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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 일반철근 또는 고강도철근을 적용한 압축강도 130 MPa 수준의 고강도 강섬유 보강 콘크리트 보의 정적 재하 실험을 수행하여 휨거동특성을 파악하였다. 또한, 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장실험을 통하여 재료모델을 제시하였다.
- 본 연구에서 강섬유 보강 고성능 콘크리트는 굵은 골재를 사용하지 않고 1.0% 부피비의 강섬유를 혼입하여 130 MPa의 압축강도 발현과 인장강도를 확보하기 위한 배합을 수행하였다. 콘크리트의 배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다.
- 이 연구에서는 고강도철근을 사용한 압축강도 130 MPa 수준의 강섬유 보강 고강도 콘크리트의 휨거동 특성을 파악하기 위한 실험연구와 해석기법을 적용한 수치해석 연구를 수행하였으며, 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 먼저, 해석단계마다 단면 내의 변형률을 가정한다. 가정한 곡률에 대해 중립축 위치를 변화하여 단면 내의 변형률 분포를 산정한다.
- 보의 휨거동을 예측하기 위하여 단면해석을 수행하였으며, 단면해석은 적층단면기법을 적용하였다. 부재 단면을 여러 개의 층으로 분할 모델링하였으며, 부재 단면에 걸쳐 변형률은 선형으로 분포한다고 가정하였다(Yuguang et al., 2008). 단면의 상연과 하연에서의 변형률은 곡률과 중립축 깊이를 이용하여 결정할 수 있다(Fig.
제안 방법
- 1) 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 압축거동과 인장거동특성 실험을 수행하였으며, 압축강도 130 MPa, 인장강도 6.2MPa의 재료 모델링을 제시하였다.
- 2에 강섬유 보강 콘크리트의 압축응력-변형률 관계와 인장응력-변형률 관계를 나타내었다. 각 배치별 압축강도 실험결과를 토대로 압축응력-변형률 관계를 산정하였다. 원주형 공시체를 이용하여 측정한 압축응력-변형률 관계는 거의 직선형상을 나타내며, 이는 이 연구에서의 강섬유 보강 콘크리트는 고강도 콘크리트이므로 일반콘크리트와 달리 압축응력-변형률 관계가 직선형상으로 나타난 것으로 판단된다.
- 강섬유 보강 콘크리트의 휨거동 수치해석을 위한 압축 및 인장거동 모델링을 수행하였다. Fig.
- 1(b)). 균열게이지를 이용하여 하중재하 단계별로 노치의 균열개구변위(CMOD)를 측정하였다. 하중-CMOD관계 측정결과를 바탕으로 역해석을 수행하여 인장강도를 산정하였으며, 인장강도 산정결과를 Table 2에 나타내었다.
- 보 부재 중앙 단면을 기준으로 600 mm 구간은 휨모멘트만 발생하는 순수휨 구간이고, 이에 따라 휨 균열은 주로 순수휨구간에서 주로 밀집되어 분포하는 현상을 나타내었다. 균열폭 측정은 순수휨 구간 600 mm에서 발생하는 휨 균열에 대하여 균열게이지로 측정하였다.
- 따라서, 강섬유 보강 고강도 콘크리트의 압축거동은 압축강도 fcu = 130 MPa, 탄성계수는 Ec = 40,000 MPa의 특성값을 갖는 선형관계로 모델링하였다.
- 또한, 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨성능 실험결과와 수치해석에 의한 예측결과를 비교·분석하여 제안 기법의 효용성을 고찰하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 일반철근 또는 고강도철근을 적용한 압축강도 130 MPa 수준의 고강도 강섬유 보강 콘크리트 보의 정적 재하 실험을 수행하여 휨거동특성을 파악하였다. 또한, 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장실험을 통하여 재료모델을 제시하였다. 제시한 재료모델을 적용하여 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨성능을 예측하였다.
- 부재 뒷면의 지간 중앙단면에서 높이에 따라 5개의 콘크리트 변형률 게이지를 부착하여 단면 내 종방향변형률을 측정하였다. 또한, 철근변형률 게이지를 순수휨 구간의 철근에 부착하여 철근변형률을 측정하였다.
