[논문]PVA-ECC에 의해 피복 보강된 RC보의 비틀림 거동에 대한 연구

정영석; 권민호; 서현수; 김진섭; 김기영

doi:10.11004/kosacs.2015.6.1.030

PVA-ECC에 의해 피복 보강된 RC보의 비틀림 거동에 대한 연구
Torsional Behavior of Beams Retrofitted by PVA-ECC 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.1, 2015년, pp.30 - 37

정영석 (경상대학교 토목공학과) , 권민호 (경상대학교 토목공학과) , 서현수 (경상대학교 토목공학과) , 김진섭 (경상대학교 토목공학과) , 김기영 (텍사스알링턴주립대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The need to consider torsion in the design of members of a structure has recently been increasing; therefore, many studies on torsion have been carried out. Recent research was focused on the torsional performance of concrete according to the reinforcing materials used. Of particular interest, are torsion studies of beams made of SFRC(steel fiber reinforced concrete), and there has been increasing use of SFRC at construction sites. In contrast, research on the composite PVA-ECC (polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite) has only covered its mechanical performance, though it exhibits excellent tensile-strain performance (better than SFRC). Therefore, research on the torsion of concrete beams retrofitted using PVA-ECC is lacking. In this study, the behavior characteristics and performance of reinforced-concrete beams retrofitted by PVA-ECC was investigated experimentally. The experimental results show that the resistance to torsional cracking is increased by PVA-ECC. In addition, the strain on the rebar of the specimen was found to be reduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 대부분의 연구가 ECC의 인장특성을 이용한 휨 성능에 대한 실험적 연구가 주를 이루고 있으며 비틀림을 받는 구조물에 ECC를 사용한 ECC 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 PVA-ECC를 사용하여 피복 보강된 ECC 시험체와 N21, N40 시험체의 비틀림 실험을 통하여, PVA-ECC로 피복 보강된 철근 콘크리트 보의 거동특성과 적용성에 대해 고찰하였다.
본 연구는 PVA-ECC로 피복 보강된 RC보에 비틀림 거동에 대한 기초적 연구로서 위의 결론은 본 연구의 제한된 실험조건에서 성립하는 것이다. 따라서 앞으로 섬유의 배합비, 스트럽의 간격, 심부 콘크리트의 강도 등의 추가적인 변수에 대한 연구가 지속적으로 이루어 져야 할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 동일한 사이즈와 철근상세를 가지는 철근 콘크리트 보에 대하여 PVA-ECC로 피복 보강된 경우의 철근 콘크리트 보의 비틀림 거동 특성에 대하여 실험적으로 분석한 결과는 다음과 같다.
비틀림 모멘트와 비틀림 각의 관계를 파악하기 위하여 LVDT를 양단 지점부에서 200 mm의 간격을 두어 L2, L3지점에 각각 2개를 200 mm간격으로 설치하여 양단 LVDT간 간격을 2000 mm가 되도록 설치하였다. 이 4개의 변위를 이용하여 양단 측점 간격 2000 mm에 대한 비틀림 각을 계산하여 비틀림 모멘트와 비틀림 각에 대한 경향을 파악 하고자 하였다. 비틀림 각의 계산은 Xiao-Ning Peng et al.

