[논문]강섬유 보강 초고성능 콘크리트의 전단 전달 모델

이지형; 홍성걸

doi:10.9712/kass.2015.15.2.069

강섬유 보강 초고성능 콘크리트의 전단 전달 모델
Shear Transfer Strength Evaluation for Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.15 no.2, 2015년, pp.69 - 77

이지형 (서울대학교 공과대학 건축학과) , 홍성걸 (서울대학교 공과대학 건축학과)

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Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) has a outstanding tensile hardening behaviour after a crack develops, which gives ductility to structures. Existing shear strength model for fiber reinforced concrete is entirely based on crack opening behavior(mode I) which comes from flexural-shear failure, not considering shear-slip behavior(mode II). To find out the mode I and mode II behavior on a crack in UHPFRC simultaneously, maximum shear strength of cracked UHPFRC is investigated from twenty-four push-off test results. The shear stress on a crack is derived as variable of initial crack width and fiber volume ratio. Test results show that shear slippage is proportional to crack opening, which leads to relationship between shear transfer strength and crack width. Based on the test results a hypothesis is proposed for the physical mechanics of shear transfer in UHPFRC by tensile hardening behavior in stead of aggregate interlocking in reinforced concrete. Shear transfer strength based on tensile hardening behavior in UHPFRC is suggested and this suggestion was verified by comparing direct tensile test results and push-off test results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 이러한 모델링은 주로 휨-전단 연구에서 파생된 것^1),2)으로 균열면에서의 전단응력 및 전단거동, 특히 전단면에서 미끄러짐 거동이 전혀 고려되어 있지 않는다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 균열이 있는 푸시 오프 실험을 통해 UHPFRC의 균열면에서의 수직, 수평응력 및 거동을 동시에 알아보고, 균열폭에 따른 최대전단강도식을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 ω/ωu를 주요 변수로 나타낼 것을 제안하였다.

가설 설정

5) 위험 균열폭은 ∊d에 비례한다고 가정하였으며, 이 균열폭은 식 (1)과 마찬가지로 골재최대치수에 의해 제한된다.
균열폭에 따른 인장력은 재료인장시험의 데이터 [Fig. 5]의 (d)를 그대로 따른다고 가정하였다.
기존 UHPFRC의 전단모델의 일반적인 가정은 재료 압축력이 인장력에 비해 매우 클 경우 균열면에서 강섬유에 의한 인장력에 의해 전단강도가 결정된다는 것이다. 하지만 이러한 모델링은 주로 휨-전단 연구에서 파생된 것^1),2)으로 균열면에서의 전단응력 및 전단거동, 특히 전단면에서 미끄러짐 거동이 전혀 고려되어 있지 않는다는 문제점이 있다.
초기 균열폭 ω는 실험변수로써 주어진 값이고, Δu_n과 Δu_t는 가력 후 발생한 상대변위로써 계측값을 나타낸다. 실험설계 시 언급했던 바와 같이 균열면의 양쪽은 강체거동을 하고 가력으로 인한 모든 변형은 균열면에서만 일어난다고 가정하였다.
이러한 결과는 균열면을 따라 발생하는 전단슬립이 균열폭의 증가를 수반하고 균열폭의 증가는 결 국 균열면에서 강섬유의 인장저항에 의한 수직응력을 유발한다는 가정을 뒷받침하며, 이 때 균열폭은 균열면에 작용하는 수직응력의 매개변수가 된다. 강섬유 부피비에 관계없이 모든 실험체에서 초기 균열폭이 클수록 최대전단강도가 작아지며 동시에 연성적인 파괴가 유도되는 경향을 보였다.
즉, 하중증가를 수반하는 전단슬립 발생 구간에서의 균열면에서 변위벡터 각도α는 일정한 값을 가진다고 가정할 수 있다.
한계 균열폭ωu는 총 균열 폭ωnet와 같다고 가정하였다.

