휨을 받는 압축강도 80 MPa 수준의 고강도 콘크리트 부재의 구조거동 실험 연구 An Experimental Study on Structural Behavior of High-strength Concrete Members with Compressive Strength of 80 MPa Subjected to Flexure원문보기
본 연구에서는 휨을 받는 압축강도 80 MPa 수준의 고강도 콘크리트 부재의 구조거동 실험 연구를 수행하였다. 실험변수는 보통(SD 400) 및 고강도(SD 600)철근, 0.98~1.58%의 종방향 철근비, $200{\times}250$, $200{\times}300mm$의 단면크기를 고려하였다. 9개의 보 부재를 제작하여 휨 실험을 수행하였으며 극한휨강도, 하중-처짐 관계, 균열 형태, 파괴형상 및 연성을 파악하였다. 실험결과는 철근비가 증가함에 따라 휨강도는 증가하고 연성은 감소한다. 또한, 철근비가 증가함에 따라 균열의 개수가 증가하며 균열폭은 감소하는 경향을 나타내었다. 철근의 강도 등급에 따른 하중-균열폭 관계는 뚜렷한 차이를 나타내지 않는다. 콘크리트 비선형거동 해석을 수행하였으며, 극한하중 예측값과 측정값을 비교하였다. 고강도 콘크리트의 휨거동 예측 결과는 실험부재의 휨강도를 전반적으로 과소평가하고 있다.
본 연구에서는 휨을 받는 압축강도 80 MPa 수준의 고강도 콘크리트 부재의 구조거동 실험 연구를 수행하였다. 실험변수는 보통(SD 400) 및 고강도(SD 600)철근, 0.98~1.58%의 종방향 철근비, $200{\times}250$, $200{\times}300mm$의 단면크기를 고려하였다. 9개의 보 부재를 제작하여 휨 실험을 수행하였으며 극한휨강도, 하중-처짐 관계, 균열 형태, 파괴형상 및 연성을 파악하였다. 실험결과는 철근비가 증가함에 따라 휨강도는 증가하고 연성은 감소한다. 또한, 철근비가 증가함에 따라 균열의 개수가 증가하며 균열폭은 감소하는 경향을 나타내었다. 철근의 강도 등급에 따른 하중-균열폭 관계는 뚜렷한 차이를 나타내지 않는다. 콘크리트 비선형거동 해석을 수행하였으며, 극한하중 예측값과 측정값을 비교하였다. 고강도 콘크리트의 휨거동 예측 결과는 실험부재의 휨강도를 전반적으로 과소평가하고 있다.
This paper concerns the structural behavior of high-strength concrete beams with compressive strength of 80 MPa subjected to flexure. Main test variables were nominal yielding strength of longitudinal rebar including normal strength rebar(SD 400) and high strength rebar(SD 600), reinforcement ratio ...
This paper concerns the structural behavior of high-strength concrete beams with compressive strength of 80 MPa subjected to flexure. Main test variables were nominal yielding strength of longitudinal rebar including normal strength rebar(SD 400) and high strength rebar(SD 600), reinforcement ratio from 0.98 to 1.58% and beam section size with $200{\times}250$, $200{\times}300mm$. The nine beams were cast and tested under flexure. The study investigated ultimate flexural strength, load-deflection relationship, crack patterns, failure patterns and ductility of the test beams. Test results indicate that when rebar ratio increased flexural strength increased and ductility decreased. In addition, the number of cracks increased and the crack width decreased as the reinforcement ratio increased. The yield strength of rebar did not affect significantly load-crack width relationship. Nonlinear analysis of test beams was performed and then test results and analytical results of ultimate load were compared. Analytical results of high-strength concrete beams overall underestimated flexural strength of test beams.
