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문제 정의
- 따라서, 이 연구에서는 하이브리드 강섬유가 혼입된 UHPC의 압축거동에 대한 실험연구를 통해 현행 설계기준에서 제시하고 있는 압축응력-변형률 관계의 적용가능성을 알아보고, 압축강도와 탄성계수 등 UHPC의 재료특성을 제시하고자 한다.
- 이 연구에서는 강섬유 혼입률에 따른 UHPC의 압축실험을 통해 압축거동을 살펴보았다. 실험연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 5) 기존 실험 연구결과를 바탕으로 무보강 콘크리트의 압축강도에 대한 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도를 분석한 결과, 강섬유 혼입으로 인해 압축강도는 약 10% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 이 연구에서는 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도를 무보강 콘크리트의 압축강도의 함수로 표현하였다.
가설 설정
- 4는 강섬유 혼입률에 따른 최대강도일 때의 축방향 변형률(εcf)을 보여준다. 이 연구에서는 최대압축강도일 때 최종파괴가 발생하였으므로 최대강도일 때의 변형 률은 극한변형률과 같다고 가정하였다. 최소 변형률은 0.
제안 방법
- UHPC의 탄성계수는 현행 설계기준에 따라 Fig. 2에서 제시된 바와 같이 응력-변형률 관계의 원점에서부터 최대강도를 연결하는 직선의 기울기로 구하였다. Fig.
- 2 mm, 그리고 형상비(lf/df)는 길이가 19 mm인 경우는 95, 16 mm인 경우는 80이다. 길이가 서로 다른 강섬유는 전체 부피비에 대해 2 (19 mm) : 1 (16 mm)의 비율로 혼입하였으며, 강섬유 혼입률에 따른 UHPC의 압축거동을 알아보기 위해 전체 부피비는 0.5%에서 2.0%까지 적용되었다. 따라서 섬유보강지수는 RI = Vf[(2/3)(19/0.
- 5 mm 이하의 모래를 사용하였다. 물-결합재비는 0.2이며, 충분한 유동성을 확보하기 위해 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 시멘트의 수화반응을 활성화시키고 입 자들 사이의 공극을 메워 조직을 치밀하게 만들기 위해 평균입경 10 μm이고 SiO2의 함유율이 98%이상이며, 밀도가 2.
- UHPC의 강섬유 혼입률에 따른 압축거동을 살펴보기 위해, 실험체는 지름 100 mm, 높이 200 mm의 크기의 원주형 공시체를 사용하여 각 배합당 5개씩 제작하였다. 실험은 ASTM C39에 따라 수행되었으며, 실험체는 2,000 kN 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 변위제어 방법으로 0.3 mm/min 속도로 최종파괴 시까지 가력하였다. 실험체의 변형은 실험체 중앙부에 수직, 수평방향으로 부착된 스트레인 게이지에 의해 측정되었다.
- 3 mm/min 속도로 최종파괴 시까지 가력하였다. 실험체의 변형은 실험체 중앙부에 수직, 수평방향으로 부착된 스트레인 게이지에 의해 측정되었다.
- 대부분의 실험체는 파괴모드에 따라 압축응력-변형률 곡선의 형태가 상이한 부분도 있지만 최대강도에 도달하기까지 선형거동을 하는 것으로 나타났으며, 최대강도에 도달 직후 매우 취성적인 파괴형태를 보여주었다. 이 때문에 이 연구에서 사용된 실험방법으로는 최대강도 도달 이후의 응력-변형률 관계를 얻을 수없었다. 기존 연구에 따르면, 평균 압축강도가 200 MPa 이상인 UHPC 역시 매우 유사한 거동을 보여주었으며, 이는 일축 압축하에서의 매우 높은 파괴에너지 때문인 것으로 판단된다.
- 10에서 볼 수 있듯이, 강섬유 보강 콘크리트의 탄성계수는 압축강도(fcf)의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 연구결과를 바탕으로 강섬유 보강 콘크리트의 탄성계수를 다음식(2)와 같이 압축강도의 함수로 제안한다.
대상 데이터
- UHPC 제작에 사용된 강섬유는 길이가 19 mm와 16 mm인 직선형 강섬유가 각각 사용되었다. 강섬유의 항복강도는 2,500 MPa, 직경은 0.
- UHPC의 강섬유 혼입률에 따른 압축거동을 살펴보기 위해, 실험체는 지름 100 mm, 높이 200 mm의 크기의 원주형 공시체를 사용하여 각 배합당 5개씩 제작하였다. 실험은 ASTM C39에 따라 수행되었으며, 실험체는 2,000 kN 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 변위제어 방법으로 0.
