 원주형 공시체를 재령별로 각각 3개씩 제작하고 20±3℃인 수조에서 28일간 수중 양생한 이후에 강도실험을 수행하였다.
²⁵⁾그러나 모든 시편의 크기가 동일하고 또한 동일한 속도와 크기의 충격하중을 가하였기 때문에 시편별 관성 하중의 차이는 미미할 것으로 판단되며, 섬유 혼입률과 FRP 시트의 보강여부에 따른 순수 휨 하중(true bending load)의 경향은 낙하 추의 텁에서 측정한 하중과 유사할 것으로 생각된다. 그러므로 이 연구에서는 낙하 추의 텁에서 측정한 하중을 토대로 섬유 혼입률과 FRP 시트의 종류 및 보강 여부에 따른 충격저항성능을 비교하였다.²⁶⁾
구조물의 변형에 소요되는 시간이 매우 짧은 충격 및 폭발하중의 경우 외연적 시간적분에 기초한 유한요소해석을 수행해야한다. 따라서 이 연구에서는 충격 및 폭발 해석에 적합하다고 알려진 LS-DYNA를 사용하여 충격 해석을 수행하였으며, 낙하 추를 직접 모델링하여 실제 실험과 동일한 충격에너지를 부재에 가하였다. SFRC 슬래브와 낙하 추에는 솔리드 요소(solid element)를 적용하였으며, 두 재료 사이의 계면은 AUTOMATIC_SURFACE _TO_SURFACE 모델을 사용하여 모델링을 해주었다.
5%까지 혼입하였다. 또한, FRP 시트의 외부 보강에 따른 충격저항성능을 평가하기 위하여 일방향의 FRP 시트를 2겹으로 하여 시편의 인장 부에 에폭시 수지로 부착하였다. 이 연구에서 사용한 배합 상세는 Table 1과 같으며, 강섬유의 물성은 Table 2에 나타내었다.
대부분의 경우는 재료실험을 통해 측정된 실측값이며, 실험을 통해 얻지 못한 일부 데이터는 관련 문헌을 참고하여 적용하였다. 또한, 변형률 속도에 따른 FRP의 강도증가 효과는 콘크리트에 비해 미미하며,¹⁹⁾ 따라서 이 연구에서는 FRP 및 SFRC 슬래브와 FRP의 계면에 대한 DIF는 고려하지 않고 해석을 수행하였다.
5%까지 혼입하고 아라미드섬유 보강재(AFRP)와 탄소섬유 보강재(CFRP)를 인장부에 부착하여 저속 충격하중 실험을 수행하였다. 또한, 충격 및 폭발하중과 같이 변형률 속도가 상당히 빠르게 발생하는 구조물의 동적응답을 해석하기 위하여 외연적 시간적분(explicit time integration)에 기초한 유한요소 해석 프로그램인 LS-DYNA v.971을 사용하여 FRP로 외부 보강된 SFRC 슬래브의 동적거동을 분석하였다.
SFRC 슬래브와 낙하 추에는 솔리드 요소(solid element)를 적용하였으며, 두 재료 사이의 계면은 AUTOMATIC_SURFACE _TO_SURFACE 모델을 사용하여 모델링을 해주었다. 모델링한 부재의 상세는 Fig. 3과 같으며 지점부는 x, y, z 방향에 대해서 변위와 회전을 모두 구속하였고, 일방향으로 배열된 FRP 시트는 Belytschko-Tsay 쉘요소(shell element)를 적용하였다.
이 연구에서는 실험 장비의 여건상 충격하중을 낙하 추의 텁에 설치된 로드셀을 이용하여 측정하였으며, 따라서 관성 하중(inertial load)을 포함하고 있다.²⁵⁾그러나 모든 시편의 크기가 동일하고 또한 동일한 속도와 크기의 충격하중을 가하였기 때문에 시편별 관성 하중의 차이는 미미할 것으로 판단되며, 섬유 혼입률과 FRP 시트의 보강여부에 따른 순수 휨 하중(true bending load)의 경향은 낙하 추의 텁에서 측정한 하중과 유사할 것으로 생각된다.
이 실험에는 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 최대치수 13 mm인 부순 자갈을 굵은 골재로 사용하였으며, 잔골재는 세척사를 사용하였다. 충분한 워커빌리티를 확보하기 위하여 액상형 폴리카르본산계 고성능 감수제를 1% 혼입 하였으며, 강섬유의 혼입에 따른 충격저항성능을 평가하기 위하여 길이 30 mm의 번들형 양단 hooked type의 강섬유를 전체 부피의 0%에서 1.5%까지 혼입하였다. 또한, FRP 시트의 외부 보강에 따른 충격저항성능을 평가하기 위하여 일방향의 FRP 시트를 2겹으로 하여 시편의 인장 부에 에폭시 수지로 부착하였다.
2(b)와 같이 강재 프레임을 볼트로 고정하였다. 타격면에서의 낙하 추의 관입 현상을 배제한 부재의 순수 처짐량을 측정하기 위하여 슬래브의 중앙하부에 LVDT(linear voltage differential transformer)를 고정하였으며, 최대 샘플링 속도 20 kHz인 동적 데이터로거를 사용하여 0.1 ms의 시간 간격으로 측정하였다. 여기서, NS는 FRP 시트를 보강하지 않은 SFRC 슬래브이며, AS는 AFRP 시트로 보강된 SFRC 슬래브, CS는 CFRP 시트로 보강된 시편을 의미 한다.
타설된 콘크리트 시편은 20±3℃에서 14일간 수중 양생한 이후에 FRP 시트를 부착하였으며, 부착 이후에는 온도 20±3℃, 상대습도 50%인 항온항습실에서 14일간 추가로 기건 양생을 수행하였다.
휨강도는 100 × 100 × 400 mm 크기의 각주형 시편을 제작하여 압축강도와 동일한 온도의 수조에서 28일간 수중 양생한 이후에 KS F 2566 규정에 준하여 3등분점 재하 휨 실험을 수행하였으며, 압축 및 휨강도는 모두 최대용량 2,500 kN의 UTM(universal testing machine)을 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