This paper concerns the structural behavior of high-strength concrete beams with compressive strength of 80 MPa subjected to flexure. Main test variables were nominal yielding strength of longitudinal rebar including normal strength rebar(SD 400) and high strength rebar(SD 600), reinforcement ratio from 0.98 to 1.58% and beam section size with $200{\times}250$, $200{\times}300mm$. The nine beams were cast and tested under flexure. The study investigated ultimate flexural strength, load-deflection relationship, crack patterns, failure patterns and ductility of the test beams. Test results indicate that when rebar ratio increased flexural strength increased and ductility decreased. In addition, the number of cracks increased and the crack width decreased as the reinforcement ratio increased. The yield strength of rebar did not affect significantly load-crack width relationship. Nonlinear analysis of test beams was performed and then test results and analytical results of ultimate load were compared. Analytical results of high-strength concrete beams overall underestimated flexural strength of test beams.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 압축강도가 80 MPa 수준인 고강도 콘크리트의 휨 성능 실험연구를 수행하였다. 또한 보통강도 철근(SD 400)과 고강도 철근(SD 600)을 휨 철근으로 사용한 고강도 콘크리트 보의 극한휨강도, 하중-처짐 관계, 균열 형태, 파괴형상 및 연성을 파악하였다.
하중 재하점 사이의 거리 600 mm 구간을 순수 휨 구간으로 계획하여 콘크리트와 철근에 의한 휨 거동 영향을 파악하고자 하였다. 순수 휨 구간을 제외한 좌 ․ 우 구역에는 철근직경D10을 갖는 전단철근(스터럽)을 150 mm 간격으로 배근하여 전단파괴를 방지하고자 하였다. 철근 조립 후 철근 표면에 변형률 게이지를 부착하여 철근의 변형률을 측정하고자 하였다(Fig.
순수 휨 구간을 제외한 좌 ․ 우 구역에는 철근직경D10을 갖는 전단철근(스터럽)을 150 mm 간격으로 배근하여 전단파괴를 방지하고자 하였다. 철근 조립 후 철근 표면에 변형률 게이지를 부착하여 철근의 변형률을 측정하고자 하였다(Fig. 4). 또한 부착된 철근 변형률 게이지의 형상을 Fig.
하중 재하점 사이의 거리 600 mm 구간을 순수 휨 구간으로 계획하여 콘크리트와 철근에 의한 휨 거동 영향을 파악하고자 하였다. 순수 휨 구간을 제외한 좌 ․ 우 구역에는 철근직경D10을 갖는 전단철근(스터럽)을 150 mm 간격으로 배근하여 전단파괴를 방지하고자 하였다.
실험 변수는 휨철근 비, 단면크기 및 철근의 항복강도 수준을 고려하였다. 휨철근비는 0.02(2%)이내에서 고강도 콘크리트 보의 휨 거동 특성을 파악하고자 하였다. 높이가 250 mm인 보의 휨 철근비는 2% 이하로서 0.
가설 설정
본 연구에서는 하중이 2/3Py (Py =항복하중)일 때를 사용하중상태로 가정하고, 이때의 측정균열폭을 Table 4에 나타내었다.
제안 방법
4에서 H25시리즈 보와 H30시리즈 보의 단면형상을 나타내었다. H25 시리즈와 H30 시리즈의 전단-경간 비(span to depth ratio)는 각각 6.0과 4.8로 계획하였다.
공시체 중앙 100 mm구간에 120° 간격으로 3개의 LVDT를 설치하였으며, 하중재하 시 변위를 측정하여 하중-변위 곡선을 획득하였다.
하중 재하점 사이 구간이 최대 휨모멘트 구간이므로, 최대 휨모멘트 구간에서 발생된 균열 중 최대 균열폭과 균열간격을 측정하였다. 균열폭 측정 게이지를 이용하여 육안으로 균열폭을 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 압축강도가 80 MPa 수준인 고강도 콘크리트의 휨 성능 실험연구를 수행하였다. 또한 보통강도 철근(SD 400)과 고강도 철근(SD 600)을 휨 철근으로 사용한 고강도 콘크리트 보의 극한휨강도, 하중-처짐 관계, 균열 형태, 파괴형상 및 연성을 파악하였다.
