본 연구는 순환굵은골재 콘크리트의 활용성 증대 및 규준 정립에 관한 연구의 일환으로 순환굵은골재 치환율에 따른 고강도 철근콘크리트 보의 휨 특성을 검토하고자 한다. 실험은 콘크리트 설계강도 40MPa, 50MPa, 60MPa 순환굵은골재 치환율 0%, 30%, 50%, 100%를 변수로 총 12개의 실험체를 제작하여 최종 파괴 시까지 변위제어 방식에 의해 2점 가력하였다. 실험결과 천연골재를 사용한 실험체와 비교시 균열발생 및 파괴양상의 경우, 순환굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 실험체는 천연골재 철근콘크리트 보 실험체에 비해 균열이 비교적 압축측까지 진전하는 특성을 보였으나 전반적으로 균열양상은 유사하게 나타났으며, KCI 설계기준식에 의한 계산값 및 실험결과의 비교결과 순환굵은골재 치환율에 관계없이 1.08~1.29로 기준값을 상회하는 것으로 나타나 순환굵은골재를 사용한 콘크리트 보의 휨 부재설계에 적용 가능할 것으로 판단된다. 따라서 순환굵은골재 활용성 증대를 위해 추가적인 실험을 통하여 순환굵은골재의 구조적 기준정립이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 순환굵은골재 콘크리트의 활용성 증대 및 규준 정립에 관한 연구의 일환으로 순환굵은골재 치환율에 따른 고강도 철근콘크리트 보의 휨 특성을 검토하고자 한다. 실험은 콘크리트 설계강도 40MPa, 50MPa, 60MPa 순환굵은골재 치환율 0%, 30%, 50%, 100%를 변수로 총 12개의 실험체를 제작하여 최종 파괴 시까지 변위제어 방식에 의해 2점 가력하였다. 실험결과 천연골재를 사용한 실험체와 비교시 균열발생 및 파괴양상의 경우, 순환굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보의 실험체는 천연골재 철근콘크리트 보 실험체에 비해 균열이 비교적 압축측까지 진전하는 특성을 보였으나 전반적으로 균열양상은 유사하게 나타났으며, KCI 설계기준식에 의한 계산값 및 실험결과의 비교결과 순환굵은골재 치환율에 관계없이 1.08~1.29로 기준값을 상회하는 것으로 나타나 순환굵은골재를 사용한 콘크리트 보의 휨 부재설계에 적용 가능할 것으로 판단된다. 따라서 순환굵은골재 활용성 증대를 위해 추가적인 실험을 통하여 순환굵은골재의 구조적 기준정립이 필요할 것으로 판단된다.
Recently, natural aggregate was adequate to supply the demand due to increase of building construction. National pollution induced by construction waste caused by the reconstruction and redevelopment was cited as the major social issues in Korea. Therefore, government are required by law to use the ...
Recently, natural aggregate was adequate to supply the demand due to increase of building construction. National pollution induced by construction waste caused by the reconstruction and redevelopment was cited as the major social issues in Korea. Therefore, government are required by law to use the recycled aggregate. In order to consider safety, KS F 2573 recommend that recycled aggregate with below design strength 27MPa and replacement ratio of 30%. This study on flexural behaviors of reinforced concrete beam was conducted and the specimens employed in test were planed with high strength concrete (40, 50 and 60MPa) and recycled aggregate replacement ratio (0, 30, 50, 100%). Although the flexural strength of reinforced concrete beam has trendy to decrease with increase of replacement ratio, it is meet to KCI 2007. The comparison results show that reinforced concrete beam using recycled aggregate can apply as flexural member in building construction.
Recently, natural aggregate was adequate to supply the demand due to increase of building construction. National pollution induced by construction waste caused by the reconstruction and redevelopment was cited as the major social issues in Korea. Therefore, government are required by law to use the recycled aggregate. In order to consider safety, KS F 2573 recommend that recycled aggregate with below design strength 27MPa and replacement ratio of 30%. This study on flexural behaviors of reinforced concrete beam was conducted and the specimens employed in test were planed with high strength concrete (40, 50 and 60MPa) and recycled aggregate replacement ratio (0, 30, 50, 100%). Although the flexural strength of reinforced concrete beam has trendy to decrease with increase of replacement ratio, it is meet to KCI 2007. The comparison results show that reinforced concrete beam using recycled aggregate can apply as flexural member in building construction.
