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문제 정의
- 8에 비교하였는데, 보통강도 콘크리트 및 고강도 콘크리트 모두 설계기준의식이 충분히 안전측의 값을 나타내고 있음을 확인하였다. 다만, 고강도 콘크리트에 직접 적용하기에는 편차가 큰 것으로 판단되므로 이에 대한 별도의 검토를 수행하였다.
- 이 논문은 고강도 콘크리트 구조 부재의 인장강화효과를 파악하기 위하여 콘크리트의 압축강도 및 철근의 지름에 대한 피복두께의 비를 변수로 하여 직접인장실험을 수행하였다. 현행 설계기준과 기존 연구의 따른 산정식을 비교하였고 추가된 변수에 따른 새로운 제안식을 산정하였다.
- 이 연구는 고강도 콘크리트를 사용한 직접인장부재의 인장강화 현상 특성을 실험적으로 파악하기 위하여, 철근 지름에 대한 피복두께비와 콘크리트의 압축강도를 변수로 하여 실험체를 제작하고 직접인장실험을 수행하였다. 이 실험으로 구한 결과를 이용하여 콘크리트 압축강도 수준별로 피복두께비에 따른 인장강화효과를 파악하였으며, 이를 바탕으로 인장강화계수를 수정하고 균열거동에 따른 균열간격을 파악하여 균열간격의 상관관계를 분석하였다.
제안 방법
- 4. CEB FIP MC 2010의 인장강화효과 규정을 이용하여 고강도 콘크리트 인장부재의 인장강화효과를 좀 더 정확하게 예측하기 위해서 피복두께비 변화에 따른 특성을 반영할 수 있도록 새로운 인장강화 계수를 도입한 인장강화효과 모델을 제안하였다.
- 6. 고강도 콘크리트 인장부재의 균열간격에 대해서 평균균열 간격을 활용해 최대 및 최소균열간격을 예측할 수 있는 상관관계 모델을 제안하였다.
- 이를 통해 철근 변형량을 측정하고 그 평균값을 이용하여 하중-변형률 관계를 조사하였다. 각 하중에 따른 균열을 기록하여 균열거동을 파악하고 부재에 따른 균열간격을 파악하였다.
- 강도별 피복두께의 영향을 확인하기 위하여 실험에서 측정한 하중-변형률 관계를 우리나라 도로교설계기준(한계상태설계법)(KIBSE 2015)에서 규정한 방법과 동일한 개념인 CEB-FIBModel Code 90(MC90)(CEB-FIP 1991)에서 제안한 인장강화 효과 산정식과 비교하였는데, Fig. 3은 SC80에 대한 결과를 정리한것이다. 피복두께비(c/db)가 상대적으로 낮은 1.
- 고강도 콘크리트의 직접인장실험을 통해 측정된 콘크리트에 매입된 철근의 변형률과 작용하중의 비를 이용하여 피복두께에 따라 고강도 콘크리트의 인장강화효과를 파악하기 위한 인장강화계수 βt를 분석하였다.
- 또한 Fig. 14를 통해 일반강도 콘크리트의 최대균열에 대한 평균균열간격의 상관관계를 도해하여 고강도콘크리트의 최대균열 상관관계와 비교하였다. 이를 확인하면 최대균열간격과 평균균열 간격의 값은 고강도 콘크리트의 비해 작게 나타남을 확인할 수 있다.
- 현행 설계기준과 기존 연구의 따른 산정식을 비교하였고 추가된 변수에 따른 새로운 제안식을 산정하였다. 또한 고강도 콘크리트의 균열간격을 측정하고 고강도 콘크리트의 균열간격의 상관관계를 파악하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 이 연구에서 제작한 시험체는 축 방향으로 하중이 가해지는 직접 인장 부재로 700mm의 길이를 가지며 보강재로 시험체의 중심에 위치시킨 항복강도 420MPa의 D13 철근을 사용하였다. 시험체의 단면적은 모든 경우 10,000mm2로 일정하게 유지하였으며,철근지름에 대한 피복두께의 비율(c/db)을 1.5에서 3.5 사이에서 0.5씩 변화하도록 하였다. 실험 결과의 분석은 동일한 변수에 대하여 각각 3개 실험체를 제작하여 그 평균값을 이용하였다.