- 여기서, c는 중립축 깊이, ϕ는 곡률, h는 보의 단면 높이를 나타낸다. 변형률 분포를 결정한 후, 재료모델링에서 획득한 초고성능 콘크리트 및 철근의 응력-변형률 관계로 부터 각 층에서의 응력을 산정한다. 각 단면 층의 응력을 산정한 후 층에서의 단면력을 산정할 수 있으며, 모든 층에서 단면력의 합은 평형상태를 만족해야 한다.
- 실험 자료를 측정하기 위한 계측시스템은 하중에 따른 처짐을 측정하기 위하여 보 부재의 중앙부와 하중 가력점인 순수휨 구간 영역에 3개의 변위계(LVDT)를 설치하여 수직 처짐을 측정하였다. 부재 뒷면의 지간 중앙단면에서 높이에 따라 5개의 콘크리트 변형률 게이지를 부착하여 단면 내 종방향변형률을 측정하였다. 또한, 철근변형률 게이지를 순수휨 구간의 철근에 부착하여 철근변형률을 측정하였다.
- 부재 중앙단면을 기준으로 순수휨 구간영역을 600 mm로 설정하였고, 순수휨 구간 영역의 좌·우 구간에 D10 철근을 이용한 스터럽을 150 mm 간격으로 배근하여 전단파괴를 방지하였다.
- 수직 엑츄에이터(Actuator)를 사용하여 4점 재하방식으로 하중을 재하하였다. 부재의 지점과 지점 사이의 거리를 3,000mm로 하였고, 하중가력지점과 지점 사이의 거리 600 mm에서 순수휨(pure bending)이 작용하도록 계획하였다. 강재 가력보를 엑츄에이터와 실험부재 사이에 위치시켜 하중을 가력하였으며, 하중은 일정한 속도의 변위제어 방식으로 1.
- 이 연구에서는 단면의 크기가 100 × 100 mm이고, 길이가 400 mm인 직사각형 프리즘 시편을 제작하여 휨인장강도 실험을 수행하였다. 시편의 중앙 단면 하단부에 10 mm 깊이의 노치(notch)를 내어 3점 하중재하 방법으로 휨인장 실험을 수행하였다(Fig. 1(b)).
- 실험 자료를 측정하기 위한 계측시스템은 하중에 따른 처짐을 측정하기 위하여 보 부재의 중앙부와 하중 가력점인 순수휨 구간 영역에 3개의 변위계(LVDT)를 설치하여 수직 처짐을 측정하였다. 부재 뒷면의 지간 중앙단면에서 높이에 따라 5개의 콘크리트 변형률 게이지를 부착하여 단면 내 종방향변형률을 측정하였다.
- SD400 및 SD600철근의 항복강도 측정값은 각각 493 및 671 MPa이다. 실험결과를 토대로 SD400 철근의 항복강도는 490 MPa, SD600 철근의 항복강도는 670 MPa로 모델링을 수행하였다. 또한, 철근의 탄성계수는 200,000 MPa을 사용하였다.
- 5 배치(batch)의 강섬유 보강 콘크리트 압축강도 실험용 원주형 공시체를 제작하였으며, 배치당 5개의 공시체를 제작하였다. 압축강도 실험을 통해 측정한 하중-변위 관계를 바탕으로 응력-변형률 관계 곡선을 획득하였고, 이를 토대로 강섬유보강 콘크리트의 압축강도와 탄성계수를 산정하였다(Fig. 1(a)).
- 또한, 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장실험을 통하여 재료모델을 제시하였다. 제시한 재료모델을 적용하여 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨성능을 예측하였다. 또한, 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨성능 실험결과와 수치해석에 의한 예측결과를 비교·분석하여 제안 기법의 효용성을 고찰하였다.
- 인장거동 모델의 경우, 변형률 연화(strain-softening) 현상을 고려하였다. 하중-CMOD 측정결과를 토대로 역해석을 통한 인장연화곡선 특성을 반영하여 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 인장응력-변형률 곡선을 제시하였다(Hillerborg et al.,1976; Kitsutaka, 1997; Yang et al., 2015).
- 균열게이지를 이용하여 하중재하 단계별로 노치의 균열개구변위(CMOD)를 측정하였다. 하중-CMOD관계 측정결과를 바탕으로 역해석을 수행하여 인장강도를 산정하였으며, 인장강도 산정결과를 Table 2에 나타내었다.