사용된 시멘트는 일반시멘트(OPC)이고, 고로슬래그(BS) 및 실리카퓸(SF)을 바인더로 동시에 적용하였다. 또한 충분한 유동성을 확보할 수 있도록 고성능 감수제(SP)를 사용하였다. 목표강도 80 MPa를 확보하기 위한 고강도 콘크리트의 배합표를 Table 1에 나타내었다.
또한, 하중이 가력됨에 따라 발생되는 단면의 종방향 변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 변형률 게이지를 5개 부착하였다. 또한, 단면 내 휨 균열에 의한 콘크리트 변형률 게이지의 손상 및 탈락으로 인해 콘크리트게이지의 변형률을 측정하지 못하는 경우에 대비하여 100 mm 용량의 파이게이지를 압축영역과 인장영역에 각각 부착하여 단면에서 발생하는 변형률을 측정하였다.
하중이 재하되는 동안 처짐을 측정하기 위하여 부재 중앙과 양쪽 재하점에 3개의 LVDT를 설치하였으며, 순수 휨 구간의 철근변형률을 측정하였다. 또한, 하중이 가력됨에 따라 발생되는 단면의 종방향 변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 변형률 게이지를 5개 부착하였다. 또한, 단면 내 휨 균열에 의한 콘크리트 변형률 게이지의 손상 및 탈락으로 인해 콘크리트게이지의 변형률을 측정하지 못하는 경우에 대비하여 100 mm 용량의 파이게이지를 압축영역과 인장영역에 각각 부착하여 단면에서 발생하는 변형률을 측정하였다.
변형률 특성을 파악하고자, 콘크리트 변형률게이지와 철근 변형률게이지에서 측정한 변형률을 바탕으로 하중-변형률 관계를 파악하였다. Fig.
보온 양생막을 덮고, 25±5°C의 온도조건에서 72시간 동안 양생을 수행하였다.
12와 13에 각 시리즈별로 하중-처짐 곡선을 비교하여 나타내었다. 본 연구에서 적용된 하중재하 방식은 변위제어로서, 초기 균열하중은 하중-처짐 곡선에서 초기 선형구간 종점에서의 하중값으로 산정하였으며, 항복하중은 철근이 항복할 때의 하중이며, 극한하중은 하중-처짐곡선의 최대하중으로 산정하였다. Table 4에 초기균열하중, 항복하중 및 극한하중 상태의 하중 및 처짐값을 나타내었다.
본 연구에서는 측정된 하중-처짐관계에서 곡선의 기울기를 부재의 강성으로 평가하였다. Fig.
수정압축장이론(modified compression field theory)을 기반으로 단면 깊이에 걸쳐 콘크리트의 2축 응력-변형률 관계를 적용하여 단면해석과 부재해석을 수행하였다.
수직 엑츄에이터(actuator)를 통해 4점 하중재하방식으로 하중을 단계별로 재하하였다. 시편의 양쪽 단부로부터 150 mm 위치에 강재 로울러를 이용하여 단순지지점으로 하였으며, 지점 사이의 거리는 3,000 mm로 구성하였다. 하중 가력점은 시편의 중심에서 좌·우로 각각 300 mm 떨어진 곳에 위치하며, 가력점 사이의 구간 600 mm에는 순수 휨이 작용하도록 하였다.
보의 단면폭은 200 mm, 높이 250, 300 mm의 직사각형 단면형상으로서, 보의 길이는 3,300 mm인 9개의 부재를 제작하였다. 실험 변수는 휨철근 비, 단면크기 및 철근의 항복강도 수준을 고려하였다. 휨철근비는 0.
공시체 중앙 100 mm구간에 120° 간격으로 3개의 LVDT를 설치하였으며, 하중재하 시 변위를 측정하여 하중-변위 곡선을 획득하였다. 압축응력-변형률 곡선에서 변형률이 0.00005인 점과 최대 하중의 40%에 해당하는 점의 선분의 기울기를 이용하여 탄성계수를 산정하였다. 또한 Fig.
