본 실험적 연구는 고속 비상체 충돌 시 UHPC 외장재의 내충격성을 파악하는데 그 목적이 있다. 이 연구에서는 두께를 주요 변수로 UHPC과 화강암 패널 실험체에 고속충격을 가하여 실험체의 성능을 비교하였으며, 배면의 변형률을 기록하였다. UHPC는 외관이 우수하였으며, 내충격성도 화강암에 비해 우수하여 외장재로 사용하기에 적당하다고 판단된다. 비상체가 시험체에 충돌한 후 압축파가 배면에 도달하고 그 후 자유단 지점을 중심으로 인장파가 발생하여서 배면파괴를 일으킨 것으로 사료된다. 이러한 배면파괴 발생 메커니즘은 변형률 기록이 압축파구간, 보합구간, 인장구간으로 나누어지는 것을 통해 알 수 있다. 관통파괴 형태를 살펴보면 고속 충돌 시 전단력이 배면에 작용하여 파괴가 발생되는 shear plug 현상이 나타난 것으로 판단된다. 즉 충격하중에 대하여 배면의 파괴는 전단력과 인장응력에 의해 동시에 영향을 끼쳐 발생한 것으로 사료된다.
본 실험적 연구는 고속 비상체 충돌 시 UHPC 외장재의 내충격성을 파악하는데 그 목적이 있다. 이 연구에서는 두께를 주요 변수로 UHPC과 화강암 패널 실험체에 고속충격을 가하여 실험체의 성능을 비교하였으며, 배면의 변형률을 기록하였다. UHPC는 외관이 우수하였으며, 내충격성도 화강암에 비해 우수하여 외장재로 사용하기에 적당하다고 판단된다. 비상체가 시험체에 충돌한 후 압축파가 배면에 도달하고 그 후 자유단 지점을 중심으로 인장파가 발생하여서 배면파괴를 일으킨 것으로 사료된다. 이러한 배면파괴 발생 메커니즘은 변형률 기록이 압축파구간, 보합구간, 인장구간으로 나누어지는 것을 통해 알 수 있다. 관통파괴 형태를 살펴보면 고속 충돌 시 전단력이 배면에 작용하여 파괴가 발생되는 shear plug 현상이 나타난 것으로 판단된다. 즉 충격하중에 대하여 배면의 파괴는 전단력과 인장응력에 의해 동시에 영향을 끼쳐 발생한 것으로 사료된다.
This experimental study aims to evaluate the impact performance of UHPC exterior panels through high velocity impact tests. The impact performance of UHPC was compared with that of granite in terms of panel thickness, and strain histories were recoded on the rear face of panel specimens. The UHPC tu...
This experimental study aims to evaluate the impact performance of UHPC exterior panels through high velocity impact tests. The impact performance of UHPC was compared with that of granite in terms of panel thickness, and strain histories were recoded on the rear face of panel specimens. The UHPC turned out to be a good exterior facade material, because the appearance of UHPC is natural enough and impact performance was superior to granite. After colliding, compression pulse reached to the rear face but that pulse was reflected in tension pulse with respect to the free point outside the rear face of the panel. This tension pulse caused the scabbing from the rear side, as the strain histories on the rear face showed three different regions as compression region, steady region and tension region. The shear plug deformation by shear force also was one of the primary reasons for the scabbing based on the observation. Therefore, the scabbing seemed to be affected by both tension and shear forces.
This experimental study aims to evaluate the impact performance of UHPC exterior panels through high velocity impact tests. The impact performance of UHPC was compared with that of granite in terms of panel thickness, and strain histories were recoded on the rear face of panel specimens. The UHPC turned out to be a good exterior facade material, because the appearance of UHPC is natural enough and impact performance was superior to granite. After colliding, compression pulse reached to the rear face but that pulse was reflected in tension pulse with respect to the free point outside the rear face of the panel. This tension pulse caused the scabbing from the rear side, as the strain histories on the rear face showed three different regions as compression region, steady region and tension region. The shear plug deformation by shear force also was one of the primary reasons for the scabbing based on the observation. Therefore, the scabbing seemed to be affected by both tension and shear forces.
