[논문]하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 휨파괴형 부재의 강도 및 연성 평가에 관한 연구

여옥경; 배백일

doi:10.11112/jksmi.2019.23.6.61

하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 휨파괴형 부재의 강도 및 연성 평가에 관한 연구
Evaluation of Flexural Strength and Ductility of Hybrid Fiber Reinforced UHSC Flexural Members 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.6, 2019년, pp.61 - 69

여옥경 (한양사이버대학교, 디지털건축도시공학과) , 배백일 (한양사이버대학교, 디지털건축도시공학과)

초록
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본 연구에서는 단일강섬유와 하이브리드강섬유로 보강된 UHPC의 휨강도 및 연성을 평가하기 위해 세 개의 휨파괴형 보에 대한 4점 가력 실험을 수행하였다. 실험 결과 단일섬유로 보강된 UHPC보다 하이브리드 섬유로 보강된 UHPC가 강도 및 연성 모든 측면에서 더 우수한 구조성능을 보유한 것으로 나타났다. 설계시의 안전성에 대해 평가하기 위하여, K-UHPC 구조설계지침에서 제공하는 방법에 따라 실험체의 강도와 연성을 평가해본 결과 현재의 재료모델은 강도에 대해서는 보수적으로 평가할 수 있으나 연성에 대해서는 과대평가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the flexural strength and curvature ductility factor of single and hybrid fiber reinforced ultra high strength concrete flexural members with conventional steel rebar were evaluated by experimental program with 3-UHSC beams. Test specimens were loaded by 4-pointed flexural loading. According to the test results, hybrid fiber reinforced UHPC test specimens had higher moment resisting capacity and ductility. For the safe design of hybrid fiber reinforced UHPC, test specimens were analyzed according to the sectional analysis method with material models suggested by K-UHPC design recommendation. Current K-UHPC design recommendation predict the moment resisting capacity of member conventionally and over-estimated the ductility.

주제어

표/그림 (16)

그림 Photo 1 Steel Fibers
그림 Photo 2 Material Test
표 Table 1 Mix Proportions
그림 Fig. 1 Tensile test results
표 Table 2 Material test results
그림 Fig. 2 Details of test specimens(Unit : mm)
그림 Fig. 3 Details of test specimens(Unit : mm)
그림 Photo 3 Failure pattern of test specimens
그림 Fig. 4 Applied Load-deflection relation
표 Table 3 Test variables
그림 Fig. 5 Applied load-strain relation
표 Table 4 Stress-strain relation for the UHPC member design
그림 Fig. 6 Stress and strain distribution at section
그림 Fig. 7 Moment-curvature relation of test and analysis results
표 Table 5 Test and analysis results
그림 Fig. 8 Appled moment-neutral axis depth relation

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 콘크리트의 고강도화에 따라 필수적으로 검토되어야 하는 부재의 연성에 대한 언급이 직접적으로 이루어지지 않고 강도의 추정에 집중되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 하이브리드 강섬유보강 초고강도 콘크리트 휨부재의 휨강도와 연성을 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)을 바탕으로 해석 및 실험적으로 평가하여 안전성을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 초고강도 강섬유보강 콘크리트 보의 휨강도 및 연성능력에 대한 평가를 수행하기 위해 총 세 개의 휨파괴형보 실험체를 제작하였다. 주요 변수는 콘크리트에 혼입된 강섬유의 종류로 설정하였다.
본 연구에서는 최근 그 사용처가 지속적으로 증가되고 있는 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트의 안전한 사용을 위해 부재실험을 수행하였으며, 현행 콘크리트구조기준과 현행초고강도구조설계지침을 통한 설계안의 안전성 평가를 수행하였다.
본 연구의 주요 목적은 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 보 의 휨강도 및 연성에 대한 평가이므로 모든 실험체가 휨파괴를 경험할 수 있도록 설계하였으며, 의도한 바와같이 모든 실험체들은 휨파괴를 경험하였다. 각 실험체들의 최종 파괴 상태를 Photo 3에 나타내었다.