이 실험에는 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 최대치수 13 mm인 부순 자갈을 굵은 골재로 사용하였으며, 잔골재는 세척사를 사용하였다. 충분한 워커빌리티를 확보하기 위하여 액상형 폴리카르본산계 고성능 감수제를 1% 혼입 하였으며, 강섬유의 혼입에 따른 충격저항성능을 평가하기 위하여 길이 30 mm의 번들형 양단 hooked type의 강섬유를 전체 부피의 0%에서 1.
저속 충격하중에서의 일방향 SFRC 슬래브의 휨 거동을 평가하기 위하여 50 × 100 × 350 mm 크기의 각주형 시편을 제작하였다.
5% 로 혼입률을 달리하여 적용하였고, FRP 시트의 종류에 따른 충격저항성능을 평가하고자 두 가지 종류의 FRP (AFRP, CFRP) 시트를 사용하였으며 일방향(uni-direction)으로 배열된 FRP 시트 2겹을 슬래브의 인장부에 길이방향으로 보강하였다. 특히, FRP 시트는 Fig. 1과 같이 지점을 제외한 순경간(300 mm)에만 부착을 하고 실험을 수행하였다. 타설된 콘크리트 시편은 20±3℃에서 14일간 수중 양생한 이후에 FRP 시트를 부착하였으며, 부착 이후에는 온도 20±3℃, 상대습도 50%인 항온항습실에서 14일간 추가로 기건 양생을 수행하였다.