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문제 정의
그리고 가스압력 방식이나 자유낙하를 통해 큰 충격에너지를 주는 방법이 있다.13) 본 연구에서는 단순 이동, 시공 등에 발생할 수 있는 충격을 비롯해 그보다 더 큰 에너지를 상대로 장기적이며 우수한 내충격성을 평가하고자 가스압력 방식과 동일한 공기압축 방식을 통한 고속 비상체 충돌 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 외장재의 기본적인 요구 성능인 고강도, 가공성, 외관 중에서 내충격성을 평가하고자 한다. 기존 콘크리트의 내충격성 연구는 두꺼운 패널 위주로 연구되었지만, 본 연구에서는 UHPC를 활용한 외장재의 내충격성을 파악하고자 얇은 패널을 실험대상으로 하였다. 기존에 일반적으로 많이 사용된 화강암 외장재 패널을 기준 실험체로 하였으며, UHPC 패널에 대해서는 외장재로 사용 가능할 정도로 얇게 제작하였다.
본 연구에서는 외장재의 기본적인 요구 성능인 고강도, 가공성, 외관 중에서 내충격성을 평가하고자 한다. 기존 콘크리트의 내충격성 연구는 두꺼운 패널 위주로 연구되었지만, 본 연구에서는 UHPC를 활용한 외장재의 내충격성을 파악하고자 얇은 패널을 실험대상으로 하였다.
이 연구에서는 UHPC를 활용하여 제작한 외장재 패널의 내충격성을 평가하기 위한 실험을 계획하였다. 외장패널의 경량화 제작에 적합하다고 판단되는 설계강도 180 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였다.
이 연구에서는 고속 비상체에 의한 충격하중을 받는 UHPC의 내충격성을 평가하였다. 기준 실험체로는 화강암이었며, 패널의 두께를 변수로 하였다.
기존에 일반적으로 많이 사용된 화강암 외장재 패널을 기준 실험체로 하였으며, UHPC 패널에 대해서는 외장재로 사용 가능할 정도로 얇게 제작하였다. 이러한 UHPC의 내충격성을 정량적으로 평가하고 고속충격을 받을 때 UHPC의 변형에 대해서 연구하고자 한다.
가설 설정
UHPC는 내구성과 균열저항성능 그리고 유동성과 압축 강도 등에 있어 우수한 점이 많아 보수, 보강 등에 자주 사용되고 있다.1) 이러한 여러 가지 장점을 이용하면 얇으면서도 단단한 외장재를 만들 수 있다. UHPC는 콘크리트이기 때문에 가장 큰 장점은 다양한 형태로 제작이 가능하다는 것이다.
제안 방법
180 m/s의 속도를 가질 수 있도록 리시버 탱크가 약 1 MPa로 측정될 때 솔밸브를 열어서 비상체에 압력을 가하였다. 이 때 비상체는 지름 20 mm (32.
비상체가 패널 실험체에 충돌한 후 파괴형상에 따라 표면파괴, 배면파괴, 관통 3등급으로 나누어 평가하였다. 그리고 중량 손실량, 전면과 배면의 손실범위, 관입깊이를 측정하였다.
기존 콘크리트의 내충격성 연구는 두꺼운 패널 위주로 연구되었지만, 본 연구에서는 UHPC를 활용한 외장재의 내충격성을 파악하고자 얇은 패널을 실험대상으로 하였다. 기존에 일반적으로 많이 사용된 화강암 외장재 패널을 기준 실험체로 하였으며, UHPC 패널에 대해서는 외장재로 사용 가능할 정도로 얇게 제작하였다. 이러한 UHPC의 내충격성을 정량적으로 평가하고 고속충격을 받을 때 UHPC의 변형에 대해서 연구하고자 한다.
