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문제 정의
- 이 연구는 이상과 같이 콘크리트의 인장강화효과 개선이 기대되는 비정질 강섬유의 적용 가능성을 확인하기 위한 기초 연구의 일환으로, 비정질 강섬유로 보강된 철근콘크리트의 인장강성 거동 특성 파악 및 일반 강섬유와의 비교를 목적으로 한다.
제안 방법
- 이를 위하여 피복두께를 변수로 하는 변장비가 서로 다른 직사각형 단면의 인장실험체를 제작하여 직접인장실험을 수행하고,12) 이 실험결과로부터 인장강성 거동 및 인장강화효과를 비교·분석하였다.
- 3에 보인 바와 같이 길이가 1,500 mm이고 단면의 치수가 변화하는 각주형 실험체로서, 항복강도 fy가 420 MPa인 D19 철근을 단면의 중심에 배치하였다. 모든 실험체는 단면적 23,250 mm2과 철근비 1.24%로 일정하게 유지하면서 단변 방향의 피복두께만을 변화시키기 위해 변장비가 다른 직사각형 형태로 하였다. 즉, 측면 피복두께가 철근 직경의 1.
- 하중재하 및 측정은 Fig. 4에 보인 것과 같은 변위제어방식(1mm/min)의 자동 가력기(actuator)와 철근 지그를 이용하였으며, 철근의 사전 인장실험에 의한 응력-변형률 관계로부터 측정된 철근 항복변형량의 3배 이상이 되는 변형이 발생할 때까지 일축 인장하중을 재하하였으며, 200 kN 용량의 로드셀(loadcell)과 데이터 자동기록장치를 이용하여 작용하중을 실시간으로 측정하였다. 실험체 양단 사이에서 발생하는 매입 철근의 변형량은 Fig.
- 4에 보인 것과 같은 변위제어방식(1mm/min)의 자동 가력기(actuator)와 철근 지그를 이용하였으며, 철근의 사전 인장실험에 의한 응력-변형률 관계로부터 측정된 철근 항복변형량의 3배 이상이 되는 변형이 발생할 때까지 일축 인장하중을 재하하였으며, 200 kN 용량의 로드셀(loadcell)과 데이터 자동기록장치를 이용하여 작용하중을 실시간으로 측정하였다. 실험체 양단 사이에서 발생하는 매입 철근의 변형량은 Fig. 3에 보인 바와 같이 실험체 양쪽 하중단에 철근과 같이 거동할 수 있는 변위계 지지판 설치용 클램프를 부착한 후에 4개의 전기식 변위계(LVDT)를 변위 측정용 강봉에 고정하여 측정하였다.
- 이 연구에서는 각 모서리에서 측정된 4개의 철근 변형량을 평균값으로 하여 인장강성 거동을 대표하는 하중-변형률 관계를 분석하였다. 실험중 발생하는 균열의 관찰은 실험체 양쪽면에서 균열이 발생하는 순간의 하중을 실험체에 직접 기록하면서 전체적인 균열거동을 파악하였다.
- 이 연구에서는 각 모서리에서 측정된 4개의 철근 변형량을 평균값으로 하여 인장강성 거동을 대표하는 하중-변형률 관계를 분석하였다. 실험중 발생하는 균열의 관찰은 실험체 양쪽면에서 균열이 발생하는 순간의 하중을 실험체에 직접 기록하면서 전체적인 균열거동을 파악하였다.
- 이를 위하여 실험으로부터 측정된 철근의 평균변형률과 작용하중을 이용하여 직접인장실험체들의 인장강성 계수를 계산하여 하중단계별로 Fig. 10에 피복두께별로 정리하고, 이와 함께 MC 907) 및 EC 28)에서 규정하는 인장강성 계수를 함께 비교하였다. 이 그림을 살펴보면, 비정질 강섬유 및 일반 강섬유로 보강된 실험체들의 인장강성 계수는 모두 MC 907)에서 규정하는 0.
- 앞 절에서 언급한 비정질 강섬유의 우수성 및 적용성을 검증하기 위하여 일반 강섬유 및 비정질 강섬유로 보강된 실험체의 인장강화효과를 각 피복두께별로 직접 비교하여 Fig. 11에 정리하였다.