제안 방법

21 MPa과 40 MPa의 콘크리트에 대한 재료실험은 KS F 2403의 규정에 따라 공시체를 제작하여, KS F 2405의 규정에 따라 재령일수 28일에 콘크리트의 압축강도 시험을 수행 하였다. 그리고 PVA-ECC의 압축강도 시험은 KS L 5105에 따라 50mm × 50mm ×50mm의 큐빅 몰드를 사용하여 시편을 제작하고 재령일수 28일에 KS규정에 따라 PVA-ECC의 압축강도 시험을 수행하였다.
콘크리트와 PVA-ECC의 쪼갬 인장강도 시험은 KS F 2423에 준하여 ∅100 mm × 200 mm의 실린더형 몰드를 사용하여 시험체를 제작하였다. 각각의 재료에 대한 쪼갬 인장강도용 공시체를 재령일수 28일에 KS 규정에 따라 쪼갬 인장강도 시험을 수행하였다. 그에 대한 결과는 Table 5에 정리하여 나타내었다.
그리고 PVA-ECC의 압축강도 시험은 KS L 5105에 따라 50mm × 50mm ×50mm의 큐빅 몰드를 사용하여 시편을 제작하고 재령일수 28일에 KS규정에 따라 PVA-ECC의 압축강도 시험을 수행하였다.
모든 시험체는 양단 250 mm에 125 mm간격으로 스트럽 2개를 배치하였다. 나머지 2400 mm 부분은 스트럽 간격 150 mm로 하여 제작하였으며, 2400 mm 의 실험구간을 등분하여 각각 3 PL구간, PM구간, PR 구간으로 나누어 분석하였다. 시험체의 철근은 모두 SD400을 사용하였고 철근의 변형룰 분포를 판단하기 위하여 Fig.
0%로 하고, 단위중량을 이용하여 해당 양만큼 배합하였다. 또한 PVA-ECC의 유동성을 증가시키고 배합 시 섬유의 분산을 원활하게 하기 위해서 유동화제(PCSP)를 사용하였으며 배합 시 재료 분리를 방지하기 위해서 증점제(HPMC)를 사용하였다. 이를 정리하여 Table 2에 PVA-ECC 배합표로 작성하였고, Table 3에 PVA-ECC 의 배합에 사용된 PVA섬유의 물성치를 나타내었다.
비틀림 모멘트와 비틀림 각의 관계를 파악하기 위하여 LVDT를 양단 지점부에서 200 mm의 간격을 두어 L2, L3지점에 각각 2개를 200 mm간격으로 설치하여 양단 LVDT간 간격을 2000 mm가 되도록 설치하였다. 이 4개의 변위를 이용하여 양단 측점 간격 2000 mm에 대한 비틀림 각을 계산하여 비틀림 모멘트와 비틀림 각에 대한 경향을 파악 하고자 하였다.
비틀림을 받는 철근 콘크리트 구조물의 PVA-ECC 피복 보강에 따른 비틀림 거동의 변화를 연구하기 위하여 Fig. 2과 같이 정사각형 단면의 보를 설계하였다. 모든 시험체는 양단 250 mm에 125 mm간격으로 스트럽 2개를 배치하였다.

대상 데이터

ECC 시험체에 사용된 PVA-ECC의 배합은 시멘트 (C), 슬래그(Slag), 플라이 애쉬(FA)의 단위량의 합(B)에 대해 W/B는 0.45이고 규사 (SS)를 잔골재로 사용하여 SS/B를 0.71로 배합하여 사용하였다. 그리고 PVA섬유의 혼입은 체적에 대한 부피비 2.
나머지 2400 mm 부분은 스트럽 간격 150 mm로 하여 제작하였으며, 2400 mm 의 실험구간을 등분하여 각각 3 PL구간, PM구간, PR 구간으로 나누어 분석하였다. 시험체의 철근은 모두 SD400을 사용하였고 철근의 변형룰 분포를 판단하기 위하여 Fig. 2에 나타낸 ST1~15의 위치에 변형률 게이지를 부착 하였다. 타설은 각각 강도 21 MPa과 40 MPa의 콘크리트를 사용하여 시험체 N21과 N40을 Fig.
콘크리트와 PVA-ECC의 쪼갬 인장강도 시험은 KS F 2423에 준하여 ∅100 mm × 200 mm의 실린더형 몰드를 사용하여 시험체를 제작하였다.

이론/모형

이 4개의 변위를 이용하여 양단 측점 간격 2000 mm에 대한 비틀림 각을 계산하여 비틀림 모멘트와 비틀림 각에 대한 경향을 파악 하고자 하였다. 비틀림 각의 계산은 Xiao-Ning Peng et al. (2011)에 의해 제안된 식을 사용하였고 그 식은 (1)과 같다.
시험체 제작에 사용된 철근의 인장 시험은 KS B 0801( ) 금속재료인장시험편 규정 에 따라 SD400의 D10 이형철근과 D16 이형철근의 시편을 제작하고 KS B 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 실시하였다. 그에 대한 결과는 Table 6과 같다.