반면 UHPC는 20 mm 이상에서는 관통이 발생하지 않았으며, 30 mm에서는 전면파괴만 발생하였다. 또한 심미적으로도 UHPC의 겉면은 매끈하였으며 반들반들하여 우수하였다.
양중 및 운반 중 충격을 받기도 하는 외장재인 만큼 외부에서 발생 가능한 총격이나 태풍, 돌풍 등에 날리는 돌멩이 등을 고려하였을 때 총격에 의한 탄환에너지가 가장 적당하다고 판단하여서 권총에 의한 운동에너지를 기준으로 충격실험을 계획하였다. 본 실험에서는 총알이 가지는 운동에너지와 유사할 수 있도록 지름 20 mm, 무게 32 g 의 쇠구슬을 비상체로 하여 약 180 m/s의 속도로 발사하였다. 발사된 비상체는 약 9 mm 권총과 스미스웨슨(40 S&W) 중간정도의 운동에너지를 가지는 비상체이다(Fig.
발사관의 토출부와 실험체간의 거리는 700 mm이다. 비상체가 패널 실험체에 충돌한 후 파괴형상에 따라 표면파괴, 배면파괴, 관통 3등급으로 나누어 평가하였다. 그리고 중량 손실량, 전면과 배면의 손실범위, 관입깊이를 측정하였다.
실험체 배면 중심에 배면의 변형률 이력을 조사하기 위해서 콘크리트 변형률 측정게이지를 실험체 배면의 중심에 부착하였다. 내충격성 실험은 실험시간이 0.
실험체의 넓이는 400×400 mm, 두께는 외장재로서 활용할 수 있도록 10, 20, 30 mm로 얇게 제작하였다.
실험체에 충돌하는 충돌에너지량은 권총에서 발사되는 총알이 가지는 운동에너지와 유사하게 설정하였다. 양중 및 운반 중 충격을 받기도 하는 외장재인 만큼 외부에서 발생 가능한 총격이나 태풍, 돌풍 등에 날리는 돌멩이 등을 고려하였을 때 총격에 의한 탄환에너지가 가장 적당하다고 판단하여서 권총에 의한 운동에너지를 기준으로 충격실험을 계획하였다. 본 실험에서는 총알이 가지는 운동에너지와 유사할 수 있도록 지름 20 mm, 무게 32 g 의 쇠구슬을 비상체로 하여 약 180 m/s의 속도로 발사하였다.
3과 같으며, 공기압을 이용하여 비상체를 발사하여 챔버 안 패널 실험체에 충돌하게 하였다. 에어컴프레셔가 에어탱크와 리시버탱크에 공기압을 저장한 후 솔밸브를 열어서 저장된 공기압을 일순간에 총열로 토출하여 비상체를 가속하였다. 총열을 통해 지속적으로 압력을 받는 비상체는 속도가 증가하였다.
5%를 혼입하였다. 이전 UHPC의 강섬유 혼입률은 2% 이지만, K-UHPC는 2 종류의 강섬유를 1.5% 혼합사용함으로써 다른 UHPC와 동등한 인장강도를 나타내는 것이 특징이기 때문에 K-UHPC 배합에 따라 2가지를 혼합사용하였다.8) 강섬유의 인장강도는 1600 MPa이다.
혼합된 생콘크리트를 패널형 시험체와 실린더 공시체에 담은 후 밀봉양생하였고 콘크리트가 경화된 후에는 밀봉한 봉함(seal)을 제거하고 48시간 동안 80~90°C에서 증기양생하였다. 증기양생된 시험체를 기건 양생과정을 거친 후 탈형하였다. 탈형된 패널형 시험체와 실린더 공시체를 20±2°C의 수조에서 4주간 수중양생을 하였다.
콘크리트는 대형 팬믹서를 사용하여 믹서하였으며, 뭉침현상(fiber balling)을 억제하기 위하여 강섬유를 조금씩 팬믹서에 투하하였다. 패널형 시험체의 제작을 위해서 400×400 mm 넓이에 10, 20, 30 mm 깊이의 몰드를 각각 나무로 제작하였다(Fig.
