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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 순환굵은골재와 고로슬래그미분말을 치환한 콘크리트에 내력과 연성능력, 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 인장강도, 균열에 대한 저항성 등의 장점을 가진 강섬유와 PVA섬유를 활용한 하이브리드섬유를 철근콘크리트 건축물에서 지진하중과 같은 횡력이 작용할 때 가장 취성적이고 응력 부담이 높은 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 위험단면영역에 적용하여 구조물의 안정성을 증대시키고자 한다. 따라서, 순환굵은골재 치환과 하이브리드섬유 혼입에 따른 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 파괴양상 및 이력거동, 에너지소산 등을 고찰하여 내진성능을 평가하고 철근콘크리트 구조물의 설계시 기초자료를 제시하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 순환굵은골재와 고로슬래그미분말을 치환한 콘크리트에 내력과 연성능력, 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 인장강도, 균열에 대한 저항성 등의 장점을 가진 강섬유와 PVA섬유를 활용한 하이브리드섬유를 철근콘크리트 건축물에서 지진하중과 같은 횡력이 작용할 때 가장 취성적이고 응력 부담이 높은 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 위험단면영역에 적용하여 구조물의 안정성을 증대시키고자 한다. 따라서, 순환굵은골재 치환과 하이브리드섬유 혼입에 따른 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 파괴양상 및 이력거동, 에너지소산 등을 고찰하여 내진성능을 평가하고 철근콘크리트 구조물의 설계시 기초자료를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 지진하중과 같은 횡력이 작용할 때 가장 취 성적이고 응력 부담이 높은 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 위험단면영역에 하이브리드섬유(PVA섬유+강섬유)를 적용한 외부 보-기둥 접합부 실험체를 7개 제작하여 실험을 수행하여 내진성능을 평가하였다. 이 연구의 실험 결과를 근거로 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 본 실험체에 사용된 콘크리트의 설계기준강도는 27MPa이며 콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다.
- 압축강도용 원주형 공시체는 Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다. 공시체는 제작 후 즉시 비닐을 덮어 수분 증발을 방지하였으며, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 그리고 U.
- 공시체는 제작 후 즉시 비닐을 덮어 수분 증발을 방지하였으며, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 그리고 U.T.M으로 압축강도 시험을 하였다. Table 4에 나타난 콘크리트 압축강도는 압축강도용 원주 공 시체의 시험 결과에 대한 평균값이다.
- 수평하중의 가력은 보의 변곡점에서 변위제어로 하중을 작용시켰다. 반복주기하중의 형태는 Fig. 4와 같으며 반복주기하중의 주기는 전 실험체를 T=70sec로 하였으며, 반복횟수 2Cycle로 최대수평하중에 도달한 이후 최대하중이 80% 이하로 감소할 때까지 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험을 위한 프레임을 제작하여 설치하였으며, 실험체의 설치상황과 각종 시험기기 및 장치는 Fig. 3과 같다. 실험체는 프레임에 기둥 부분을 수평으로 눕혀서 설치하였다.
- 압축강도용 원주형 공시체는 Φ100×200mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다.
대상 데이터
- 고로슬래그미분말은 콘크리트의 수밀성 및 장기강도 향상 및 화학저항성 증대를 도모한다. 본 실험에서는 KS F 2563의 콘크리트용 고로슬래그미분말 규정을 만족하는 국내 H사의 고로슬래그 미분말 3종을 사용하였으며, 분말도는 4,000cm2/g이고, 성분은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 같이 주로 이산화규소 (SiO2), 산화알루미늄 (Al2O3), 산화칼슘 (CaO)이 주성분으로 구성되어 있다. 이외에 소량의 산화망간 (MnO), 산화철 (FeO), 황 (S), 알칼리 (Na2O, K2O) 등을 함유하고 있으며, 화학성분은 철광석의 품질에 따라 차이가 있다.
- 콘크리트에서는 굵은골재의 입경이 작은 것이 강도 발현에 유리하며, 골재의 입형은 골재와 시멘트페이스와의 부착력 증대를 위해 둥근 골재보다는 다각형의 쇄석이 사용된다. 본 실험에서는 최대직경 25mm의 쇄석을 사용하였으며 물리적 성질은 Table 5와 같다.
- 본 실험체에 사용된 콘크리트의 설계기준강도는 27MPa이며 콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다.