이론/모형

따라서 이 연구에서는 충격 및 폭발 해석에 적합하다고 알려진 LS-DYNA를 사용하여 충격 해석을 수행하였으며, 낙하 추를 직접 모델링하여 실제 실험과 동일한 충격에너지를 부재에 가하였다. SFRC 슬래브와 낙하 추에는 솔리드 요소(solid element)를 적용하였으며, 두 재료 사이의 계면은 AUTOMATIC_SURFACE _TO_SURFACE 모델을 사용하여 모델링을 해주었다. 모델링한 부재의 상세는 Fig.
그러나 상기의 식은 일반 콘크리트(normal concrete, NC) 및 고강도 콘크리트(high strength concrete, HSC)의 실험 결과를 토대로 제안되었기 때문에 섬유를 혼입한 섬유보강 콘크리트(fiber reinforced concrete, FRC)에는 적합하지 않다. 그러므로 FRC의 변형률 속도에 따른 압축강도 증가효과를 고려할 수 있도록 CEB-FIP code를 수정 제안한 식 (7)을 사용하여 DIF값을 계산하였으며, LS-DYNA 를 이용한 구조물의 동적응답해석에 적용하였다.¹⁶⁾ 이 연구에서는 추를 일정한 높이에서 자유낙하시켜 부재에 충격하중을 가하였기 때문에 저속 충격하중 실험에 해당하며, 슬래브 시편에서 발생한 최대 압축 변형률 속도는 0.
하는 재료의 정확성을 향상시킬 수 있다. 그러므로 이 연구에서는 SFRC에 주로 적용되는 Gruneisen EOS를 적용하였으며, 압축 및 팽창하는 재료의 압력은 식 (5)와 식 (6)과 같이 정의될 수 있다.¹⁴⁾
따라서 이 연구에서는 전단 변형이 고려된 직교 이방성의 탄성상수를 갖는 ORTHOTROPIC_ELASTIC 모델(MAT_2)을 적용하였으며, 상기 모델의 응력-변형률 관계는 다음의 과정을 통해서 유도될 수 있다.
이 연구에서는 SFRC의 재료 모델로 적합하다고 알려진 ELASTIC_PLASTIC_HYDRO 모델(MAT_10)을 사용 하여 SFRC 슬래브의 모델링을 수행하였다.^13,14) 이 재료모델은 일축 압축강도 실험을 통한 유효 응력-유효 변형률 곡선을 반영하여 균열 이후의 SFRC의 연화거동을 효과적으로 고려할 수 있으며, ADD_EROSION(MAT_0) 옵션을 사용하면 부재의 침식(erosion)을 고려할 수 있고 낙하 추의 관입 현상이나 균열, 손상도를 파악할 수 있다.
콘크리트의 인장강도에 대한 DIF는 Malvar 등¹⁷⁾에 의해 수정 제안된 식을 적용하였다. 재료 모델에 사용된 강섬유 혼입률에 따른 SFRC의 유효 응력-유효 변형률 곡선과 그 외의 SFRC의 재료 물성은 Fig.

