[논문]SFRC 중공 부재의 실험 및 유한요소 해석에 의한 전단강도 평가

김성은; 정재원; 김승훈

doi:10.11112/jksmi.2019.23.4.78

SFRC 중공 부재의 실험 및 유한요소 해석에 의한 전단강도 평가
Evaluation of Shear Strength by Experiment and Finite Element Analysis of SFRC Hollow Members 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.4, 2019년, pp.78 - 85

김성은 (한밭대학교 건축공학과 대학원) , 정재원 (한밭대학교 건축공학과 대학원) , 김승훈 (한밭대학교 건축공학과)

초록
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본 연구는 전단력과 휨을 받는 춤이 작은 중공 SFRC 부재를 대상으로 중공에 따른 웨브폭이 부재의 전단강도에 미치는 영향을 평가하고자 실험 및 해석을 실시하고 기존식과 비교 분석하였다. 전체폭에 비하여 웨브폭은 1/2배, 2/3배로 선정하였으며, 전단경간비는 1.5로 계획하였다. 전단실험 결과, 웨브폭이 33% 증가함에 따라 최대전단강도는 10.3~28.0% 증가하였다. 실험체의 전체춤이 1.5배 증가함에 웨브폭이 100mm인 실험체는 전단강도가 29.2% 증가한 반면, 150mm인 실험체는 11.3% 증가에 그쳐, 웨브폭이 적을수록 춤의 증가에 따른 전단강도 증가율이 큰 것으로 나타났다. 이를 볼 때, 웨브폭이 적을수록 강섬유의 기여도가 큰 것으로 사료된다. KCI 기준식이 중공 슬래브의 전단강도를 매우 안전측으로 평가하고 있으며, Shin et al.의 제안식이 실험강도를 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다. 비선형 유한요소 해석으로부터 웨브폭이 2, 3, 6배 증가함에 따라 해석부재의 평균 전단강도는 각각 1.18배, 1.80배, 2.19배로 나타나, 웨브폭의 증가에 비례하여 전단강도가 증가하지 않는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study targets SFRC hollow members with small depth under shear force and bending. To evaluate the effect of web width on shear strength of SFRC members, experiment and finite element analysis were conducted and compared with existing equations. The web width was planned to be 1/2 times and 2/3 times, and the shear span ratio was planned to be 1.5 times. In the shear test results, the maximum shear strength increased by 10.3 to 28.0% with the web width increased by 33%. When the overall depth of specimens was increased by 1.5 times, the shear strength of the specimen with a web width of 100mm was increased by 29.2%. On the other hand, specimen with the 150mm only increased by 11.3%. These results indicate that the smaller the web width, the greater the shear strength increase with the increase of depth. Also, the smaller the web width, the greater the contribution of steel fiber. It has been shown that the KCI code evaluates the shear strength of experiments as very safe side, and that the proposed formula of Shin et al. predicts the experimental strength relatively well. As the web width increases by 2, 3, and 6 times, the mean shear strength by FEA appears to be 1.18, 1.80, and 2.19 times respectively. This indicates that the shear strength does not increase in proportion to the increase in web width.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1 Shear strength equations of codes and previous researches
표 Table 2 The list of specimens
그림 Fig. 1 Detailed view of the beam and specimen cross-section
그림 Fig. 2 Steel& fiber detail
표 Table 3 Properties of steel fiber
표 Table 4 Comparison of shear strengths between experiment and previous proposed formula
그림 Fig. 3 Shear force-deflection relationship of specimens
그림 Fig. 4 FEA Model
그림 Fig. 5 Compression model of concrete (Thorenfeldt, 1987)
그림 Fig. 6 Tension model of concrete (Exponential)
그림 Fig. 7 Shear force-displacement curves by FEA
표 Table 5 Comparison of maximum shear force with experimental and analytical results
그림 Fig. 8 Results of shear strengths by FEA according to design parameters

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SFRC 중공 부재에 대한 전단강도를 평가하기 위하여 실험 및 해석을 실시하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 전단력과 휨을 받는 춤이 작은 중공 SFRC 부재를 대상으로 중공에 따른 웨브폭이 부재의 전단강도에 미치는 영향을 평가하고자 실험 및 해석을 실시하고 기존식과 비교⋅분석하였다.