- 순환굵은골재는 폐콘크리트를 파쇄하여 생산된 최대치수 25mm의 굵은골재를 사용하였다. 물리적 성질은 Table 6과 같으며, KS F 2573 콘크리트용 순환골재에서 제한하고 있는 순환굵은골재의 흡수율 3% 이하를 만족하고 있다.
- 시멘트를 대체하기 위하여 철강 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 정하였다. 고로슬래그미분말은 콘크리트의 수밀성 및 장기강도 향상 및 화학저항성 증대를 도모한다.
- 실험체 제작에 사용된 강섬유는 국내 C사에서 생산된 단면이 원형으로 양끝이 갈고리(Hook)형이며 치수는 ø8×50mm로 강섬유가 각각 분리된 것을 사용하였다.
- 실험체에 사용된 섬유는 Fig. 2와 같이 다양한 형상의 섬유 중에서 분산성, 시공성, 적합성 등을 고려하여 K사에서 생산되는 길이가 12mm인 PVA섬유 REC15로 선정하였으며, 사용된 섬유의 물리적인 특성은 Table 8과 같다.
- 실험체에 사용된 철근은 국내에서 생산된 SD400의 철근을 사용하였으며, 보의 주근은 D19, 기둥의 주철근은 D16, D19, 전단보강근에는 D10을 배근하였다. 그리고 본 실험에 사용된 철근의 재료 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801(금속재료 인장시험편)에 따라 시험편을 제작하였으며 KS B 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 실시하였고 결과는 Table 2와 같다.
- 지진하중과 같은 반복 주기하중을 받는 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부에 순환굵은골재와 고로슬래그미분말의 치환과 하이브리드섬유(강섬유+PVA섬유) 혼입에 따른 내진성능을 평가하기 위하여 실제 구조물의 1/2정도의 크기로 축소한 7개의 실험체를 제작하였다. 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 설계는 ACI Building code (318-11) 및 ACI-ASCE 352위원회의 권장안, 국토교통부 콘크리트 구조설계 규준의 권장안에 따라 설계되었다.
이론/모형
- 실험체에 사용된 철근은 국내에서 생산된 SD400의 철근을 사용하였으며, 보의 주근은 D19, 기둥의 주철근은 D16, D19, 전단보강근에는 D10을 배근하였다. 그리고 본 실험에 사용된 철근의 재료 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801(금속재료 인장시험편)에 따라 시험편을 제작하였으며 KS B 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 실시하였고 결과는 Table 2와 같다.
성능/효과
- (1) 순환굵은골재 치환율의 변화에 따른 철근콘크리트 보기둥 접합부의 위험단면영역에 하이브리드섬유를 적용한 실험체 BCJGPSR시리즈는 표준실험체 BCJC와 실험체 BCJGPR시리즈보다 하중 재하시 전 영역에 걸쳐 안정적인 이력거동과 충분한 내력을 확보하였다.
- (2) 순환굵은골재 치환율의 변화에 따라 BCJGPSR시리즈는 변위연성 9에서 최대내력이 나타났으며, 표준실험체 BCJS와 비교한 결과 1.01~1.04배 내력이 증가하였다. 또한, 실험체 BCJGPSR시리즈는 PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교역할에 따른 균열의 제어와 강도개선으로 실험체 BCJGPR 보다 1.
- (3) 순환굵은골재를 치환하고 하이브리드섬유를 보강한 BCJGPSR시리즈와 표준실험체 BCJS를 비교한 결과 초기강성이 1.06~1.16배 큰 것으로 나타났다. 또한, 실험이 진행됨에 따라 강성이 점차 감소하여 초기강성의 약 15%까지 감소하였다.
- (4) 순환굵은골재 치환 및 PVA섬유를 보강한 실험체 BCJGPR 시리즈와 하이브리드섬유를 보강한 실험체 BCJGPSR 시리즈는 변위연성 2~3에서 접합부영역에서 사인장균열과 접합면에 균열이 발생하였다. 표준실험체 BCJC는 반복 주기하중이 진행되는 동안 보와 기둥의 접합 면에 균열이 발생하였고, BCJGP는 보 내측에 초기 균열이 발생하였다.
- (5) 순환굵은골재 치환율 변화와 하이브리드섬유를 보강한 실험체 BCJPSR시리즈는 표준실험체 BCJS보다 1.06~1.29배 에너지 소산능력이 증가하였다. 그리고 실험체 BCJPSR시리즈는 실험체 BCJGPR시리즈보다 1.
