고속비상체의 충돌에 의한 고강도 콘크리트의 표면관입저항성 및 배면박리성상에 관한 연구 A Study on the Penetration Resistance and Spalling Properties of High Strength Concrete by Impact of High Velocity Projectile원문보기
고속 비상체에 의한 충격을 받는 콘크리트는 그 충격력에 의해 관통, 표면관입 및 배면박리뿐만 아니라 균열의 확산에 의해 나타나는 국부적인 파괴 등 정하중을 받을 때와 다른 파괴거동을 보인다. 이러한 콘크리트의 파괴거동은 비상체의 재료적 특성, 충돌속도, 질량 및 기하학적 구조뿐만 아니라 콘크리트의 재료적 특성, 시험체의 크기 및 두께, 보강재료 및 방법 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이 연구에서는 콘크리트 재료의 압축강도에 따른 표면관입깊이 및 배면박리성상에 대하여 평가하고, 섬유보강에 의한 배면박리억제효과에 대하여 검토하고자 하였다. 그 결과 압축강도의 증가로 인하여 표면관입깊이는 감소하였으며, 이 연구 범위의 결과는 수정 NDRC식 및 US ACE식과 유사한 경향을 나타냈다. 반면, 배면박리억제에 있어 압축강도 증가에 의한 영향은 확인할 수 없었으며, 섬유보강에 의한 인성의 향상을 통하여 배면박리를 억제할 수 있었다.
고속 비상체에 의한 충격을 받는 콘크리트는 그 충격력에 의해 관통, 표면관입 및 배면박리뿐만 아니라 균열의 확산에 의해 나타나는 국부적인 파괴 등 정하중을 받을 때와 다른 파괴거동을 보인다. 이러한 콘크리트의 파괴거동은 비상체의 재료적 특성, 충돌속도, 질량 및 기하학적 구조뿐만 아니라 콘크리트의 재료적 특성, 시험체의 크기 및 두께, 보강재료 및 방법 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이 연구에서는 콘크리트 재료의 압축강도에 따른 표면관입깊이 및 배면박리성상에 대하여 평가하고, 섬유보강에 의한 배면박리억제효과에 대하여 검토하고자 하였다. 그 결과 압축강도의 증가로 인하여 표면관입깊이는 감소하였으며, 이 연구 범위의 결과는 수정 NDRC식 및 US ACE식과 유사한 경향을 나타냈다. 반면, 배면박리억제에 있어 압축강도 증가에 의한 영향은 확인할 수 없었으며, 섬유보강에 의한 인성의 향상을 통하여 배면박리를 억제할 수 있었다.
Concrete materials subjected to impact by high velocity projectiles exhibit responses that differ from those when they are under static loading. Projectiles generate localized effects characterized by penetration of front, spalling of rear and perforation as well as more widespread crack propagation...
Concrete materials subjected to impact by high velocity projectiles exhibit responses that differ from those when they are under static loading. Projectiles generate localized effects characterized by penetration of front, spalling of rear and perforation as well as more widespread crack propagation. The magnitude of damage depends on a variety of factors such as material properties of the projectile, impact velocity, the mass and geometry as well as the material properties of concrete specimen size and thickness, reinforcement materials type and method of the concrete target. In this study, penetration depth of front, spalling thickness of rear and effect of spalling suppression of concrete by fiber reinforcement was evaluated according to compressive strength of concrete. As a result, it was similar to results of the modified NDRC formula and US ACE formula that the more compressive strength is increased, the penetration depth of front is suppressed. On the other hand, the increase in compressive strength of concrete does not affect spalling of rear suppression. Spalling of rear is controlled by the increase of flexural, tensile strength and deformation capacity.
Concrete materials subjected to impact by high velocity projectiles exhibit responses that differ from those when they are under static loading. Projectiles generate localized effects characterized by penetration of front, spalling of rear and perforation as well as more widespread crack propagation. The magnitude of damage depends on a variety of factors such as material properties of the projectile, impact velocity, the mass and geometry as well as the material properties of concrete specimen size and thickness, reinforcement materials type and method of the concrete target. In this study, penetration depth of front, spalling thickness of rear and effect of spalling suppression of concrete by fiber reinforcement was evaluated according to compressive strength of concrete. As a result, it was similar to results of the modified NDRC formula and US ACE formula that the more compressive strength is increased, the penetration depth of front is suppressed. On the other hand, the increase in compressive strength of concrete does not affect spalling of rear suppression. Spalling of rear is controlled by the increase of flexural, tensile strength and deformation capacity.