가설 설정

단면해석은 아래와 같은 가정을 기반으로 수행하였다. 1) 변형전 평면은 변형 후에도 평면을 유지한다. 2) 콘크리트와 철근 사이의 부착은 완벽한 것으로 가정한다.
1) 변형전 평면은 변형 후에도 평면을 유지한다. 2) 콘크리트와 철근 사이의 부착은 완벽한 것으로 가정한다. 3) 강섬유가 보강된 경우에는 인장응력-변형률 관계를 반영하며, 강섬유가 보강되지 않은 경우에는 인장응력-변형률 관계를 반영하지 않는다.
2) 콘크리트와 철근 사이의 부착은 완벽한 것으로 가정한다. 3) 강섬유가 보강된 경우에는 인장응력-변형률 관계를 반영하며, 강섬유가 보강되지 않은 경우에는 인장응력-변형률 관계를 반영하지 않는다. 단면해석을 수행하기 위해 해석 대상 단면을 적절한 수의 레이어로 나누어주었다.

제안 방법

본 연구에서는 총 세 가지의 배합비를 사용하여 부재를 제작하였다. 강섬유로 보강되지 않은 초고강도 콘크리트, 단일강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트 그리고 하이브리드 강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트로 구분하였다. 본 연구에서 사용된 콘크리트의 목표 강도는 180MPa로 각 콘크리트는 180M, 180F, 180H로 구분하였다.
그러나 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침에서는 연성능력의 확보를 위한 기준이 구체화되어 있지 않으므로 연성 확보를 위한 별도의 검토가 수행되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 사용된 세 가지 콘크리트 배합에 대해, 철근비에 따른 곡률연성비의 변화를 검토하였다. 검토한 철근비는 0.
고강도 콘크리트를 사용할 때에는 압축시의 취성적 파괴패턴에 의해 휨부재의 설계에 있어서 휨강도 뿐만 아니라 변형능력의 확보를 위해 연성에 대한 평가도 필수적으로 수행되어야 한다. 본 연구에서는 곡률연성비를 통해 변형능력을 검토하였다. Table 5에 각 실험체들의 곡률연성비를 정리하여나타내었다.
본 연구에서는 총 세 가지의 배합비를 사용하여 부재를 제작하였다. 강섬유로 보강되지 않은 초고강도 콘크리트, 단일강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트 그리고 하이브리드 강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트로 구분하였다.
실험체의 보유한 강도는 가력장치에 설치되어 있는 로드셀을 통해 측정할 수 있도록 하였으며, 실험체의 변형은 보 중앙 및 가력점에서 처짐을 측정함과 동시에 보 중앙부에서의 축 방향 변형률 검토를 위해 스트레인 게이지를 설치하여 측정하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에는 총 세 가지의 강섬유가 사용되었다. 강섬유 형태 영향을 배제하기 위해 세 가지 강섬유 모두 직선형 강섬유가 사용되었으며 길이 13mm, 16.3mm 그리고 19.5mm의 강섬유를 사용하였다. 각 강섬유의 형상을 Photo 1에 나타내었다.
본 연구에는 총 세 가지의 강섬유가 사용되었다. 강섬유 형태 영향을 배제하기 위해 세 가지 강섬유 모두 직선형 강섬유가 사용되었으며 길이 13mm, 16.
강섬유로 보강되지 않은 초고강도 콘크리트, 단일강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트 그리고 하이브리드 강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트로 구분하였다. 본 연구에서 사용된 콘크리트의 목표 강도는 180MPa로 각 콘크리트는 180M, 180F, 180H로 구분하였다. Table 1에 세 가지 배합비를 같이 나타내었다.

이론/모형

단면의 형태는 본 연구에서 사용된 실험체의 형태와 동일하게 설정하였으며 단근보 상태로 검토하였다. 각 검토 단면의 연성비는 본 연구에서 사용된 모멘트-곡률 관계 계산 방법을 사용하여 도출하였다.
초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)에의하면 부재의 강도를 평가하거나 부재설계를 위해서는 적용할 재료에 대한 재료 시험을 수행해야 한다. 본 연구에서는 압축강도, 휨인장강도, 쪼갬인장강도 및 직접인장강도를 측정하였으며, 각각에 대한 시험 방법은 초고성능콘크리트 구조설계지침에서 정하는 바를 따라 수행하였다. 각각 시험 셋팅을 Photo 2에 나타내었으며, 세 가지 배합에 대한 시험 결과를 Table 2 에 정리하여 나타내었다.
실험체들의 강도와 연성을 평가하기 위해 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)에서 제시한 방법을 사용하였다. 해당 설계기준은 강섬유로 보강된 초고성능콘크리트 부재의 휨강도 산정을 위해서는 층상해석법을 사용할 것을 권고하고 있다.

