[논문]철계-형상기억합금 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동

홍기남; 연영모; 지상원

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.67

철계-형상기억합금 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동
Flexural Behavior of Concrete Beams Reinforced with Fe based Shape Memory Alloy Bar 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.67 - 76

홍기남 (충북대학교 토목공학부) , 연영모 (충북대학교 토목공학과) , 지상원 (충북대학교 토목공학과)

초록
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본 논문은 철계-형상기억합금(Fe-SMA) 바를 이용하여 제작된 콘크리트 보의 휨 거동 평가를 위한 실험적 연구이다. 실험을 위해 200mm×300mm × 2,200mm의 콘크리트 보를 제작하였으며 인장재로 4% 사전변형된 Fe-SMA 바를 사용하였다. 실험 변수로 인장재 종류(SD400, Fe-SMA), 철근 비(0.2, 0.39, 0.59, 0.78), Fe-SMA 활성화(활성화, 비활성화) 그리고 Fe-SMA bar 연결방법(미연결, 용접, 커플러)를 고려하였다. Fe-SMA 바를 활성화하기 위해 전기저항 가열 방법을 이용하여 5A/㎟의 전류를 실험체가 160℃에 도달할 때 까지 공급하였다. 캠버효과에 의한 실험체의 상향 변위가 안정되면 2,000kN 용량의 엑츄레이터를 이용하여 3점 휨 재하 실험을 실시하였다. 실험결과 Fe-SMA 바를 활성화 함에 따라 캠버효과에 의해 상향 변위가 발생하는 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화한 실험체는 활성화하지 않은 실험체에 비해 더 높은 하중에서 초기균열이 발생하였다. 그러나 일반적인 프리스트레스 콘크리트와 동일하게 Fe-SMA 활성화에 따른 프리스트레스 도입이 보의 극한 상태에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports an experimental study to evaluate the flexural behavior of concrete beams reinforced using Fe based shape memory alloy (Fe-SMA) bars. For the experiment, a concrete beam of 200mm×300mm×2,200mm was produced, and a 4% pre-strained Fe-SMA bar was used as a tensile reinforcement. As experimental variables, type of tensile reinforcement (SD400, Fe-SMA), reinforcement ratio (0.2, 0.39, 0.59, 0.78), activation of Fe-SMA (activation, non-activation), and joint method of Fe-SMA bar (Continuous, welding, coupler) were considered. The electric resistance heating method was used to activate the Fe-SMA bar, and a current of 5A/㎟ was supplied until the specimen reached 160℃. After the upward displacement of the specimen due to the camber effect was stabilized, a three-point flexural loading experiment was performed using an actuator of 2,000 kN capacity. As a result of the experiment, it was found that the upward displacement occurred due to the camber effect as the Fe-SMA bar was activated. The specimen that activated the Fe-SMA bar had an initial crack at a higher load than the specimen that did not activate it. However, as with general prestressed concrete, the effect of the prestress by Fe-SMA activation on the ultimate state of the beam was insignificant.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Specimen details
표 Table 1 Test variables
표 Table 2 Mixture design of used concrete
그림 Fig. 2 Fe based shape memory alloy bars
그림 Fig. 4 Overview of the activation system
그림 Fig. 3 Recovery stress-temperature relation of Fe-SMA bar
표 Table 3 Mechanical properties of the steel rebar used
표 Table 4 Mechanical properties of Fe-SMA
그림 Fig. 5 Test setup
그림 Fig. 6 Mid span displacement – time relation according to activation
그림 Fig. 7 Mid span displacement according to connection method
표 Table 5 Summary of mid span displacement by activation
그림 Fig. 8 Crack patterns and failure modes of specimens
그림 Fig. 9 Comparison of load-deflection curves
표 Table 6 Summary of experimental test results

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Fe-SMA 바를 프리스트레스부재로 사용하기 위한 기초연구로써 Fe-SMA 바를 이용하여제작된 콘크리트 보의 휨 성능을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동을 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하였으며 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