성능/효과

Fig. 6(a)에서 볼 수 있듯이 FRP 시트의 보강으로 인해 평균적으로 약 19%의 최대 충격하중이 증가하는 것으로 나타났으며, 또한 섬유의 혼입률에 따라서도 증가하는 경향을 보였다. 낙하 추의 텁에서 측정된 최대 변위는 반대로 FRP 시트로 보강한 경우에 평균적으로 약 34% 감소하는 경향을 보였으며, 섬유의 혼입률이 증가할수록 최대 처짐이 감소하는 것으로 나타났다(Fig.
그러나 낙하 추의 1회 타격만 으로 부재가 크게 파손되어 부모멘트에 의한 바운스 현상은 발생하지 않았고 잔류 처짐이 발생하였다. 0.5%의 섬유를 혼입한 AS-0.5%와 CS-0.5% 시편에서 최대 처짐과 잔류 변형이 가장 크게 나타났으며, 섬유의 혼입률이 증가할수록 최대 처짐은 감소하는 경향을 보였다. 이는 정하중 실험 결과와 동일하게 다수의 섬유가 균열면에서 가교 역할을 하여 충격저항성능을 향상시켰기 때문으로 판단된다.
1) 정하중 실험 결과보다 많은 양의 강섬유를 혼입할 경우 압축강도는 감소하였고, 반면에 휨강도는 증가하는 것으로 나타났다. 압축강도는 감소한데 반해 휨강도와 연성이 증가한 이유는 균열면에서 다수의 강섬유가 가교역할을 해주어 균열 저항성능을 향상시켰기 때문으로 판단된다.
2) FRP 시트를 인장부에 보강하지 않은 NS 시편의 경우 주로 1회 타격 이후에 단부와 슬래브의 중앙에서 소성힌지가 발생하여 최종 파괴되는 양상을 보였으며, FRP 시트로 보강한 AS 및 CS 시편의 경우에는 NS에 비해 평균적으로 약 19%의 최대 충격하중이 증가하였고 약 2.3~2.7배의 소산에너지 및 파괴 시의 타격 횟수가 증가하는 것으로 나타났다.
보통 강섬유의 혼입률이 증가할수록 압축 및 인장강도 모두 증가하는 경향을 보인다.²¹⁾그러나 이 연구에서는 압축강도의 경우 섬유의 혼입률이 증가할수록 약 1.5%에서 13% 감소하였으며, 반면에 휨강도는 약 0.2%에서 24%까지 증가하는 경향을 보였다.^22,23) 압축강도가 감소한 이유는 콘크리트 타설 시 강섬유가 잘 분산되지 않아 균질성이 감소했기 때문으로 판단되며,²⁴⁾ 섬유의 혼입률이 클수록 휨강도가 증가한 이유는 균열면에서 보다 많은 강섬유가 가교 역할(bridging effect)을 해주어 균열 저항성능을 향상시켰기 때문이다.
27) 변형률 속도가 빠를수록 부재의 강도는 증가하는 경향을 보이며, 흔히 충격이나 폭발과 같이 높은 변형률 속도를 갖는 부재의 거동을 예측하기 위해서는 DIF를 구하여 정적하중 상태에서 측정한 강도에 곱하여 반영한다. 그러므로 이 연구에서는 낙하 추의 충격 하중에 의한 부재의 압축 변형률 속도를 측정하기 위하여, Fig.
29) 동일한 양의 강섬유를 혼입한 경우, CFRP에 비해 AFRP 시트로 보강한 경우가 최대 처짐 및 회전각(θ)이 작게 나타나 충격 저항성능이 더 우수한 것으로 나타났다.
3) 슬래브 중앙에서의 최대 처짐은 AS가 CS 시편에 비해 작은 것으로 나타났으며, 시간에 따른 처짐 경향은 서로 유사하였다. 주로 낙하 추의 타격 이후에 휨 균열의 발생과 FRP 시트의 박리 등 부재가 파손되어 부모멘트에 의한 바운스 현상 없이 잔류 처짐이 발생하였고, 강섬유의 혼입률에 따른 최대 변형률 속도는 약 0.
4) 변형률 속도 효과를 고려한 비선형 재료 모델을 적용하여 LS-DYNA 해석을 수행한 결과 실험을 통해 측정한 최대 처짐과 오차율 5% 이하로 비교적 정확 하게 일치하는 것으로 나타났으며, 강섬유의 혼입률 증가함에 따른 최대 처짐 감소현상을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 그러나 최대 처짐 도달시간은 실험값에 비해 평균적으로 약 6 ms 빠른 것으로 나타났으며, 이는 충격하중에 의해 구조물의 응답에 걸리는 시간이 매우 짧고 실험 시 존재하는 여러 영향들을 해석에 모두 반영할 수 없기 때문으로 판단된다.
AFRP 시트와 CFRP 시트로 외부 보강한 AS 및 CS의 경우에는 NS에 비해 최대 하중과 충격량이 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 하중 이후에 하중이 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. Fig.