성능/효과

1) 재료시험 결과 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 부재는 단일 강섬유를 사용할 때에 비하여 더 높은 강도와 연성능력을 보유하고 있는 것을 확인되었다. 이는 쪼갬인장강도, 휨인장강도 그리고 직접인장강도 시험 모두에 있어서 동일한 양상으로 나타났다
2) 동일 단면 및 철근을 사용한 세 개의 휨파괴형 부재에 대한 휨파괴 실험 결과 단일섬유 보강시에는 63%, 하이브리드 섬유 보강시에는 85%의 강도 증가를 확인할 수 있었다.
3) 부재단면의 변형능력 평가는 곡률연성비의 비교를 통해 수행되었으며, 단일섬유로 보강시에는 비보강실험체에 비하여 12% 감소하였고, 하이브리드섬유 보강시에는 8% 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
4) 초고강도구조설계지침에서 제공한 재료 모델을 적용할 경우 부재의 강도에 대해서는 9% 의 오차로 보수적인 평가를 하는 것으로 나타났다. 그러나 변형능력을 평가하는 곡률연성비의 경우 강섬유가 보강된 경우 단일섬유와 하이브리드 섬유에 대해 각각 27%와 15%의 오차로 과대평가하는 경향이 나타났다.
5) 초고강도구조설계지침에서 제공되는 재료모델을 적용한 단면해석 방법을 통한 변수분석 결과, 하이브리드 섬유 사용시 현행 구조설계기준이 요구하는 수준의 곡률 연성을 확보할 수 있으나, 단일섬유가 사용된 경우 철근비를 4.5%로 제한해야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 강섬유의 종류는 한정적이며, 기존 연구에서 곡률연성비를 직접적으로 제시한 경우는 거의 없으므로 앞으로 하이브리드 강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트의 연성능력에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
각 실험체의 모멘트 지지능력에 대해서는 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)에서 제시하는 모델을 사용할 경우 항복강도와 극한강도 모두에 대하여, 실험결과에 비해 7~9% 낮은 값으로 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과는 재료강도에 대한 저감계수를 별도로 적용하지 않았으므로, 설계기준에 의거하여 설계할 경우 단일섬유가 사용된 경우 뿐만 아니라 하이브리드 섬유가 사용된 경우에도 모멘트 지지능력에 대해 안전을 확보할 수 있을 것으로 판단된다
반면, 강섬유로 보강한 경우에는 부재가 항복을 경험한 이후 최대강도 발현까지 점진적인 하중지지능력의 증가를 경험하고,최대 하중지지능력 발현 이후 점진적인 강도의 하락을 경험하며 파괴에 이르는 것을 확인할 수 있었다. 강섬유의 종류에 따른 특징으로는 하이브리드 강섬유가 단일 강섬유에 비해 더 큰 하중지지능력을 보유하고 있음을 확인할 수 있었으며,변형능력 또한 단일섬유 보강시에 비하여 하이브리드 섬유를 보강하였을 때 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 초기강성의 경우 강섬유를 혼입함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, 최대하중지지능력과는 다르게 강섬유의 종류에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
4) 초고강도구조설계지침에서 제공한 재료 모델을 적용할 경우 부재의 강도에 대해서는 9% 의 오차로 보수적인 평가를 하는 것으로 나타났다. 그러나 변형능력을 평가하는 곡률연성비의 경우 강섬유가 보강된 경우 단일섬유와 하이브리드 섬유에 대해 각각 27%와 15%의 오차로 과대평가하는 경향이 나타났다. 이는 실험체 파괴 패턴에서 나타난 균열집중현상에 의한 것으로 판단된다.
초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)에서는 특정 단일 섬유로 보강된 UHPC(Ultra High PerformanceConcrete)외에 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트의 재료적 특성을 별도로 제공하지 않고 있다. 또한, 콘크리트의 고강도화에 따라 필수적으로 검토되어야 하는 부재의 연성에 대한 언급이 직접적으로 이루어지지 않고 강도의 추정에 집중되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 하이브리드 강섬유보강 초고강도 콘크리트 휨부재의 휨강도와 연성을 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)을 바탕으로 해석 및 실험적으로 평가하여 안전성을 검토하고자 한다.
파괴경향에서 나타난 바와 같이 섬유가 보강되어 있지 않은 180M의 경우 항복 이후 지속적인 강도의 증가 현상을 보이나 급작스러운 압축 측 콘크리트의 파괴에 의해 강도지지능력을 상실하였다. 반면, 강섬유로 보강한 경우에는 부재가 항복을 경험한 이후 최대강도 발현까지 점진적인 하중지지능력의 증가를 경험하고,최대 하중지지능력 발현 이후 점진적인 강도의 하락을 경험하며 파괴에 이르는 것을 확인할 수 있었다. 강섬유의 종류에 따른 특징으로는 하이브리드 강섬유가 단일 강섬유에 비해 더 큰 하중지지능력을 보유하고 있음을 확인할 수 있었으며,변형능력 또한 단일섬유 보강시에 비하여 하이브리드 섬유를 보강하였을 때 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
섬유의 보강은 부재의 변형능력을 향상시키는 것으로 일반적으로 알려져있다. 본 연구의 재료 시험 결과에서 섬유의 혼입에 의해 인장저항능력과 인장변형능력이 크게 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, Fig.

