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고속충격을 받는 외장 UHPC 패널의 내충격성능

Impact Resistance of UHPC Exterior Panels under High Velocity Impact Load

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.4, 2016년, pp.455 - 462  

강현구 (서울대학교 건축학과) ,  김상희 (서울대학교 건축학과) ,  김민수 (서울대학교 건축학과) ,  홍성걸 (서울대학교 건축학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (19)

  1. Kang, S.-H., and Hong, S. G., "Performance of Fresh and Hardened Ultra High Performance Concrete without Heat Treatment", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 26, No.1, 2014, pp.23-34 (in Korean). 

  2. Koh, K.T., Park, J.J., Ryu, G.S., and Kang, S.T., "Effect of the Compressive Strength of Ultra-High Strength Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites on Curing Method", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.27, No.3, 2007, pp.427-432 (in Korean). 

  3. Koh, K.T., Ryu, G.S., Park, J.J., and Kim, S.W., "Material Characteristics of K-UHPC", Proceedings of the Korean Concrete Institute, Vol.24, No.2, 2012, pp.861-862 (in Korean). 

  4. Lee, J.H., Hong, S.G., Joh, C., Kawhk, I., and Lee, J.W., "Biaxial Tension-Compression-Strength of UHPC in Structural Panels", Proceedings of the Korean Concrete Institue, Vol. 27, No.2, 2015, pp.213-214 (in Korean). 

  5. Pyo, S., Sherif, El-Tawil, S., and Naaman, A.E., "Chaaracteristics of Ultra High Performance Concrete (UHPC) under Tension at High Strain Rates", Proceedings of the Korean Concrete Institute, Vol.26, No.2, 2014, pp.521-522 (in Korean). 

  6. Kim, G.-Y., Nam, J.-S., and Miyauchi, H., "Evaluation on Impact Resistance Performance of Fiber Reinforced Mortar under High-Velocity Impact of Projectile", Journal of Korea Architecture Institute, Vol.27, No.9, Sep. 2011, pp.101-108 (in Korean). 

  7. Jang, S.-J., Son, S.-K., Kim, Y.-H., Kim, G.-Y., and Yun, H.-D., "Face Damage Characteristic of Steel Fiber-Reinforced Concrete Panels under High-Velocity Globular Projectile Impact", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.27, No.4, 2015, pp.411-418 (in Korean). 

  8. Koh, K.T., Ryu, G.S., Park, J.J., and Kim, S.W., "Material Characteristics of K-UHPC", Proceedings of Korean Concrete Institute, Vol.24, No.2, pp.861-862 (in Korean). 

  9. http://www.shooterscalculator.com/ 

  10. Korea Agency for Technology and Standards, Concrete Compressive Strength Test Method, KS F 2405:2010, Bulltin No. 2010-0654, Korea Standards Association, 2010 (in Korean). 

  11. Korea Agency for Technology and Standards, Soundproof panel-Metallic, KS F 4770-1:2015, Korea Standards Association, 2015 (in Korean). 

  12. ASTM International, Standard Test Method for Performance of Wood and Wood-Based Floor and Roof Sheathing Under Concentrated Static and Impact Loads (ASTM E661-03), American Society for Testing and Materials, 2015. 

  13. Kim, G.-Y., Nam, J.-S., and Miyauchi, H., "Evaluation on Impact Resistance Performance of Fiber Reinforced Mortar under High-Velocity Impact of Projectile", Journal of Korea Architecture Institute, Vol.27, No.9, Sep. 2011, pp.101-108 (in Korean). 

  14. Li, Q.M., Reid, S.R., and Ahmad-Zaidi, A.M., "Critical Impact Energies for Scabbing and Perforation of Concrete Target", Nuclear Engineering and Design, Vol.236, No.11, 2006, pp.1140-1148. 

  15. Li, Q. M., and Tong, D. J., "Perforation Thickness and Ballistic Limit of Concrete Target Subjected to Rigid projectile Impact", ASCE Jounral of Engineering Mechanics, Vol.29, No.9, 2003, pp.1083-1091. 

  16. Yankelevsky, D.Z. "Local Response of Concrete Slabs to Low Velocity Missile Impact", International Journal of Impact Engineering, Vol.19, No.4, 1997, pp.331-343. 

  17. Yang, I.Y., Yang, D.R., and Lee, C.M., Impact Engineering, Won Chang Publishing Co. Ltd., 2010, p.371 (in Korean). 

  18. Beppu, M., Miwa, M., Katayama, M., and Ohno, T., "Damage Evaluation of Concrete Plates by High-Velocity Impact", International Journal of Impact Engineering, Vol.35, 2008, pp.1419-1426. 

  19. Kim, H.-S., Kim, G.Y., Koo, K.-M., Cheo, G.-C., Yoo, J.-C., and Kim, M.-H., "Evaluation of Local Failure of Concrete by High-Velocity Impact", Proceeding os Architectural Institute of Korea, Vol.33, No.2, 2013, pp.617-618. 

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