성능/효과

1) 초기균열이 관찰된 점에서 ECC 시험체는 일반 콘크리트 시험체의 평균값에 대해여 비틀림 모멘트는 1.4배 비틀림 각은 2.5배로 나타났다. 이를 통해서 PVA-ECC로 피복 보강된 ECC 시험체가 균열에 대한 저항성이 우수함을 알 수 있다.
2) 초기균열 발생 이후의 거동에서 ECC 시험체는 일반 콘크리트 시험체 달리 완만한 증가곡선을 보였다. 따라서 PVA-ECC의 피복 보강을 통해서 고강도 콘크리트의 문제점인 취성적 거동을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
3) ECC 시험체가 상대적으로 낮은 비틀림 각에서 비틀림 모멘트에 대한 저항성을 잃고 급격한 비틀림 모멘트의 감소를 보였으나 비틀림 저항성을 회복하고, 전체적으로 N40 시험체 보다 높거나 비슷한 거동을 보였다.
4) 섬유의 균열에 대한 가교 역할에 의해 시험체에 작용하는 비틀림 모멘트가 균열부에 집중되는 것을 막아주는 효과에 의한 것으로 판단되며 다중균열특성으로 인해 철근에 작용하게 되는 변형률을 저감시키고 분산시키는 효과를 보이는 것으로 판단된다.
ECC 시험체가 상대적으로 낮은 비틀림 각에서 비틀림 모멘트에 대한 저항성을 잃고 급격한 비틀림 모멘트의 감소를 보였으나 비틀림 저항성을 회복하고, 전체적으로 N40 시험체 보다 높거나 유사한 거동을 보였다.
일반 콘크리트 시험체의 경우 균열의 발생위치와 균열의 성장과 발달에 따라 철근의 변형률이 급격하게 수직 변화하는 형태를 보인다. 반면 ECC 시험체의 경우 일반 콘크리트 시험체와 달리 변형률이 비틀림 각의 증가에 따라 완만한 기울기로 증가하는 양상이 보였다. 이는 ECC의 특징인 균열 억제와 섬유의 균열에 대한 가교 역할에 의해 시험체에 작용하는 비틀림 모멘트가 균열부에 집중되는 것을 막아주는 효과에 의한 것으로 판단된다.
44배로 계산되어 ECC 시험체가 동일한 압축 강도를 가지는 N40 시험체 보다 뛰어난 비틀림 저항 성능을 보여주었다. 반면 최대 비틀림 모멘트 발생 시의 비틀림 각에 대해서는 동일한 N21 시험체를 기준으로 N40 시험체가 0.96배, ECC 시험체가 0.69배로나타나 ECC 시험체가 상대적으로 낮은 비틀림 각에서 균열에 의해 파괴되는 것으로 나타났다. 이는 균열 이후의 거동에서 ECC 시험체가 균열의 성장에 따라 균열의 폭이 확장되었고 이에 따라서 높은 비틀림 모멘트에서 ECC 시험체의 심부콘크리트가 분담하는 균열 저항응력 인장응력 의 손실에 의해 피복 PVA-ECC의 비틀림 모멘트에 대한 부담이 커지면서 급격하게 비틀림 모멘트가 감소하는 경향을 보인 것으로 판단된다.
Table 7의 초기균열이 관찰된 점에서의 비틀림 모멘트와 비틀림 값에 대하여 ECC 시험체가 큰 비틀림 모멘트와 비틀림 각을 보이는 것으로 나타났다. 여기서 일반 콘크리트 시험체의 평균값에 대한 ECC 시험체의 비틀림 모멘트는 1.4배 이때의 비틀림 각은 2.5배로 계산되었고 이러한 결과는 초기균열까지의 거동에서 PVA-ECC로 피복 보강된 ECC 시험체가 균열에 대한 저항성이 우수함을 나타낸다.
위의 결과를 바탕으로 ECC로 피복 보강된 경우 주철근과 스트럽에서 부담하게 되는 시험체의 인장응력을 우수한 인장특성을 가진 피복의 ECC가 일부 분담하여 철근에 작용하게 되는 변형률을 저감시키고 분산시키는 효과를 보이는 것으로 판단된다.
69배로나타나 ECC 시험체가 상대적으로 낮은 비틀림 각에서 균열에 의해 파괴되는 것으로 나타났다. 이는 균열 이후의 거동에서 ECC 시험체가 균열의 성장에 따라 균열의 폭이 확장되었고 이에 따라서 높은 비틀림 모멘트에서 ECC 시험체의 심부콘크리트가 분담하는 균열 저항응력 인장응력 의 손실에 의해 피복 PVA-ECC의 비틀림 모멘트에 대한 부담이 커지면서 급격하게 비틀림 모멘트가 감소하는 경향을 보인 것으로 판단된다.
초기 균열 발생 이후의 최대 비틀림 모멘트까지의 거동에서 일반 콘크리트 시험체는 비틀림 각의 증가에 따라 균열이 발달하며 그에 따른 영향으로 비틀림 모멘트가 증감을 반복하며 증가하는 경향의 거동을 보였고 고강도 콘크리트가 사용된 N40 시험체에서 더욱 뚜렷하게 증감이 나타났다. 반면 ECC 시험체의 경우 초기균열 발생 이후 증가 기울기가 감소하는 포물선 형태의 비틀림 모멘트 증가를 보였다.
73 KN·m으로 나타났다. 최대 비트림 모멘트의 비는 N21시험체를 기준으로 N40 시험체가 1.20배, ECC 시험체가 1.44배로 계산되어 ECC 시험체가 동일한 압축 강도를 가지는 N40 시험체 보다 뛰어난 비틀림 저항 성능을 보여주었다. 반면 최대 비틀림 모멘트 발생 시의 비틀림 각에 대해서는 동일한 N21 시험체를 기준으로 N40 시험체가 0.

