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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 0.02 이하의 낮은 철근비를 갖는 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트 보의 정적 재하 실험을 수행하여 휨 거동 특성을 파악하고자 하였다. 본 실험연구에서는 압축강도 180 MPa를 상회하는 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트의 부재 실험을 통하여 초고성능 콘크리트의 균열 및 파괴 특성, 처짐 특성, 휨강도 특성 등의 기본 거동 특성을 고찰하였다.
- 02 이하의 낮은 철근비를 갖는 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트 보의 정적 재하 실험을 수행하여 휨 거동 특성을 파악하고자 하였다. 본 실험연구에서는 압축강도 180 MPa를 상회하는 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트의 부재 실험을 통하여 초고성능 콘크리트의 균열 및 파괴 특성, 처짐 특성, 휨강도 특성 등의 기본 거동 특성을 고찰하였다.
- 이 연구에서는 하이브리드 강섬유를 혼입한 초고성능 콘크리트 보의 휨 거동 특성을 파악하기 위한 실험연구를 수행하였으며, 주요 실험연구 결론은 다음과 같다.
- 휨철근이 없는 경우를 기준으로 휨철근비 0.02 (2%) 이내에서 하이브리드 강섬유 보강 UHPC 보의 휨 거동 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 부재는 철근이 없는 경우를 기본으로 하고(보 B-R0), 휨 철근의 개수를 2가닥, 3가닥 및 4가닥으로 조절하여 휨 철근비를 각각 다르게 구성하였다.
제안 방법
- 5에 나타내었다. 5개의 전기저항식 변형률게이지를 지간중앙위치의 부재측면에 부착하여 단면 내 콘크리트 종방향 변형률을 측정하였다. 철근 변형률 게이지를 순수 휨구간의 철근에 부착하여 철근변형률을 측정하였다.
- 거푸집 조립 후 철근을 배근하였으며, 각 부재의 하중에 따른 철근변형률을 측정하기 위하여 순수 휨구간 내의 인장철근에 철근변형률게이지를 부착하였다. UHPC 타설 후 36시간동안 습윤양생을 수행하였다. 습윤양생 후에 콘크리트 부재를 증기양생장치에서 90±5°C의 온도로 72시간 양생을 실시한 후 실험재령 시까지 기건양생을 실시하였다.
- 다만, 실험 사정상 부재 B-R2-S의 하중 가력 구간은 800 mm로 설정하였다. 강재 가력보를 액츄에이터와 실험부재 사이에 놓고 하중을 재하하였다. 액츄에이터를 1.
- 실험부재는 다음과 같은 공정으로 이루어졌다. 거푸집 조립 후 철근을 배근하였으며, 각 부재의 하중에 따른 철근변형률을 측정하기 위하여 순수 휨구간 내의 인장철근에 철근변형률게이지를 부착하였다. UHPC 타설 후 36시간동안 습윤양생을 수행하였다.
- 2를 적용하였다. 낮은 물-결합재비에 의한 소요의 작업성을 확보하기 위해 밀도 1.06 g/cm3의 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 또한, UHPC에서 사용되는 충전재(filler)는 구성입자 평균입경이 10 μm정도이고 SiO2 98%이상, 밀도 2.
- 철근 변형률 게이지를 순수 휨구간의 철근에 부착하여 철근변형률을 측정하였다. 또한, 부재의 중앙단면과 하중재하점에 변위계(LVDT)를 설치하여 부재의 처짐을 측정하였다.
- 부재의 균열 및 파괴양상을 파악하기 위해 파괴 시까지 하중을 재하하여 각 하중단계에 따른 균열진전 양상을 고찰하였다. 대표적으로 부재 B-R4의 하중 재하에 따른 균열진전양상을 Fig.
- 하중을 4점하중재하법으로 가력하여 하중 재하점 사이 구간에서 순수 휨구간을 계획하였다. 순수 휨구간에는 스터럽을 배근할 필요가 없으나, UHPC 타설 시 스터럽의 강섬유 배열에 대한 영향과 이에 의한 휨 거동 영향을 파악하기 위하여 부재 B-R2-S의 순수 휨구간에 스터럽을 150 mm 간격으로 배근하였다(Fig. 1(b)).
- 습윤양생 후에 콘크리트 부재를 증기양생장치에서 90±5°C의 온도로 72시간 양생을 실시한 후 실험재령 시까지 기건양생을 실시하였다.