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문제 정의
순환골재 철근 콘크리트 보의 기존 연구결과는 대부분 현행 순환골재 품질기준 및 KS F 2573에서 요구하는 설계강도 기준으로 제작되어 실험하였으며, 고강도 콘크리트에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 고강도 콘크리트 (40MPa, 50MPa, 60MPa)와 순환굵은골재 치환율(0%, 30%, 50%, 100%)에 따른 철근콘크리트 보의 휨 특성을 검토하고 이에 따른 구조적 거동 및 순환골재 콘크리트보의 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 실험은 순환골재의 적용가능성과 국내 순환굵은골재를 사용한 구조부재 설계기준 기초자료 제공을 위한 실험의 일환으로 KIC 2007과 비교 적합함을 확인하였다. Fig.
제안 방법
순환굵은골재를 사용한 고강도콘크리트 보의 휨강도를 평가하기 위하여 실험체는 Photo 1, Fig. 2와 같이 UTM 가력 부분에 H형강으로 된 가력 보를 설치하고, 가력 보 아래 콘크리트가력 면에 힌지를 설치하였다. 휨 파괴를 유도하기 위해 2점 가력을 하였으며, 가력장치로는 UTM (2,000kN)을 사용하였다.
철근은 D10을 주 철근으로 사용하였으며 스터럽은 실험체의 전단파괴를 막기 위하여 D10 철근을 100mm 간격으로 배근하여 거푸집에 넣기 전에 조립하였다. 철근은 SD400(fy = 400MPa) 철근을 사용하였고, 콘크리트의 목표 28일 압축강도는 40, 50, 60MPa로 계획하였다. 콘크리트의 평균압축강도는 Table 3에 타난 바와 같이 각각 45.
하중재하방식은 변위조절방식으로 초기 균열을 확인하기 위해 처짐 18mm까지는 1mm/min으로 가력하였으며, 이후 콘크리트의 변형과 균열확인을 위해 3mm/min 으로 가력하였다. 콘크리트 부재의 변위와 철근의 변형은 LVDT와 스트레인 게이지를 설치하였고, LVDT는 가력시 최대처짐이 발생할 것으로 예상되는 콘크리트 보의 중앙부하단에 설치하였으며, 스트레인 게이지는 콘크리트 보의 상부와 하부철근에 설치하였다.
콘크리트 설계강도 (40MPa, 50MPa, 60MPa)에 따른 순환 골재 (30%, 50%, 100%)를 치환한 고강도콘크리트 보의 특성을 비교분석하기 위하여 하중-변위 곡선의 비교를 Fig. 4에 나타내었다. 초기 휨 균열은 치환율에 관계 없이 발생 하였으며, 본 논문에서는 초기균열 발생하중을 하중-변위곡선에서 그래프의 기울기가 최초로 급변하는 시점으로 정의하였다.
하중재하에 따른 철근의 변형률을 알아보기 위하여 콘한보의 휨 강도가 높게 나타났으며 휨 강도를 비교하였을 때 최대 약 20%의 차이를 보이고 있었다. 콘크리트 타설 전에 인장철근 중앙부에 철근 스트레인게이지를 각각 1개씩을 부착하고 보호코팅을 한 후 콘크리트를 타설하였다. 재하에 따른 철근의 변형률은 Fig.
대상 데이터
실험에 사용된 재료들 중 시멘트는 제 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하고 천연골재는 최대치수 25mm의 쇄석, 잔골재의 입도는 2mm의 것을 사용하였다. 목표 슬럼프는 120mm이고 철근 SD400 D10 철근을 사용하였다. 순환굵은골재를 사용한 콘크리트의 배합조건은 Table 5에 나타낸 바와 같다.
순환골재는 최대 치수 25mm의 일산 I사 골재를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 4에 나타낸 바와 같다. 실험에 사용된 재료들 중 시멘트는 제 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하고 천연골재는 최대치수 25mm의 쇄석, 잔골재의 입도는 2mm의 것을 사용하였다.