보온 양생막을 덮고, 25±5°C의 온도조건에서 72시간 동안 양생을 수행하였다. 이후 실험재령 시까지 실내의상온조건에서 기건 양생을 수행하였다.
부재가 파괴할 때까지 다음 하중단계를 위해 반복 수행하는 형태의 알고리즘을 갖는다. 전단 처짐 및 콘크리트와 철근의 부착효과는 고려하지 않았으며, 비선형 해석과정에서의 해의 수렴 특성으로 인해 최대하중 단계까지만 해석을 수행하였다. 실험을 통해 측정된 부재별 극한하중과 Response2000을 통해 예측된 극한하중의 비교결과를 Table 5에 나타내었다.
전체구조물의 절반을 축대칭 구조로 모델링하였으며, 해석 알고리즘 절차상 축대칭 구조를 개별 요소로 분할하였다. 적용된 하중단계에서 모멘트-곡률 관계를 사용하여 각 요소에 해당하는 모멘트와 곡률을 찾는다.
그림에서 음수 변형률은 압축변형률을 의미하며 양수 변형률은 인장변형률을 나타낸다. 철근과 콘크리트변형률 및 파이게이지의 변형률 특성을 분석하였다. 철근이 항복할 때의 두 개의 철근게이지(SL1, SC1)의 변형률은 3400 및 3300 με이고, 콘크리트 게이지(C1)의 변형률은 -1390 με이다.
하중 단계별로 부재의 중앙 단면위치에 설치된 변위계(LVDT)를 이용하여 처짐값을 획득하였다. Figs.
9에 철근비에 따른 하중-균열개수 관계 곡선을 비교하여 나타내었다. 하중 재하점 사이 구간이 최대 휨모멘트 구간이므로, 최대 휨모멘트 구간에서 발생된 균열 중 최대 균열폭과 균열간격을 측정하였다. 균열폭 측정 게이지를 이용하여 육안으로 균열폭을 측정하였다.
6에 나타내었다. 하중이 재하되는 동안 처짐을 측정하기 위하여 부재 중앙과 양쪽 재하점에 3개의 LVDT를 설치하였으며, 순수 휨 구간의 철근변형률을 측정하였다. 또한, 하중이 가력됨에 따라 발생되는 단면의 종방향 변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 변형률 게이지를 5개 부착하였다.
대상 데이터
공칭강도 SD 400과 SD 600을 갖는 직경 D16의 철근을 사용하여 실험부재를 제작하였으며, 실험부재 제작에 사용된 철근 시편의 인장 실험을 수행하였다. 인장강도 시험은 KS B 0802 규정에 의하여 실험을 수행하였고, 측정된 철근의 응력-변형률관계 곡선을 Fig.
보 부재 제작 시 콘크리트의 타설 배치(batch)마다 원주형공시체(100×200 mm)와 직사각형 휨인장 시편을 제작하였다.
보의 단면폭은 200 mm, 높이 250, 300 mm의 직사각형 단면형상으로서, 보의 길이는 3,300 mm인 9개의 부재를 제작하였다. 실험 변수는 휨철근 비, 단면크기 및 철근의 항복강도 수준을 고려하였다.
본 연구에서 사용된 굵은골재는 밀도 2.63, 흡수율 0.8, 최대치수 20 mm인 국내산 골재를 사용하였고, 잔골재는 해사(S1)와 부순모래(S2)를 혼합하여 사용하였다. 사용된 시멘트는 일반시멘트(OPC)이고, 고로슬래그(BS) 및 실리카퓸(SF)을 바인더로 동시에 적용하였다.