탈형된 패널형 시험체와 실린더 공시체를 20±2°C의 수조에서 4주간 수중양생을 하였다.
패널형 시험체의 제작을 위해서 400×400 mm 넓이에 10, 20, 30 mm 깊이의 몰드를 각각 나무로 제작하였다(Fig. 2).
혼합된 생콘크리트를 패널형 시험체와 실린더 공시체에 담은 후 밀봉양생하였고 콘크리트가 경화된 후에는 밀봉한 봉함(seal)을 제거하고 48시간 동안 80~90°C에서 증기양생하였다.
대상 데이터
외장패널의 경량화 제작에 적합하다고 판단되는 설계강도 180 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였다. 그리고 가장 대표적인 외장재인 화강암 패널과 비교 평가하고자, 문경석과 고흥석을 준비하였다.
이 연구에서는 고속 비상체에 의한 충격하중을 받는 UHPC의 내충격성을 평가하였다. 기준 실험체로는 화강암이었며, 패널의 두께를 변수로 하였다. 또한 고속 비상체의 충격에너지는 일반적인 상황의 총알 운동에너지와 유사하게 설정하였다.
실험체 배면 중심에 배면의 변형률 이력을 조사하기 위해서 콘크리트 변형률 측정게이지를 실험체 배면의 중심에 부착하였다. 내충격성 실험은 실험시간이 0.5초 이내이기 때문에 동적데이터로거를 사용하여 실험데이터를 수집하였다. 동적데이터로거 FFT EDX-2000A 제품을 사용하여 0.
5초 이내이기 때문에 동적데이터로거를 사용하여 실험데이터를 수집하였다. 동적데이터로거 FFT EDX-2000A 제품을 사용하여 0.0001초당 데이터를 수집하였다. 수신된 데이터를 0.
4 mm의 배면탈락 깊이를 보였다. 두께 30 mm의 SC180-30 시험체는 4개의 시험체에서 동일하게 전면탈락과 약 3.6 mm의 관입깊이가 측정되었다. 배면에서는 미세한 균열이 발생하였다.
대조군으로 준비한 화강암(Granite) 실험체 중에서 10 mm 두께의 화강석 패널은 일반적으로 생산되거나 사용되지 않으므로 평가대상에서 제외하였다. 문경석(G-White)은 20 mm 1개, 30 mm 2개를 준비하였으며, 고흥석(G-Black)은 30 mm 3개를 준비하였다.
발사된 비상체는 약 9 mm 권총과 스미스웨슨(40 S&W) 중간정도의 운동에너지를 가지는 비상체이다(Fig. 1).
실험체의 넓이는 400×400 mm, 두께는 외장재로서 활용할 수 있도록 10, 20, 30 mm로 얇게 제작하였다. 실험체 명은 콘크리트 강도와 두께에 따라서 SC180-10, SC180-20, SC180-30으로 하였으며, 실험 순서에 따라 연번을 붙였다. 대조군으로 준비한 화강암(Granite) 실험체 중에서 10 mm 두께의 화강석 패널은 일반적으로 생산되거나 사용되지 않으므로 평가대상에서 제외하였다.
압축강도 시험을 위해서 ∅100×200 mm의 원형실린더 5개를 제작하였다.
K-UHPC는 한국에서 개발된 UHPC로서 굵은골재를 사용하지 않고 수화물과 채움재의 입자간격을 좁혀 밀도를 높인 콘크리트이다. 얇은 패널임을 감안하여 지름 0.2 mm이고 길이 16 mm인 강섬유(l/d=80)는 0.5%, 동일 지름의 길이 20 mm인 강섬유(l/d=100)는 1.0%를 혼합하여 총 강섬유는 체적대비 1.5%를 혼입하였다. 이전 UHPC의 강섬유 혼입률은 2% 이지만, K-UHPC는 2 종류의 강섬유를 1.