가설 설정

부착 재료모델은 결합요소의 변형을 방지하기 위해 완전 부착으로 가정하여 해석을 진행하였다.
철근의 재료모델은 Von Mises 모델을 사용하였으며 전단응력이 순수전단에서의 항복응력에 도달했을 때 항복이 일어난다는 가정을 적용한 모델이다. 또한 실험과 해석을 보다 정밀히 비교하기 위해 재료실험 결과에 따라 재료의 경화, 연화특성에 대한 함수를 지정하여 입력하였다.
콘크리트의 인장 모델로는 Fig. 6과 같이 인장강도를 초과하면 지수연화가 일어난다고 가정하는 지수연화 (exponential) 모델을 사용하였고 파괴에너지와 균열폭을 바탕으로 기울기가 결정된다.

제안 방법

웨브 폭이 최소화된 중공슬래브의 전단저항성능 향상을 위한 방법으로 강섬유 보강 콘크리트 사용이 효과적일 수 있다. Kim et al. (2015)의 연구에 따르면 강섬유와 최소전단철근 보강이 전단강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 콘크리트 강도, 강섬유와 최소전단철근 보강 여부 등을 변수로 실험을 수행하였다. 그 결과, 강섬유(0.
(1992)은 전단보강이 없는 SFRC의 휨과 전단력을 받는 부재의 전단거동에 대한 연구를 진행하였다. 강섬유 혼입한 전단강도 제안식을 2가지로 제안하였다. Zsutty식을 수정한 제안식, ACI 설계식을 수정하여 Table 1의 v_Ashour로 나타내었다.
콘크리트의 압축강도는 KS F 2403 기준에 따라 Ø100×200mm의 원형 몰드로 제작하여 24시간 후몰드를 탈형하고 수조에 수중양생을 실시하였다. 공시체의 28일 재령후KS F 2405에 따라 UTM 기기로 분당 1mm로 변위제어 하여 압축강도 시험을 실시하였다. 압축강도 실험결과 공시체의 평균압축강도는 33.
철근의 재료모델은 Von Mises 모델을 사용하였으며 전단응력이 순수전단에서의 항복응력에 도달했을 때 항복이 일어난다는 가정을 적용한 모델이다. 또한 실험과 해석을 보다 정밀히 비교하기 위해 재료실험 결과에 따라 재료의 경화, 연화특성에 대한 함수를 지정하여 입력하였다.
)와 이론강도를 비교하였다. 실험강도는 최대전단내력(V_u)에 유효전단단면적(b_wd)을 나누어 평가하였다.
실험체 가력은 용량 2000kN UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 1mm/분으로 가력 하였다. 실험체의 가력점 중앙부에 LVDT를 설치하여 수직변위를 측정하였다.
앞서 진행한 해석결과의 타당성을 바탕으로 중공 부재에 대한 비선형 유한요소해석에 의한 변수해석을 실시하였다.
콘크리트 압축강도, 전단경간비, 웨브의 폭 등을 변수로 설정하여 총24개의 모델에 대해 변수해석을 진행하였다. 변수해석 모델의 해석모델명은 압축강도 C(f_ck)-보강근비 P(ρ)-전단경간비 R(a/d)-험체의 높이 H-웨브의 폭 W 순으로 표기하였다.
콘크리트의 압축강도는 KS F 2403 기준에 따라 Ø100×200mm의 원형 몰드로 제작하여 24시간 후몰드를 탈형하고 수조에 수중양생을 실시하였다.

대상 데이터

변수해석 모델의 해석모델명은 압축강도 C(f_ck)-보강근비 P(ρ)-전단경간비 R(a/d)-험체의 높이 H-웨브의 폭 W 순으로 표기하였다.(예로 C30-P1-R2-H250-W150 실험체는 콘크리트 압축강도 30MPa, 보강근비 1%, 전단경간비 2, 실험체 높이 250mm, 웨브의 폭 150mm를 의미한다.
모든 실험체에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 밀도는 3.15/㎤, 분말도는 3,383㎠/g이다. 철근은 K사의 이형철근을 사용하였으며 주 철근은 SD400의 D16, 압축철근과 스터럽은 SD400의 D10이형철근을 사용하였다.
본 연구에서는 전단력과 휨을 받는 춤이 작은 중공 SFRC 부재에 대하여 부재의 높이(h=200mm, 250mm, 300mm)와 웨브의 폭(bw=100mm, 150mm)을 변수로 Table 2와 같이 총 6개의 실험체를 제작하였다.
실험체의 설계 강도는 30MPa로 계획하였으며, 강 섬유는 1% 체적비로 보강하였다. 실험체 전체폭은 300mm, 길이는 1200mm로 제작하였다. 중공재가 사용된 부분의 전단경간비는 1.
)를 변수로 하여 일반강도 SFRC 보에 대한 전단실험을 실시하였다. 제안식은 Table 1의 v_Narayanan이다. 여기서, e는 아치작용(arch action)을 고려한 무차원 계수로 전단경간비(a/d)>2.
15/㎤, 분말도는 3,383㎠/g이다. 철근은 K사의 이형철근을 사용하였으며 주 철근은 SD400의 D16, 압축철근과 스터럽은 SD400의 D10이형철근을 사용하였다. 강섬유는 K사의 번들형태 제품으로 여러 가닥이 붙어있어 재료 비빔시 낱개로 분산되는 방식이다.