제안 방법

3) 균열폭ω인 균열면에서 부담할 수 있는 최대전단강도와 전단강도를 ω/ωu에 대한 함수로 정의하여 제시하였으며, 실험결과와 비교하여 제시된 식을 검증하였다.
UHPFRC는 굵은 골재를 사용하지 않으므로 골재 맞물림 효과는 기대할 수 없으나, 균열폭에 따른 균열면에서의 수직, 수평응력 및 변위에 대한 연구라는 점에서 기존연구의 실험방법을 근거로 다음과 같이 계획하였다.
균열면에서의 수직, 수평응력 및 변위관계를 알아보기 위하여 [Table 3] 과 같이 강섬유 부피비와 초기 균열폭을 변수로 설정하였다. 강섬유 부피비는 재료인장강도를 결정하는 주요 요인으로써 각 부피비에 따른 인장강도-균열폭이 실제 변수가 되며, 초기 균열폭은 노치를 도입한 인장강도시험에서 인장강도-균열폭 관계 시 균열폭이 약 0.3mm보다 작은 범위에서 탄성상태에 있는 것을 참고하여 0.05~0.25mm 사이의 균열폭을 변수의 범위로 도입하였다.
낮은 물-결합비(W/B)에 의한 작업성을 보완하기 위하여 폴리카르본산계의 고성능 감수제(SP)를 사용하였으며, 충전재(F)의 구성입자 평균입경은 10μm정도이다. 강섬유(SF)는 부피비로 나타내어 실험변수에 따라 0.5%, 1.0%, 1.5%를 적용하였으며, 항복강도 2,500MPa, 직경 0.2mm의 직선형상 강섬유를 19mm길이와 16mm길이를 부피비에 따라 각각 2:1의 비율로 배합하였다.
에서 제시하는 시험방법에 의거하여 수행되었다. 강섬유부피비 0.5%, 1%, 1.5% 별로 각 6개의 시편을 제작하여 시험하였으며, 해당 강도는 시편 6개 중 가장 큰 값과 작은 값을 제외한 4개 값의 평균값으로 보았다. 인장시험의 경우 중앙부의 균열을 유도하기 위하여 [Fig.
2]. 균열면에서의 수직, 수평응력 및 변위관계를 알아보기 위하여 [Table 3] 과 같이 강섬유 부피비와 초기 균열폭을 변수로 설정하였다. 강섬유 부피비는 재료인장강도를 결정하는 주요 요인으로써 각 부피비에 따른 인장강도-균열폭이 실제 변수가 되며, 초기 균열폭은 노치를 도입한 인장강도시험에서 인장강도-균열폭 관계 시 균열폭이 약 0.
전단슬립변위는 전단면의 상, 하면에 LVDT를 설치하여 측정하였다. 균열폭은 실험체 앞, 뒤로 V형태 단면 노치에 파이형 크랙게이지를 설치하여 측정하였다. 수직응력 및 전단응력은 액츄에이터 가력 강도에서, 수평응력은 강봉 4개에 게이지를 붙여 변형률을 측정하여 응력을 계산하였다.
낮은 물-결합비(W/B)에 의한 작업성을 보완하기 위하여 폴리카르본산계의 고성능 감수제(SP)를 사용하였으며, 충전재(F)의 구성입자 평균입경은 10μm정도이다.