NS의 경우에는 대부분의 시편이 1회 타격으로 완전 파괴되었기 때문에 LVDT를 설치하여 처짐을 측정할 수가 없었다. AS와 CS 시편은 유사한 처짐 경향을 보였으며 충격하중에 의한 최대 처짐 이후에는 양단 지점의 구속에 의해 처짐이 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 낙하 추의 1회 타격만 으로 부재가 크게 파손되어 부모멘트에 의한 바운스 현상은 발생하지 않았고 잔류 처짐이 발생하였다.
부재의 양 끝단에서 균열이 발생한 이유는 강재 프레임이 부재의 회전을 구속하여 지점에서 최대 모멘트가 발생했기 때문이며, 양 끝단에서 균열이 발생한 이후에는 증가 하는 외력에 의해서 부재의 중앙에서도 휨 균열이 발생 하였다. AS와 CS의 경우에도 지점부의 구속으로 인해 단부에서 균열이 발생하는 경향을 보였으며, 최종적으로는 부재 중앙에서 집중되는 휨 균열의 발생과 함께 FRP 시트가 콘크리트와 박리되면서 파괴되었다(Fig. 10).
이 연구에서 측정한 강섬유의 혼입률에 따른 최대 변형률 속도는 Table 6에 나타내었다. DIF는 실험을 통해 측정된 최대 변형률 속도를 적용하여 산정하였으며, 1회 타격 시의 최대 변형률 속도는 약 0.190 s^-1에서 0.332 s^-1로 나타났다. 이 실험은 12.
보는 바와 같이 강섬유 혼입률 및 외부 보강된 FRP 시트의 종류에 따른 그래프의 경향은 유사한 것으로 나타났다. FRP 시트를 외부에 보강한 경우 최대 충격하중과 최대 충격하중에서의 처짐이 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 하중 이후에는 하중이 점진적으로 감소하였다. 양단 고정 조건에 의해서 최대 충격하중 이후에 텁에서 측정되는 하중이 반동하는 경향을 보였다.
변형률 속도 효과를 고려한 비선형 재료 모델 을 적용하여 수행한 LS-DYNA 해석 결과는 실험을 통해 측정한 최대 처짐과 오차율 5% 이하로 비교적 정확하게 일치하는 것으로 나타났으며, 강섬유의 혼입률 증가함에 따른 최대 처짐 감소현상을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 그러나 최대 처짐 도달시간은 해석 결과가 실험값에 비해 평균적으로 약 6 ms 빠른 것으로 나타났으며, 이는 유사한 최대 처짐값을 갖는 각 시편별로도 약 2 ms 이상의 시간 차이가 발생하는 것으로 보아 충격 실험 시 발생하는 지점 조건의 변화와 타격면의 표면 상태, FRP 시트와 콘크리트의 동적 계면특성 등에 의한 영향으로 판단된다. 이러한 최대 처짐 도달시간에 대한 해석 결과의 오차는 기존의 연구에서도 나타나는 현상이다.
6(a)에서 볼 수 있듯이 FRP 시트의 보강으로 인해 평균적으로 약 19%의 최대 충격하중이 증가하는 것으로 나타났으며, 또한 섬유의 혼입률에 따라서도 증가하는 경향을 보였다. 낙하 추의 텁에서 측정된 최대 변위는 반대로 FRP 시트로 보강한 경우에 평균적으로 약 34% 감소하는 경향을 보였으며, 섬유의 혼입률이 증가할수록 최대 처짐이 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 6(b)).
²⁹⁾동일한 양의 강섬유를 혼입한 경우, CFRP에 비해 AFRP 시트로 보강한 경우가 최대 처짐 및 회전각(θ)이 작게 나타나 충격 저항성능이 더 우수한 것으로 나타났다. 또한, 강섬유 혼입률이 증가할수록 최대 회전각은 감소하는 경향을 보였으며, 실험값과 해석 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
그러나 최대 처짐 도달시간은 실험값에 비해 평균적으로 약 6 ms 빠른 것으로 나타났으며, 이는 충격하중에 의해 구조물의 응답에 걸리는 시간이 매우 짧고 실험 시 존재하는 여러 영향들을 해석에 모두 반영할 수 없기 때문으로 판단된다. 또한, 동일한 양의 강섬유를 혼입한 경우, CS 시편에 비해 AS 시편의 경우가 최대 회전각이 작게 나타나 충격 저항성능이 더 우수한 것으로 나타났으며, 강섬유 혼입률이 증가할수록 최대 회전각은 감소하는 경향을 보였다.
12, 13은 시간에 따른 슬래브 중앙에서의 처짐을 나타낸다. 변형률 속도 효과를 고려한 비선형 재료 모델 을 적용하여 수행한 LS-DYNA 해석 결과는 실험을 통해 측정한 최대 처짐과 오차율 5% 이하로 비교적 정확하게 일치하는 것으로 나타났으며, 강섬유의 혼입률 증가함에 따른 최대 처짐 감소현상을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 그러나 최대 처짐 도달시간은 해석 결과가 실험값에 비해 평균적으로 약 6 ms 빠른 것으로 나타났으며, 이는 유사한 최대 처짐값을 갖는 각 시편별로도 약 2 ms 이상의 시간 차이가 발생하는 것으로 보아 충격 실험 시 발생하는 지점 조건의 변화와 타격면의 표면 상태, FRP 시트와 콘크리트의 동적 계면특성 등에 의한 영향으로 판단된다.