8, 최대치수 20 mm인 국내산 골재를 사용하였고, 잔골재는 해사(S1)와 부순모래(S2)를 혼합하여 사용하였다. 사용된 시멘트는 일반시멘트(OPC)이고, 고로슬래그(BS) 및 실리카퓸(SF)을 바인더로 동시에 적용하였다. 또한 충분한 유동성을 확보할 수 있도록 고성능 감수제(SP)를 사용하였다.
실험 부재는 인장파괴를 유도하기 위하여 인장지배단면으로 고려하였다. Table 3에서 H25와 H30은 부재 높이를 각각 나타낸다.
이론/모형
보 부재 제작 시 콘크리트의 타설 배치(batch)마다 원주형공시체(100×200 mm)와 직사각형 휨인장 시편을 제작하였다. KS F 2438에 따라 원주형 공시체의 탄성계수를 측정하였다. 공시체 중앙 100 mm구간에 120° 간격으로 3개의 LVDT를 설치하였으며, 하중재하 시 변위를 측정하여 하중-변위 곡선을 획득하였다.
수정압축장이론(modified compression field theory)을 기반으로 단면 깊이에 걸쳐 콘크리트의 2축 응력-변형률 관계를 적용하여 단면해석과 부재해석을 수행하였다. 또한 Bentz(2000)에 의해 제안된 모델을 사용하여 인장강화 효과를 고려하였으며, Fig. 2의 응력-변형률관계 측정결과를 Popovics의 모델에 적용하여 해석에 사용하였다. 또한 철근의 응력-변형률 관계는 Fig.
00005인 점과 최대 하중의 40%에 해당하는 점의 선분의 기울기를 이용하여 탄성계수를 산정하였다. 또한 Fig. 1(b)처럼 KS F 2408에 따라 콘크리트 휨강도 실험을 수행하였으며, 이로부터 콘크리트의 파괴계수를 산정하였다.
공칭강도 SD 400과 SD 600을 갖는 직경 D16의 철근을 사용하여 실험부재를 제작하였으며, 실험부재 제작에 사용된 철근 시편의 인장 실험을 수행하였다. 인장강도 시험은 KS B 0802 규정에 의하여 실험을 수행하였고, 측정된 철근의 응력-변형률관계 곡선을 Fig. 3에 나타내었다. 일반철근(SD 400)의 항복강도는 453 MPa, 항복변형률 0.
성능/효과
2) 철근비 증가에 따른 H30-NS 시리즈 보의 연성지수는 각각 7.32, 6.54 및 6.59이고, H30-HS 시리즈 보의 연성지수는 각각 4.89, 3.56 및 3.13으로서 철근비가 증가함에 따라 연성지수는 감소한다.
3) 철근비가 0.02 이하일 때 SD 400 철근을 적용한 본 연구에서의 고강도 콘크리트 보의 연성지수는 선행 연구의 보통강도 콘크리트 보의 연성지수 보다 크게 나타난다.
H25-HS 시리즈를 비교한 결과, 부재 H25-HS-R1(ρ=0.98%), H25-HS-R2(ρ=1.47%) 및 H25-HS-R3(ρ=1.97%)의 극한휨모멘트는 48.95, 81.10 및 103.59 kN-m로서, 휨 철근비가 증가함에 따라 극한휨모멘트는 증가하며, 균열 후 강성 또한 증가하는 경향을 나타내고 있다(Fig.
균열개수는 총 6개와 8개의 휨균열이 발생하였으며, 균열간격은 120∼180 mm, 40∼170 mm로 측정되었다(Fig.
9(c)). 따라서 균열개수, 균열간격 및 균열폭을 비교분석한 결과, 철근비가 증가함에 따라 균열폭 및 균열간격이 감소하는 경향을 나타낸다.
9 MPa로 측정되었다. 또한, 탄성계수의 평균값은 30.4, 30.7 및 30.4 GPa이고, 파괴계수는 7.1, 5.9 및 5.5 MPa로 측정되었다. Fig.
D)를 Table 2에 나타내었다. 배치별 5개 시편의 압축강도평균값은 73.7, 78.2 및 80.9 MPa로 측정되었다. 또한, 탄성계수의 평균값은 30.