- 4와 같이 4점 재하방식으로 하중을 단계적으로 재하하여 실험을 수행하였다. 시편의 양쪽 단부로부터 150 mm 위치에 강재 로울러를 설치하여 시편의 지지점으로 하였으며, 지점 사이의 거리는 3000 mm로 하였다. 하중 가력점은 시편의 중심에서 각각 300 mm 떨어진 곳에 위치하며, 가력점 사이의 600 mm 구간에서 순수 휨(pure bending)이 작용하도록 계획하였다.
- 실험자료를 측정하기 위한 계측센서는 콘크리트변형률 게이지, 철근변형률 게이지, 부재 처짐 측정용 LVDT 및 로드셀 등 4가지로 구성하였다. 부재의 계측시스템 구성도를 Fig.
- 본 연구에서 적용한 UHPC의 매트릭스는 미세 균열이나 공극을 최소화하기 위하여 조직을 매우 치밀하게 구성하는 특징이 있다. 이를 위해 미세 입자들을 일정 범위 내에서 입도분포를 가지도록 구성하였다. 배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다.
- 02 (2%) 이내에서 하이브리드 강섬유 보강 UHPC 보의 휨 거동 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 부재는 철근이 없는 경우를 기본으로 하고(보 B-R0), 휨 철근의 개수를 2가닥, 3가닥 및 4가닥으로 조절하여 휨 철근비를 각각 다르게 구성하였다.
- 5개의 전기저항식 변형률게이지를 지간중앙위치의 부재측면에 부착하여 단면 내 콘크리트 종방향 변형률을 측정하였다. 철근 변형률 게이지를 순수 휨구간의 철근에 부착하여 철근변형률을 측정하였다. 또한, 부재의 중앙단면과 하중재하점에 변위계(LVDT)를 설치하여 부재의 처짐을 측정하였다.
- 시편의 양쪽 단부로부터 150 mm 위치에 강재 로울러를 설치하여 시편의 지지점으로 하였으며, 지점 사이의 거리는 3000 mm로 하였다. 하중 가력점은 시편의 중심에서 각각 300 mm 떨어진 곳에 위치하며, 가력점 사이의 600 mm 구간에서 순수 휨(pure bending)이 작용하도록 계획하였다. 다만, 실험 사정상 부재 B-R2-S의 하중 가력 구간은 800 mm로 설정하였다.
- 하중을 4점하중재하법으로 가력하여 하중 재하점 사이 구간에서 순수 휨구간을 계획하였다. 순수 휨구간에는 스터럽을 배근할 필요가 없으나, UHPC 타설 시 스터럽의 강섬유 배열에 대한 영향과 이에 의한 휨 거동 영향을 파악하기 위하여 부재 B-R2-S의 순수 휨구간에 스터럽을 150 mm 간격으로 배근하였다(Fig.
대상 데이터
- B-R2 부재는 부재의 단부부터 UHPC를 타설하여 제작하였으며, B-R2-C 부재는 지간중앙단면부터 UHPC를 타설하여 제작하였다. B-R2 부재와 B-R2-C 부재의 하중-처짐 비교곡선을 Fig.
- 60 g/cm3의 재료를 사용하였다. 길이가 19 mm인 강섬유를 부피비 기준 1.0%, 길이가 16 mm인 강섬유를 부피비 기준 0.5%로 혼입하여 전체 부피비 1.5%의 하이브리드 강섬유를 적용하였다. 강섬유의 밀도는 7500 kg/m3이고 항복강도는 2500 MPa이다.
- 또한, UHPC에서 사용되는 충전재(filler)는 구성입자 평균입경이 10 μm정도이고 SiO2 98%이상, 밀도 2.60 g/cm3의 재료를 사용하였다.
- 원주형 공시체의 압축강도실험을 통하여 UHPC의 압축강도를 파악하였으며, 각 배치의 UHPC의 압축강도를 Table 2에 나타내었다. 또한, 실험부재에 사용된 철근은 공칭직경 13 (D13) 또는 16 mm (D16) 철근이며, 항복강도는 420 MPa이다.
- 이를 위해 미세 입자들을 일정 범위 내에서 입도분포를 가지도록 구성하였다. 배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다. 잔골재는 입도 0.
- 본 실험에서는 액츄에이터(actuator)를 사용하여 Fig. 3과 Fig. 4와 같이 4점 재하방식으로 하중을 단계적으로 재하하여 실험을 수행하였다. 시편의 양쪽 단부로부터 150 mm 위치에 강재 로울러를 설치하여 시편의 지지점으로 하였으며, 지점 사이의 거리는 3000 mm로 하였다.