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문제 정의
이 연구에서는 고속 비상체의 충돌을 받는 고강도 콘크리트의 압축강도에 따른 표면관입저항성 및 배면박리성상에 대하여 평가하였으며, 기존의 제안식과 비교 · 검토를 실시하였다. 또한 콘크리트의 내충격 성능을 향상시키기 위한 방법으로 섬유보강 콘크리트 시험체를 제작하여 배면박리억제효과에 대하여 검토하였다.
제안 방법
Table 1은 이 연구의 실험계획을 나타낸 것으로 압축강도에 의한 표면관입깊이를 평가하기 위하여 설계기준강도 50, 70, 90, 110, 130 및 150 MPa 6수준의 고강도 콘크리트를 제작하였으며, 휨 · 인장강도 및 파괴에너지의 향상으로 인한 배면박리억제효과를 검토하기 위하여 설계기준강도 50 MPa 배합에 강섬유(SF) 및 폴리아미드(PA)를 0.5 및 1.0vol% 혼입한 콘크리트 시험체를 제작하였다.
내충격 성능평가를 위한 시험체의 크기는 100×100×20, 30, 35, 40, 50 및 70 mm(가로×세로×두께)로 하였으며, 충돌시험은 직경 10 mm, 질량 4.07 g의 강구를 사용하여 약 350 m/s의 속도로 발사시켜 충격에너지 245 J의 조건에서 고속충격시험을 실시하였다.
이 연구에서는 고속 비상체의 충돌을 받는 고강도 콘크리트의 압축강도에 따른 표면관입저항성 및 배면박리성상에 대하여 평가하였으며, 기존의 제안식과 비교 · 검토를 실시하였다. 또한 콘크리트의 내충격 성능을 향상시키기 위한 방법으로 섬유보강 콘크리트 시험체를 제작하여 배면박리억제효과에 대하여 검토하였다.
이 연구에서 사용된 콘크리트 배합은 Table 3에 나타낸 바와 같이 설계기준강도 50, 70, 90, 110, 130 및 150 MPa에 대하여 각각 W/B 45, 35, 25, 18, 15 및 12%로 설정하였다.
이 연구의 범위에서 고속 비상체의 충돌 실험에 의하여 얻어진 표면관입깊이 및 배면박리한계두께 결과를 기존에 제안되고 있는 표면관입깊이 및 배면박리한계두께 산정식인 수정 NDRC식 및 US ACE식과 비교하였다. 수정 NDRC식 및 US ACE식에서 표면관입깊이의 경우 강제의 비상체가 무한두께의 콘크리트에 충돌했을 때의 힘의 균형 조건을 기초 이론으로 근거하고 있으며, 배면박리한계두께는 표면관입깊이를 변수로한 실험회귀식이다.
한편, 콘크리트 재료의 내충격 성능평가에 대한 연구는 사용장비, 시험체 및 충돌속도의 범위 등 실험조건이 달라 표준화된 평가방법의 규정이 어렵기 때문에 이 연구에서는 기존 연구자들의 평가방법1-4)을 참고하여 Table 4에 나타낸 바와 같이 표면관입, 배면박리 및 관통파괴로 파괴등급을 구분하였다. 표면관입의 경우 비상체 충돌에 의하여 시험체의 표면에 탄흔이 발생하고, 배면에 미세균열이 발생하거나 배면의 상태가 양호한 경우로 하였으며, 배면박리의 경우 비상체의 충돌에 의한 배면의 콘크리트 일부가 떨어져나가거나, 배면에 큰 균열이 발생한 경우로 산정하였다.
한편, 평가항목으로 역학적 특성은 압축강도, 휨 · 인장강도 및 파괴에너지를 평가하였으며, 내충격 성능으로 충격시험 후의 시험체 외관형상 관찰을 통한 파괴등급산정, 표면관입깊이, 배면박리두께 및 파괴면적손실률을 평가하였다.