- 하중-처짐 관계 곡선에서 초기균열하중 이후의 선형구간으로부터 비선형구간으로 변화하는 단계의 하중을 항복하중으로 고려하였으며, 하중-변형률 관계 곡선에서 항복하중에 대응하는 변형률을 항복변형률로 결정하였다. 이와 같이 결정한 부재 F10-HS-R4의 항복변형률은 3,277×10-6 m/m이다.
- 실험 부재의 주요 변수는 휨 철근비와 철근의 종류로 설정하였다. 휨 철근이 배근되지 않은 부재 F10-NS-R0를 기준으로 휨 철근비 0.02(2%)이내에서 강섬유 보강 콘크리트의 휨거동 특성을 파악하였다. 부재 별로 휨 철근을 1~4가닥으로 배근하여 휨 철근비를 다르게 구성하였다.
대상 데이터
- 5 배치(batch)의 강섬유 보강 콘크리트 압축강도 실험용 원주형 공시체를 제작하였으며, 배치당 5개의 공시체를 제작하였다. 압축강도 실험을 통해 측정한 하중-변위 관계를 바탕으로 응력-변형률 관계 곡선을 획득하였고, 이를 토대로 강섬유보강 콘크리트의 압축강도와 탄성계수를 산정하였다(Fig.
- F10-NS 시리즈의 경우 D13의 일반철근(SD400)을 사용하였으며, 휨 철근비는 0.0029, 0.0059, 0.0089 및 0.0119이다. 또한, F10-HS 시리즈의 경우 D16의 고강도철근(SD600)을 사용하였으며, 철근비는 각각 0.
- 강섬유 보강 콘크리트의 휨 성능을 평가하기 위해 단면폭 200 mm, 높이 250 mm, 순 지간 3,300 mm인 9개의 강섬유 보강 콘크리트 보를 제작하였으며, 실험부재 상세를 Table 3에 나타내었다. 실험 부재의 주요 변수는 휨 철근비와 철근의 종류로 설정하였다.
- 0119이다. 또한, F10-HS 시리즈의 경우 D16의 고강도철근(SD600)을 사용하였으며, 철근비는 각각 0.0047, 0.0093, 0.0140 및 0.0186이다.
- 02(2%)이내에서 강섬유 보강 콘크리트의 휨거동 특성을 파악하였다. 부재 별로 휨 철근을 1~4가닥으로 배근하여 휨 철근비를 다르게 구성하였다.
- 충전재(filler)는 구성입자 평균 입경이 10 μ m이고, SiO2 98%이상, 밀도 2,600 kg/m3의 재료를 사용하였다. 섬유는 직선형상의 섬유를 사용하였으며, 직경이 0.2 mm이고, 길이가 19.5 mm인 단일 종류의 강섬유를 혼입하여 강섬유 보강 콘크리트를 제조하였다.
- 강섬유 보강 콘크리트의 휨 성능을 평가하기 위해 단면폭 200 mm, 높이 250 mm, 순 지간 3,300 mm인 9개의 강섬유 보강 콘크리트 보를 제작하였으며, 실험부재 상세를 Table 3에 나타내었다. 실험 부재의 주요 변수는 휨 철근비와 철근의 종류로 설정하였다. 휨 철근이 배근되지 않은 부재 F10-NS-R0를 기준으로 휨 철근비 0.
- 이 연구에서는 단면의 크기가 100 × 100 mm이고, 길이가 400 mm인 직사각형 프리즘 시편을 제작하여 휨인장강도 실험을 수행하였다.
- 적용된 강섬유의 특성은 밀도 7,500 kg/m3, 항복강도 2,500 MPa이다. Table 1에 강섬유 보강 콘크리트의 배합표를 시멘트에 대한 주요 구성재료의 중량비로 나타내었다.
- 충전재(filler)는 구성입자 평균 입경이 10 μ m이고, SiO2 98%이상, 밀도 2,600 kg/m3의 재료를 사용하였다.
- 0% 부피비의 강섬유를 혼입하여 130 MPa의 압축강도 발현과 인장강도를 확보하기 위한 배합을 수행하였다. 콘크리트의 배합에 적용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다. 굵은 골재는 배합에 사용되지 않았으며, 잔골재는 입도 0.
