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문제 정의
- 본 연구는 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브를 추후 내부식 및 경량화의 관점에서 볼 때 필요할 것으로 예상할 수 있는 교량 바닥판 등에 활용해보기 위한 사전 연구로서, 상기의 전상훈 등의 연구(Jeon et al., 2012)와 유사한 내용으로 구성되어 있다. 즉, 상기 슬래브의 중앙에 집중하중을 가력하는 휨 실험과 이와 관련된 수치해석을 통하여 그 기초적인 거동특성들을 분석하여 보았다.
가설 설정
- 여기서 ft는 공시체 인장강도를, 그리고∣dto∣는 전단슬립(shear slip)을 나타내며 실험을 통하여 정해야 한다. 따라서 인장강도는 2.2절에서 제시된 값을 사용하였으며 전단슬립도 2.2절에서 제시된 부착강도를 사용하여 전단슬립은 부착강도에 단순하게 역 비례하는 것으로 가정하여 구하였다. 이에 따라 NS13실험체의 전단 슬립값은 DIANA 프로그램(TNO DIANA, 2005)에서 추천하는 값 0.
제안 방법
- 즉, 상기 슬래브의 중앙에 집중하중을 가력하는 휨 실험과 이와 관련된 수치해석을 통하여 그 기초적인 거동특성들을 분석하여 보았다. 그리고 본 연구에서의 결과와 전상훈 등의 연구결과를 서로 비교, 분석하여 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브의 일반적인 거동특성을 조사하였다.
- 또한 수치해석에서 계면요소 사용 시 사용되는 GFRP 보강근과 경량콘크리트 사이의 부착특성을 조사하기 위하여 일련의 인발실험체 제작 및 실험을 행하였다. 이 실험결과에 따라 보통콘크리트와 D13 철근을 사용한 실험체의 부착강도를 1.
- 본 연구는 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브를 교량 바닥판 등에 활용해보기 위한 사전 연구로서, 콘크리트 종류와 휨보강근 종류를 달리하여 제작된 일련의 슬래브 실험체들에 대하여 3점 휨 실험을 하였으며, 또한 이 실험체들에 대하여 수치해석을 행하였다. 휨 실험 결과, 수치해석 결과, 그리고 선행연구 결과들을 비교 분석하였으며 이에 따라 얻어진 결론들은 다음과 같다.
- 슬래브는 일반적으로 주형과 일체로 연결되는 점을 고려하기 위하여 본 실험에서는 슬래브의 양쪽 단부를 받침으로 사용되는 I형 보의 상부플랜지와 볼트로서 체결하여 구속시켰으며, 받침으로 사용된 I형 보는 바닥(strong floor)에 고정시켰다. Fig.
- , 2012)와 유사한 내용으로 구성되어 있다. 즉, 상기 슬래브의 중앙에 집중하중을 가력하는 휨 실험과 이와 관련된 수치해석을 통하여 그 기초적인 거동특성들을 분석하여 보았다. 그리고 본 연구에서의 결과와 전상훈 등의 연구결과를 서로 비교, 분석하여 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브의 일반적인 거동특성을 조사하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 길이×폭×두께가 2,400mm×1,200mm×150mm, 유효높이 120mm, 순지간 1,700mm인 슬래브 실험체를 4종류 제작하였다. 이들 실험체들은 일반적인 철근 콘크리트 슬래브와 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브의 거동 차이점 분석에 초점을 맞추기 위하여, 사용된 콘크리트와 휨 보강근의 종류에 따라 Table 4의 실험체 상세와 같이 제작되었다.
- NS13실험체(균형보강근비: 2.93%)는 휨보강근비가 0.53%로서 저 보강보로 설계되었고, NG13 및 LG13실험체(균형보강근비: 0.26%)는 휨 보강근비가 0.53%로서 압축파괴를 일으키도록 설계되었다. 또한 LG9실험체(균형보강근비: 0.
