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문제 정의
- 본 연구에서는 SFRC 터널 세그먼트 개발을 위한 기본 물성치에 대한 고찰을 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 터널 세그먼트에는 숏크리트에 사용되는 강섬유에 비하여 큰 형상비를 갖는 강섬유가 이용되기 때문에 본 실험에서는 형상비 80의 강섬유가 혼입된 SFRC의 인장특성을 일반적인 휨시험과 국내에서 최초로 시도되는 DPT 실험을 통하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 SFRC 터널 세그먼트 개발을 위한 기본 물성치에 대한 고찰을 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 터널 세그먼트에는 숏크리트에 사용되는 강섬유에 비하여 큰 형상비를 갖는 강섬유가 이용되기 때문에 본 실험에서는 형상비 80의 강섬유가 혼입된 SFRC의 인장특성을 일반적인 휨시험과 국내에서 최초로 시도되는 DPT 실험을 통하여 분석하였다. 본 연구를 통하여 획득한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 4. DPT 시험을 통하여 동일한 배합으로 제작된 실험체의 인장강도를 측정하였다. 휨시험의 변동계수가 3%에서 27%로 강섬유의 혼입률에 따라 매우 큰 것으로 나타난 반면, DPT 시험의 변동계수는 0.
- 본 연구에서는 SFRC의 휨강도 시험을 수행하였다. 휨강도는 KSF 2566(KSF, 2010)의 기준에 의하여 수행되었다.
- 이와 같은 결과는 C40과 C60에서 동일하게 확인할 수 있다. 이와 같은 실험결과로부터 설계를 위한 직접인장강도를 계산하였다. ACI 544.
- 본 연구에서는 고성능 터널 세그먼트 개발에 사용될 형상계수가 80인 강섬유를 활용한 압축강도 40 MPa, 60 MPa급의 SFRC의 인장특성평가를 휨시험과 Double Punch Test 방법(이하 DPT)을 통하여 평가하였다. 휨시험은 SFRC의 휨인장강도의 평가와 거동에 대한 직접적인 분석에 활용하였으며, DPT 시험은 간접적인 평가 방법이지만, 시험결과의 변동성이 매우 적은 시험방법으로 휨 시험결과를 평가하는데도 활용되었다. DPT 시험은 국내에서는 전혀 시도된 적이 없는 방법이지만 2005년 이후로 그 효용성이 유럽을 중심으로 검증되었으며, 최근에는 스페인의 공식 시험방법으로 인정되었다.
대상 데이터
- 을 변수로 하였다. 국외에서 개발하여 사용중인 TBM 터널 세그먼트에 섬유혼입량을 분석한 결과로부터 이와 같은 강섬유혼입량을 실험변수로 선정하였다. 이형철근과 강섬유를 동시에 사용하는 경우에는 강섬유의 체적비가 0.
- 본 시험에서는 직경 150 mm, 높이 300 mm의 공시체를 사용하였다. 또한, 원형 재하판(punch)은 직경 38 mm, 높이 25 mm로 제작하여 사용하였다. 하중재하속도는 휨시험과 동일하게 하였으며, 하중과 수직변위를 계측하였다(그림 4 참조).
- 또한 재하판은 재하 면적에 대하여 균일한 하중재하가 되도록 충분한 강성을 가지기 위하여 높이가 30 mm 이상이어야 한다고 주장하였다. 본 시험에서는 직경 150 mm, 높이 300 mm의 공시체를 사용하였다. 또한, 원형 재하판(punch)은 직경 38 mm, 높이 25 mm로 제작하여 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 강섬유는 국외 B사의 강섬유로 섬유형상비(l/d)는 80, 섬유길이는 60 mm의 후크 강섬유이다. 섬유의 인장강도는 제작사로부터 제공받은 자료에 의하면, 1,050 MPa이상이다.
- 콘크리트 재령 28일 압축강도는 KS F 2405(2005)에 의하여 측정되었으며, 결과는 표 3과 같다. 실험체명은 콘크리트 강도와 섬유혼입량으로 구성되며, C40_F2은 압축강도 40 MPa와 섬유혼입량 20 kg/m3인 실험체를 의미한다. 압축강도 결과는 40 MPa의 경우 설계압축강도의 20%를 초과하는 압축강도를 나타낸 반면, 60 MPa의 경우에는 최대 약 10% 정도 부족한 것으로 나타났다.