- 휨 철근으로 사용된 D13의 SD400철근과 D16의 SD600 철근의 인장실험을 수행하였으며, 인장실험결과를 Fig. 3에 나타내었다. SD400 및 SD600철근의 항복강도 측정값은 각각 493 및 671 MPa이다.
이론/모형
- 보의 휨거동을 예측하기 위하여 단면해석을 수행하였으며, 단면해석은 적층단면기법을 적용하였다. 부재 단면을 여러 개의 층으로 분할 모델링하였으며, 부재 단면에 걸쳐 변형률은 선형으로 분포한다고 가정하였다(Yuguang et al.
성능/효과
- 2) 철근이 없는 강섬유 보강 콘크리트는 초기균열 이후에도 하중 부담 능력은 증가한다. 또한, 최대 하중 도달 이후에도 하중은 서서히 감소하고 있어, 휨 철근이 없을지라도 강섬유 효과로 인해 큰 연성 거동을 나타낸다.
- 3) 고강도철근을 적용한 F10-HS 시리즈 보의 처짐량 비는 일반철근을 적용한 F10-NS 시리즈 보의 처짐량 비보다 더욱 크게 나타난다.
- 4) 일반철근 시리즈(F10-NS) 부재의 최대 모멘트 측정값에 대한 수치해석에 의한 최대 모멘트 계산값의 비는 0.81~1.42, 고강도철근 시리즈(F10-HS) 부재의 최대 모멘트 계산값의 비는 0.92~1.07을 나타내고 있어 해석결과는 전반적으로 휨강도를 합리적으로 예측하고 있다.
- 또한, 보의 휨강도는 철근 기여분과 강섬유 기여분으로 구성되며, 고강도철근을 사용한 부재에서는 강섬유의 휨강도 기여분 보다 철근의 휨강도 기여분이 크다. 따라서, 일반강도철근을 사용한 보의 휨강도는 고강도철근을 사용한 보의 휨강도에 비해 상대적으로 철근의 영향이 작고, 보 부재에서의 강섬유 배열 교란 가능성이 있으므로, 일반철근을 사용한 F10-NS 시리즈 부재의 휨모멘트 강도 측정값에 대한 해석값의 비의 변동성이 크다고 판단된다.
- 각 배치별 압축강도 실험결과를 토대로 압축응력-변형률 관계를 산정하였다. 원주형 공시체를 이용하여 측정한 압축응력-변형률 관계는 거의 직선형상을 나타내며, 이는 이 연구에서의 강섬유 보강 콘크리트는 고강도 콘크리트이므로 일반콘크리트와 달리 압축응력-변형률 관계가 직선형상으로 나타난 것으로 판단된다. 따라서, 강섬유 보강 고강도 콘크리트의 압축거동은 압축강도 fcu = 130 MPa, 탄성계수는 Ec = 40,000 MPa의 특성값을 갖는 선형관계로 모델링하였다.
- 이는 보 F10-NS-R0가 휨 철근이 없을지라도 강섬유의 효과로 인해 큰 연성 거동을 나타내는 것을 의미한다. 즉, 초기균열 이후의 강섬유의 균열 저항성과 최대하중 도달 이후의 균열 후 거동이 강섬유 보강 콘크리트의 휨거동에 큰 영향을 미치고 있는 것을 나타낸다.
- 0 mm로 측정되었다. 최대하중 단계이후, 휨모멘트 부담 능력은 점진적으로 감소하며, 이와 더불어 다른 균열과 달리 주균열 폭은 급격하게 증가한다. 최종상태에서 주균열의 균열폭은 11 mm이고, 주균열 단면의 부재 상연에서 콘크리트 압쇄 현상(crushing)이 발생하였다.
- 최대하중 단계이후, 휨모멘트 부담 능력은 점진적으로 감소하며, 이와 더불어 다른 균열과 달리 주균열 폭은 급격하게 증가한다. 최종상태에서 주균열의 균열폭은 11 mm이고, 주균열 단면의 부재 상연에서 콘크리트 압쇄 현상(crushing)이 발생하였다. 최종상태에서의 파괴양상을 Fig.
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