순환골재는 최대 치수 25mm의 일산 I사 골재를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 4에 나타낸 바와 같다. 실험에 사용된 재료들 중 시멘트는 제 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하고 천연골재는 최대치수 25mm의 쇄석, 잔골재의 입도는 2mm의 것을 사용하였다. 목표 슬럼프는 120mm이고 철근 SD400 D10 철근을 사용하였다.
순환굵은골재 치환율과 설계강도에 따른 실험체 일람은 Table 2에 나타낸 바와 같다. 휨 실험체의 형태와 크기는 Fig. 1과 같이 폭 150mm, 춤 250mm, 길이는 2400mm로 설계하였다.
성능/효과
(1) 균열발생 및 파괴양상의 경우, 순환굵은골재를 사용한 콘크리트 보의 실험체는 천연골재 철근콘크리트 실험 체에 비해 균열이 비교적 압축측까지 진전하는 특성을 보였으나 전반적으로 균열양상은 유사하게 나타났다.
(2) KCI 설계기준식에 의한 계산값 및 실험결과의 비교결과 순환굵은골재 치환율에 관계없이 1.08~1.29로 기준 값을 상회하는 것으로 나타나 순환굵은골재를 사용한 콘크리트 보의 휨부재 설계에 적용 가능할 것으로 판단된다.
H50실험체의 경우 치환율이 증가할수록 초기균열 발생하중 비율이 낮아졌으나 순환골재 치환율 50%의 경우 30%, 100%에 비해 다소 높게 나타났다. H60 실험체의 경우 순환 골재를 치환한 모든 실험체가 순환골재 치환율 0% 실험체보다 높게 나타났으며, 순환골재 치환율 50%의 경우 30%, 100%에 비해 다소 높게 나타났다.
초기 휨 균열은 치환율에 관계 없이 발생 하였으며, 본 논문에서는 초기균열 발생하중을 하중-변위곡선에서 그래프의 기울기가 최초로 급변하는 시점으로 정의하였다. 강성 및 연성은 천연골재를 사용한 철근콘크리트 보에 비해 순환굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보가 평균적으로 큰 것으로 나타났다 이는 탄성계수의 저하로 인한 (강성)것과 부착능력의 저하로 인한 (연성) 휨 강성의 저하현상을 반영하고 있는 것으로 사료된다. 반면, 60MPa 천연골재 100% 시험체 경우 순환골재를 사용한 보의 휨 강도가 높게 나타났으며 휨 강도를 비교하였을 때 최대 약 20%의 차이를 보이고 있었다.
철근 항복 시 처침에 대한 최대 내력 발생 시의 처짐비를 연성지수로 정의하면 Table 8에 나타낸 바와 같다. 모든 실험체에서 최대하중에서의 변위 연성비는 1.2-2로 취성적인 경향을 보였으며, 순환골재 치환율에 따른 차이는 나타나지 않았다. 설계강도 40MPa 실험체경우 치환율 50%까지 증가하는 경향을 보이다 순환굵은골재 치환율 100%에 경우 천연골재 100% 실험체 보다 낮은 경향을 나타냈다.
강성 및 연성은 천연골재를 사용한 철근콘크리트 보에 비해 순환굵은골재를 사용한 철근콘크리트 보가 평균적으로 큰 것으로 나타났다 이는 탄성계수의 저하로 인한 (강성)것과 부착능력의 저하로 인한 (연성) 휨 강성의 저하현상을 반영하고 있는 것으로 사료된다. 반면, 60MPa 천연골재 100% 시험체 경우 순환골재를 사용한 보의 휨 강도가 높게 나타났으며 휨 강도를 비교하였을 때 최대 약 20%의 차이를 보이고 있었다.
2-2로 취성적인 경향을 보였으며, 순환골재 치환율에 따른 차이는 나타나지 않았다. 설계강도 40MPa 실험체경우 치환율 50%까지 증가하는 경향을 보이다 순환굵은골재 치환율 100%에 경우 천연골재 100% 실험체 보다 낮은 경향을 나타냈다.