이론/모형

본 해석에 사용된 콘크리트의 비선형 재료 모델은 콘크리트의 균열을 고려하는 이산균열모델의 전변형률 균열모델(total strain crack model)을 사용하였다. 이산균열 모델은 균열을 경계로 분리된 유한요소를 사용하고 일부분에 발생하는 균열이 넓은 면에 고르게 분산된 것으로 가정하는 방법이다.
중공 부재의 거동특성 및 전단 성능을 해석하기 위해 비선형 유한요소해석 프로그램인 Midas FEA를 이용하였다. Fig.
콘크리트의 압축모델은 Fig. 5 및 식 (1)과 같이 경화곡선인 Thorenfeldt 모델을 사용하였다.

성능/효과

1) 웨브폭이 증가할수록 강성은 증가하였으며, 웨브폭이 33% 증가함에 따라 최대전단강도는 10.3~28.0% 증가하였다.
2) 실험체의 전체춤이 1.5배 증가함에 웨브폭이 100mm인 실험체는 전단강도가 29.2% 증가한 반면, 150mm인 실험체는 11.3% 증가에 그쳐, 웨브폭이 적을수록 춤의 증가에 따른 전단강도 증가율이 큰 것으로 나타났다. 이를 볼때, 웨브폭이 적을수록 강섬유의 기여도가 큰 것으로 사료된다.
3) 실험강도/KCI 이론강도가 평균4.35~5.43으로 나타나 중공 슬래브의 전단강도를 매우 안전측으로 평가하고 있으며, 실험강도/Shin et al.의 이론강도가 평균0.
4) 비선형 유한요소 해석으로부터 웨브폭이 2, 3, 6배 증가함에 따라 해석부재의 평균 전단강도는 각각 1.18배, 1.80배, 2.19배로 나타나, 웨브폭의 증가에 비례하여 전단강도가 증가하지 않는 것으로 나타났다.
Fig. 3에서 동일한 웨브폭에 대하여 춤이 증가할수록 초기강성 및 할렬강성이 증가하였고, 최대 전단내력 또한 증가하는 것으로 나타났다. b_w가 150mm인 실험체계열에서 춤이 300mm인 실험체(S1-H300-B150)가 200mm의 실험체(S1-H200-B150)에 비해 최대 전단내력이 11.
(2012)은 중공재 형상을 달리한 도넛형 이방향 중공슬래브의 전단강도를 평가하기 위하여 구조성능 실험을 실시하였다. 그 결과 중공 형상 및 형성체의 재료에 따라 전단강도에 영향이 있는 것으로 평가하였다. 도넛형 이방향 중공슬래브는 일반 슬래브에 비해 전단강도는 73 ∼78%의 우수한 강도를 보이고 있으며, 전단력이 큰 부분의 중공 적용 여부에 관한 결정을 통해 경제적 설계를 실시할 수 있을 것으로 보강하였다.
(2011)은 일방향 전단강도와 휨강도를 확인하기 위하여 중공부가 존재하지 않는 일반 슬래브와 중공을 갖는 슬래브에 대한 실험을 실시하였다. 그 결과 중공부가 있는 실험체들은 50%정도의 연성능력이 감소하였다. 또한 전단강도는 지점으로부터 45° 단면에 대하여 전체단면에 대한 중공면적을 제외한 유효단면의 비에 비례하는 것으로 나타났다.
도넛형 이방향 중공슬래브는 일반 슬래브에 비해 전단강도는 73 ∼78%의 우수한 강도를 보이고 있으며, 전단력이 큰 부분의 중공 적용 여부에 관한 결정을 통해 경제적 설계를 실시할 수 있을 것으로 보강하였다.
증가폭은 실험체 춤이 적을수록 크게 나타났다. 또한 웨브폭과 춤이 적을수록 보다 연성적인 거동을 보였으며, 이는 강섬유의 기여도에 의한 것으로 판단된다.
또한 전단강도는 지점으로부터 45° 단면에 대하여 전체단면에 대한 중공면적을 제외한 유효단면의 비에 비례하는 것으로 나타났다.
(2015)는 강섬유와 최소 전단철근 보강이 전단강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 콘크리트 강도, 강섬유비, 최소전단철근 보강 여부 등을 변수로 실험을 진행하였다. 실험결과에서 강섬유(0.75%)와 최소 전단철근 보강에 따라 전단강도가 증가한 것으로 나타났으며, 강섬유와 최소 전단철근을 함께 보강한 경우 각각에 의한 증가율 합보다 더 크게 증가하였다. 또한 고강도 콘크리트의 경우 저강도 콘크리트보다 강섬유에 의한 전단 기여 강도가 더 크게 나타났다.
공시체의 28일 재령후KS F 2405에 따라 UTM 기기로 분당 1mm로 변위제어 하여 압축강도 시험을 실시하였다. 압축강도 실험결과 공시체의 평균압축강도는 33.92MPa로 나타났다.
웨브폭 50mm의 평균전단강도 대비 100mm(2배), 150mm(3배), 300mm(6배) 실험체의 평균 전단강도는 각각 1.18, 1.80, 2.19로 나타났다. 이를 볼때 웨브폭의 증가에 비례하여 전단강도가 증가하지 않는 것으로 나타났다.
또한 전단강도는 지점으로부터 45° 단면에 대하여 전체단면에 대한 중공면적을 제외한 유효단면의 비에 비례하는 것으로 나타났다. 이를 반영한 일방향 전단강도 식을 제안하고, 이를 실험결과와 비교한 결과 대부분의 실험체들이 10%내외의 오차율을 나타내었다.
2%증가 하였다. 이를 볼 때 웨브폭이 적을수록 춤에 대한 전단강도 변화가 큰 것으로 평가되었다.
8(b)는 전단경간비 증가에 따른 전단강도를 나타냈었다. 전단경간비 변화에 따른 전단강도 저하가 크게 나타났으며, 전단경간비 2에서 3으로 변하였을 때 전단강도 감소율이 37.14%로 가장 크게 나타났다.

