현대의 구조물은 고층화, 대형화 되어가는 추세이다. 보통중량 콘크리트는 강도에 비해 질량이 크기 때문에 구조물의 자중을 증가시킨다는 단점이 있다. 그러므로, 추세에 맞는 콘크리트의 경량화가 필요한 실정이다. 콘크리트의 경량화 방법 중 하나가 경량골재를 사용한 경량골재 콘크리트이다. 하지만, 국내에서는 경량골재 콘크리트에 대한 인식부족으로 인하여 구조용 경량골재 콘크리트에 대한 연구가 부족한 실정이다. 경량골재 콘크리트에 사용되는 경량골재의 품질에 따라 콘크리트의 물성 및 강도에 대한 검증이 필요하다. 본 연구에서는 보통골재와 경량골재를 사용한 콘크리트를 제작하고 인장균열파괴실험을 통해 하중-CMOD곡선은 얻고, 이를 역해석하여 파괴에너지를 도출하였다.
현대의 구조물은 고층화, 대형화 되어가는 추세이다. 보통중량 콘크리트는 강도에 비해 질량이 크기 때문에 구조물의 자중을 증가시킨다는 단점이 있다. 그러므로, 추세에 맞는 콘크리트의 경량화가 필요한 실정이다. 콘크리트의 경량화 방법 중 하나가 경량골재를 사용한 경량골재 콘크리트이다. 하지만, 국내에서는 경량골재 콘크리트에 대한 인식부족으로 인하여 구조용 경량골재 콘크리트에 대한 연구가 부족한 실정이다. 경량골재 콘크리트에 사용되는 경량골재의 품질에 따라 콘크리트의 물성 및 강도에 대한 검증이 필요하다. 본 연구에서는 보통골재와 경량골재를 사용한 콘크리트를 제작하고 인장균열파괴실험을 통해 하중-CMOD곡선은 얻고, 이를 역해석하여 파괴에너지를 도출하였다.
Modern structures is the tendency of being increasingly taller and larger. The concrete with large weight has the disadvantage of increasing the weight on the structure. therefore, the method of carrying out the weight saving of the concrete is required. one of such method is to use a lightweight ag...
Modern structures is the tendency of being increasingly taller and larger. The concrete with large weight has the disadvantage of increasing the weight on the structure. therefore, the method of carrying out the weight saving of the concrete is required. one of such method is to use a lightweight aggregate. However, studies on structural lightweight concrete, lacking for the recognition of the lightweight concrete, so also is lacking. therefore it is necessary to study on the physical characteristic value of the lightweight concrete. In this study, in order to investigate the tensile properties of lightweight concrete, Crack mouth opening displacement (CMOD) experiments were carried out. the fracture energy of the lightweight concrete subjected to inverse analysis were derived from the CMOD experimental results.
Modern structures is the tendency of being increasingly taller and larger. The concrete with large weight has the disadvantage of increasing the weight on the structure. therefore, the method of carrying out the weight saving of the concrete is required. one of such method is to use a lightweight aggregate. However, studies on structural lightweight concrete, lacking for the recognition of the lightweight concrete, so also is lacking. therefore it is necessary to study on the physical characteristic value of the lightweight concrete. In this study, in order to investigate the tensile properties of lightweight concrete, Crack mouth opening displacement (CMOD) experiments were carried out. the fracture energy of the lightweight concrete subjected to inverse analysis were derived from the CMOD experimental results.
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문제 정의
본 연구에서는 보통골재와 경량골재를 사용하여 만든 콘크리트에 인장균열파괴실험을 수행하여 하중－균열개구변위 특성을 구해서 역해석을 하여 최적의 매개변수를 도출하고 파괴에너지를 구하는데 목적을 두었다.
제안 방법
인장균열파괴실험은 30t UTM 실험기의 하중가 력장치에 로드 셀을 설치하여 가력되는 하중을 측정하였다. 그리고 로드 셀 하단에 가압 봉을 설치하여 시편 중앙부에 하중을 가하였고 가압봉의 양 옆에 50 mm의 LVDT를 설치하여 하중－변위를 측정하였다. 시편의 밑부분의 양 끝단에서 50 mm씩 거리를 두고 힌지 및 롤러를 설치하고 노치 양 옆으로 Gauge Tip을 부착하고 최대 용량 5 mm의 COD Gauge를 설치 하였다.
콘크리트의 파괴에너지를 도출하기 위하여 인장균열파괴 실험에서 나타난 하중－CMOD곡선에 대한 역해석을 수행 하여 최적의 매개변수를 찾아야 한다. 다만, 인장균열파괴실험에서 도출된 하중－CMOD곡선을 그대로 역해석에 사용하기에는 측정값의 수가 너무 많기 때문에 실험결과를 대표할수 있는 최소의 측정값을 사용하여 역해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용하는 최소의 측정값은 하중－CMOD곡선을 최적으로 모사하는 다중선형함수를 찾아 역해석에 사용될 20개의 측정값, 처음부터 Peak Load까지 7개, Peak Load에서 Max CMOD까지 13개의 포인트를 추출하였다(Choi, 2010).