- 이 연구는 고강도 콘크리트를 사용한 직접인장부재의 인장강화 현상 특성을 실험적으로 파악하기 위하여, 철근 지름에 대한 피복두께비와 콘크리트의 압축강도를 변수로 하여 실험체를 제작하고 직접인장실험을 수행하였다. 이 실험으로 구한 결과를 이용하여 콘크리트 압축강도 수준별로 피복두께비에 따른 인장강화효과를 파악하였으며, 이를 바탕으로 인장강화계수를 수정하고 균열거동에 따른 균열간격을 파악하여 균열간격의 상관관계를 분석하였다.
- 이 연구에서 균열간격은 인장철근이 배치된 중앙면을 기준으로 실험체의 길이를 발생한 횡방향균열의 개수를 나눈 값으로 나타냈고 최대 및 최소균열간격은 실험체의 발생한 균열간격 중에 최댓값과 최솟값을 직접 측정하였다. Table 4에 고강도 콘크리트 부재의 강도에 따른 평균, 최대 및 최소균열간격을 나타냈다.
- 2와 같이 철근과 상부의 프레임을 고정시키고하부의 프레임과 고정된 철근의 변위를 LVDT로 측정하였다. 이를 통해 철근 변형량을 측정하고 그 평균값을 이용하여 하중-변형률 관계를 조사하였다. 각 하중에 따른 균열을 기록하여 균열거동을 파악하고 부재에 따른 균열간격을 파악하였다.
- 를 분석하였다. 피복두께비에 따른 처음 균열이 발생하는 하중을 파악하고 균열하중 이후부터 철근 항복강도까지 작용하중 증가에 따라 계산된 인장강화계수를 실험체 별로 산술평균하여 대푯값을 설정하여 나타냈다. 이에 대해 예시로 SC80의 피복두께(c/db)가 3.
- 하중 재하는 3,000kN 용량의 UTM을 이용하여 변위제어방식을 적용하였으며 Fig. 2와 같이 철근과 상부의 프레임을 고정시키고하부의 프레임과 고정된 철근의 변위를 LVDT로 측정하였다. 이를 통해 철근 변형량을 측정하고 그 평균값을 이용하여 하중-변형률 관계를 조사하였다.
- 이 논문은 고강도 콘크리트 구조 부재의 인장강화효과를 파악하기 위하여 콘크리트의 압축강도 및 철근의 지름에 대한 피복두께의 비를 변수로 하여 직접인장실험을 수행하였다. 현행 설계기준과 기존 연구의 따른 산정식을 비교하였고 추가된 변수에 따른 새로운 제안식을 산정하였다. 또한 고강도 콘크리트의 균열간격을 측정하고 고강도 콘크리트의 균열간격의 상관관계를 파악하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서 제작한 시험체는 축 방향으로 하중이 가해지는 직접 인장 부재로 700mm의 길이를 가지며 보강재로 시험체의 중심에 위치시킨 항복강도 420MPa의 D13 철근을 사용하였다. 시험체의 단면적은 모든 경우 10,000mm2로 일정하게 유지하였으며,철근지름에 대한 피복두께의 비율(c/db)을 1.
데이터처리
- 5씩 변화하도록 하였다. 실험 결과의 분석은 동일한 변수에 대하여 각각 3개 실험체를 제작하여 그 평균값을 이용하였다. 콘크리트의 목표압축강도는 80MPa(SC80)와 100MPa(SC100)로 설정하였으며, 지름 100mm, 높이 200mm의 원주형 표준 시험체를 이용한 압축 강도 시험 결과 SC80은 82.
성능/효과
- 1. 고강도 콘크리트 인장부재의 횡방향균열 발생 하중은 콘크리트의 압축강도가 증가함에 비례하여 증가한다. 또한 피복 두께비의 증가에 따라서 균열 발생하중이 높아진다.
- 2. 고강도 콘크리트의 경우 일반 콘크리트와 같이 피복두께가 충분히 확보되지 못하면 쪼갬균열이 발생하기 때문에 피복두께가 2.5 이상으로 충분히 확보되면 인장강화효과가 비교적 크게 증가하였다.
- 3. 기존의 D19 철근을 사용한 고강도 콘크리트 인장부재와 D13을 사용한 고강도 콘크리트 인장부재를 비교하였고 D13을 사용한 콘크리트 인장부재가 뚜렷하게 인장강화효과가 나타남을 확인하였다.