- 이 연구에서 사용된 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(이하 UHPC)는 굵은 골재를 사용하지 않고 길이가 19 mm와 16 mm인 강섬유를 혼입하여 160 MPa 이상의 높은 압축강도를 보인다. UHPC의 제작을 위해 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으며, 반응성 분체로 지르코늄(Zirconium)을 사용하였다. 잔골재는 평균입경 0.
- 10에 나타나있다. 기존 연구결과와의 비교를 위해 압축강도가 35.9~47.9 MPa, 201~235 MPa인 강섬유 보강 콘크리트와 UHPC를 대상으로 실험연구를 수행한 Ezeldin et al.7)과 Kang et al.2)의 실험결과를 사용하였다. 비록 이 연구에서 사용된 UHPC의 탄성계수의 편차가 기존 실험결과에 비해 다소 크게 나타났지만, 제안된 탄성계수는 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 1,2) 등 기존 연구자들에 의해 제안된 압축강도 식을 사용하였다. 분석을 위해 사용된 실험체는 총 146개이며, 강섬유 혼입률(Vf)은 0~5%, 섬유 보강지수(RI)는 0~3.25, 압축강도(fcf)는 29.4~235.1 MPa, 그리고 탄성계수(Ecf)는 27.6~56.7 GPa이다. 기존 연구자들에 의해 수행된 실험결과는 Table 5에 나타나있다.
- 시멘트의 수화반응을 활성화시키고 입 자들 사이의 공극을 메워 조직을 치밀하게 만들기 위해 평균입경 10 μm이고 SiO2의 함유율이 98%이상이며, 밀도가 2.6 g/cm3인 충전재(Filler)가 사용되었다.
- 이 연구에서 사용된 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(이하 UHPC)는 굵은 골재를 사용하지 않고 길이가 19 mm와 16 mm인 강섬유를 혼입하여 160 MPa 이상의 높은 압축강도를 보인다. UHPC의 제작을 위해 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으며, 반응성 분체로 지르코늄(Zirconium)을 사용하였다.
- UHPC의 제작을 위해 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으며, 반응성 분체로 지르코늄(Zirconium)을 사용하였다. 잔골재는 평균입경 0.5 mm 이하의 모래를 사용하였다. 물-결합재비는 0.
이론/모형
- Table 6은 제안된 강도식과 기존 제안식과의 비교를 나타낸다. 비교를 위해 Table 4의 제안식 중 강섬유 혼입률을 부피비로 표현한 Fanella 식6)과 Kang 식1,2)을 사용하였다. Fanella et al.
- 기존 모델에서 제시된 강섬유가 혼입된 콘크리트의 압축강도는 강섬유가 혼입 되지 않은 무보강 콘크리트의 압축강도에 강섬유 혼입률 또는 섬유보강지수(RI)를 더한 값으로 제안되었다. 제안된 압축강도 모델의 비교를 위해 Table 4에 나타낸 바와 같이 Fanella et al.,6) Ezeldin et al.,7) Nataraja et al.,8) Song et al.,9) Yazici et al.,10) Kang et al.1,2) 등 기존 연구자들에 의해 제안된 압축강도 식을 사용하였다. 분석을 위해 사용된 실험체는 총 146개이며, 강섬유 혼입률(Vf)은 0~5%, 섬유 보강지수(RI)는 0~3.
성능/효과
- 1) 이 연구에서 사용된 강섬유 보강 UHPC는 최종파괴 시까지 선형거동을 하는 것으로 나타났으며, 최대 압축강도에 도달 직후 발생하는 취성파괴로 인해 최대강도 이후의 거동을 살펴볼 수가 없었다. 이러한 현상은 강섬유 혼입률과는 상관없이 모든 실험체서 발생하였으며, UHPC의 매우 높은 파괴에너지 때문인 것으로 판단된다.
- 2) 강섬유 혼입률이 증가할수록 UHPC의 압축강도는 대체로 증가하는 경향을 보였다. 강섬유 혼입률이 1%일 때까지는 강도의 변화가 크지 않았으나, 1.
- 기존 연구에 따르면, 평균 압축강도가 200 MPa 이상인 UHPC 역시 매우 유사한 거동을 보여주었으며, 이는 일축 압축하에서의 매우 높은 파괴에너지 때문인 것으로 판단된다.2) 강섬유가 혼입된 UHPC의 압축응력-변형률 곡선은 대부분 직선형태를 나타냈지만, 일부 실험체의 경우 직선형태가 아닌 곡선형태로 나타났다. 이는 스트레인 게이지를 사용해서 측정된 압축 변형률의 오차 때문인 것으로 판단된다.