- 비정질 강섬유 및 일반 강섬유로 보강한 철근콘크리트 인장부재의 직접인장실험을 통하여 얻어진 하중-변형률 관계로부터 인장강성 거동 분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 24%로 일정하게 유지하면서 단변 방향의 피복두께만을 변화시키기 위해 변장비가 다른 직사각형 형태로 하였다. 즉, 측면 피복두께가 철근 직경의 1.0배에서 3.5배까지 0.5배씩 증가되는 단면을 갖는 실험체를 비정질 강섬유와 일반 강섬유로 보강한 콘크리트를 사용하여 각각 6개씩 총 12개를 제작하였다. 양생 중 발생하는 건조수축의 영향을 최소화하기 위하여 실험전까지 습윤양생을 하였다.
대상 데이터
- 이 연구의 직접인장실험체 제작에 사용된 콘크리트는 설계기준압축강도 fck가 25 MPa이며, 배합설계는 Table 1과 같다.
- 직접인장실험체는 Fig. 3에 보인 바와 같이 길이가 1,500 mm이고 단면의 치수가 변화하는 각주형 실험체로서, 항복강도 fy가 420 MPa인 D19 철근을 단면의 중심에 배치하였다. 모든 실험체는 단면적 23,250 mm2과 철근비 1.
데이터처리
- 특히, 비정질 강섬유로 보강된 ATM 계열 실험체가 일반 강섬유로 보강된 FTM 계열 실험체보다 평균균열간격이 더 크게 발생하였다. 그리고 평균균열간격을 정의하고 있는 설계기준들의 규정으로 계산한 결과와 실험결과를 함께 비교하였다. 이 결과를 살펴보면, 피복두께가 두꺼워짐에 따라 평균균열간격이 증가하는 경향을 반영하고 있지만, 강섬유가 보강되지 않은 보통 콘크리트를 기준으로 규정된 설계기준들의 평균균열간격은 CEB-FIP Model Code 197813) (MC 78)을 제외하고 실험결과보다 크게 계산됨을 확인할 수 있다.
- 여기서, 철근의 평균변형률은 4개의 LVDT로부터 측정된 철근의 변형량을 평균하여 실험체 길이로 나눈값이다. 그리고 CEB-FIP Model Code 19907) (MC 90)과 EUROCODE 28) (EC 2)에서 규정하고 있는 인장강화효과 예측식인 식 (1)과 식 (2)로 계산된 결과를 함께 비교하였다.
성능/효과
- 1) 또한 콘크리트에 균열이 발생할 때 불규칙하게 분포하는 강섬유의 저항에 의해 미세균열의 발생 및 진행이 억제되는 효과로 인하여 콘크리트의 인성이 증가한다.2-4) 그리고, 단조하중 또는 반복하중의 작용에 의해 발생하는 철근의 변형 증가 및 균열의 진행을 강섬유가 저항하면서 철근과 콘크리트의 미끄럼(slip)이 감소되므로 부착특성이 개선된다.
- 2-4) 그리고, 단조하중 또는 반복하중의 작용에 의해 발생하는 철근의 변형 증가 및 균열의 진행을 강섬유가 저항하면서 철근과 콘크리트의 미끄럼(slip)이 감소되므로 부착특성이 개선된다.5) 이와 같이 강섬유로 보강된 콘크리트의 균열 저항성 및 부착 성능의 개선 효과에 의해 철근콘크리트 부재의 균열면에서 콘크리트의 인장력 분담도 개선된다.6)
- 가 25 MPa이며, 배합설계는 Table 1과 같다. 타설 후 28일이 경과한 압축강도는 26 MPa, 쪼갬인장강도 fsp는 비정질 강섬유 보강 콘크리트의 경우 2.48 MPa, 일반 강섬유 보강 콘크리트의 경우 2.63 MPa로 측정되었다. 콘크리트에 혼입된 비정질 강섬유와 일반 강섬유는 Fig.
- 첫번째 횡방향균열 발생하중은 일반 강섬유 보강 콘크리트보다 비정질 강섬유 보강 실험체에서 높게 나타났다. 그리고 피복두께가 두꺼워짐에도 불구하고 보강된 강섬유의 종류와 무관하게 횡방향균열 하중은 모든 피복두께에서 큰 차이가 없이 비슷하게 나타났다.
- 첫번째 횡방향균열 발생하중은 일반 강섬유 보강 콘크리트보다 비정질 강섬유 보강 실험체에서 높게 나타났다. 그리고 피복두께가 두꺼워짐에도 불구하고 보강된 강섬유의 종류와 무관하게 횡방향균열 하중은 모든 피복두께에서 큰 차이가 없이 비슷하게 나타났다. 이러한 결과는 강섬유로 보강된 철근콘크리트 부재의 횡방향균열은 피복두께의 영향을 크게 받지 않는다는 것을 의미한다.