이 연구에서는 UHPC를 활용하여 제작한 외장재 패널의 내충격성을 평가하기 위한 실험을 계획하였다. 외장패널의 경량화 제작에 적합하다고 판단되는 설계강도 180 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였다. 그리고 가장 대표적인 외장재인 화강암 패널과 비교 평가하고자, 문경석과 고흥석을 준비하였다.
180 m/s의 속도를 가질 수 있도록 리시버 탱크가 약 1 MPa로 측정될 때 솔밸브를 열어서 비상체에 압력을 가하였다. 이 때 비상체는 지름 20 mm (32.6 g)의 쇠구슬을 사용하였다. 발사관의 토출부와 실험체간의 거리는 700 mm이다.
데이터처리
0001초당 데이터를 수집하였다. 수신된 데이터를 0.005초로 평균값을 내어서 실험결과를 분석하였다.
이론/모형
탈형된 패널형 시험체와 실린더 공시체를 20±2°C의 수조에서 4주간 수중양생을 하였다. 시험방법은 KS F240510)에 따라 시험당일 날 만능재료시험기를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 콘크리트의 평균 압축강도는 168 MPa으로 나타났다.
콘크리트 제조는 한국건설기술연구원에서 개발한 K-UHPC 배합과 믹서, 양생과정을 따랐다. K-UHPC는 한국에서 개발된 UHPC로서 굵은골재를 사용하지 않고 수화물과 채움재의 입자간격을 좁혀 밀도를 높인 콘크리트이다.
성능/효과
(a)의 SC180-10-2 시험체에서 최대 압축변형률은 13.0 μs였으며, 압축구간의 총 시간은 0.071초였고 보합구간의 시간은 0.049초였다.
1) 본 연구에서 사용한 UHPC는 기준 실험체보다 월등한 내충격성을 보였다. 화강암은 고속 비상체에 의해 여러 파편으로 나뉘면서 취성적인 파괴형태를 보였다.
UHPC는 1990년대 프랑스를 중심으로 활발히 연구되었으며, 국내에는 2000년부터 연구되어 UHPC 제조기술이 개발되었다.1,2,3) UHPC는 압축강도 150 MPa 이상과 인장강도 8~20 MPa의 고강도, 고인성을 가진 재료로서, 재료의 분말도가 높아 공극이 작고 밀실하다.4) 또한 일반 콘크리트에 비해 폭이 작은 균열이 고르게 분산되기 때문에 내구성이 뛰어나다.
두께에 따른 충돌 후 시험체 총 질량 대비 질량손실률은 패널의 두께가 증가함에 따라 감소하였다. 10 mm 두께의 패널은 모두 관통파괴가 발생하여 질량손실률이 컸으며 패널두께 20 mm에서는 전면 관입보다는 배면 파괴로 인해 질량손실이 비교적 크게 발생하였다. 패널두께 30 mm의 경우 배면에 균열만 발생하여 충돌로 인한 질량손실이 적었다.
2) 비상체가 충돌한 후 콘크리트 패널의 배면의 파괴형태는 전단파괴의 형태를 가졌다. 이는 shear plug 현상에 의하여 충돌지점에서 사선 방향으로 전단파괴가 발생한 것이다.
3) 배면 중심의 변형률은 압축구간, 과도기 그리고 인장구간으로 나눌 수 있다. 압축구간은 비상체가 처음 충돌할 때 시험체의 내부에 압축응력파가 배면에 도달하면서 생기는 구간으로 판단된다.
38%의 질량손실률을 보였으며, 배면에서 넓고 깊은 탈락이 발생하였다. 30 mm 패널은 평균 0.16%의 중량손실량을 보였으며, 전면에서만 탈락이 발생하였다. 두께에 따른 충돌 후 시험체 총 질량 대비 질량손실률은 패널의 두께가 증가함에 따라 감소하였다.
5는 실험체의 중량 손실량을 그래프로 표현한 것이다. SC180-10 패널은 평균적으로 0.61%의 질량 손실률을 보였으며, 전면보다 배면에서 많은 손실률을 보였다. 그리고 20 mm 패널은 0.
