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강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPFRC) I형 보의 전단 강도
Shear Strength of Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete(UHPFRC) I-shaped Beams without Stirrup 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.29 no.1, 2017년, pp.53 - 64  

이지형 (서울대학교 건축학과) ,  홍성걸 (서울대학교 건축학과)

초록
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강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPFRC)는 높은 압축강도 뿐 아니라 강섬유 보강에 의한 뛰어난 응력분산효과로 인해 높은 인장강도를 가지며, 미세균열의 확장을 통해 균열 후에도 경화거동을 하여 구조부재가 안정적으로 외력에 저항하도록 한다. 본 연구에서는 UHPFRC 재료 인장강도를 정의함에 있어 노치가 있는 휨실험과 직접인장실험을 비교하여 실험법 및 결과 분석의 장단점을 알아보았다. I-형 보의 전단부재실험은 복부의 면내전단거동을 알아보기 위하여 전단 경간비, 유효높이, 재료인장강도를 변수로 계획하였다. 실험결과를 통해 전단보강근이 없는 UHPFRC I형 보의 균열발생 이후 전단거동의 응력 재분배효과를 정량적으로 판단하고, 균열 후 거동을 기존 전단 강도식이 잘 반영하고 있는지 검토하였다. 전단철근 보강이 없는 UHPFRC 전단부재의 경우 파괴모드는 사인장 파괴로 동일하였고, 이러한 파괴모드를 가지는 부재는 전단 경간비와 유효높이에 크게 영향을 받게 되어 부재 설계 시 이러한 변수에 대한 고려가 필요한 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) is characterized by a post-cracking residual tensile strength with a large tensile strain as well as a high compressive strength. To determine a material tensile strength of UHPFRC, three-point loading test on notched prism and direct tensile...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 002보다 크다는 점도 참고할만 하다. 따라서 본 연구는 UHPFRC 전단보의 사인장 파괴에 대한 거동을 분석하는 것을 목표로, 연구의 효율적 수행을 위해 단면 두께가 얇고 전단보강근이 없는 I형 UHPFRC 보로 연구내용을 국한하였다.
  • 직접인장실험결과 인장연화거동을 보이는 경우는 휨인장 거동에서는 균열 발생 후 경화거동을 보일수도, 연화거동을 보일 수도 있는데, 이러한 재료인장거동 및 구조인장거동은 강섬유 부피비에 의해 크게 지배받는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 재료인장거동 및 부재인장거동에서 차이가 있는 재료 배합에 따른 보전단거동을 알아보고자 하였다.
  • 본 연구에서는 전단보강근이 없는 UHPFRC I형 보의 균열발생 이후 전단거동의 응력 재분배효과를 정량적으로 판단하고, 균열 후 거동을 기존 전단 강도식이 잘 반영하고 있는지 검토하였다. 특히 전단 강도 산정 시 강섬유 기여분의 주요 변수인 재료 인장강도 정의에 대해 고찰하고, 복부 주응력방향에 대한 실험적 근거를 제시하여 UHPFRC 부재 전단거동 특성을 알아보고자 한다.
  • 4) 기존 강도식에서는 전단지간비와 크기효과에 대한 변수는 한계상태에서의 주인장각도에 간접적으로 반영되어 있으나, 주인장각도에 대한 실험적인 근거는 부족하였다. 본 연구에서는 주인장각도에 대한 실험자료를 제시하였으며 모델링 기반 평가식에 대입하였을때 실험결과를 비교적 정확히 예측하였다. 보다 정밀도가 높은 전단강도 예측을 위해서는 재료 한계변형에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 생각된다.
  • 본 연구에서는 전단보강근이 없는 UHPFRC 보에 대하여 전단 경간비, 유효높이, 재료인장강도를 변수로 실험을 수행하였다. 이를 통해 UHPFRC 전단부재의 실험결과를 기존제안식과 비교하여 제안식이 부재거동을 효과적으로 반영하고 있는지 검토하였다.
  • 본 연구에서는 전단보강근이 없는 UHPFRC I형 보의 균열발생 이후 전단거동의 응력 재분배효과를 정량적으로 판단하고, 균열 후 거동을 기존 전단 강도식이 잘 반영하고 있는지 검토하였다. 특히 전단 강도 산정 시 강섬유 기여분의 주요 변수인 재료 인장강도 정의에 대해 고찰하고, 복부 주응력방향에 대한 실험적 근거를 제시하여 UHPFRC 부재 전단거동 특성을 알아보고자 한다.