후속연구

5%로 제한해야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 강섬유의 종류는 한정적이며, 기존 연구에서 곡률연성비를 직접적으로 제시한 경우는 거의 없으므로 앞으로 하이브리드 강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트의 연성능력에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
각 실험체의 모멘트 지지능력에 대해서는 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(2012, KCI)에서 제시하는 모델을 사용할 경우 항복강도와 극한강도 모두에 대하여, 실험결과에 비해 7~9% 낮은 값으로 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과는 재료강도에 대한 저감계수를 별도로 적용하지 않았으므로, 설계기준에 의거하여 설계할 경우 단일섬유가 사용된 경우 뿐만 아니라 하이브리드 섬유가 사용된 경우에도 모멘트 지지능력에 대해 안전을 확보할 수 있을 것으로 판단된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리츠 부재가 단일부재보다 더 우수함을 증명하는 시험에는 무엇이 있는가?	1) 재료시험 결과 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 부재는 단일 강섬유를 사용할 때에 비하여 더 높은 강도와 연성능력을 보유하고 있는 것을 확인되었다. 이는 쪼갬인장강도, 휨인장강도 그리고 직접인장강도 시험 모두에 있어서 동일한 양상으로 나타났다
	섬유의 보강이란 무엇인가?	섬유의 보강은 부재의 변형능력을 향상시키는 것으로 일반적으로 알려져있다. 본 연구의 재료 시험 결과에서 섬유의 혼입에 의해 인장저항능력과 인장변형능력이 크게 향상된 것을 확인할 수 있었다.
	하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트를 왜 사용하는가?	UHSFRC는 상대적으로 낮은 물-결합재비를 가진 매트릭스와 강섬유의 혼입에 의해 발생하는 시공성 저하 문제를 해결하기 위해 다양한 방향으로 개선되어왔다. 그 중 섬유의 혼입률을 감소시키기 위한 방법의 일환으로 제시된, 길이가 다른 강섬유를 혼입한 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트(Hybrid Steel Fiber Reinforced Ultra High Strength Concrete, HySFUHSC)가 하나의 대안으로 제안되어 연구가 활발하게 진행되고 있다.

참고문헌 (7)

Banthia, N., & Soleimani, S. M. (2005). Flexural response of hybrid fiber-reinforced cementitious composites. ACI Materials Journal, 102(6), 382-389.

상세보기
Kim, K.-C., Yang, I.-H., & Joh, C.-B. (2016). Material Properties and Structural Characteristics on Flexure of Steel Fiber-Reinforced Ultra-High-Performance Concrete. Journal of the Korea Concrete Institute, 28(2), 177-185. (in Korean).

원문보기 상세보기
Kim, K.-C., Yang, I.-H., & Joh, C. (2018). Effects of Single and Hybrid Steel Fiber Lengths and Fiber Contents on the Mechanical Properties of High-Strength Fiber-Reinforced Concrete. Advances in Civil Engineering, 2018(2), 1-14.
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Lim, W.-Y., & Hong, S.-G. (2016). Compressive Behavior of Hybrid Steel Fiber Reinforced Ultra-High Performance Concrete. Journal of the Korea Concrete Institute, 28(2), 213-221.(in Korean).

원문보기 상세보기
MarkovicI.(2006) High-Performance hybrid-fibre concrete-development and utilization,Ph.D. thesis, Technische Universitat Delft, 62-102.
Yang, I.-H., Kim, K.-C., & Joh, C.-B. (2015). Flexural Strength of Hybrid Steel Fiber-Reinforced Ultra-High Strength Concrete Beams. Journal of the Korea Concrete Institute, 27(3), 283-290. (in Korean).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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