후속연구

또한 고강도 콘크리트의 경우 저강도 콘크리트보다 강섬유에 의한 전단 기여 강도가 더 크게 나타났다. 또한 현행기준에서 규정하고 있는 40MPa의 강섬유 보강 콘크리트 설계기준압축강도를 70MPa로 상향시킬 수 있을 것으로 제안하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 도시의 밀집화로 발생하는 문제는 무엇인가?	최근 도시의 밀집화로 고층 건물이 증가하고 고층화에 따른 층간소음, 처짐, 진동 등 많은 문제점이 발생하고 있다. 특히, 층간소음의 문제는 슬래브의 두께와 직결되어있다.
	층간소음의 문제와 직결된 것은 무엇인가?	최근 도시의 밀집화로 고층 건물이 증가하고 고층화에 따른 층간소음, 처짐, 진동 등 많은 문제점이 발생하고 있다. 특히, 층간소음의 문제는 슬래브의 두께와 직결되어있다. 2005년 이전의 아파트의 경우 통상 120mm∼180mm의 두께로 시공하였지만, 층간소음 문제로 이웃 불화 등의 문제점들이 발생하여 벽식 공동주택에서 슬래브의 두께를 210mm이상으로 규정이 강화되었다.
	슬래브 두께에 따른 자중 감소를 위해 중공슬래브가 많이 사용되는 이유는 무엇인가?	슬래브 두께에 따른 자중 감소를 위해 PS 강선을 사용한 프리스트레스 콘크리트 구조의 적용이나 슬래브의 중앙부에 중공재를 삽입한 중공슬래브가 최근 많이 사용되고 있다. 중공슬래브는 철근콘크리트 구조물의 자중을 현저히 감소시키며, 층간소음 문제를 해결할 수 있는 해결책으로 부상하고 있다.

저자의 다른 논문 :

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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