인장재로써 CTRL 실험체는 SD 400등급의 D16 철근 2개를 배근하였으며 CTRL을 제외한 실험체는 10mm×10mm 정사각형 단면의 철계-형상기억합금 인장재를 배근하였다. Fe-SMA 바를 배근하기 전 수평인장장치를 통해 바에 4% 사전변형을 가하였다. 또한 전단에 의한 파괴를 방지하기 위해 SD 400등급의 D10 의 전단철근을 150mm 간격으로 배근하였다.
3C- 1T(weight %)이다. Fe-SMA 바를 제작하기 위해 진공유도용해를 통해 500kg의 주괴를 제한 후 합금 균질화를 위해 1, 25 0℃에서 6시간 동안 초기 열처리를 실시하였다. 이후 두께가 11mm 될 때까지 1,000℃에서 열간압연을 실시하였으며 열간압연이 완료된 후 750℃에서 2시간 동안 추가 열처리를 실시하였다.
Fe-SMA 바를 활성화시킨 후 캠버효과에 의한 상향 변위가안정화된 뒤 2,000kN 용량의 엑츄레이터를 이용하여 3점 휨실험을 수행하였다. 하중은 0.
78%로 배근한 실험체이다. Table 1에나타낸 것과 같이 철근비(2: 0.2%, 4: 0.39%, 6: 0.59%, 8: 0.78%), Fe-SMA 활성화 유･무(A : 활성화, N : 비활성화), 그리고 Fe-SMA 바 이음방법(NC : 연속, CQ : 커플러연결, WQ : 용접)을 실험 변수로써 고려하였다. 예를 들어 “4A-CQ” 실험체는 철근비 0.
Fe-SMA 바를 배근하기 전 수평인장장치를 통해 바에 4% 사전변형을 가하였다. 또한 전단에 의한 파괴를 방지하기 위해 SD 400등급의 D10 의 전단철근을 150mm 간격으로 배근하였다.
사용된 Fe-SMA 바의 회복응력을 확인하기 위해 회복응력실험을 실시하였다. 실험에 사용된 시편의 길이는 250mm이며, 단면의 폭과 두께는 각각 10mm, 2.
이후 합금의 강도를 증진시키기 위해 압파율 10% 로 냉간압연을 실시한 후 600℃에서 2시간동안 마지막 열처리를 실시하여 Fe-SMA 판(Plate)을 제작하였다. 이후 Fe-SMA 바 제작을 위해 워터젯 컷팅시스템을 사용하여 Fe-SMA 판을 10mm 간격으로 절단하였다.
Fe-SMA 바를 제작하기 위해 진공유도용해를 통해 500kg의 주괴를 제한 후 합금 균질화를 위해 1, 25 0℃에서 6시간 동안 초기 열처리를 실시하였다. 이후 두께가 11mm 될 때까지 1,000℃에서 열간압연을 실시하였으며 열간압연이 완료된 후 750℃에서 2시간 동안 추가 열처리를 실시하였다. 이후 합금의 강도를 증진시키기 위해 압파율 10% 로 냉간압연을 실시한 후 600℃에서 2시간동안 마지막 열처리를 실시하여 Fe-SMA 판(Plate)을 제작하였다.
콘크리트 타설 후 28일간 기건양생을 실시하였다. 이후 매립된 Fe-SMA 바를 가열하기 위해 15kW 용량의 전력공급장치를 이용하여 5A/mm²의 전류를 가하였다. 이후 Fe-SMA 바의 온도가 160℃에 도달하면 전력을 차단하여 상온까지 바를 냉각시켰다.
이후 두께가 11mm 될 때까지 1,000℃에서 열간압연을 실시하였으며 열간압연이 완료된 후 750℃에서 2시간 동안 추가 열처리를 실시하였다. 이후 합금의 강도를 증진시키기 위해 압파율 10% 로 냉간압연을 실시한 후 600℃에서 2시간동안 마지막 열처리를 실시하여 Fe-SMA 판(Plate)을 제작하였다. 이후 Fe-SMA 바 제작을 위해 워터젯 컷팅시스템을 사용하여 Fe-SMA 판을 10mm 간격으로 절단하였다.
활성화 과정 중 프리스트레싱 효과에 의한 보의 상향변위를 측정하기 위해 25mm 용량의 Linear variable differential transformer(LVDT)를 보 중앙 하단에 설치하였다. 측정된 온도 및 변위는 Data acquisition system(DAQ)를 이용하여 5초 간격으로 수집하였다. Fig.
하중 증가에 따른 실험체의 처짐을 측정하기 위해 100mm 용량의 LVDT를 실험체 중앙에 설치하였다. 측정된하중 및 변위는 DAQ를 사용하여 1초 간격으로 수집하였다. Fig.
콘크리트 타설 후 28일간 기건양생을 실시하였다. 이후 매립된 Fe-SMA 바를 가열하기 위해 15kW 용량의 전력공급장치를 이용하여 5A/mm²의 전류를 가하였다.
Fe-SMA 바의 온도는 비 접촉식 적외선 열전대를 이용하여 측정하였다. 활성화 과정 중 프리스트레싱 효과에 의한 보의 상향변위를 측정하기 위해 25mm 용량의 Linear variable differential transformer(LVDT)를 보 중앙 하단에 설치하였다. 측정된 온도 및 변위는 Data acquisition system(DAQ)를 이용하여 5초 간격으로 수집하였다.