후속연구

2) 초기균열 발생 이후의 거동에서 ECC 시험체는 일반 콘크리트 시험체 달리 완만한 증가곡선을 보였다. 따라서 PVA-ECC의 피복 보강을 통해서 고강도 콘크리트의 문제점인 취성적 거동을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 PVA-ECC로 피복 보강된 RC보에 비틀림 거동에 대한 기초적 연구로서 위의 결론은 본 연구의 제한된 실험조건에서 성립하는 것이다. 따라서 앞으로 섬유의 배합비, 스트럽의 간격, 심부 콘크리트의 강도 등의 추가적인 변수에 대한 연구가 지속적으로 이루어 져야 할 것으로 사료된다.
반면 ECC 시험체의 경우 초기균열 발생 이후 증가 기울기가 감소하는 포물선 형태의 비틀림 모멘트 증가를 보였다. 이를 통해 PVA-ECC의 피복 보강을 통해서 고강도 콘크리트의 문제점인 취성적 거동을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 ECC 시험체는 전체적으로 어떠한 거동을 보였는가?	ECC 시험체가 상대적으로 낮은 비틀림 각에서 비틀림 모멘트에 대한 저항성을 잃고 급격한 비틀림 모멘트의 감소를 보였으나 비틀림 저항성을 회복하고, 전체적으로 N40 시험체 보다 높거나 유사한 거동을 보였다.
	PVA-ECC로 피복 보강된 경우의 철근 콘크리트 보의 비틀림 거동 특성에 대한 결과는?	1) 초기균열이 관찰된 점에서 ECC 시험체는 일반 콘크리트 시험체의 평균값에 대해여 비틀림 모멘트는 1.4배 비틀림 각은 2.5배로 나타났다 이를 통해서 PVA-ECC로 피복 보강된 ECC 시험체가 균열에 대한 저항성이 우수함을 알 수 있다. 2) 초기균열 발생 이후의 거동에서 ECC 시험체는 일반 콘크리트 시험체 달리 완만한 증가곡선을 보였다 따라서 PVA-ECC의 피복 보강을 통해서 고강도 콘크리트의 문제점인 취성적 거동을 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 3) ECC 시험체가 상대적으로 낮은 비틀림 각에서 비틀림 모멘트에 대한 저항성을 잃고 급격한 비틀림 모멘트의 감소를 보였으나 비틀림 저항성을 회복하고, 전체적으로 N40 시험체 보다 높거나 비슷한 거동을 보였다. 4) 섬유의 균열에 대한 가교 역할에 의해 시험체에 작용하는 비틀림 모멘트가 균열부에 집중되는 것을 막아주는 효과에 의한 것으로 판단되며 다중균열특성으로 인해 철근에 작용하게 되는 변형률을 저감시키고 분산시키는 효과를 보이는 것으로 판단된다.
	ECC는 어떤 성질을 극복함으로서 무엇을 향상시켰는가?	(Li and Wu, 1992) ECC는 시멘트 페이스트 또는 모르터 매트릭스 내에 고성능의 합성섬유를 혼입함으로서 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 인장응력 및 휨 모멘트 작용하에 있어서 복수의 미세균열인 다중균열을 발달시키고 섬유의 가교작용에 의해 균열 발생 후에도 변형의 증대에 따라 응력이 증가하는 변형 경화 특성을 가지며 수 의 %인장변형 능력을 가진 시멘트계 복합재료로 최근 건설재료의 활용이 기대되고 있다 이러한 ECC는 종래의 콘크리트가 가지는 인장응력하에서의 취성적인 성질을 극복함으로서 구조물의 구조성능을 크게 향상시킬 수 있다. ECC는 인장부로의 활용 및 에너지 흡수재 보수 보강재 등 다양한 분야에서의 적용가능성 ·을 가지고 있으며 여러 방면으로의 활용을 위한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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