압축강도 수준을 고려한 강섬유 보강 UHPC와 역T형 강재 합성보의 휨거동 실험 연구 A Study on the Experiment of Flexural Behavior of Composite Beam with Steel Fiber Reinforced UHPC and Inverted-T Steel Considering Compressive Strength Level원문보기
최근 일반적인 콘크리트의 단점인 낮은 인장강도 및 휨강도와 취성파괴를 극복하기 위하여 초고성능 콘크리트에 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPC)에 대한 연구가 주목받고 있다. 본 논문에서는 UHPC의 장점을 극대화하기 위하여 합성보 구성 시에 강재거더의 상부 플랜지를 없앤 역T형 거더를 적용하여, 콘크리트 압축강도, 섬유 혼입률, 전단연결재 간격 및 바닥판 두께 등의 변수를 가지는 역T형 거더와 UHPC 바닥판을 합성한 합성보를 16 개 제작하고 전단연결재의 거동, 휨거동 특성 등을 실험적으로 파악하고자 하였다. 실험결과를 기준으로 볼 때, 향후 UHPC의 경우 스터의 간격은 100 mm에서 바닥판 두께의 2 또는 4 배 사이로 규정함이 적절할 것으로 예상된다. 또한 대부분 실험 부재의 특성 상대변위는 Eurocode-4의 기준을 만족하므로 연성 거동을 확보하는 것으로 판정되었으며, 전단연결재 간격이 넓은 부재는 설계식의 값보다 실험값이 크게 나와, 비합성 거동 후 UHPC와 강재로 전단연결재 예상저항하중보다 더 큰 극한강도를 발휘하며, 전단연결재 간격이 좁은 부재는 전단연결재가 스스로의 능력에 도달하기 전에 UHPC 상연에서 압축파괴가 급격히 발생됨을 알 수 있었다.
최근 일반적인 콘크리트의 단점인 낮은 인장강도 및 휨강도와 취성파괴를 극복하기 위하여 초고성능 콘크리트에 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPC)에 대한 연구가 주목받고 있다. 본 논문에서는 UHPC의 장점을 극대화하기 위하여 합성보 구성 시에 강재 거더의 상부 플랜지를 없앤 역T형 거더를 적용하여, 콘크리트 압축강도, 섬유 혼입률, 전단연결재 간격 및 바닥판 두께 등의 변수를 가지는 역T형 거더와 UHPC 바닥판을 합성한 합성보를 16 개 제작하고 전단연결재의 거동, 휨거동 특성 등을 실험적으로 파악하고자 하였다. 실험결과를 기준으로 볼 때, 향후 UHPC의 경우 스터의 간격은 100 mm에서 바닥판 두께의 2 또는 4 배 사이로 규정함이 적절할 것으로 예상된다. 또한 대부분 실험 부재의 특성 상대변위는 Eurocode-4의 기준을 만족하므로 연성 거동을 확보하는 것으로 판정되었으며, 전단연결재 간격이 넓은 부재는 설계식의 값보다 실험값이 크게 나와, 비합성 거동 후 UHPC와 강재로 전단연결재 예상저항하중보다 더 큰 극한강도를 발휘하며, 전단연결재 간격이 좁은 부재는 전단연결재가 스스로의 능력에 도달하기 전에 UHPC 상연에서 압축파괴가 급격히 발생됨을 알 수 있었다.
In a will to subdue the brittleness as well as the low tensile and flexural strengths of ordinary concrete, researches are being actively watched worldwide on steel fiber-reinforced Ultra High Performance Concrete (UHPC) obtained by admixing steel fibers in ultra high strength concrete. For the purp...
In a will to subdue the brittleness as well as the low tensile and flexural strengths of ordinary concrete, researches are being actively watched worldwide on steel fiber-reinforced Ultra High Performance Concrete (UHPC) obtained by admixing steel fibers in ultra high strength concrete. For the purpose of maximizing advantage of UHPC, this study removes the upper flange of the steel girder to apply an inverted T-shape girder for the formation of the composite beam. This paper intends to evaluate the behavior of the shear connectors and the flexural characteristics of the composite beam made of the inverted T-shape girder and UHPC slab using 16 specimens considering the compressive strength of concrete, the mixing ratio of steel fiber, the spacing of shear connectors and the thickness of the slab as variables. In view of the test results, it seemed that the appropriate stud spacing should range between 100 mm and 2 or 4 times the thickness of the slab. Moreover, the relative displacement observed in the specimens showed that ductile behavior was secured to a certain extent with reference to the criteria for ductile behavior suggested in Eurocode-4. The specimens with large stud spacing exhibited larger values than given by the design formula and revealed that the shear connectors developed larger ultimate strength than predicted owing to the action of UHPC and steel after non-composite behavior. Besides, the specimens with narrow stud spacing failed suddenly through compression at the upper chord of UHPC before reaching the full capacity of the shear connectors.