- 3) 강섬유 혼입률에 따른 UHPC의 극한변형률은 0.0032~0.0035로서 거의 일정한 값을 보여주었다. AFGC-SETRA 에서 제시하고 있는 극한변형률은 실험값에 대해 보수적인 값을 제시하고 있으며, K-UHPC은 다소 과대평가하는 것으로 나타났다.
- 1(b)와같이 압축력을 받는 UHPC의 설계 압축변형률을 구하는데 사용할 수 있다.4) AFGC-SETRA에서 제시하고 있는 탄성계수의 제안값은 50 GPa이다.
- 4) 강섬유 보강 UHPC의 탄성계수는 강섬유 혼입률의 증가에 따라 다소 증가하는 경향을 보였으며, 강섬유의 보강으로 인해 탄성계수는 약 10% 정도 증가 하는 것으로 나타났다.
- 5) 기존 실험 연구결과를 바탕으로 무보강 콘크리트의 압축강도에 대한 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도를 분석한 결과, 강섬유 혼입으로 인해 압축강도는 약 10% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 이 연구에서는 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도를 무보강 콘크리트의 압축강도의 함수로 표현하였다.
- 5) 설계압축강도는 충분한 실험을 통해 변동성이 비교적 잘 파악된 실험 값들을 대상으로 결정된 재료저감계수(Φc=0.91)를 사용하여 0.85Φc fcf를 사용한다.
- 6) 강섬유 보강 UHPC의 탄성계수는 압축강도의 영향을 받는 것으로 나타났다. 이 연구에서는 압축강도의 함수로 탄성계수가 제안되었으며, 제안된 탄성계수는 강섬유 보강 콘크리트에 적용가능할 것으로 판단된다.
- 0035로서 거의 일정한 값을 보여주었다. AFGC-SETRA 에서 제시하고 있는 극한변형률은 실험값에 대해 보수적인 값을 제시하고 있으며, K-UHPC은 다소 과대평가하는 것으로 나타났다.
- 2)의 연구에 따르면, 강섬유 혼입률이 1%인 UHPC의 최대압축강도는 강섬유가 혼입되지 않은 실험체와 거의 일치하는 경향을 보여주었으며, 강섬유 혼입률이 2%인 UHPC의 강도는 강섬유가 혼입되지 않은 실험체에 비해 약 6%의 강도 증가 효과가 있었다. UHPC의 최대압축강도는 강섬유 혼입률에 따라 증가하는 경향을 보이나 강섬유 혼입률이 1%일 때까지는 강섬유의 효과가 거의 나타나지 않으며, 1.5%이상 혼입되었을 경우, 강도 증진 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 3(a)는 강섬유 혼입률에 따른 최대압축강도(fcf)와 평균값을 보여준다. UHPC의 평균 최대압축강도는 강섬유 혼입률이 증가할수록 다소 증가하였으며, 특히 강섬유 혼입률이 1.5%부터 강도의 증가가 뚜렷이 나타났다. Fig.
- 강섬유 혼입률이 1%일 때의 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도는 무보강 콘크리트에 비해 평균 약 7% 그리고 2%일 때는 약 14% 정도 증가하였다. 각 실험체별 강도 비는 최소 0.92, 최대 1.27로 나타났으며, 모든 실험체에 대한 강도 비는 평균 1.07로 나타났다. 이러한 실험결과는 최대압축강도가 200 MPa 이상인 UHPC를 대상으로 수행된 연구결과와 비슷한 결과를 보였다.
- 강섬유가 혼입되지 않은 실험체의경우, 최대 강도 도달 직후 큰 폭발음과 함께 매우 취성적인 파괴가 발생하였다. 강섬유 보강 콘크리트는 대부분 길이방향 균열뿐만 아니라 실험체 중심부에서 가로방향의 균열도 동시에 발생하였으며, 대체적으로 부재 길이방향으로 발생한 균열로 최종파괴되었다. 강섬유 혼입률의 증가에 따른 압축강도의 증가는 균열 면에서의 가교작용으로 인해 구속효과가 발생하여 생긴 것으로 판단 되나, 기존 연구자들의 연구결과에서 보고된 바에 의하면 강섬유 혼입률에 따른 압축강도의 증가가 모든 연구 결과에서 뚜렷이 나타나지 않는 바, 이 부분에 대한 추가 적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 3(b)는 강섬유가 혼입되지 않은 실험체의 최대압축 강도(fc0)에 대한 강섬유가 혼입된 실험체의 최대압축강도(fcf) 비를 보여준다. 강섬유 혼입률이 1%일 때까지는 강도 비가 거의 일정하였으나 1.5%부터 최대강도 비는 증가하는 것으로 나타났다. 강섬유 혼입률이 1%일 때의 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도는 무보강 콘크리트에 비해 평균 약 7% 그리고 2%일 때는 약 14% 정도 증가하였다.