데이터처리
- 본 기준은 ASTM C 1609M-07(ASTM, 2007)의 기준과 동일하다. 동일한 변수에 대하여 3회의 시험을 수행하고 결과를 평균하였다. 그림 1(a)는 휨시험체의 제원과 시험방법을, 그림 1(b)는 시험전경을 나타내고 있다.
- 한편, 오영훈(2008)은 압축강도(fck, MPa)와 섬유의 형상계수(l/d)와 섬유혼입률(Vf)의 곱으로 표현된 강섬유계수(F = l/d × Vf)의 함수로 식 (5)와 같이 제안하였다. 본 연구에서는 각 연구자의 예측모델과 실험모델과의 차이를 식 (6)으로 계산하여 그 정확도를 비교하였다. 따라서 +값은 과대평가하는 것이며, -값은 과소평가하는 것이다.
- 모든 실험체의 휨인징강도는 표 4에 정리하였다. 표에서 변동계수는 표준편차를 평균치로 나누어 계산하였다. 휨인장강도는 섬유혼입률의 증가에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 나타낸다.
이론/모형
- SFRC를 활용한 영구 지보재인 터널 세그먼트의 개발은 무엇보다 그 성능의 평가에 대한 면밀한 분석이 수반되어야 한다. 본 연구에서는 고성능 터널 세그먼트 개발에 사용될 형상계수가 80인 강섬유를 활용한 압축강도 40 MPa, 60 MPa급의 SFRC의 인장특성평가를 휨시험과 Double Punch Test 방법(이하 DPT)을 통하여 평가하였다. 휨시험은 SFRC의 휨인장강도의 평가와 거동에 대한 직접적인 분석에 활용하였으며, DPT 시험은 간접적인 평가 방법이지만, 시험결과의 변동성이 매우 적은 시험방법으로 휨 시험결과를 평가하는데도 활용되었다.
- 본 연구에서는 SFRC의 휨강도 시험을 수행하였다. 휨강도는 KSF 2566(KSF, 2010)의 기준에 의하여 수행되었다. 본 기준은 ASTM C 1609M-07(ASTM, 2007)의 기준과 동일하다.
성능/효과
- 1. 휨인장강도의 변화를 고찰한 결과, 휨인장강도가 강섬유혼입률 증가에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 강섬유가 혼입되지 않은 실험체의 인장강도에 비하여 133%에서 253%의 인장강도를 나타내었다.
- 2. SFRC의 휨인장강도의 예측모델을 통해 본 실험체의 강도를 예측한 결과, 오영훈(2008)의 예측모델이 본 세그먼트용 60 MPa급 SFRC의 강도를 유사하게 예측하는 것으로 나타났으며, 강섬유의 형상비와 혼입률에 대한 영향을 동시에 고려할 수 있어 유용한 것으로 확인되었다. 그러나, 본 연구가 각 변수에 대하여 3개 실험체의 결과이므로 실질적인 사용을 위해서는 추가적인 실험 연구를 통한 검증이 필요하다.
- 3. 본 실험결과를 근거로 ACI 544.4R과 RILEM TC 162-TDF에 제시되어 있는 직접인장강도를 산정한 결과, 각 규정간에 큰 차이가 있는 것을 확인하였다. ACI의 경우 매우 보수적이며, 유럽의 경우 약 4배 정도 크게 평가하는 것으로 확인되었다.
- 실제 SFRC의 휨 설계는 휨인장강도가 아닌 직접인장강도가 사용되기 때문에 이와 같은 직접인장강도의 차이는 세그먼트의 휨강도 예측에 큰 차이를 가져올 수 있음을 알 수 있다. ACI 544.4R의 기준은 섬유형상비에 대한 영향을 고려하지 못하는 문제가 있으며, RILEM TC 162는 압축강도를 기준으로 추정하기 때문에 강섬유의 혼입량에 따른 영향이 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
- 4R과 RILEM TC 162-TDF에 제시되어 있는 직접인장강도를 산정한 결과, 각 규정간에 큰 차이가 있는 것을 확인하였다. ACI의 경우 매우 보수적이며, 유럽의 경우 약 4배 정도 크게 평가하는 것으로 확인되었다. 상기의 결과는 SFRC 터널 세그먼트의 휨설계를 위한 직접인장강도의 상한치와 하한치로 간주할 수 있으며, 적정한 산정 방법에 대한 추가적인 고찰이 필요한 것으로 판단된다.