- 본 연구에서는 단면폭은 200 mm, 높이는 250 mm인 직사각형 단면형상을 갖고 길이가 3300 mm 인 7개의 보 부재를 제작하였다. 실험 부재의 변수는 휨철근 비, 순수 휨구간에서의 스터럽 배근 여부 및 UHPC 타설방법이다.
- 본 연구에서의 초고성능 콘크리트는 굵은 골재를 사용하지 않고 1.5% 부피비의 하이브리드 강섬유를 혼입해서 180 MPa 이상의 압축강도를 발현하고 인성을 크게 향상시킨 초고성능 건설재료이다.
- 본 연구에서는 단면폭은 200 mm, 높이는 250 mm인 직사각형 단면형상을 갖고 길이가 3300 mm 인 7개의 보 부재를 제작하였다. 실험 부재의 변수는 휨철근 비, 순수 휨구간에서의 스터럽 배근 여부 및 UHPC 타설방법이다.
- 배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다. 잔골재는 입도 0.5 mm 이하의 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 사용하지 않았다.
- 휨 부재 제작 시에 배치(batch) 별로 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 공시체를 제작하였다. 원주형 공시체의 압축강도실험을 통하여 UHPC의 압축강도를 파악하였으며, 각 배치의 UHPC의 압축강도를 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 하이브리드 강섬유는 초기 균열 이후 극한하중에 도달할 때까지 균열의 발생을 억제하는 효과를 나타내며, 이는 부피기준 1.5%의 하이브리드 강섬유 보강만으로 부재의 균열제어 및 연성파괴를 유도하는 데 효과적임을 나타낸다.
- 2) 단부타설방법과 지간중앙타설방법을 적용한 부재의 휨강도는 큰 차이가 발생하지 않았다. 이는 타설 방법에 의해 강섬유 배열이 크게 영향을 받지 않는 것을 의미한다.
- 3) 철근이 없는 부재의 연성지수는 3.4이며, 0.02 이하의 낮은 철근비에서도 연성지수는 9.2~15.2를 나타낸다. 따라서, 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트는 낮은 철근비에서도 연성 거동에 효과적임을 알 수 있다.
- 4) 순수 휨구간 내 스터럽의 배열은 UHPC의 극한 휨강도에 뚜렷한 영향을 나타내지 않는다. 따라서, 이 실험에 적용한 150 mm 간격 정도의 스터럽 배근은 하이브리드 강섬유 보강 UHPC 타설 시에 강섬유 배열을 교란시키지 않는 것으로 판단된다.
- 4) 순수 휨구간 내 스터럽의 배열은 UHPC의 극한 휨강도에 뚜렷한 영향을 나타내지 않는다. 따라서, 이 실험에 적용한 150 mm 간격 정도의 스터럽 배근은 하이브리드 강섬유 보강 UHPC 타설 시에 강섬유 배열을 교란시키지 않는 것으로 판단된다.
- 2를 나타낸다. 따라서, 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트는 낮은 철근비에서도 연성 거동에 효과적임을 알 수 있다.
- UHPC는 철근비 증가에 따른 연성 능력의 향상을 나타내고 있다. 본 실험결과에서의 부재의 큰 연성능력은 하이브리드 강섬유의 균열 이후의 큰 가교작용(bridging effect)이 효과적임을 나타낸다.
- 부재 B-R2-S의 극한 휨모멘트와 B-R2의 극한 휨모멘트는 뚜렷한 차이를 나타내지 않는다. 실험결과는 순수 휨구간 내 150 mm 간격의 스터럽 배열은 UHPC의 극한 휨강도에 거의 영향을 나타내지 않은 것을 나타낸다. 스터럽이 UHPC 타설시에 강섬유 배열을 교란시키지 않은 것으로 판단된다.
- B-R2 부재와 B-R2-C 부재의 초기 균열휨모멘트와 극한휨모멘트는 서로 유사한 값을 나타낸다. 실험결과는 타설방법에 따라 휨강도가 영향을 받지 않았으며, 이는 타설 방법에 의해 섬유배열이 크게 영향을 받지 않는 것을 의미한다.
후속연구
- 이는 타설 방법에 의해 강섬유 배열이 크게 영향을 받지 않는 것을 의미한다. 선행연구결과는 UHPC를 단부에서부터 타설한 방법이 지간중앙에서부터 타설한 방법보다 유리한 것으로 나타나므로, 추후 더욱 상세 실험연구가 필요한 부분이라고 판단된다.
- 이 연구의 실험결과는 기존 연구결과와 다소 다르게 나타났으며, 추후 더욱 상세한 실험연구가 필요한 부분이라고 판단된다.
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