본 실험에서 콘크리트 측정 플로우의 평균값은 730 mm이고, 공기량은 2.1%이다. 보 부재 제작 시 콘크리트의 타설 배치(batch)마다 원주형공시체(100×200 mm)와 직사각형 휨인장 시편을 제작하였다.
Wu(2006)는 총 14개 순수 휨 부재를 제작하였으며, 주요 실험변수는 콘크리트 압축강도 70, 90 및 120 MPa, 종방향 철근비, 시편의 크기와 형상, 전단철근 및 피복두께로 설정하여 실험을 수행하였다. 실험결과, 고강도 콘크리트 보의 거동은 일반강도 콘크리트 보와 유사한 거동을 하며, 철근비가 증가함에 따라 강성은 증가하고, 연성은 감소하는 경향을 나타내었다.
철근비가 증가함에 따라 보 H30-HS-R1 (ρ=0.79%), H30-HS-R2(ρ=1.18%) 및 H30-HS-R3(ρ=1.58%)의 극한휨모멘트는 76.07, 106.49 및 137.68 kN-m로 측정되었다.
후속연구
균열개수의 경우, 철근비와 철근의 강도등급에 따라 보통강도 철근(SD 400) 대비 고강도 철근(SD 600)을 적용한 부재에서 균열의 수가 더 많은 것으로 측정되었고, 균열간격은 더 작은 것으로 나타내었다. 결과적으로, 본 실험결과에서 철근의 강도등급에 따른 하중-균열폭 관계의 뚜렷한 경향을 나타내지 않으며, 이에 따른 추가의 실험연구가 필요하다고 판단된다. 기존 연구(Hong, 2011)결과에서는 보통강도 철근(SD 400)을 24, 30 및 50 MPa의 콘크리트에 사용하였을 때 콘크리트의 강도 변화에 관계없이 하중단계별 균열개수 및 최대 균열폭은 유사한 경향을 나타내었다.
02 이하일 때 SD 600 철근을 적용한 본 연구에서의 고강도 콘크리트 보의 연성지수는 선행 연구의 보통강도 콘크리트 보의 연성지수 보다 크게 나타난다. 다만, 0.02 이상의 철근비를 갖는 연성지수 특성에 대한 추가상세 실험 연구가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고강도 콘크리트를 교량에 적용시 어떤 장점이 있는가?
대표적으로 미국 텍사스의 San Angelo에 위치한 North Concho River를 통과하는 교량에 압축강도 101 MPa의 콘크리트를 프리스트레스트 콘크리트 거더에 적용하였다(Russell 1997). 고강도 콘크리트를 교량에 적용할 경우, 단면의 크기가 감소함에 따라 교각 및 거더의 소요량이 감소되며, 장경간의 교량 시공이 가능하다.
고강도 콘크리트의 교량 적용은 언제 어디에서 시작되었는가?
콘크리트 강도 70∼90 MPa의 범위를 갖는 고강도 콘크리트(High-Strength Concrete)의 사용이 전 세계적으로 시도되고 있다. 교량의 경우, 1990년대 중반부터 미국에서 고강도 콘크리트의 적용이 시작되었다. 압축강도 80∼120 MPa의 고강도 콘크리트가 장경간 박스거더 및 사장교에 다수 적용되었다(Russell et al.
교량 접합부 설계시 고강도 철근을 적용한 고강도 콘크리트를 적용하면 무엇을 기대할 수 있는가?
고강도 콘크리트에 고강도 철근을 적용할 경우, 보통강도철근을 사용한 부재와 달리 부재의 단면 축소, 철근량 감소 및 배근간격에도 여유를 줄 수 있다. 또한, 교량 접합부의 설계 시 철근이 과도하게 배근되는 현상을 방지할 수 있으며, 시공성의 향상도 기대할 수 있다(Ashour, 2000; Alexander et al., 1997; Kaminska et al.
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