- 5. 고강도 콘크리트 인장부재의 균열간격은 피복두께비가 커질수록 증가하였고, 고강도 콘크리트 인장부재가 일반강도 콘크리트에 비해 평균균열간격 및 최대균열간격이 높게 나타남을 알 수 있었다.
- 0124를 사용하였으나 철근의 단면적이 다르기 때문에 실험체의 단면적은 Ac=23,000mm2이 되었다. D19를 사용한 실험체의 경우는 피복이 두꺼운 경우에도 쪼갬균열이 횡방향균열하중과 비슷하게 발생하여 인장강화효과가 감소되어, 철근의 지름 또한 인장강화 효과에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 이는 콘크리트 강도의 증가, 철근지름의 감소, 부착강도의 증가가 미끌림량의 감소를 가져오므로 작은 지름의 철근이 쪼갬균열에 저항하는데 보다 유리하다는 것을 의미한다(Lee et al.
- MC90과 EC-Part Ⅱ 설계기준의 최대균열 계산식은 피복두께를 고려하지 않고 있기때문에 일정한 결과값을 나타내고 있는데,측정된 결과값보다 크게 값을 예측하는 것으로 나타났다. 이와는 다르게 피복두께의 영향을 고려하고 있는 EC-Part Ⅰ의 규정은 피복두께가 두꺼워질수록 최대균열간격이 증가하는 경향은 일치하지만, 실험결과보다 상당히 높게 예측하고 있음을 확인할 수 있다(Eurocode2 2004).
- 고강도 콘크리트의 인장부재의 직접인장 실험에서 발생한(Fig. 12 참조) 횡방향균열 간격을 측정하고 그 자료를 바탕으로 평균균열간격 sr,m으로부터 최대균열간격 sr,max 및 최소균열간격sr,min을 예측할 수 있는 상관관계를 나타냈다.
- 평균균열간격으로부터 최대균열간격을 예측하여 실험결과와 비교한 결과를 보면, 직접인장실험을 통해 측정된 평균균열간격과 최대균열간격 사이에는 비교적 일정한 관계가 있음을 확인할 수 있다. 그리고 이 연구에서 제안하는 평균균열간격과 최대균열간격의 상관관계 모델을 이용하여 최대균열간격을 예측한 결과, 피복두께의 변화에 따라 다소간의 차이는 발생하지만 최대균열간격의 예측값은 비교적 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
- 5MPa로 각각 측정되었다. 또한 보통강도콘크리트 (NC30)의 결과를 이용하여 고강도 콘크리트의 결과와 비교하였는데, 보통강도 콘크리트의 물시멘트비는 48%, 잔골재율은 40.9%이다. Table 1은 SC80 과 SC100 시험체를 제작하는 데 사용한 재료 배합을 정리한 것이다.
- 피복두께비에 따라 일반강도 콘크리트와 고강도 콘크리트의 평균균열간격을 측정하였는데, 고강도 콘크리트와 일반강도 콘크리트 실험체에서 모두 피복두께비가 증가함에 따라 평균균열간격이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 고강도 콘크리트에서 일반강도 콘크리트에 비해 균열간격이 커짐을 알 수 있었는데, 이는 압축강도가 증가함에 따라 콘크리트의 인장강도가 증가하여 균열발생하중이 높아짐에 부착응력이 전달길이(lt)에 도달하는 구간이 길어짐에서 비롯된 것으로 판단된다.
- 보통강도 콘크리트는 예상되는 횡방향균열하중(Ntr)에 못 미치는 결과가 나타났고, 고강도 콘크리트는 피복두께비(c/db)가 1.5 및 2인 경우에서는 쪼갬균열이 먼저 발생하여 예상되는 횡방향균 열발생하중에 못 미치는 결과가 나타났지만 피복두께(c/db)가 2.5 이상인 경우에는 쪼갬균열보다 횡방향균열이 먼저 발생하여 예상되는 횡방향균열발생하중과 비슷한 결과가 나타났다.
- 이 식을 통해서 피복두께비를 변수로 하는 고강도 콘크리트의 인장강화계수를 얻을 수 있었고 수정된 계수값과 실제 측정값을 비교하였을 때, 큰 차이가 나고 있지 않음을 확인할 수 있었다. Fig.