In a will to subdue the brittleness as well as the low tensile and flexural strengths of ordinary concrete, researches are being actively watched worldwide on steel fiber-reinforced Ultra High Performance Concrete (UHPC) obtained by admixing steel fibers in ultra high strength concrete. For the purpose of maximizing advantage of UHPC, this study removes the upper flange of the steel girder to apply an inverted T-shape girder for the formation of the composite beam. This paper intends to evaluate the behavior of the shear connectors and the flexural characteristics of the composite beam made of the inverted T-shape girder and UHPC slab using 16 specimens considering the compressive strength of concrete, the mixing ratio of steel fiber, the spacing of shear connectors and the thickness of the slab as variables. In view of the test results, it seemed that the appropriate stud spacing should range between 100 mm and 2 or 4 times the thickness of the slab. Moreover, the relative displacement observed in the specimens showed that ductile behavior was secured to a certain extent with reference to the criteria for ductile behavior suggested in Eurocode-4. The specimens with large stud spacing exhibited larger values than given by the design formula and revealed that the shear connectors developed larger ultimate strength than predicted owing to the action of UHPC and steel after non-composite behavior. Besides, the specimens with narrow stud spacing failed suddenly through compression at the upper chord of UHPC before reaching the full capacity of the shear connectors.
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문제 정의
본 논문에서는 UHPC 압축강도, 강섬유 혼입률, 전단연결재 간격 및 바닥판 두께 등을 변수로 하여 역T형 거더와 UHPC바닥판을 합성한 합성보를 16개 제작하여 전단연결재의 거동, 휨거동 특성 등을 실험적으로 파악하고자 하였으며, 이로부터 도출된 결론은 다음과 같다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 콘크리트 압축강도, 섬유 혼입률, 전단연결재 간격 및 바닥판 두께 등을 변수로 하여 역T형 거더와 UHPC 바닥판을 합성한 합성보를 16개 제작하여 전단연결재의 거동, 휨거동 특성 등을 실험적으로 파악하고자 하였다.
또한, UHPC 압축강도 및 섬유 혼입률을 실험변수로 선정한 이유는 콘크리트 압축 및 인장강도의 차이에 따른 합성보의 휨거동을 파악하기 위함이다. 한편 일부 실험부재는 강재의 제원을 변화시켜 강재의 제원에 따른 거동 차이를 파악하고자 하였다.
제안 방법
실험변수로는 UHPC 압축강도 120, 150 MPa인 2 수준, UHPC 바닥판 두께 50, 100 mm인 2 수준 및 전단연결재 간격 50, 100, 200, 400 mm인 4 수준으로 계획하였으며, 이러한 실험변수를 가진 실험부재는 총 16개이다.
12에 나타내었다. 이때, (1) 및 (2)에 의해서 계산된 전단연결재의 정적강도 값은 안전율을 제외하여 실험결과와 직접 비교하였다.
특히 UHPC 바닥판과 강재거더를 이용하여 합성보를 구성할 때, UHPC 바닥판의 높은 강도와 연성으로 인하여 강재거더에서 상부 플랜지의 역할이 거의 없을 것으로 예상되어 본 논문에서는 Fig. 1과 같은 합성보 구성 시, 강재거더 상부 플랜지를 없앤 역T형 거더4,5)를 적용하였다.
대상 데이터
사용된 전단연결재는 기성품으로 치수는 몸통직경 18.5 mm, 머리직경 34 mm 및 높이 50 mm이며, 직접인장 실험 결과, 항복강도는 371 MPa, 극한강도 472 MPa인 것으로 나타났다. 한편 강재 거더는 SM490 재질을 사용하였으며, 제조사에서 제시한 시험성적서에 의하면 항복강도는 397 MPa, 극한강도는 550 MPa이었다.
5 mm, 머리직경 34 mm 및 높이 50 mm이며, 직접인장 실험 결과, 항복강도는 371 MPa, 극한강도 472 MPa인 것으로 나타났다. 한편 강재 거더는 SM490 재질을 사용하였으며, 제조사에서 제시한 시험성적서에 의하면 항복강도는 397 MPa, 극한강도는 550 MPa이었다.
성능/효과
2) Eurocode-4에서 규정하고 있는 특성 상대변위를 실험부재에 적용한 결과, 대부분의 실험부재가 Eurocode-4의 연성거동 한계치를 상회하는 것으로 나타났다.