실험 결과 NS-0.5%, 0.75%, 1.0%를 제외하고는 모든 부재에서 2회 타격으로 부재가 최종 파괴되었다. 추의 낙하에 의해 시편에 가해지는 충격에너지는 위치에너지(= 133 J)와 유사하게 131.
이 실험에서는 12.965 kg의 추를 1.045 m의 높이에서 낙하시켜 부재의 중앙을 타격하였으며, 이때의 위치에너지는 약 133 J(kg·m2/s2)이고 충격속도는 평균적으로 약 4.5 m/sec로 나타났다.
332 s^-1로 나타났다. 이 실험은 12.965 kg의 추를 1.045 m의 높이에서 자유낙하시킨 것으로 저속 충격실험에 해당되기 때문에 기존의 폭발이나 고속 충격실험에 비해 변형률 속도가 작게 나타나는 경향을 보였다.
3) 슬래브 중앙에서의 최대 처짐은 AS가 CS 시편에 비해 작은 것으로 나타났으며, 시간에 따른 처짐 경향은 서로 유사하였다. 주로 낙하 추의 타격 이후에 휨 균열의 발생과 FRP 시트의 박리 등 부재가 파손되어 부모멘트에 의한 바운스 현상 없이 잔류 처짐이 발생하였고, 강섬유의 혼입률에 따른 최대 변형률 속도는 약 0.190 s^-1에서 0.332 s^-1로 나타났다.
0%를 제외하고는 모든 부재에서 2회 타격으로 부재가 최종 파괴되었다. 추의 낙하에 의해 시편에 가해지는 충격에너지는 위치에너지(= 133 J)와 유사하게 131.6~133.7 J로 나타났으며, 하중-처짐 곡선의 면적을 의미하는 소산에너지(dissipated energy)는 FRP 시트의 보강으로 약 2.3배에서 2.7배 증가하였다 (Fig. 8(a)).
양단 고정 조건에 의해서 최대 충격하중 이후에 텁에서 측정되는 하중이 반동하는 경향을 보였다. 특히, 슬래브의 단부와 중앙부에서 발생 하는 소성힌지 부위가 강섬유의 혼입과 FRP 시트의 보강효과로 인해 완전히 파단되지 않아 대부분의 시편에서 충격하중이 완전히 소산되지 않고 잔류 하중이 발생하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP를 구조물의 외부에 보강한 경우 무엇에 의해 보강성능이 달라질 수 있는가?	FRP를 구조물의 외부에 보강한 경우에는 부착 재료와 FRP의 부착 방법, 작업자 등에 의해서 보강성능이 달라질 수 있으며 파괴모드 또한 다양하다. 특히, ACI 440 위원회7)에서 제시하고 있는 콘크리트의 압축 파괴와 FRP 보강 시스템의 파괴 이외에도 콘크리트의 피복 분리, 휨 및 전단 균열부에서 유발되는 FRP 박리, 플레이트 단부에서의 박리 등 파괴모드가 매우 다양하며,8) 이를 설계 및 해석에 반영하기는 상당히 어렵다.
	콘크리트는 다른 건설재료에 비해 어떤 성능을 가지고 있는가?	콘크리트는 타 건설재료에 비해 충격이나 폭발, 화재 등의 극한하중에 우수한 저항성능을 지니고 있다. 그러나 비산물체에 의한 충격이나 테러에 의한 폭발하중 등을 고려하지 않고 설계된 기존의 콘크리트 구조물의 경우에는 상기의 예상치 못한 극한하중에 노출될 경우 위험할 수 있으며, 따라서 저항 성능을 향상시키기 위한 추가적인 보강이 필요하다.
	최근 연구가 활발한 극한하중에 노출된 콘크리트의 저항성능을 향상시키는 방법은 무엇이 있는가?	극한하중에 노출된 콘크리트의 저항성능을 향상시키는 방법은 다양하다. 그 중에서도 섬유를 시멘트 매트릭스에 혼입하여 콘크리트의 인장강도 및 연성을 향상시키는 방법과 섬유 보강재(fiber reinforced polymer, FRP)를 구조물의 외부에 부착하여 단면을 보강하는 방법은 최근 국·내외의 여러 연구자들에 의해 관련 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 높은 변형률 속도(strain rate)를 갖는 극한하중에 대해 우수한 저항성능을 보이는 FRP를 활용한 보강방법은 큰 각광을 받고 있다.3-6) 그러나 FRP를 단순히 구조물의 외부에 부착하여 단면의 강성만을 증가시킬 경우 오히려 취성적인 파괴모드가 발생할 수 있으며, 이와 같은 문제는 콘크리트에 섬유를 혼입하여 충격 및 폭발 에너지를 충분히 흡수할 수 있는 연성을 확보함으로써 해결할 수 있다.