대상 데이터

것과 같다. CTRLe SD 400 등급의 D16 이형철근을이용하여 철근비 0.78%로 배근한 실험체이다. Table 1에나타낸 것과 같이 철근비(2: 0.
Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동을 평가하기 위해 총 9개의 실험체를 제작하였다. Fig.
본 연구에서 압축철근 및 전단철근으로 사용된 철근은 SD 400 등급의 D10 철근이며, CTRL 실험체는 인장철근으로 동일 등급의 D16 철근을 사용하였다. KS D 3504(KS, 2019)에따라 철근 인장시험을 실시한 결과 사용된 철근의 기계적 특성은 Table 3과 같이 나타났다.
사용된 콘크리트 굵은 골재의 최대치수는 25mm 이고, 잔골재율은 51.6%, 물-결합재비는 47.2%이다. 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프는 150mm로 설정하였다.
실시하였다. 실험에 사용된 시편의 길이는 250mm이며, 단면의 폭과 두께는 각각 10mm, 2.5mm이다. 실험 결과 사전변형 4% 가열온도 160℃에서 Fe-SMA 바의 회복응력은 약 308MPa로 나타났다.
굳지 않은 콘크리트의 슬럼프는 150mm로 설정하였다. 실험체 타설 시 5개의 Φ100×200mm 실린더를 제작하였다. 이후 공시 체는 실험체와 동일한 조건에서 탈형 및 양생을 실시하였으며 실험당일 KS F 2405(KS, 2017)에 따라 측정된 콘크리트의 평균 압축강도는 21.
1에 나타낸 것과 같이 보의 단면치수는 200mm×300mm 이며 실험체의 유효깊이는 260mm이다. 실험체의 길이는 총 2, 200mm 이며, 순지간은 2, 000mm로 양쪽 부재 끝에서 중심부로 100mm 거리를 두고 지점을 설치하였다. Fig.
1에 나타낸 것과 같이 압축철근으로 SD400 등급의 D10 이형철근 2개를 배근하였다. 인장재로써 CTRL 실험체는 SD 400등급의 D16 철근 2개를 배근하였으며 CTRL을 제외한 실험체는 10mm×10mm 정사각형 단면의 철계-형상기억합금 인장재를 배근하였다. Fe-SMA 바를 배근하기 전 수평인장장치를 통해 바에 4% 사전변형을 가하였다.

이론/모형

실험체 타설 시 5개의 Φ100×200mm 실린더를 제작하였다. 이후 공시 체는 실험체와 동일한 조건에서 탈형 및 양생을 실시하였으며 실험당일 KS F 2405(KS, 2017)에 따라 측정된 콘크리트의 평균 압축강도는 21.71MPa이다.
3에 회복응력-온도 관계를 나타내었다. 회복응력 실험은 Yeon(2018)이 실시한 회복응력 실험과 동일한 방법으로 진행하였다.