3) 실험부재의 극한 수평전단력과 기존의 설계기준에 의한 전단연결재의 정적강도 비교결과, Eurocode-4의 경우는 실험결과와 전반적으로 잘 일치하는 것으로 나타난 반면에, AASHTO LRFD의 경우는 다소 과대하게 전단연결재의 정적강도를 평가하는 것을 알 수 있다.
4) 전단연결재 간격이 넓은 부재는 설계식의 값보다 실험값이 크게 나와, 비합성 거동 후 UHPC와 강재로 전단연결재 예상저항하중보다 더 큰 극한강도를 나타내었으며, 전단연결재 간격이 좁은 부재는 전단연결재가 스스로의 능력에 도달하기 전에 UHPC 상연에서 압축파괴가 급격히 발생됨을 알 수 있었다.
Fig. 6~7 및 Table 4에 나타낸 균열 및 파괴양상에 대한 특성을 종합적으로 평가하면 전단연결재의 간격이 넓을수록 강재 주형을 따라 콘크리트 상면에 축방향 균열이 발생되는 것으로 나타났으며, 이는 전단연결재 부위의 작은 영역에 집중되는 힘이 넓은 콘크리트 내로 분산되면서 발생하는 인장응력에 의해서 유발되는 균열5)로 추정된다. 즉, 바닥판 두께와 상관없이 전단연결재 간격이 200 mm 이상일 때는 콘크리트 상면에 축방향 균열이 발생하였다.
본 실험결과들이 Eurocode-4 (2005) 규정에 적합한지 여부를 파악하기 위하여 실험 결과에서 얻어진 특성 상대변위를 Table 5에 나타내었다. Table 5에서 알 수 있듯이 실험 부재의 특성 상대변위는 5.36~9.74 mm로 나타나, 120f-50-400 실험체를 제외한 모든 부재가 Eurocode-4 (2005)의 연성 거동 한계치인 6 mm보다는 큰 값을 가지므로 충분한 연성 거동을 하는 것으로 평가된다.
바닥판 두께가 50 mm인 실험체들은 최초 중립축이 강재 거더의 복부에 위치하므로 바닥판 하연에는 하중 초기에는 압축 변형률이 발생되지만, 전단연결재 간격이 넓은 실험체들은 중앙 전단연결재의 인접부 콘크리트가 탈락되면서 비합성 거동이 시작되고 이후로 바닥판 하연은 압축 변형률이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 바닥판 두께가 100 mm인 실험체들은 최초 중립축이 바닥판 하연 근처에 위치한 이유로, 바닥판 하연에 하중 초기에는 변형률이 거의 발생하지 않았고 강재 항복 이후부터 파괴단계까지 계속적으로 인장 변형률 값이 증가하는 것으로 나타났다.
바닥판 두께가 50 mm인 실험체들은 최초 중립축이 강재 거더의 복부에 위치하므로 바닥판 하연에는 하중 초기에는 압축 변형률이 발생되지만, 전단연결재 간격이 넓은 실험체들은 중앙 전단연결재의 인접부 콘크리트가 탈락되면서 비합성 거동이 시작되고 이후로 바닥판 하연은 압축 변형률이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 바닥판 두께가 100 mm인 실험체들은 최초 중립축이 바닥판 하연 근처에 위치한 이유로, 바닥판 하연에 하중 초기에는 변형률이 거의 발생하지 않았고 강재 항복 이후부터 파괴단계까지 계속적으로 인장 변형률 값이 증가하는 것으로 나타났다.
8에 나타내었다. 바닥판두께가 증가하고 전단연결재의 간격은 감소할수록 실험체의 극한하중은 증가하는 것으로 나타났으며, 모든 실험체에서 콘크리트 상연에 압축파괴가 발생된 이유로 강섬유량 차이에 의한 콘크리트의 인장강도 영향을 파악할 수는 없었다.
9~10에 나타내었다. 실험결과를 고찰해 보면, 바닥판 콘크리트의 압축 극한변형률은 약 0.003~0.005 정도로 나타나 기존 UHPC의 재료 거동 연구결과6)와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
실험부재의 극한 수평전단력과 식 (1) 및 (2)의 설계기준에 의한 전단연결재의 정적강도 비교결과, Eurocode-4의 경우 평균비율이 1.34이며, 전단연결재 간격이 넓은 일부 부재를 제외하면 실험결과와 전반적으로 잘 일치하는 것으로 나타난 반면에, AASHTO LRFD의 경우는 평균비율이 0.73으로 나타나 다소 과대하게 전단연결재의 정적 강도를 평가하는 것을 알 수 있다.