- Table 6에서 CONT, N13, L13, L9실험체는 본 연구의 NS13, NG13, LG13, LG9실험체에 각각 해당된다. 4점 휨 실험결과와 서로 비교해보면 전반적으로 3점 휨 실험에서는 파괴하중이 감소한 반면 파괴 시 처짐이 더 증가한 것을 알 수 있다.
- 경량콘크리트 슬래브 실험체 제작에 사용된 골재는 팽창성 혈암을 사용한 메사라이트 인공경량 굵은골재 및 잔골재로서 일본에서 생산되었으며 자세한 형상은 Photo 2에 나타내었다. 골재의 물리적 특성을 파악하기 위하여 콘크리트 시방서 기준에 따라 실험을 수행하였으며 이에 따른 물리적 성질은 Table 2에 나타내었다.
- 본 실험에 사용된 GFRP 보강근은 국내 D사에서 인발성형 공정으로 제작된 것이며, 보강용 유리섬유(E-glass)와 비닐에스터(Vinylester)수지로 구성되어 있다. Photo 1에 ∅13mm GFRP 보강근의 형상을 나타내었으며 제조사에서 제시한 재료 특성치를 Table 1에 나타내었다.
- 슬래브 실험체 제작에 사용된 시멘트는 보통포틀랜드시멘트이고 굵은골재 최대치수는 15mm이며 설계기준강도 27MPa에 대한 배합표는 Table 3과 같다. 한편, 비교 목적으로 보통 콘크리트를 사용하여 제작된 슬래브 실험체는 설계기준강도 27MPa의 레미콘을 사용하였다.
- 이들 실험체들은 일반적인 철근 콘크리트 슬래브와 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브의 거동 차이점 분석에 초점을 맞추기 위하여, 사용된 콘크리트와 휨 보강근의 종류에 따라 Table 4의 실험체 상세와 같이 제작되었다. 실험체 명에서 첫 번째 영문자는 사용된 콘크리트의 종류(N:보통콘크리트, L:경량콘크리트), 두번째 영문자는 휨 보강근의 종류(S:철근, G:GFRP 보강근), 그리고 이어지는 숫자는 지간방향 하부 보강근으로 사용된 휨보강근의 직경을 나타낸다. 따라서 예를 들어 NS13실험체는 보통콘크리트와 D13 철근을 사용하여 제작된 실험체를 가리킨다.
- 하중은 강재 재하판과 500kN 액츄에이터를 사용하여 3점 휨시험 재하형태로 가력하였으며, 재하판의 크기는 도로교설계기준에서 사용하는 DB-24하중 후륜 1륜의 접지면적에 해당하는 231mm×578mm로 하였다. 하중은 1mm/min 속도의 변위제어로 가력하였으며, 첫 균열 발생 시까지 하중을 가력한 후 하중을 제거하고 첫 균열 발생점에 COD게이지를 부착한 후 다시 최종파괴 시까지 가력하였다.
- 슬래브 실험체 제작에 사용된 시멘트는 보통포틀랜드시멘트이고 굵은골재 최대치수는 15mm이며 설계기준강도 27MPa에 대한 배합표는 Table 3과 같다. 한편, 비교 목적으로 보통 콘크리트를 사용하여 제작된 슬래브 실험체는 설계기준강도 27MPa의 레미콘을 사용하였다.
데이터처리
- 3장에서 휨 실험된 슬래브들에 대하여 범용 비선형해석 프로그램 midas FEA를 사용하여 수치해석을 행하였다. 수치해석 과정의 상세한 내용은 선행연구(Jeon et al.
- 2절에서 제시된 부착강도를 사용하여 전단슬립은 부착강도에 단순하게 역 비례하는 것으로 가정하여 구하였다. 이에 따라 NS13실험체의 전단 슬립값은 DIANA 프로그램(TNO DIANA, 2005)에서 추천하는 값 0.06mm를 사용하였으며, 이 값과 부착강도에 따라 NG13실험체에 0.09mm, LG13실험체에 0.12mm, LG9실험체에 0.11mm를 각각 적용하였다.