가설 설정

  • UHPFRC는 전단철근이 별도로 배근되어 있지 않고, 일반 철근콘크리트 부재와 같이 인장재와 압축재를 별도로 구분해서 해석하는 것이 불가능하므로, 상기 모델의 개념으로 접근하는 것이 합리적이다. Walraven et al. (2013)15)은 복부에 수직, 수평, 대각 LVDT를 설치하여 얻은 계측값을 모어 변형률 원을 이용하여 주변형 각도를 계산한 후, 주변형각도와 주응력각도가 동일하다는 가정 하에 변각 트러스 모델에 적용하여 유효성을 검증하였으며, 본 연구에서는 이를 참조하였다. 복부 LVDT는 Fig.
  • 사인장 균열 각도는 45°로 가정하였으며, 부재가 균열을 따라 발생하는 잔류인장응력 σf에 의해 저항하다가 부재 하부에서 주균열의 폭이 최대 균열폭 wm이 되면 부재가 최대강도에 도달하는 것으로 설명하고 있다.
  • 전단 경간비가 작은 경우는 아치효과에 의해 가력부와 지점에 단일 스트럿이 발생할 가능성이 큰 반면, 전단 경간비가 커질수록 휨 거동이 지배하게 되며 복부 내에 균일한 응력장이 형성되게 된다. 한편, 크기효과는 취성 파괴를 보이는 부재에 나타나는 현상으로써 일반적으로 전단철근을 배근한부재에서는 고려하지 않으나 본 실험에서는 실험체의 파괴모드가 사인장 파괴라는 가정 하에 균열 집중현상이 취성적파괴임을 고려하여 유효 높이를 변수로 고려하였다. 배합 3종은 Table 1과 같으며 매트릭스 배합은 유사하고, 강섬유부피비에 차이가 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
강섬유 보강 초고성능 콘크리트의 특징은? 또한 150 MPa 이상의 높은 압축강도뿐만 아니라 내마모성, 내균열성 등 내구성능이 뛰어나 구조물에 적용 시 유지, 보수에 이점이 있다.1) 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPFRC)는 여기에 강섬유 보강에 의한 균열 후 잔여강도가 큰 특징을 가진다. 보통강도 콘크리트설계에서는 콘크리트의 인장강도를 고려하지 않는 것이 일반적이지만, UHPFRC는 균열 발생 후에도 강섬유와 매트릭스 간의 부착응력에 의한 응력재분배 효과가 뛰어나 잔균열이 넓게 분산되며 재료 인장강도가 크게 증가하여 인장강도를 부재설계 시 고려하는 것이 합리적이다.
강섬유 보강 초고성능 콘크리트란? 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPFRC)는 높은 압축강도 뿐 아니라 강섬유 보강에 의한 뛰어난 응력분산효과로 인해 높은 인장강도를 가지며, 미세균열의 확장을 통해 균열 후에도 경화거동을 하여 구조부재가 안정적으로 외력에 저항하도록 한다. 본 연구에서는 UHPFRC 재료 인장강도를 정의함에 있어 노치가 있는 휨실험과 직접인장실험을 비교하여 실험법 및 결과 분석의 장단점을 알아보았다.
UHPFRC에서 면내 전단거동에 유리한 장점을 활용하기 위해 중요한 것은? 1-5) 재료의 응력분산효과가 뛰어나고 강성이 크기 때문에 면내 전단거동에 유리한 장점이 있어 두께가 얇고 구조적으로 최적화된 단면을 가진 부재의 설계가 가능하다. 이러한 장점을 활용하기위해서는 일반철근의 배근을 최소화하고, 강섬유에 의한 전단보강효과를 합리적으로 예측하여 설계를 하는 것이 중요하다.
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참고문헌 (24)

  1. Toutlemonde, F., and Resplendino, J., "Designing and building with UHPFRC : State of the Art and Development", ISTE Ltd. UK. 2011, ISBN: 978-1-84821-271-8. 

  2. Yang, I., Joh, C., Lee, J. W., and Kim B. S., "An Experimental Study on Shear Behavior of Steel Fiber-Reinforced Ultra-High Performance Concree Beams", Journal of Civil Engineering, Vol. 32, No. 1A, Jan. 2012, pp. 55-64. 

  3. Voo, Y. L., Poon, W. K., and Foster, S. J., "Shear Strength of Steel Fiber-Reinforced Ultrahigh- Performance Concrete Beams without Stirrups", Journal of Structural Engineering, Vol. 136, No. 11, 2010, pp. 1393-1400. 