- 여기서, Ec0는 강섬유가 보강되지 않은 5개의 실험체에서 구한 탄성계수의 평균값으로 정의하였다. 강섬유가 혼입되지 않은 무보강 UHPC의 평균 탄성계수에대한 강섬유가 혼입된 UHPC의 탄성계수의 비는 최소 0.92에서 최대 1.35로 나타났으며, 모든 실험결과에 대한 탄성계수 비의 평균값은 1.10으로 나타났다.
- 이러한 결과는 UHPC의 압축 변형률은 거의 유사하게 나타난 반면, 최대강도가 강섬유 혼입률의 증가에 따라 증가하였기 때문으로 판단된다. 강섬유가 혼입되지 않은 실험체의 탄성계수(Ec0)의 평균값은 42.3 GPa이었으며 강섬유가 혼입된 UHPC의 탄성계수는 평균 43.7~53 GPa로 나타났다.
- 7(a) 는 강섬유 혼입률에 따른 UHPC의 탄성계수를 보여준다. 강섬유가 혼입된 UHPC의 탄성계수는 무보강 UHPC의 탄성계수에 비해 큰 값을 나타냈으며, 특히, 강섬유 혼입률이 1.5%에서 2%로 증가할 때 탄성계수의 증가가 뚜렷이 나타났다. 이러한 결과는 UHPC의 압축 변형률은 거의 유사하게 나타난 반면, 최대강도가 강섬유 혼입률의 증가에 따라 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 하이브리드 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(Hybrid steel fiber reinforced ultra-high performance concrete, 이하 UHPC)는 압축강도가 매우 높은 초고성능 시멘트 복합체(Ultra-high performance cementitioius composites)에 길이가 서로 다른 강섬유를 혼합하여 압축강도뿐만 아니라 인장강도와 휨인성 등을 향상시킨 신개념 건설재료이다. 개발된 UHPC는 기존의 취성파괴를 보이는 일반 콘크리트와는 달리 최대 강도 도달 이후 파괴 시까지 우수한 연성능력을 보인다. 이 재료는 강섬유 혼입률에 따라 10 MPa 이상의 높은 인장강도를 보이며, 압축강도는 200 MPa 이상, 그리고 탄성계수는 40 GPa 이상 발현되는 것으로 알려져 있다.
- 48에 존재하였고, 강섬유 혼입률의 증가에 따른 압축강도의 증가는 뚜렷이 나타나지 않았다. 그리고 기존 실험값 중 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도가 무보강 콘크리트의 압축강도에 비해 48%이상 증가하는 경우는 발견되지 않았다.
- 1 MPa인 초고성능 시멘트 복합체(UHPCC)의 강섬유 혼입 효과에 대한 연구를 통해 강섬유보강에 따라 압축강도가 증가하며 특히, 섬유보강지수가 증가할수록 압축강도가 증가한다고 보고하였다. 그리고 압축강도는 섬유보강지수에 대해 일정한 선형관계를 가진다고 하였으며 실험결과를 토대로 압축강도가 200 MPa 이상인 UHPCC에 적용가능한 압축강도와 섬유보강지수와의 관계식을 도출하였다. 이후 Kang et al.
- 2는 강섬유 혼입률에 따른 UHPC의 응력-변형률 관계를 보여준다. 대부분의 실험체는 파괴모드에 따라 압축응력-변형률 곡선의 형태가 상이한 부분도 있지만 최대강도에 도달하기까지 선형거동을 하는 것으로 나타났으며, 최대강도에 도달 직후 매우 취성적인 파괴형태를 보여주었다. 이 때문에 이 연구에서 사용된 실험방법으로는 최대강도 도달 이후의 응력-변형률 관계를 얻을 수없었다.
- 09로 나타났다. 따라서 제안된 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도는 강섬유 혼입률과 섬유 보강지수와는 상관없이 압축강도가 29.4~235.1 MPa인 강섬유 보강 콘크리트에 대해 적용가능할 것으로 판단된다.