^3),5),8),9) Walraven은 직접전단 실험체에 사전에 균열을 도입한 뒤, 푸시 오프 실험을 수행하였다. 도입된 초기 균열폭의 크기에 따라 균열면에서 받을 수 있는 최대전단강도 및 최대전단강도에 이르기까지 균열면에서의 응력과 변위관계를 이론적으로 유도하여 실험값과 비교하였다. ⁹⁾
2] 의 (b)와 같이 전단면 가운데 V-형태 단면 노치의 앞뒷면에 가력 강봉을 설치하여 도입하였으며, 이 때 발생한 균열폭은 단면 중앙부의 양쪽면에 LVDT를 설치하여 상대변위로 측정하였다. 또한 실험체가 휨 거동을 하지 않도록 전단면의 양쪽면에 외부 지지강봉을 설치하여 균열면에서의 폭이 일정하도록 하였다.
본 연구에서는 초기 균열이 있는 직접전단실험체의 푸시오프 실험을 통해 균열면에서의 수직, 수평 강도 및 변위관계에 대하여 분석하였다.
균열폭은 실험체 앞, 뒤로 V형태 단면 노치에 파이형 크랙게이지를 설치하여 측정하였다. 수직응력 및 전단응력은 액츄에이터 가력 강도에서, 수평응력은 강봉 4개에 게이지를 붙여 변형률을 측정하여 응력을 계산하였다.
실험결과는 실험변수 강섬유부피비, 초기 균열폭에 따른 계측값들의 거동을 r-Δut관계, r-ωnet 관계, Δut-ωnet관계로 분석하였다.
01mm/sec의 속도로 전단슬립변위가 약 17mm가 될 때까지 수직으로 가력하였다. 실험체의 상, 하면에 전단면과 일직선이 되도록 지점재하를 하였으며 강봉은 수직방향으로는 위치가 고정되어 있고, 수평방향으 로는 강봉의 변위에 의해서 이동이 가능하도록 별도의 지그를 제작하여 가이드로 사용하였으며 가이드와 실험체 사이에 마찰력이 작용하지 않도록 테프론시트를 지그와 실험체에 각각 부착하였다. 지그는 [Fig.
주요 계측값은 전단슬립변위, 균열폭, 강봉변형률이다. 전단슬립변위는 전단면의 상, 하면에 LVDT를 설치하여 측정하였다. 균열폭은 실험체 앞, 뒤로 V형태 단면 노치에 파이형 크랙게이지를 설치하여 측정하였다.
초기 균열은 본 실험에 앞서 [Fig. 2] 의 (b)와 같이 전단면 가운데 V-형태 단면 노치의 앞뒷면에 가력 강봉을 설치하여 도입하였으며, 이 때 발생한 균열폭은 단면 중앙부의 양쪽면에 LVDT를 설치하여 상대변위로 측정하였다.
초기균열이 있는 24개의 직접전단실험체에 대해 푸시 오프 실험을 수행하였다 [Fig. 2]. 균열면에서의 수직, 수평응력 및 변위관계를 알아보기 위하여 [Table 3] 과 같이 강섬유 부피비와 초기 균열폭을 변수로 설정하였다.