대상 데이터
이 연구에서 사용한 재료의 물리적 성질은 Table 2에 나타낸 바와 같이 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 혼화재는 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 및 무수석고를 사용하였다. 잔골재는 세척사를 사용하였고, 굵은 골재는 최대치수 20 mm의 부순자갈을 사용하였다.
이 연구에서 사용한 재료의 물리적 성질은 Table 2에 나타낸 바와 같이 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 혼화재는 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 및 무수석고를 사용하였다. 잔골재는 세척사를 사용하였고, 굵은 골재는 최대치수 20 mm의 부순자갈을 사용하였다. 또한 혼입섬유의 경우 강섬유는 길이 30 mm, 인장강도 1140 MPa이고, 폴리아미드섬유는 길이 30 mm, 인장강도 594 MPa이다.
이론/모형
압축강도 시험은 ∅100×200 mm의 원주형 시험체를 제작하여 28일간 수중양생을 실시한 후 KS F 2405 『콘크리트의 압축강도 시험방법』에 준하여 UTM(만능재료시험기)를 사용하여 측정하였다.
파괴에너지는 RILEM 50-FMC Draft Recommendation에서 제안한 규정에 준하여 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 □100×100×400 mm의 각형 시험체의 중앙에 노치를 제작하고, 3점 휨재하 시험을 실시하였으며, Fig. 3과 같이 하중-균열개구부변위(CMOD)곡선을 활용하여 식 (4)에 의하여 산정하였다.
휨강도 시험은 □100×100×400 mm의 각형 시험체를 제작하여, KS F 2408 『콘크리트 휨강도 시험 방법』 에 준하여 4점재하 시험을 실시하였고, 직접인장강도의 평가는 사각아령형 시험체를 제작하여 직접인장시험장치를 사용하여 평가하였다.
성능/효과
1) 콘크리트의 고강도화에 의하여 고속 충격에 대한 표면 관입저항성은 향상되었으나, 압축강도 증가량에 비하여 관입깊이의 저감효율은 크지 않았다.
2) 콘크리트의 압축강도가 50 MPa에서 150 MPa로 증가하여도 배면박리한계두께의 저감효과는 없는 것으로 나타났으며, 섬유무보강 콘크리트는 시험체 두께의 증가를 통하여 배면박리를 억제할 수 있는 것으로 나타났다.
3) 섬유보강에 의해 배면박리한계두께가 감소하였으며, 콘크리트 내부의 섬유의 가교작용에 의한 균열 발생의 억제 및 응력의 재분에 의한 휨·인장성능 및 파괴에너지의 향상이 영향을 미친 것으로 판단된다.
4) 섬유보강 콘크리트의 경우 섬유보강 콘크리트에 비하여 시험체 두께가 얇은 경우에서도 섬유보강으로 인하여 전단균열 발생의 억제 및 충격파의 완화에 의하여 배면박리를 억제할 수 있는 것으로 판단된다.
후속연구
반면, 압축강도 110 MPa 이상의 범위에서 기존 산정식에 의한 관입깊이는 압축강도가 증가하여도 일정수준에서 수렴되었으나, 이 연구에서는 110 MPa이상에서도 압축강도 증가에 의해 관입깊이가 감소되는 것으로 평가되었다. 수정 NDRC식 및 US ACE 식은 1980년대 초반에 제안된 실험회귀식으로 110 MPa급 이상의 초고강도콘크리트영역에 대해서는 충분히 고려되지 않은 것으로 판단되며, 향후 압축강도 150 MPa이상의 영역에서의 실험데이터를 축적하여 초고강도콘크리트에 대한 적용이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 파괴거동은 무엇에 영향을 받는가?
1에 나타낸 바와 같이 관통, 표면관입 및 배면박리뿐만 아니라 균열의 확산에 의해 나타나는 국부적인 파괴 등 정하중을 받을 때와 다른 파괴거동을 보인다. 이러한 콘크리트의 파괴거동은 비상체의 재료적 특성, 충돌속도, 질량 및 기하학적 구조뿐만 아니라 콘크리트의 재료적 특성, 시험체의 크기 및 두께, 보강재료 및 방법 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 따라서 콘크리트의 충격파괴 특성에 관한 연구는 콘크리트 및 비상체 조건 등 다양한 요인을 고려하여 실시되고 있으며, 이를 위한 실험장비 개발 및 평가방법 등을 제안하는 연구가 보고되고 있다.