참고문헌 (29)

Krauthammer, T., Modern Protective Structures, CRC Press, 2007.
Malvar, L. J., Crawford, J. E., and Morrill, K. B., "Use of Composites to Resist Blast," Journal of Composites for Construction, Vol. 11, No. 6, 2007, pp. 601-610.

상세보기
Buchan, P. A. and Chen, J. F., "Blast Resistance of FRP Composites and Polymer Strengthened Concrete and Masonry Structures - A State-of-the-art Review," Composites Part B, Vol. 38, Nos. 5-6, 2006, pp. 509-522.
Min, K. H., Yang, J. M., Yoo, D. Y., and Yoon, Y. S., "Flexural and Punching Performances of FRP and Fiber Reinforced Concrete on Impact Loading," The 5th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering, Beijing, China, 2010, pp. 410-414.
Silva, P. F. and Lu, B., "Improving the Blast Resistance Capacity of RC Slabs with Innovative Composite Materials," Composites Part B, Vol. 38, Nos. 5-6, 2007, pp. 523-534.

상세보기
Mosalam, K. M. and Mosallam, A. S., "Nonlinear Transient Analysis of Reinforced Concrete Slabs Subjected to Blast Loading and Retrofitted with CFRP Composites," Composites Part B, Vol. 32, No. 8, 2001, pp. 623-636.

상세보기
ACI Committee 440, "Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures," ACI 440.2R-02, American Concrete Institute, MI, USA, 2002, pp. 1-45.
Teng, J. G., Chen, J. F., Smith, S. T., and Lam, L., FRP Strengthened RC Structures, John Wiley & Sons, West Sussex, England, 2002, pp. 31-46.
Choi, H. and Krauthammer, T., "Development of Progressive Collapse Analysis Procedure Considering Local Buckling Effects," The 1st International Conference on Design and Analysis of Protective Structures against Impact/Impulsive/ Shock Loads (DAPSIL), Tokyo, Japan, 2003, pp. 481- 488.
김호진, 남진원, 김성배, 김장호, 변근주, "폭발하중을 받는 콘크리트 벽체 구조물의 보강 성능에 대한 해석적 분석," 콘크리트학회 논문집, 19권, 2호, 2007, pp. 241-250.

원문보기 상세보기
Nam, J. W., Kim, H. J., Kim, S. B., Yi, N. H., and Kim, J. H. J., "Numerical Evaluation of the Retrofit Effectiveness for GFRP Retrofitted Concrete Slab subjected to Blast Pressure," Composite Structures, Vol. 95, No. 5, 2010, pp. 1212-1222.
이진영, 김미혜, 민경환, 윤영수, "저속 충격하중에서의 FRP Sheet 및 강섬유 보강 콘크리트의 거동 해석," 구조 물진단학회지, 15권, 4호, 2011, pp. 155-164.