  4. Hegger, J., and Bertram, G., "Shear Carrying Capacity of Ultra-High Performance Concrete beams", Tailor Made Concrete Structures, CRC Press, 2008, pp. 341-347. 

  5. Baby, F., Marchand, P., and Toutlemonde, F., "Shear Behavior of Ultrahigh Performance Fiber-Reinforced Concrete Beams. I: Experimental Investigation", Journal of Structural Engineering, Vol. 140, No. 5, 2014, 04013111. 

  6. Yang, I., Kim, K., and Joh, C, "Structural Behavior of Hybrid Steel Fiber-Reinforced Ultra High Performance Concrete Beams Subjected to Bending", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 26, No. 6, 2014, pp. 771-778. 

  7. Redaelli, D., "Testing of Reinforced High Performance Fiber Concrete Members in Tension", proceedings of 6th International PhD Symposium in Civil Engineering, Zurich, 2006, pp. 1-8. 

  8. Jungwirth, J., and Muttoni, A., "Structural Behavior of Tension Members in UHPC", Proceedings of the International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel, 2014, pp. 533-546. 

  9. Casanova, P., and Rossi, P., "Analysis and Design of Steel Fiber-Reinforced Concrete Beams", ACI structural journal, Vol. 94, No. 5, 1997, pp. 595-602. 

  10. Mansur, M., Ong, K., and Paramasivam, P., "Shear Strength of Fibrous Concrete Beams without Stirrups", Journal of Structural Engineering, Vol. 112, No. 9. 1986, pp. 2066-2079. 

  11. Ashour, S. A., Hasanain, G. S., and Wafa, F. F., "Shear Behavior of High-Strength Fiber Reinforced Concrete Beams", ACI Structural Journal, Vol. 89, No. 2. Mar., 1992, pp. 176-184. 

  12. Association Francaise de Genie Civil (AFGC), "ltra High Performance Fiber-Reinforced Concretes Recommendations", revised edition. French Civil Engineering Association, Paris, 2013, pp.110-111. 

  13. Naaman, A. E., and Reinhardt, H. W., "High Performance Fiber Reinforced Cement Composites-HPFRCC4", RILEM proceedings PRO30, RILEM publications, France, 2003. pp. 3-12. 

  14. CEN, "EN 1992-1-1 Eurocode 2: Design of Concrete Structures - Part 1-1:General Rules and Rules for Buildings", European Committee for Standardization, Brussels, 2004, pp. 84-94. 

  15. Walraven, J., Belletti, B., and Esposito, R., "Shear Capacity of Normal, Lightweight, and High-Strength Concrete Beams according to Model Code 2010. I:Experimental Results versus Analytical Model Results", Journal of Structural Engineering, Vol. 139, No. 9, 2013, pp. 1593-1599. 

  16. CEN, "EN 14651: Test method for metallic fibered concrete - Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality, residual)", European Committee for Standardization, Brussels, 2005. 

  17. Japan Concrete Institute (JCI), "Method of test for fracture energy of concrete by use of notched beam", JCI-S-002-2003. 

  18. Yang, I., Kim, K., and Joh, C, "Flexural Strength of Hybrid Steel Fiber-Reinforced Ultra-High Strength Concrete Beams", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 27, No. 3, 2015, pp. 280-287. 

  19. Fib bulletin 65, "Model Code 2010", fib, Switzerland. ISBN: 978-2-88394-105-2. 

  20. Wille, K., El-Tawil, S., and Naaman, A. E., "Properties of Strain Hardening Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHP-FRC) Under Direct Tensile Loading", Cement and Concrete Composites, Vol. 48, 2014, pp. 53-66. 

  21. KCI, "Design Guidelines for Ultra High Performance Concrete K-UHPC Structure", Korea Concrete Institute, 2012. 

  22. Lee, J. Y., and Yoon, S. H., "Evaluation of the Minimum Shear Reinforcement Ratio of Reinforced Concrete Memebers", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 16, No. 1, 2003, pp. 43-53. 

  23. JSCE, "Design and Construction Guidelines for Ultra High-Performance Concrete", JSCE, Japan, 2004. 

  24. Walraven, J. C., "High Performance Fiber Reinforced Concrete: Progress in Knowledge and Design Codes", Materials and Structures, Vol. 42, 2009, pp. 1247-1260. 

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