- 이러한 결과는 강섬유로 보강된 철근콘크리트 부재의 횡방향균열은 피복두께의 영향을 크게 받지 않는다는 것을 의미한다. 또한 쪼갬인장강도 크기와는 다르게 재료의 인장강도가 높고 콘크리트와의 부착면적이 증가하는 비정질 강섬유가 횡방향균열에 대한 저항 성능이 일반 강섬유보다 비교적 우수하다는 것을 확인하는 결과이다.
- 이상과 같은 실험결과를 근거로 한다면, 비정질 강섬유 또는 일반 강섬유로 보강한 철근콘크리트 부재에서는 피복두께가 철근직경의 3배 이상으로 확보된다면 철근과의 부착 및 인장강화효과에 큰 영향을 주는 쪼갬균열을 억제할 수 있다는 점이다.
- 이 그림을 살펴보면, 피복두께가 두꺼워질수록 비정질 강섬유 및 일반 강섬유로 보강한 철근콘크리트 실험체의 평균균열간격은 증가하는 것으로 나타났다.
- 이 그림을 살펴보면, 피복두께가 두꺼워질수록 비정질 강섬유 및 일반 강섬유로 보강한 철근콘크리트 실험체의 평균균열간격은 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 비정질 강섬유로 보강된 ATM 계열 실험체가 일반 강섬유로 보강된 FTM 계열 실험체보다 평균균열간격이 더 크게 발생하였다. 그리고 평균균열간격을 정의하고 있는 설계기준들의 규정으로 계산한 결과와 실험결과를 함께 비교하였다.
- 그리고 평균균열간격을 정의하고 있는 설계기준들의 규정으로 계산한 결과와 실험결과를 함께 비교하였다. 이 결과를 살펴보면, 피복두께가 두꺼워짐에 따라 평균균열간격이 증가하는 경향을 반영하고 있지만, 강섬유가 보강되지 않은 보통 콘크리트를 기준으로 규정된 설계기준들의 평균균열간격은 CEB-FIP Model Code 197813) (MC 78)을 제외하고 실험결과보다 크게 계산됨을 확인할 수 있다.14-16) 이러한 차이는 각 설계기준의 평균균열간격 계산식에서 규정하는 계수들이 서로 다르기 때문이다.
- 비정질 강섬유로 보강된 철근콘크리트 인장부재의 피복두께별 인장강화효과를 비교한 Fig. 8을 살펴보면, 피복두께가 두꺼워질수록 인장강화효과도 증가하였다. 다만, 피복두께가 상대적으로 얇은 ATM 10 (c/db=1.
- 5) 실험체에서는 두꺼운 피복두께를 갖는 실험체들과 비교하여 인장강화효과는 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 또한 비정질 강섬유의 보강 효과를 알아보기 위하여 보통 콘크리트를 기준으로 하는 MC 907) 및EC 28)의 인장강화효과 규정과 비교하면, 얇은 피복두께를 갖는 ATM 10, ATM 15 실험체에서는 설계기준 규정과 비교적 유사한 거동을 보이지만, 피복두께가 철근 직경의 2배 이상인 실험체에서는 설계기준의 규정보다 인장강화효과가 크게 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 일반 강섬유로 보강된 철근콘크리트 인장부재의 피복두께에 따른 인장강화효과를 비교한 Fig.
- 이상과 같은 결과로부터 강섬유로 보강된 철근콘크리트 부재는 보통 콘크리트보다 인장강화효과가 개선된다는 점을 확인할 수 있다. 특히, 비정질 강섬유를 보강재로 사용하면 피복두께가 상대적으로 얇은 경우에도 보통 콘크리트와 유사한 인장강화효과를 얻을 수 있으며, 피복두께를 충분히 확보할 경우에는 인장강화효과의 개선 효과를 크게 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
- 이상과 같은 결과로부터 강섬유로 보강된 철근콘크리트 부재는 보통 콘크리트보다 인장강화효과가 개선된다는 점을 확인할 수 있다. 특히, 비정질 강섬유를 보강재로 사용하면 피복두께가 상대적으로 얇은 경우에도 보통 콘크리트와 유사한 인장강화효과를 얻을 수 있으며, 피복두께를 충분히 확보할 경우에는 인장강화효과의 개선 효과를 크게 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
- 1에 개념적으로 도해한 것과 같이 균열이 발생함에 따라 콘크리트의 인장 기여도가 감소하게 되는 보통콘크리트와는 다른 거동으로서, 보강된 강섬유의 균열 저항성이 우수하다는 것을 증명하는 결과라고 할 수 있다. 특히, 일반 강섬유에 비하여 비정질 강섬유로 보강된 실험체 모두에서 인장강성 계수가 더 큰 것으로 나타났는데, 이 결과는 비정질 강섬유의 보강 효과가 비교적 우수하며, 콘크리트의 인장 성능 및 균열 저항성 개선을 위한 새로운 보강 재료로 사용할 수 있는 가능성을 확인한 것이다.