- 2)의 실험결과를 사용하였다. 비록 이 연구에서 사용된 UHPC의 탄성계수의 편차가 기존 실험결과에 비해 다소 크게 나타났지만, 제안된 탄성계수는 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. Fig.
- 0035로서 강섬유 혼입률에 따른 축방향 변형률은 거의 일정한 값을 보여주었다. 스트레인 게이지를 사용해서 구한 UHPC의 압축 변형률은 Table 1에서 나타낸 바와 같이 AFGC-SETRA4)와 K-UHPC5)에서 제시하고 있는 변형률 범위에 존재하는 것으로 나타났다. 여기서, AFGC-SETRA4)와 K-UHPC5)에서 제시하고 있는 극한변형률은 각각 0.
- 콘크리트의 압축강도는 강섬유 부피비, 중량비, 강섬유의 형상 등 많은 변수들의 영향을 받는다. 압축강도가 35~100 MPa인 강섬유 보강 콘크리트에 대한 기존 연구들에 따르면, 강섬유 혼입률이 증가할수록 압축강도는 다소 증가하며, 이러한 현상은 강섬유 혼입률보다는 강섬유의 부피비와 형상비로 표현되는 섬유보강지수(Reinforcement Index, 이하 RI)가 압축강도 향상에 더 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다.6-11)여기서, 섬유보강지수(RI)는 Vf(lf/df)로 정의되며, Vf는 부피비로 표현된 강섬유 혼입률, lf와 df는 각각 강섬유의 길이와 직경을 나타낸다.
- Table 7은 기존 연구에서 제안된 탄성계수와 실험값을 상호비교한 것이다. 이 연구에서 제안된 탄성계수는 실험값에 대해 평균 1.01, 표준편차 0.07을 나타냈으며, 실험값을 비교적 잘 예측하였다.
- 9는 식(1)에서 제안된 강섬유 보강 압축강도와 기존 실험값을 비교한 것이다. 제안된 압축강도에 대한 실험값은 평균 1.02, 표준편차 0.08로 실험값과 잘 일치하는 것으로 나타났다. Table 6은 제안된 강도식과 기존 제안식과의 비교를 나타낸다.
- 이 연구에서는 최대압축강도일 때 최종파괴가 발생하였으므로 최대강도일 때의 변형 률은 극한변형률과 같다고 가정하였다. 최소 변형률은 0.0028 (C0.5-1)이었으며, 최대 변형률은 0.0043(C1.5-3), 그리고 평균 변형률은 0.0032~0.0035로서 강섬유 혼입률에 따른 축방향 변형률은 거의 일정한 값을 보여주었다. 스트레인 게이지를 사용해서 구한 UHPC의 압축 변형률은 Table 1에서 나타낸 바와 같이 AFGC-SETRA4)와 K-UHPC5)에서 제시하고 있는 변형률 범위에 존재하는 것으로 나타났다.
- 6(b)는 강섬유 혼입률에 따른 최대압축강도에 대한 임계강도의 비(σcs/fcf)를 보여준다. 측정결과, 강섬유 혼입률이 증가할수록 최대압축강도에 대한 임계응력의 비는 감소하는 것으로 나타났다. 강섬유가 혼입되지 않은 경우 임계강도는 최대강도의 95% 수준이었으며, 2%의 강섬유가 혼입된 경우, 임계강도는 최대강도의 81%수준으로 나타났다.
후속연구
- 강섬유 보강 콘크리트는 대부분 길이방향 균열뿐만 아니라 실험체 중심부에서 가로방향의 균열도 동시에 발생하였으며, 대체적으로 부재 길이방향으로 발생한 균열로 최종파괴되었다. 강섬유 혼입률의 증가에 따른 압축강도의 증가는 균열 면에서의 가교작용으로 인해 구속효과가 발생하여 생긴 것으로 판단 되나, 기존 연구자들의 연구결과에서 보고된 바에 의하면 강섬유 혼입률에 따른 압축강도의 증가가 모든 연구 결과에서 뚜렷이 나타나지 않는 바, 이 부분에 대한 추가 적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 6) 강섬유 보강 UHPC의 탄성계수는 압축강도의 영향을 받는 것으로 나타났다. 이 연구에서는 압축강도의 함수로 탄성계수가 제안되었으며, 제안된 탄성계수는 강섬유 보강 콘크리트에 적용가능할 것으로 판단된다.
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