- DPT 결과 시험체는 그림 7과 같이 두 개 또는 세 개의 파괴면이 발생하면서 사인장이 아닌 할렬에 의하여 파괴된 것을 확인할 수 있다. 식 (2)에 의해 계산된 인장응력 결과는 표 7에 나타내었다.
- 9%로 매우 적은 것을 확인하였다. 더욱이 RILEM TC 162-TDF에서 규정하고 있는 직접인장강도를 비교적 정밀하게 획득할 수 있는 시험방법으로 판단된다.
- 압축강도에 대한 영향은 고강도일수록 휨인장강도도 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 강섬유는 0.25%의 혼입률에도 콘크리트와의 부착성능을 확보할 수 있는 것으로 판단되며, 콘크리트의 인성증가와 휨강도 증진에 기여하는 것으로 확인되었다.
- 실험체명은 콘크리트 강도와 섬유혼입량으로 구성되며, C40_F2은 압축강도 40 MPa와 섬유혼입량 20 kg/m3인 실험체를 의미한다. 압축강도 결과는 40 MPa의 경우 설계압축강도의 20%를 초과하는 압축강도를 나타낸 반면, 60 MPa의 경우에는 최대 약 10% 정도 부족한 것으로 나타났다.
- 주목할 것은 본 DPT 시험의 변동계수가 휨시험에 비하여 전반적으로 매우 작다는 것이다. 이상의 결과로부터 DPT 시험은 유럽기준에서 규정하고 있는 SFRC의 직접인장강도를 비교적 정밀하게 산정하는데 적합한 시험방법으로 판단된다.
- 국외에서 개발하여 사용중인 TBM 터널 세그먼트에 섬유혼입량을 분석한 결과로부터 이와 같은 강섬유혼입량을 실험변수로 선정하였다. 이형철근과 강섬유를 동시에 사용하는 경우에는 강섬유의 체적비가 0.25%～0.5% 범위에 있으며, 철근을 완전히 강섬유로 대치한 경우에는 1% 정도의 강섬유를 사용하는 것으로 나타났다.
- 이는 표 3의 압축강도의 결과와 유사한 결과로서, 강도 60의 배합에 유동성 부족으로 인하여 강섬유의 분산이 상대적으로 원활하지 않았던 것으로 추정된다. 제시된 바와 같이 C40의 경우 휨인장강도의 증가가 153%에 달하며, C60의 경우에도 인장강도가 거의 2배가 되는 것을 확인할 수 있다.
- DPT 시험을 통하여 동일한 배합으로 제작된 실험체의 인장강도를 측정하였다. 휨시험의 변동계수가 3%에서 27%로 강섬유의 혼입률에 따라 매우 큰 것으로 나타난 반면, DPT 시험의 변동계수는 0.3%에서 최대 8.9%로 매우 적은 것을 확인하였다. 더욱이 RILEM TC 162-TDF에서 규정하고 있는 직접인장강도를 비교적 정밀하게 획득할 수 있는 시험방법으로 판단된다.
후속연구
- SFRC의 휨인장강도의 예측모델을 통해 본 실험체의 강도를 예측한 결과, 오영훈(2008)의 예측모델이 본 세그먼트용 60 MPa급 SFRC의 강도를 유사하게 예측하는 것으로 나타났으며, 강섬유의 형상비와 혼입률에 대한 영향을 동시에 고려할 수 있어 유용한 것으로 확인되었다. 그러나, 본 연구가 각 변수에 대하여 3개 실험체의 결과이므로 실질적인 사용을 위해서는 추가적인 실험 연구를 통한 검증이 필요하다.
- ACI의 경우 매우 보수적이며, 유럽의 경우 약 4배 정도 크게 평가하는 것으로 확인되었다. 상기의 결과는 SFRC 터널 세그먼트의 휨설계를 위한 직접인장강도의 상한치와 하한치로 간주할 수 있으며, 적정한 산정 방법에 대한 추가적인 고찰이 필요한 것으로 판단된다.
- 따라서 오영훈(2008)이 제시한 예측모델이 고강도 콘크리트인 60 MPa SFRC의 인장강도 예측 시에 상대적으로 적합한 것으로 나타났다. 하지만 본 연구결과는 제한적인 실험으로부터 얻어진 것으로서, 향후 추가적인 실험에 의한 검증과 보완이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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