UHPC와 화강석 시험체를 비교해 보면 20 mm 두께의 SC180-20는 30 mm 두께의 화강석 시험체에 비해 취성적 파괴와 관통이 발생하지 않았으며, 또한 UHPC 패널의 손상범위가 상당히 적은 것으로 보아 내충격성능이 보다 우수한 것으로 판단된다. 따라서 견고한 외장재로 알려진 화강석 패널에 비해 UHPC의 활용 패널의 내충격성능이 뛰어난 것으로 판단된다.
16%의 중량손실량을 보였으며, 전면에서만 탈락이 발생하였다. 두께에 따른 충돌 후 시험체 총 질량 대비 질량손실률은 패널의 두께가 증가함에 따라 감소하였다. 10 mm 두께의 패널은 모두 관통파괴가 발생하여 질량손실률이 컸으며 패널두께 20 mm에서는 전면 관입보다는 배면 파괴로 인해 질량손실이 비교적 크게 발생하였다.
UHPC와 화강석 시험체를 비교해 보면 20 mm 두께의 SC180-20는 30 mm 두께의 화강석 시험체에 비해 취성적 파괴와 관통이 발생하지 않았으며, 또한 UHPC 패널의 손상범위가 상당히 적은 것으로 보아 내충격성능이 보다 우수한 것으로 판단된다. 따라서 견고한 외장재로 알려진 화강석 패널에 비해 UHPC의 활용 패널의 내충격성능이 뛰어난 것으로 판단된다.
윤기와 광택을 가지고 있는 면은 거푸집면이었으며, 타설면은 거칠었다. 모든 시험체가 우수한 품질의 광택을 나타내지는 않았다. 하지만, 외관 상태로 보아 UHPC를 제작할 때 품질관리가 이루어진다면, 외장재로 사용하기에 무난한 외관을 가지고 있다고 사료된다.
후속연구
하지만, 외관 상태로 보아 UHPC를 제작할 때 품질관리가 이루어진다면, 외장재로 사용하기에 무난한 외관을 가지고 있다고 사료된다. 또한 UHPC는 기본적으로 콘크리트의 우수한 성형성을 가지고 있으므로, 다양한 형태와 크기의 제품으로 제작이 가능하다고 사료된다. 뿐만 아니라 백색시멘트와 다양한 염료를 첨가해 컬러 UHPC를 구현할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적인 외장재 조건은 무엇인가?
일반적으로 외장재는 1차적으로 건물 외관의 미적 아름다움을 더해주고, 외부로부터 물리적 충격을 견딜 수 있어야 한다. 기존 벽돌, 화강암, 대리석, 유리 등의 외장재로는 현대의 진보해가는 건축물이 요구하는 다양한 형태를 구현하기 쉽지 않다.
초고성능 콘크리트는 기존 외장재의 어떤 문제를 개선하고자 사용되고 있는가?
더구나 최근에는 비정형, 초고층, 특수 건축물의 증가로 인하여 여러 가지 성능의 외장재가 요구되고 있다. 그러나 강한 풍속을 타고 모래 또는 파편이 충돌하게 되면 건물 외장재가 깨지거나 탈락할 수 있다. 이는 건물 주변의 인명 피해를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 건축물 외형을 크게 손상시킬 수 있다. 특히 앞서 언급한 비정형 건축물의 보수와 보강은 경제적으로 큰 부담일 수 있다. 이러한 단점을 개선하고자 최근 새로운 외장재로의 대안으로 초고성능 콘크리트(ultrahigh performance concrete, UHPC)가 각광받고 있다.
K-UHPC란 무엇인가?
콘크리트 제조는 한국건설기술연구원에서 개발한 K-UHPC 배합과 믹서, 양생과정을 따랐다. K-UHPC는 한국에서 개발된 UHPC로서 굵은골재를 사용하지 않고 수화물과 채움재의 입자간격을 좁혀 밀도를 높인 콘크리트이다. 얇은 패널임을 감안하여 지름 0.
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