설계강도 50MPa 실험체의 경우 40MPa 실험체와 같은 경향을 보였으며, 치환율 50%까지 증가하다 순환굵은골재 100% 실험체에서 낮아지는 경향을 나타냈다. 이와 반대로 설계강도 60MPa 실험체의 경우 순환굵은골재 치환율이 증가함에 따라 연성지수도 증가하는 경향을 나타내었다.
6은 순환굵은골재 치환율에 따른 고강도 철근콘크리트 보의 실험값과 규준값을 비교한 그래프이다. 실험결과 총 12개의 실험체 모두 현행 기준식을 상회하는 것으로 나타났으며, 기존 연구결과의 경우 기준식을 상회하는 것으로 나타났다.
연구결과 순환 골재 치환율 증가에 따라 강도 감소를 나타내었으나, 순환골재 치환율 50%까지 현장 적용이 가능하다고 나타냈다. 강도 증가에 따른 휨 거동은 기준 실험체와 비교하여 항복하중과 최대하중에서 큰 차이를 나타내지 않은 것으로 보고하고 있다 (Shin et al.
Kim 등은 순환골재 치환율과 철근의 종류를 변수로 고강도 철근콘크리트 보에 대한 실험하였다. 연구결과 순환골재 치환율 증가에 의해 압축강도가 저하됐으며, 이로 인해 실험체의 초기강성이 다고 감소된 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 순환골재의 치환율 증가에 따른 순환골재 실험체의 휨강도 및 전체적인 휨 거동에는 미비한 것으로 보고되고 있다 (Kim et al.
Yeo 등은 순환골재 치환율과 철근의 종류를 변수로 보통강도 콘크리트 보에 대한 실험을 하였다. 연구결과 콘크리트의 압축강도의 경우 치환율이 증가 따른 감소 경향을 나타냈으나 목표 강도를 상회하였으며, 실험값을 규준에 의한 계산값과 비교한 결과 0.99-1.25로 나타나 순환골재 콘크리트 보의 휨 설계시 현행 기준식의 적용 가능성이 높은 것으로 판단됐다. 그러나 연성이 감소하고 취성적인 파괴모드를 보이는 경향을 나타내 휨 설계식 제정 시 만전을 기해야 할 것이라고 보고하고 있다 (Yeo et al.
H60 실험체의 경우 순환 골재를 치환한 모든 실험체가 순환골재 치환율 0% 실험체보다 높게 나타났으며, 순환골재 치환율 50%의 경우 30%, 100%에 비해 다소 높게 나타났다. 이에 따라 순환골재 치환율이 증가할수록 파괴하중에 대한 초기균열 발생하중의 비율은 천연골재와 동등하게 나타나는 것을 확인하였다. 균열 형태는 하중 증가 시 휨 영역 중앙부의 균열과 동시에 지지점 방향으로 균열이 발생하였다.
하중이 증가할수록 발생한 휨균열 폭이 증가되었다. 재하하중이 증가함에 따라 기존에 발생된 인장 측의 휨 균열이 점진적으로 보의 중립축 상부로 진전되었으며 하중이 증가됨에 따라 보의 중앙부에서 이후 단부에서 나타났고 점차 균열 수 및 균열폭이 증가하였다. 이후 재하하 중이 증가됨에 따라 Fig.
철근은 SD400(fy = 400MPa) 철근을 사용하였고, 콘크리트의 목표 28일 압축강도는 40, 50, 60MPa로 계획하였다. 콘크리트의 평균압축강도는 Table 3에 타난 바와 같이 각각 45.6MPa, 46.84MPa, 54.3MPa로 설계강도 대비 90.6-114% 이상 발현하였으며, 순환골재 치환율에 따른 압축강도는 천연골재 압축강도와 동등하게 나타났다.