대상 데이터

모든 실험체의 배근형태는 동일하며, 강섬유 부피비 별로 8개씩, 총 24개 실험체를 타설하였다. 푸시오프 실험 세팅은 [Fig 2.
매트릭스는 미세균열이나 공극을 최소화하기 위하여 미세입자의 입도가 균질하고 조직이 매우 치밀한 특징이 있다. 배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트(C)이며, 반응성 분체로 지르코늄(Zr)을 사용하였다. 잔골재는 입도 0.
배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트(C)이며, 반응성 분체로 지르코늄(Zr)을 사용하였다. 잔골재는 입도 0.5mm 이하의 모래(S)를 사용하였으며 굵은 골재는 사용하지 않았다. 낮은 물-결합비(W/B)에 의한 작업성을 보완하기 위하여 폴리카르본산계의 고성능 감수제(SP)를 사용하였으며, 충전재(F)의 구성입자 평균입경은 10μm정도이다.

이론/모형

재료강도 시험은 한국콘크리트학회에서 발간한 초고성능 콘크리트 구조설계지침⁴⁾에서 제시하는 시험방법에 의거하여 수행되었다. 강섬유부피비 0.

성능/효과

1) 강섬유 부피비가 클수록 최대전단강도는 커지고 초기 균열폭이 클수록 최대전단강도는 줄어든다. 외부 지지강봉의 구속력은 무시할 수 있을 정도로 작으므로 균열은 강섬유에 의해 구속된다고 볼 수 있으며 그 구속력은 재료인장강도로 표현할 수 있다.
2) rmax에 도달하기까지의 구간은 인장경화가 발생하는 균열폭 0.3mm 내 구간과 일치하였으며, 이는 균열면에서의 전단강도r와 구속인장강도σ(=ft)를 한계 균열폭에 대한 균열폭의 비(ω/ωu)에 대한 함수로 나타낼 수 있는 근거가 된다.
8) 균열폭은 균열면 전체에 걸친 평균값이고 골재 맞물림이 전단강도의 주요기제로 이러한 저항이 일어나는 균열폭ω의 범위는 골재최대치수 Dmax에 의해 결정된다.
이러한 결과는 균열면을 따라 발생하는 전단슬립이 균열폭의 증가를 수반하고 균열폭의 증가는 결 국 균열면에서 강섬유의 인장저항에 의한 수직응력을 유발한다는 가정을 뒷받침하며, 이 때 균열폭은 균열면에 작용하는 수직응력의 매개변수가 된다. 강섬유 부피비에 관계없이 모든 실험체에서 초기 균열폭이 클수록 최대전단강도가 작아지며 동시에 연성적인 파괴가 유도되는 경향을 보였다. 이는 직접 인장실험에 따른 인장경화구간에서 균열폭이 커짐에 따라 접선탄성계수 값이 점차 작아지는 것으로 설명될 수 있다.
0%는 상대적으로 최대하중이 작고 연성적인 거동을 보였는데, 이는 균열면에서의 강섬유 방향성과 관계가 있을 가능성이 있다. 같은 강섬유 부피비를 가진 실험체에서는 초기 균열폭이 작을수 록 강도와 강성이 컸으며, 초기 균열폭이 클수록 강도와 강성이 작아지며 연성적인 거동을 보였다.
재료시험결과는 [Table 2]와 같다. 압축강도와 탄성계수는 강섬유 부피비에 따라 소폭 증가, 인장강도는 크게 증가하는 경향을 보였다. 인장강도-균열폭의 관계에서 최대인장강도가 도달하는 시점은 시편에 따라 편차는 있으나 균열폭 0.

후속연구

에 대한 함수로 정의하여 제시하였으며, 실험결과와 비교하여 제시된 식을 검증하였다. 제시된 식은 전단보강근이 없는 부재나 뚫림전단파괴와 같은 국소파괴의 강도 예측식에 이용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강섬유 보강 초고성능 콘크리트란 무엇인가?	강섬유 보강 초고성능 콘크리트 (Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete, UHPFRC)는 높은 압축력과 인장력을 가질 뿐만 아니라, 자기다짐성, 충진성, 내구성 등이 뛰어나 콘크리트 재료 활용 분야에 다양성을 가져올 것으로 기대되는 차세대 재료이다. UHPFRC는 별도의 철근 배근 없이 상당한 인장력을 견디므로 두께가 얇고 형상이 자유로운 부재 적용이 가능하고 이러한 효율적인 단면형상을 통해 자중을 줄일 수 있으므로 대공간 구조의 적용에도 적합하다.
	UHPFRC의 장점은?	강섬유 보강 초고성능 콘크리트 (Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete, UHPFRC)는 높은 압축력과 인장력을 가질 뿐만 아니라, 자기다짐성, 충진성, 내구성 등이 뛰어나 콘크리트 재료 활용 분야에 다양성을 가져올 것으로 기대되는 차세대 재료이다. UHPFRC는 별도의 철근 배근 없이 상당한 인장력을 견디므로 두께가 얇고 형상이 자유로운 부재 적용이 가능하고 이러한 효율적인 단면형상을 통해 자중을 줄일 수 있으므로 대공간 구조의 적용에도 적합하다. 곡률을 가진 UHPFRC 패널 등의 조합을 통한 대공간 및 쉘 구조에의 활용에 대한 연구는 국내․외에서 활발하게 진행되고 있다.

참고문헌 (9)

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Korea Concrete Institute, "Design Guidelines for Ultra High Performance Concrete (K-UHPC) Structure", Korea Concrete Institute, pp. 75, 2014
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Vecchio, F. J. and Collins, M. P., "The Modified Compression Field Theory for Reinforced Concrete", ACI Journal, Proceedings, Vol. 83, No.2, pp. 219-231, 1986
Walraven, J. C., "Aggregate Interlock: A Theoretical and Experimental Analysis", Delft University Press, 197 pp, 1980

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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