- (6) 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 위험단면영역에 하이브리드섬유를 보강한 결과 순환굵은골재 치환율을 증가하여도 내진성능이 표준실험체 보다 향상된 수준의 내력과 에너지 소산능력을 보였다.
- 각 실험체는 Fig. 10, Fig. 11에서와 같이 변위연성 5까지는 비슷한 에너지 소산능력을 보였으나, 변위연성 6에서부터 실험체 BCJPSR 시리즈는 표준실험체 BCJS보다 1.06~1.29배 증가하였다. 특히, 실험체 BCJPSR1은 최대강도를 확보한 변위연성 9에서 실험체 BCJS, BCJP, BCJGPR 시리즈 보다 최대에너지 소산능력이 1.
- Table 4에 나타난 콘크리트 압축강도는 압축강도용 원주 공 시체의 시험 결과에 대한 평균값이다. 각 실험체의 압축강도 실험결과, 순환굵은골재 치환율이 증가 할 경우 순환골재의 미립분 등으로 인하여 강도가 감소한 것으로 판단된다. 그러나, 하이브리드섬유(PVA섬유+강섬유)를 혼입할 경우에는 하이브리드섬유가 균열과 균열사이에서 가교역할을 하여 콘크리트의 강도가 상승하는 것으로 나타났다.
- 각 실험체의 이력거동곡선은 표준실험체에 PVA섬유를 0.2% 혼입한 실험체 BCJGP는 표준실험체보다 강도 및 에너지 소산능력이 증가하였다. 그러나, 순환굵은골재를 치환한 실험체시리즈 BCJGPR은 순환굵은골재의 치환율이 증가함에 따라 강도 및 에너지 소산능력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 각 실험체의 최대내력은 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP, BCJGPR시리즈는 변위연성 5~8, 실험체 BCJGPSR시리즈는 변위연성 9에서 나타났다.
- 2% 혼입한 실험체 BCJGP는 표준실험체보다 강도 및 에너지 소산능력이 증가하였다. 그러나, 순환굵은골재를 치환한 실험체시리즈 BCJGPR은 순환굵은골재의 치환율이 증가함에 따라 강도 및 에너지 소산능력이 감소하는 것으로 나타났다. 하지만, PVA섬유의 혼입으로 인하여 강도 및 에너지 소산능력이 표준실험체와 유사한 거동을 보였다.
- 각 실험체의 압축강도 실험결과, 순환굵은골재 치환율이 증가 할 경우 순환골재의 미립분 등으로 인하여 강도가 감소한 것으로 판단된다. 그러나, 하이브리드섬유(PVA섬유+강섬유)를 혼입할 경우에는 하이브리드섬유가 균열과 균열사이에서 가교역할을 하여 콘크리트의 강도가 상승하는 것으로 나타났다.
- 순환굵은골재를 10% 치환한 실험체 BCJGPR1은 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP의 최대내력을 각각 99%, 96%를 나타났다. 그리고 순환굵은골재 20%, 30% 치환한 실험체 BCJGPR2, BCJGPR3는 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP의 최대내력을 각각 94%, 95% 및 91%, 91%의 내력을 나타내었다. 따라서 순환굵은골재 치환율의 변화에 따라 내력이 최대내력이 감소하였으나 큰 폭으로는 감소하지 않은 것을 알 수 있었다.
- 하지만, PVA섬유의 혼입으로 인하여 강도 및 에너지 소산능력이 표준실험체와 유사한 거동을 보였다. 그리고 순환굵은골재에 치환에 따른 강도 및 에너지 소산능력 감소에 따라 실험체 보강을 위하여 접합부영역 1.5d 범위에 하이브리드섬유 (강섬유+PVA섬유)를 보강한 결과 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체 BCJGPSR시리즈는 강섬유 0.75% 보강으로 인하여 균열에 대한 저항성 향상으로 인하여 실험체 BCJGPR시리즈보다 강도 및 에너지 소산능력이 증가하였다. 그리고 표준실험체 BCJS보다 강도 및 강성, 에너지 소산능력이 증가 되었으며, 하중 재하시 전 영역에 걸쳐 안정적인 이력거동을 나타내었다.
- 이 하이브리드섬유 (PVA+강섬유) 보강으로 인하여 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고 실험체 BCJGPSR 시리즈는 표준실험체 BCJS, 실험체 BCJGP 보다 각각 초기 강성이 1.06~1.16배, 1.03~1.12배 큰 것으로 나타났다.