- 그러나 피복두께가 철근 직경의 2배(c/db = 2.0) 이상인 실험체는 비정질 강섬유로 보강된 실험체가 일반 강섬유로 보강된 경우보다 인장강화효과가 비교적 우수함을 확인할 수 있다.
- 3) 인장강화효과의 크기를 결정하는 인장강성 계수는일반 강섬유로 보강한 경우에는 두꺼운 피복두께를 갖는 경우를 제외하면 설계기준의 규정과 비교적 유사하지만, 비정질 강섬유로 보강한 실험체의 경우에는 얇은 피복두께를 제외한 cdb = 2.0 이상인 경우에는 설계기준 규정과는 다르게 작용하중이 증가함에 따라 인장강성 계수가 커지는 것으로 나타났다.
- 2) 현행 설계기준의 규정과는 다르게 피복두께가 두꺼워질수록 인장강화효과는 증가하였으며, 비정질 강섬유로 보강한 실험체의 경우 피복두께가 철근 직경의 2배 이상 확보되면 설계기준 규정으로 예측한값보다 큰 인장강화효과를 얻을 수 있다.
- 1) 강섬유 보강 콘크리트는 얇은 피복두께를 갖는 경우에도 인장강화효과에 영향을 주는 쪼갬균열의 발생 및 진행을 억제하는 효과가 우수하며, 특히 비정질 강섬유가 일반 강섬유보다 우수한 보강효과를 보였다.
- 따라서 현재까지 콘크리트 성능 개선을 위한 보강재로서 주로 사용되고 있는 일반 강섬유를 대체할 수 있는 새로운 보강재로서 비정질 강섬유의 적용 가능성을 확인하는 결과라고 할 수 있다. 또한, MC 907) 및 EC 28) 설계기준에서 규정하고 있는 인장강화효과는 강섬유로 보강된 콘크리트 구조 부재에 그대로 적용하게 되면 상당한 차이가 발생할 수 있으므로, 강섬유의 보강 효과를 반영할 수 있도록 강섬유 종류에 따른 인장강성 계수의 수정이 반드시 필요하다고 판단된다.
- 0배인 FTM30 실험체까지 보통 콘크리트 기준의 설계기준 규정과 비교적 유사한 거동을 나타낸다. 그리고 피복두께가 상대적으로 두꺼운 FTM35 실험체에서만 설계기준 규정보다 인장강화효과가 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이상과 같은 실험결과를 근거로 한다면, 비정질 강섬유 또는 일반 강섬유로 보강한 철근콘크리트 부재에서는 피복두께가 철근직경의 3배 이상으로 확보된다면 철근과의 부착 및 인장강화효과에 큰 영향을 주는 쪼갬균열을 억제할 수 있다는 점이다. 즉, 쪼갬균열을 제어하기 위하여 추가적인 횡방향 보강철근 등을 사용하지 않고 강섬유 보강 콘크리트의 재료 특성만으로 인장강화효과의 개선을 기대할 수 있을 것이다.
- 따라서 현재까지 콘크리트 성능 개선을 위한 보강재로서 주로 사용되고 있는 일반 강섬유를 대체할 수 있는 새로운 보강재로서 비정질 강섬유의 적용 가능성을 확인하는 결과라고 할 수 있다. 또한, MC 907) 및 EC 28) 설계기준에서 규정하고 있는 인장강화효과는 강섬유로 보강된 콘크리트 구조 부재에 그대로 적용하게 되면 상당한 차이가 발생할 수 있으므로, 강섬유의 보강 효과를 반영할 수 있도록 강섬유 종류에 따른 인장강성 계수의 수정이 반드시 필요하다고 판단된다.
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