원문보기 상세보기
Teng, T. L., Chu, Y. A., Chang, F. A., Shen, B. C., and Cheng, D. S., "Development and Validation of Numerical Model of Steel Fiber Reinforced Concrete for High-Velocity Impact," Computational Materials Science, Vol. 42, No. 1, 2008, pp. 90-99.

상세보기
Wang, Z. L., Konietzky, H., and Huang, R. Y., "Elastic-Plastic- Hydrodynamic Analysis of Crater Blasting in Steel Fiber Reinforced Concrete," Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 52, No. 2, 2009, pp. 111-116.

상세보기
Comite Euro-International du Beton (CEB), CEB-FIP Model Code 1990, Redwood Books, Wiltshire, UK, 1993.
Wang, S., Zhang, M. H., and Quek, S. T., "Effect of High Strain Rate Loading on Compressive Behavior of Fibre- Reinforced High-Strength Concrete," Magazine of Concrete Research, Vol. 63, No. 11, 2011, pp. 813-827.

상세보기
Malvar L. J. and Ross C. A., "Review of Strain Rate Effects for Concrete in Tension," ACI Materials Journal, Vol. 95, No. 6, 1998, pp. 735-739.

상세보기
Livermore Software Technology Corporation (LSTC) LSDYNA, Keyword User's Manual Version 971, 2007.
Mutalib, A. A. and Hao, H., "Numerical Analysis of FRPComposite- Strengthened RC Panels with Anchorages against Blast Loads," Journal of Performance of Construction Facilities, Vol. 25, No. 5, 2011, pp. 360-372.

상세보기
Kim, H. J., Yi, N. H., Kim, S. B., Nam, J. W., Ha, J. H., and Kim, J. H. J., "Debonding Failure Analysis of FRP-Retrofitted Concrete Panel under Blast Loading," Structural Engineering and Mechanics, Vol. 38, No. 4, 2011, pp. 479- 501.

상세보기
Yaz c , S., Inan, G., and Tabak, V., "Effect of Aspect Ratio and Volume Fraction of Steel Fiber on the Mechanical Properties of SFRC," Construction and Building Materials, Vol. 21, No. 6, 2007, pp. 1250-1253.

상세보기
Eren, O. and Celik, T., "Effect of Silica Fume and Steel Fibers on Some Properties of High-Strength Concrete," Construction and Building Materials, Vol. 11, Nos. 7-8, 1997, pp. 373-382.

상세보기
Kayali, O., "Effect of High Volume Fly Ash on Mechanical Properties of Fiber Reinforced Concrete," Materials and Structures, Vol. 37, No. 5, 2004, pp. 318-327.
Ati¸s, C. D. and Karaham, O., "Properties of Steel Fiber Reinforced Fly Ash Concrete," Construction and Building Materials, Vol. 23, No. 1, 2009, pp. 392-399.

상세보기
Sukontasukkul, P. and Mindess, S., "The Shear Fracture of Concrete under Impact Loading Using End Confined Beams," Materials and Structures, Vol. 36, No. 6, 2003, pp. 372-378.

상세보기
Fujikake, K., Li, B., and Soeun, S., "Impact Response of Reinforced Concrete Beam and Its Analytical Evaluation," Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 135, No. 8, 2009, pp. 938-950.

상세보기
Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., and Ramsay, J., "Blast Loading and Blast Effects on Structures-An Overview," Electronic Journal of Structural Engineering, Special Issue: Loading on Structures, 2007, pp. 76-91.
Zhou, X. Q., Kuznetsov, V. A, Hao, H., and Waschl, J., "Numerical Prediction of Concrete Slab Response to Blast Loading," International Journal of Impact Engineering, Vol. 35, No. 10, 2008, pp. 1186-1200.

상세보기
이경구, "폭발하중을 받는 강재압축재의 잔여저항성능 평가," 대한건축학회지, 26권,10호, 2010, pp. 37-44.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증