- 이는 PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교역할에 따른 균열의 제어와 강도가 개선된 것으로 판단된다. 그리고 실험체 BCJPSR1은 실험체 BCJGPR1 보다 1.39배, 실험체 BCJPSR2는 실험체 BCJGPR2 보다 1.17배 증가함을 나타내었다. 최종파괴시까지 변위연성별 에너지 소산능력이 우수한 것을 알 수 있었다.
- 29배 에너지 소산능력이 증가하였다. 그리고 실험체 BCJPSR시리즈는 실험체 BCJGPR시리즈보다 1.39배~1.17배 증가하였으며, 최종파괴시까지 변위연 성별 에너지 소산능력이 우수한 것을 알 수 있었다.
- 75% 보강으로 인하여 균열에 대한 저항성 향상으로 인하여 실험체 BCJGPR시리즈보다 강도 및 에너지 소산능력이 증가하였다. 그리고 표준실험체 BCJS보다 강도 및 강성, 에너지 소산능력이 증가 되었으며, 하중 재하시 전 영역에 걸쳐 안정적인 이력거동을 나타내었다.
- 그리고 순환굵은골재 20%, 30% 치환한 실험체 BCJGPR2, BCJGPR3는 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP의 최대내력을 각각 94%, 95% 및 91%, 91%의 내력을 나타내었다. 따라서 순환굵은골재 치환율의 변화에 따라 내력이 최대내력이 감소하였으나 큰 폭으로는 감소하지 않은 것을 알 수 있었다. 그 이유는 일반적으로 콘크리트는 균열이 발생되어진 이후에는 더 이상 인장력을 전달하지 못하고 파괴되지만, PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교역할에 따른 균열의 제어와 강도개선된 것으로 사료된다.
- 01배의 내력을 나타냈다. 또한, 실험체 BCJGPSR1은 실험체 BCJGPR1 보다 1.05배, 실험체 BCJGPSR2는 실험체 BCJGPR2 보다 1.08배 내력이 증가하였다. 그 이유는 하이브리드섬유의 PVA섬유와 강섬유의 균열에 대한 저항으로 인한 역학적 거동으로 내력이 증가한 것으로 사료된다.
- 04배 내력이 증가하였다. 또한, 실험체 BCJGPSR시리즈는 PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교역할에 따른 균열의 제어와 강도개선으로 실험체 BCJGPR 보다 1.05배~1.08배 내력이 증가하였다.
- 본 연구의 표준실험체 BCJC는 반복 주기하중이 진행되는 동안 보와 기둥의 접합면에 균열이 발생하였고, 변위연성이 클수록 보의 내측으로 균열이 확산되었다. 초기균열은 변위 연성 0.
- 순환굵은골재를 10% 치환한 실험체 BCJGPR1은 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP의 최대내력을 각각 99%, 96%를 나타났다. 그리고 순환굵은골재 20%, 30% 치환한 실험체 BCJGPR2, BCJGPR3는 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP의 최대내력을 각각 94%, 95% 및 91%, 91%의 내력을 나타내었다.
- 5에서 접합부 균열이 발생하였다. 실험이 진행됨에 따라 접합면에 균열집중 현상을 나타내며 보의 압축측과 인장측의 콘크리트가 박리, 탈락, 철근이 노출되는 현상을 나타냈었다. 최종파괴형태는 Fig.
- 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 영역을 하이브리드 섬유 (강섬유+PVA섬유)를 적용한 실험체 BCJPSR시리즈의 이력거동 곡선을 고찰하여 보면 재하 후반부 연성능력과 내력이 크게 증대하였고, 지진하중 작용시 에너지 소산능력이 매우 향상됨을 알 수 있었다.
- 초기강성은 표준실험체 BCJS가 가장 작게 나타났으며, 실험체 BCJGPSR1이 하이브리드섬유 (PVA+강섬유) 보강으로 인하여 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고 실험체 BCJGPSR 시리즈는 표준실험체 BCJS, 실험체 BCJGP 보다 각각 초기 강성이 1.
- 17배 증가함을 나타내었다. 최종파괴시까지 변위연성별 에너지 소산능력이 우수한 것을 알 수 있었다.
- 29배 증가하였다. 특히, 실험체 BCJPSR1은 최대강도를 확보한 변위연성 9에서 실험체 BCJS, BCJP, BCJGPR 시리즈 보다 최대에너지 소산능력이 1.33~1.65배, 누적에너지 소산능력은 1.25~1.42배 증가하였다.
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