본 연구에서 역해석을 수행하기 위해 사용한 해석 프로그램은 유한요소 상용프로그램인 아바쿠스(ABAQUS)이며, 요소 격자망은 차후 실제 구조해석에서 유용하게 적용할 수 있도록 아바쿠스가 지원하는 방법으로 격자망을 생성하였다. 요소 형상은 2차 함수(quadric), 알고리즘(algorithm)은 ‘mapped meshing’을 이용하는 요소 격자망을 생성하였다.
그리고 로드 셀 하단에 가압 봉을 설치하여 시편 중앙부에 하중을 가하였고 가압봉의 양 옆에 50 mm의 LVDT를 설치하여 하중－변위를 측정하였다. 시편의 밑부분의 양 끝단에서 50 mm씩 거리를 두고 힌지 및 롤러를 설치하고 노치 양 옆으로 Gauge Tip을 부착하고 최대 용량 5 mm의 COD Gauge를 설치 하였다. 0.
5는 역해석 알고리즘을 나타낸 것이다. 연화곡선을 구성하는 매개변수를 조정하면서 인장균열파괴실험에서 측정된 하중－CMOD곡선과 역해석에서 도출된 하중－CMOD 곡선이 일치할 때까지 반복수행하여 인장균열파괴실험 결과를 최적으로 모사하는 연화곡선을 나타내는 매개변수를 찾는다. 본 연구에서는 Fig.
요소 형상은 2차 함수(quadric), 알고리즘(algorithm)은 ‘mapped meshing’을 이용하는 요소 격자망을 생성하였다.
본 연구에서는 압축강도실험 시편은 KS F 2405에 의거해 수행하였다. 인장균열파괴실험은 30t UTM 실험기의 하중가 력장치에 로드 셀을 설치하여 가력되는 하중을 측정하였다. 그리고 로드 셀 하단에 가압 봉을 설치하여 시편 중앙부에 하중을 가하였고 가압봉의 양 옆에 50 mm의 LVDT를 설치하여 하중－변위를 측정하였다.
대상 데이터
Fig. 4는 3선형 인장연화곡선을 나타내고 있으며, 본 실험에서는 더 정확하게 인장연화곡선을 역해석 하기 위해 3선형인장곡선을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 재료는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트와 잔골재, 굵은 골재, 플라이 애쉬(Fly ash), 실리카 흄(Silica fume), 혼화재이다. 잔골재는 인천산 세척사를 사용하였으며, 굵은 골재는 국내산 보통골재와 외국산 경량골재를 사용하였다.
다만, 인장균열파괴실험에서 도출된 하중－CMOD곡선을 그대로 역해석에 사용하기에는 측정값의 수가 너무 많기 때문에 실험결과를 대표할수 있는 최소의 측정값을 사용하여 역해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용하는 최소의 측정값은 하중－CMOD곡선을 최적으로 모사하는 다중선형함수를 찾아 역해석에 사용될 20개의 측정값, 처음부터 Peak Load까지 7개, Peak Load에서 Max CMOD까지 13개의 포인트를 추출하였다(Choi, 2010).
연화곡선을 구성하는 매개변수를 조정하면서 인장균열파괴실험에서 측정된 하중－CMOD곡선과 역해석에서 도출된 하중－CMOD 곡선이 일치할 때까지 반복수행하여 인장균열파괴실험 결과를 최적으로 모사하는 연화곡선을 나타내는 매개변수를 찾는다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 3선형 인장연화곡선을 사용하였다.
실험과 동일한 경계조건을 부여하였으며, 중앙 상단부에 집중하중이 가력되도록 하였다. 사용된 요소는 8절점 평면응력 요소이며, 시편과 동일한 요소두께를 부여하였다.
배합표에서 W는 물, C는 시멘트, F/A는 플라이애쉬, S/F는 실리카 흄, S는 잔골재, G는 굵은 골재, SP는 첨가제를 의미한다. 압축강도 실험을 위해 KS F 2403에 의거해 제작하고, 인장균열파괴 실험을 위해 Fig. 6과 Table 2와 같이 경량골재 콘크리트를 7개씩 제작하다. 노치는 시편 하단 중앙부에 시편의 높이의 0.
본 연구에서 사용된 재료는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트와 잔골재, 굵은 골재, 플라이 애쉬(Fly ash), 실리카 흄(Silica fume), 혼화재이다. 잔골재는 인천산 세척사를 사용하였으며, 굵은 골재는 국내산 보통골재와 외국산 경량골재를 사용하였다. 시멘트의 특성은 Table 3과 같고 굵은 골재의 물리적 성질은 Table 4, 형상은 Photo 1과 같다.
데이터처리
본 실험에서 측정된 시편별 5개의 하중－CMOD의 데이터를 평균하여 나타내었다. Fig.
4배로 만들었다. 인장균열파괴 실험용 시편은 7개씩 제작하여 최저 및 최고치를 제외한 5개의 실험 결과를 평균하여 나타내었다.