7kN 사이에서 초기 균열이 발생하였다. 파괴강도와 비교 시 순환골재 치환율 0% 실험체의 경우 45.7~61.7% 범위에서 초기균열이 발생하였고, 순환골재 치환율이 30% 실험체 경우 33.3~57.7% 범위에서 초기균열이 발생하였으며, 순환골재 치환율 50% 실험체인 경우 37.4~52.8%, 순환골재 치환율 100% 실험체인 경우 47.1~51.2% 범위에서 초기균열이 발생하였다. H40 실험체의 경우 순환골재 치환율 30%, 50%의 경우 치환율 0% 실험체보다 낮은 초기균열 발생하중을 나타냈지만 순환 골재 치환율 100% 실험체는 치환율 0% 실험체에 비해 다소 높은 초기균열 발생하중을 나타냈다.
하중재하에 따른 철근의 변형률을 알아보기 위하여 콘한보의 휨 강도가 높게 나타났으며 휨 강도를 비교하였을 때 최대 약 20%의 차이를 보이고 있었다. 콘크리트 타설 전에 인장철근 중앙부에 철근 스트레인게이지를 각각 1개씩을 부착하고 보호코팅을 한 후 콘크리트를 타설하였다.
3에 나타낸 바와 같이 천연골재 콘크리트 보와 비교 시 순환골재를 사용한 콘크리트 보에서 미세하고 폭넓은 균열확산과 함께 더 많은 균열수를 나타내고 있으며, 이에 따른 영향에 의한 부착력 저하가 철근의 항복 변형율에 영향을 미친것으로 사료된다. 하지만, 순환골재 치환율에 따른 강도의 변화는 없었으며, 철근의 변형률에도 순환골재 치환율에 대한 영향은 크지 않음을 알 수 있었다.
후속연구
(3) 순환굵은골재를 이용한 고강도 콘크리트 보의 휨 성능은 천연골재와 유사하게 나타났으며 추가적인 실험을 통하여 순환골재의 활용성을 높여야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순환골재란?
순환골재란 건설현장에서 배출되는 건설폐기물 (콘크리트, 아스콘)을 파쇄, 선별, 입자조정등 물리적 또는 화학적 처리 과정을 거쳐 법률이 정한 기준에 적합하게 만든 골재로서 최대직경 100mm 이하, 이물질 함유량 부피기준 1% 이하가 되도록 한 골재이다. 순환골재의 물리적 및 화학적 특성으로는 천연골재에 비해 비중이 약 5%-10%정도 낮으며, 흡수율은 약 3배-5배 정도 높으며, 화학적 특성으로는 천연골재에 비해 염화물 이온 함량이 높은 특징을 나타내고 있다 (Ministry of Environment, 2009).
순환골재의 물리적 및 화학적 특성은?
순환골재란 건설현장에서 배출되는 건설폐기물 (콘크리트, 아스콘)을 파쇄, 선별, 입자조정등 물리적 또는 화학적 처리 과정을 거쳐 법률이 정한 기준에 적합하게 만든 골재로서 최대직경 100mm 이하, 이물질 함유량 부피기준 1% 이하가 되도록 한 골재이다. 순환골재의 물리적 및 화학적 특성으로는 천연골재에 비해 비중이 약 5%-10%정도 낮으며, 흡수율은 약 3배-5배 정도 높으며, 화학적 특성으로는 천연골재에 비해 염화물 이온 함량이 높은 특징을 나타내고 있다 (Ministry of Environment, 2009).
정부에서 건축물 재활용 촉진에 관한 법률을 제정한 이유는?
노후화된 건축물에서 발생하는 건설폐기물은 일 평균 18만 (ton) (Ministry of Environment, 2012) 이상 발생하고 있으며, 건설폐기물에 발생 추이로 볼 때 매년 증가할 것으로 예상되고 있다. 그 중에서 폐콘크리트의 발생량은 전체 건설 폐기물에 60% 이상 차지하고 있으며, 대부분에 폐콘크리트는 불법매립 되거나 방치되고 있다. 이에 따라 정부는 “건축물 재활용 촉진에 관한 법률” (Ministry of Environment, 2009)을 제정하여, 일정규모 이상의 공사에 한하여 건축물 해체 시 발생하는 폐콘크리트를 가공한 순환골재 사용을 의무화하고 있으며, 최근 환경부에서는 순환골재 사용 건축물 시범사업의 일환인 되돌림 화장실 (순환골재 치환율 100%)이 2013년 2월 경부고속도로 입장휴게소에 완공되었다.
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