이론/모형
- 그리고 콘크리트의 파괴에너지를 구하기 위하여 RILEM 50-FMC 위원회의 제안식을 사용하였으며, 실험을 통하여 구한 파괴에너지의 값은 보통콘크리트에서 0.07N/mm, 경량콘크리트에서 0.05N/mm로서 경량콘크리트의 파괴에너지는 보통콘크리트에 비하여 17%정도 감소하였다(Jeon et al., 2012).
- 실험결과의 수치해석에 필요한 콘크리트의 할렬인장강도를 구하기 위하여 KS F 2423 콘크리트의 할렬인장강도 시험방법에 따라 Φ100×200mm 콘크리트 공시체에 대하여 측정을 하였으며, 그 결과 할렬인장강도는 보통콘크리트에서 2.48MPa, 경량콘크리트에서 3.02MPa를 얻었다. 보통콘크리트에서의 할렬인장강도가 경량콘크리트보다 낮은 값으로 나온 것은 보통콘크리트의 압축강도가 경량콘크리트보다 낮게 나온 것에 기인한 것으로 판단된다.
- 콘크리트 탄성계수는 콘크리트구조기준(2012)에서 제시한 식(1)에 의하여 계산하였다. 식(1)의 적용 시, 재령 28일의 콘크리트 평균압축강도 fcu는 설계기준강도 fck가 40MPa이하인 경우에는 fck에 4MPa를 더한 값을 사용하도록 되어 있다.
- 한편 본 연구와 관련된 선행연구(Jeon et al., 2012)의 3장 수치해석에서 압축측 콘크리트 모델링에 사용되었던 함수는 Constant 함수가 아니고 Thorenfeldt가 제안한 함수로서 문장 내용에 중대한 착오가 있어서 이를 정정하고자 한다.
성능/효과
- (1) 보통콘크리트와 철근으로 제작된 슬래브 실험체(NS13)의 파괴하중은 보통콘크리트와 GFRP 보강근으로 제작된 슬래브 실험체(NG13)보다 31% 더 증가되었으며, 선행연구에서도 파괴하중이 26% 증가되었다.
- (2) 보통콘크리트와 GFRP 보강근으로 제작된 슬래브 실험체(NG13)의 파괴하중은 경량콘크리트와 GFRP 보강근으로 제작된 슬래브 실험체(LG13)보다 32% 더 증가하였으며, 선행연구에서도 파괴하중이 24% 증가하였다.
- (3) 본 연구에서의 주 관심사인 경량콘크리트와 GFRP 보강근으로 제작된 슬래브 실험체(LG13)는 철근 콘크리트로 제작된 슬래브 실험체(NS13)에 비하여 무게가 72% 정도로 가벼운 반면에 파괴하중은 58%되는 것으로 나타났다. 선행연구에서도 파괴하중이 64%로 계산되어 유사한 결과를 보여주었다고 판단된다.
- (4) midas FEA를 이용하여 행한 수치해석 과정은 실험에서 나타난 전단파괴 하중까지 잘 모사하였다. 그러나 GFRP 보강근의 인장강도 대신 탄성계수가 입력값으로 요구됨에 따라 가력되는 하중과 처짐은 실험에서 나타난 전단파괴 이후에도 계속하여 증가하는 경향을 보였다.
- (4) midas FEA를 이용하여 행한 수치해석 과정은 실험에서 나타난 전단파괴 하중까지 잘 모사하였다. 그러나 GFRP 보강근의 인장강도 대신 탄성계수가 입력값으로 요구됨에 따라 가력되는 하중과 처짐은 실험에서 나타난 전단파괴 이후에도 계속하여 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
- 은 아직 정확한 값을 구할 수 없었다. 따라서 본 연구와 유사한 문제(midas FEA)를 수치해석한 내용과 실험체들의 휨강성을 고려하여 Kn값을 정하였는데, 추후 계속 조사되어야 할 내용이다. 4종류의 슬래브실험체에 대하여 계면요소를 사용하여 수치해석할 때 적용된 매개변수 값들을 Table 7에 정리하여 나타내었다.
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