이론/모형
본 연구에서는 압축강도실험 시편은 KS F 2405에 의거해 수행하였다. 인장균열파괴실험은 30t UTM 실험기의 하중가 력장치에 로드 셀을 설치하여 가력되는 하중을 측정하였다.
성능/효과
1. 압축파괴에 있어 보통중량 콘크리트는 굵은 골재의 파괴보다는 계면을 따라 파괴되었으나, 경량골재 콘크리트는 굵은 골재가 파괴되었다. 이는 굵은 골재 자체의 강도 차이로 보통중량 콘크리트와 경량골재 콘크리트의 일반적인 압축 파괴 특성이다.
2. 보통중량 콘크리트의 파괴에너지는 시편의 크기가 커짐에 따라 증가하였다. 시편의 높이에 의해서도 파괴에너지는 영향을 받지만, 시편의 폭에 대해 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
3. 경량골재 콘크리트는 시편의 높이가 증가하면 파괴에너지가 증가하지만, 증가폭이 미미하여 일정하다고 볼 수 있으나, 시편의 폭이 증가하였을 때는 파괴에너지가 증가하였다. 이는 경량골재 콘크리트의 파괴에너지가 시편의 높이 변화에는 영향을 거의 받지 않지만 시편의 폭에 의한 영향은 크게 받는 것으로 판단된다.
5. 보통중량 콘크리트의 경우 골재의 가교작용이 상대적으로 조금 더 일찍 작용하지만 파괴까지 도달되는 최대 CMOD 가 작고, 경량골재 콘크리트의 경우 골재의 가교작용이 조금 더 늦게 작용하지만 파괴까지 도달되는 최대 CMOD가 크다고 볼 수 있다. 고강도 재료일수록 취성적 파괴를 나타낸다는 점을 볼 때, 보통중량 콘크리트가 경량골재 콘크리트보다 고강도이기 때문에 파괴까지 도달하는 최대 CMOD 가 작다고 판단된다.
그리고 Max CMOD는 실험이 끝났을 때의 CMOD를 의미한다. 보통중량 콘크리트의 경우 골재의 가교작용이 상대적으로 조금 더 일찍 작용하지만 파괴까지 도달되는 최대 CMOD가 작게 나타나 취성적인 거동을 나타냈으며, 경량골재 콘크리트의 경우 골재의 가교작용이 조금 더 늦게 작용하지만 파괴까지 도달되는 최대 CMOD가 크게 나타났다. 일반적으로 고강도의 재료가 취성적인 거동이 나타나며, 경량골재 콘크리트가 보통중량 콘크리트에 비해 취성적인 거동이 나타난다.
일반적으로 고강도의 재료가 취성적인 거동이 나타나며, 경량골재 콘크리트가 보통중량 콘크리트에 비해 취성적인 거동이 나타난다. 본 연구에서 사용된 경량골재 콘크리트의 취성적인 거동보다는 고강도에 의한 취성적인 거동이 더 큰 것으로 판단된다.
후속연구
6. 차후 시편의 종류를 늘려 실험을 수행하여 시편크기에 대한 파괴에너지의 특성 분석을 좀 더 명확하게 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경량골재 콘크리트 사용의 이점은 무엇인가?
콘크리트의 경량화의 방법중 하나가 경량골재를 사용한 경량골재 콘크리트이다. 경량 골재의 사용은 콘크리트의 경량화, 단열 및 차음성능 향상 등 콘크리트의 다기능성을 가져온다. 그리고 구조물의 자중경감 효과로서 하부구조에 대한 부담이 경감되고, 구조 부재와 단면적 감소, 그로 인한 내부 공간 확대 및 투입 재료량 감소 등으로 경제적인 측면에도 이점을 가져 올 수 있을 것이다 (Kwon, 2012). 그러나 국내에서는 경량골재의 비싼 가격과 강도 부족 등으로 인하여 경량골재 콘크리트에 대한 인식이 부족해 대부분 구조용 경량골재 콘크리트 보다는 방음이나 단열효과 같은 비구조용 경량골재 콘크리트로만 사용되고 있다.
콘크리트의 장점은 무엇인가?
콘크리트는 오랜 옛날부터 현대까지 가장 널리 알려진 구조물의 재료로 구조물의 형상과 치수에 제약을 받지 않는 장점 등이 있다. 그러나 강도에 비해 질량이 크기 때문에 구조물의 자중을 증가시키는 문제점을 가지고 있어 콘크리트 구조물의 초고층화, 대형화가 되어 가고 있는 추세에 맞는 콘크리트의 경량화가 필요한 실정이다.
콘크리트의 경량화가 필요한 이유는 무엇인가?
콘크리트는 오랜 옛날부터 현대까지 가장 널리 알려진 구조물의 재료로 구조물의 형상과 치수에 제약을 받지 않는 장점 등이 있다. 그러나 강도에 비해 질량이 크기 때문에 구조물의 자중을 증가시키는 문제점을 가지고 있어 콘크리트 구조물의 초고층화, 대형화가 되어 가고 있는 추세에 맞는 콘크리트의 경량화가 필요한 실정이다. 콘크리트의 경량화의 방법중 하나가 경량골재를 사용한 경량골재 콘크리트이다.
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