이러한 결과로 볼 때, 전단연결재의 간격이 바닥판 두께의 2배(바닥판 두께 100 mm 경우) 혹은 4배 수준(바닥판 두께 50 mm 경우) 이내일 때, 합성 거동이 안정적이며, 또한 100 mm 수준이 합성 거동을 확보할 수 있는 최소간격일 것으로 예상된다.
전단연결재 간격이 넓은 200, 400 mm 부재는 설계식의 값보다 실험값이 크게 나와, 비합성 거동 후 UHPC와 강재로 전단연결재 예상저항하중보다 더 큰 극한강도를 나타내었으며, 전단연결재 간격이 100 mm 이하 부재는 전단연결재가 스스로의 능력에 도달하기 전에 UHPC 상연에서 압축파괴가 발생되어 급격히 파괴됨을 알 수 있었다.
전단연결재의 간격에 따른 실험결과와 설계식을 비교하면, 전단연결재 간격이 넓을수록 실험결과와 설계식의 비율이 크게 나타났다. 이는 전단연결재의 간격이 넓을 수록 비합성 거동으로 수평전단력이 감소하기 때문으로 판단된다.
한편 설계식들은 콘크리트 압축강도에 비례하는 것으로 나타난 반면에 실험결과는 콘크리트 압축강도 영향이 설계식들만큼 크게 영향을 주지는 않는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강섬유 보강 초고성능 콘크리트는 어떠한 특성을 향상시키는가?
최근 일반적인 콘크리트의 단점인 낮은 인장강도 및 휨강도와 취성파괴를 극복하기 위하여 120 MPa이상인 고성능 콘크리트에 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPC)에 대한 연구1,2,3)가 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 이러한 강섬유 보강 초고성능 콘크리트는 콘크리트의 처짐, 휨강도 및 균열 이후의 연성거동 특성을 향상시키는 것으로 알려진 바 있다.
일반적인 콘크리트의 단점은?
최근 일반적인 콘크리트의 단점인 낮은 인장강도 및 휨강도와 취성파괴를 극복하기 위하여 120 MPa이상인 고성능 콘크리트에 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPC)에 대한 연구1,2,3)가 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 이러한 강섬유 보강 초고성능 콘크리트는 콘크리트의 처짐, 휨강도 및 균열 이후의 연성거동 특성을 향상시키는 것으로 알려진 바 있다.
UHPC 전단연결재의 거동, 휨거동 특성을 알아보는 실험에서 바닥판 두께를 변수로 선정한 이유는?
바닥판 두께를 실험변수로 선정한 이유는 바닥판 두께와 강재 거더 복부에 설치된 전단연결재의 묻힘 깊이에 따른 합성 거동 여부를 파악하기 위함이며, 전단연결재의 간격은 UHPC 합성보의 합성성능 확보를 위한 적정 간격도출을 위함이다. 또한, UHPC 압축강도 및 섬유 혼입률을 실험변수로 선정한 이유는 콘크리트 압축 및 인장강도의 차이에 따른 합성보의 휨거동을 파악하기 위함이다.
참고문헌 (9)
John, H., and George, S., The Implementation of Full Depth UHPC Waffle Bridge Deck Panels, Federal Highway Administration Highways for LIFE Technology Partnerships Program, 2010.
Naaman, A. E., and Chandrangsu, K., "Innovative Bridge Deck System Using High-Performance Fiber-Reinforced Cement Composites", ACI Structural Journal, Vol.101, No.1, 2004, pp.57-64 (doi: http://dx.doi.org/10.14359/12998).
Kang, S. T., and Ryu, G. S., "The Effect of Steel-Fiber Contents on the Compressive Stress-Strain Relation of Ultra High Performance Cementitious Composites (UHPCC)", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.23, No.1, 2011, pp.67-75 (in Korean) (doi: http://dx.doi.org/10.4334/JKCI.2011.23.1.067).
Lee, K. C., Joh, C., Choi, E., and Kim, J., "Stud and Puzzle-Strip Shear Connector for Composite Beam of UHPC Deck and Inverted-T Steel Girder", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.26, No.2, 2014, pp.151-157 (in Korean) (doi: http://dx.doi.org/10.4334/JKCI.2014.26.2.151).
Yoo, S. W., Ahn, Y., Cha, Y., and Joh, C., "Experiment of Flexural Behavior of Composite Beam with Steel Fiber Reinforced Ultra High Performance Concrete Deck and Inverted-T Steel Girder," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.26, No.6, 2014, pp.761-769 (in Korean) (doi: http:// dx.doi.org/10.4334/JKCI.2014.26.6.761).
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