- 14를 통해 일반강도 콘크리트의 최대균열에 대한 평균균열간격의 상관관계를 도해하여 고강도콘크리트의 최대균열 상관관계와 비교하였다. 이를 확인하면 최대균열간격과 평균균열 간격의 값은 고강도 콘크리트의 비해 작게 나타남을 확인할 수 있다. 그러나 평균균열간격을 이용하여 최대균열간격을 예측할 수 있는 상관관계 모델은 NC30과 SC80에서는 비슷한 기울기가 나타나 어느 정도 일치하는 상관관계가 나타나고 있다.
- 13에 정리하였다. 이에 대한 분산을 확인하였는데, Rizkalla and Hwang(1989)의 의해 제안된 식의 분산과 큰 차이를 보이지 않음을 확인하였다.
- 실험 결과의 분석은 동일한 변수에 대하여 각각 3개 실험체를 제작하여 그 평균값을 이용하였다. 콘크리트의 목표압축강도는 80MPa(SC80)와 100MPa(SC100)로 설정하였으며, 지름 100mm, 높이 200mm의 원주형 표준 시험체를 이용한 압축 강도 시험 결과 SC80은 82.4MPa, SC100은 103.5MPa로 각각 측정되었다. 또한 보통강도콘크리트 (NC30)의 결과를 이용하여 고강도 콘크리트의 결과와 비교하였는데, 보통강도 콘크리트의 물시멘트비는 48%, 잔골재율은 40.
- 평균균열간격으로부터 최대균열간격을 예측하여 실험결과와 비교한 결과를 보면, 직접인장실험을 통해 측정된 평균균열간격과 최대균열간격 사이에는 비교적 일정한 관계가 있음을 확인할 수 있다. 그리고 이 연구에서 제안하는 평균균열간격과 최대균열간격의 상관관계 모델을 이용하여 최대균열간격을 예측한 결과, 피복두께의 변화에 따라 다소간의 차이는 발생하지만 최대균열간격의 예측값은 비교적 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
- 9에 정리하였다. 평균균열간격의 경우와 유사하게 피복두께비가 증가할수록 최대균열간격도 증가함을 보였다. 또한고강도 콘크리트와 일반강도 콘크리트의 피복두께비(c/db)에 따른 균열간격은 고강도 콘크리트가 높게 나타나고 있다.
- 3은 SC80에 대한 결과를 정리한것이다. 피복두께비(c/db)가 상대적으로 낮은 1.5와 2인 경우에는콘크리트의 압축강도가 높아졌음에도 불구하고 기존 일반강도 콘크리트와 같이 쪼갬균열이 먼저 발생하여 MC90에서 제안한 값에못 미치는 것을 확인할 수 있다. 반면에 피복두께와 철근비(c/db)가 충분히 확보된 2.
- 피복두께비가 1.5부터 3.5까지의 범위에 대하여 제안된 고강도 콘크리트의 인장강화계수 βt는 SC80과 SC100의 실험값들과 유사한 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 5인데, SC80의 결과와 비슷한 경향이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 피복두께비가 낮은 1.5와 2의 경우에는 설계기준에 따른 예상 균열발생 하중보다 작은 값에서 균열이 나타났으며, 피복두께비가 2.5 이상인 시험체에서도 설계기준보다 낮은 값에서 균열이 발생하였으나, 균열이 발생한 이후에는 설계기준보다 높은 인장강화효과가 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 첫 균열이 발생하고 난 후 고강도 콘크리트일수록 부착응력의 증가에 따른 부착전달길이(ld)가증가하여 응력재분배 능력이 높아지고 있다는 것을 의미한다.
- 피복두께비에 따라 일반강도 콘크리트와 고강도 콘크리트의 평균균열간격을 측정하였는데, 고강도 콘크리트와 일반강도 콘크리트 실험체에서 모두 피복두께비가 증가함에 따라 평균균열간격이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 고강도 콘크리트에서 일반강도 콘크리트에 비해 균열간격이 커짐을 알 수 있었는데, 이는 압축강도가 증가함에 따라 콘크리트의 인장강도가 증가하여 균열발생하중이 높아짐에 부착응력이 전달길이(lt)에 도달하는 구간이 길어짐에서 비롯된 것으로 판단된다.
- 현행설계기준에서 규정하고 있는 평균균열간격 계산식 및 Broms(1965)의 제안식과 측정된 평균균열간격을 Fig. 8에 비교하였는데, 보통강도 콘크리트 및 고강도 콘크리트 모두 설계기준의식이 충분히 안전측의 값을 나타내고 있음을 확인하였다.
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