콘크리트의 내충격 성능을 확보하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?
콘크리트의 내충격 성능을 확보하기 위한 방법으로 기존에는 시험체 두께의 증가 및 콘크리트 외부를 흙으로 덮는 등 기초적인 방법이 주로 이루어지고 있었지만, 최근 콘크리트의 내충격 성능을 극대화시키는 방안으로 콘크리트의 압축강도, 휨·인장강도 및 파괴에너지 등 역학적 특성의 향상을 통하여 충격에 대한 저항성을 향상시키는 방안 등이 모색되고 있으며, 콘크리트의 역학적 특성과 내충격 성능과의 상관성 구명 및 내충격 성능의 예측에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-7)
본 연구에서 고속 비상체의 충돌에 의한 고강도 콘크리트의 표면관입저항성 및 배면박리성상에 대하여 평가한 결과는 어떠한가?
1) 콘크리트의 고강도화에 의하여 고속 충격에 대한 표면 관입저항성은 향상되었으나, 압축강도 증가량에 비하여 관입깊이의 저감효율은 크지 않았다.
2) 콘크리트의 압축강도가 50 MPa에서 150 MPa로 증가하여도 배면박리한계두께의 저감효과는 없는 것으로 나타났으며, 섬유무보강 콘크리트는 시험체 두께의 증가를 통하여 배면박리를 억제할 수 있는 것으로 나타났다.
3) 섬유보강에 의해 배면박리한계두께가 감소하였으며, 콘크리트 내부의 섬유의 가교작용에 의한 균열 발생의 억제 및 응력의 재분에 의한 휨·인장성능 및 파괴에너지의 향상이 영향을 미친 것으로 판단된다.
4) 섬유보강 콘크리트의 경우 섬유보강 콘크리트에 비하여 시험체 두께가 얇은 경우에서도 섬유보강으로 인하여 전단균열 발생의 억제 및 충격파의 완화에 의하여 배면박리를 억제할 수 있는 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
Zhang, M. H., Shim, V. P. W., Lu, G., and Chew., C. W., "Resistance of High-strength Concrete to Projectile Impact," International Journal of Impact Engineering, Vol. 31 No. 7, 2005, pp. 825-841.
Dancygier, A. N. and Yankelevsky., D. Z., "High Strength Concrete Response to Hard Projectile Impact," International Journal of Impact Engineering, Vol. 18 No. 6, 1996, pp. 583-599.
Vossoughi, F., Ostertag, C. P., Monteiro, P. J. M., and Johnson, G. C., "Resistance of Concrete Protected by Fabric to Projectile Impact," Cement and Concrete Research, Vol. 37, Issue 1, 2007, pp. 96-106. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/ j.cemconres.2006.09.003)
Beppu M., Miwa, K., Ohno, T., and Shiomi, M., "An Experimental Study on the Local Damage of Concrete Plate due to High Velocity Impact of Steel Projectile," Japan Society of Civil Engineers, Vol. 63 No. 1, 2007, pp. 178-191.
Miwa, K., Beppu, M., Ohno, T., Itoh, M., and Katayama, M., "An Estimation Method of Local Damage in Concrete Plates by the Modified Theoretical Model," Japan Society of Civil Engineers, Vol. 65 No. 4, 2009, pp. 844-858.
Kim, G. Y., Nam, J. S., and Miyauchi Hiroyuki, "Evaluation of Impact Resistance Performance of Fiber Reinforced Mortar under High-Velocity Impact of Projectile," Architecture Institute of Korea, Vol. 27, No. 9, 2011, pp. 101-108.
Kim, G. Y., Hwang, H. K., Nam, J. S. Kim, H. S., Park, J. H., and Kim, J. J., "Evaluation of Impact Resistance of Steel Fiber and Organic Fiber Reinfoced Concrete and Mortar," Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 12, No. 4, 2012, pp. 377-385. (doi: http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2012.12.4.377)
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