성능/효과

1) Fe-SMA바를 전기저항 가열을 통해 활성화 시 초기 열팽창으로 인해 하향 변위가 발생하였으나, Fe-SMA 회복응력이 증가됨에 따라 캠버효과에 의해 처짐이 회복되는 것으로 나타났다. Fe-SMA 회복응력에 기인한 프리스트레스 하중은 최종적으로 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC에 각각 0.
2) Fe-SMA 바의 이음부가 없이 연속인 실험체의 실험을 통해 측정된 상향 변위와 이론적인 계산을 통해 도출된 상향 변위는 평균 29.1%의 오차를 나타냈으며, Fe-SMA 바를 커플러, 용접을 통해 연결한 실험체는 69.8%의 상대적으로 큰 오차가 나타났다. 이는 나사선 제작과정 및 용접과정에서 발생된 열에 의해 합금이 일부 활성화 되어회복효과가 발생되었기 때문으로 판단된다.
이러한 오차는 콘크리트와 철근의 슬립, 초기 열팽창 및 탄성변형에 따라 프리스트레스 효과가 손실되었기 때문으로 판단된다. 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 극한하중은 각각 42.84kN, 88.82kN, 124.88kN, 141.23kN으로 철근비가 0.2% 증가함에 따라 평균 34kN 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 Fig.
78% 인 실험체인 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 하중-변위 관계의 비교를 나타낸다. 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 초기균열 하중은 각각 21.82kN, 22.68kN, 31.00kN, 46.9kN으로 철근비가 증가함에 따라 초기균열 하중은 커지는 것으로 나타났다. Fe-SMA의 회복응력 도입에 따른 이론적인 초기균열하중(_)은 식 (12) ~ (16)을 통해 도출할 수 있다.
3) Fe-SMA를 활성화 한 실험인 6A-NC와 8A-NC는 활성화하지 않은 실험체인 6N-NC, 8N-NC에 비해 각각 와 26.63%, 90.5% 증가된 초기균열 하중이 나타났다. 이는 Fe-SMA 회복응력에 의한 프리스트레스 효과에 의한 것으로 판단됨에 따라 Fe-SMA를 이용하여 콘크리트에 프리스트레스를 도입시켜 구조물에 균열을 제어할 수 있음을 확인하였다.
4) Fe-SMA에 회복응력이 작용하였을 때 발생된 초기균열하중은 이론값에 비해 약 27.6% 작은 것으로 나타났다. 이는 초기열팽창 및 프리스트레싱 후 탄성변형이 발생함에 따라 회복응력이 감소되었기 때문으로 판단된다.
72kN으로 CTRL에 비해 약 30% 증가한 것으로 나타났다. 8N-NC의 초기균열 이후 강성은 8A-NC와 유사한 것으로 나타났으며 최대하중은 약 141.23kN으로 CTRL과 8N-NC에 비해 각각 34.5%, 3.2% 증가된 것으로 나타났다. 이는 일반적인 프리스트레스 보와 유사하게 프리스트레스의 도입에 따라 초기균열 하중은 증가하는 것으로 나타났으며, 프리스트레스의 도입이 극한 강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
SD400 등급의 D16 철근으로 제작된 실험체인 CTRLe 약 19kN에서 초기균열이 발생하는 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화 시키지 않은 실험체인 8N-NC의 초기균열 하중은 24.62kN으로 CTRL에 비해 약 30% 증가된 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화시킨 실험체인 8A-NC의 초기균열 하중은 46.
62kN으로 CTRL에 비해 약 30% 증가된 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화시킨 실험체인 8A-NC의 초기균열 하중은 46.9kN으로 CTRL과 8N-NC 에 비해 각각 146.8%, 90.5% 증가한 것으로 나타났다. Table 6 에 나타낸 것과 같이 8N-NC의 최대하중은 136.
나타났다. Fe-SMA 회복응력에 기인한 프리스트레스 하중은 최종적으로 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC에 각각 0.105mm, 0.169mm, 0.337mm, 0.727mm 의 상향 변위를 발생시키는 것으로 나타났다.
Fe-SMA의 회복응력이 작용하였을 때 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 이론적인 초기균열 하중은 각각 27.26kN, 37.07kN, 46.99kN, 56.97kN이며 이는 실험값 대비 평균 27.6%의 오차를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 오차는 콘크리트와 철근의 슬립, 초기 열팽창 및 탄성변형에 따라 프리스트레스 효과가 손실되었기 때문으로 판단된다.
8은 실험된 콘크리트 보의 파괴형태를 나타낸다. SD 400 이형철근을 이용하여 제작된 CTRLe 휨 균열이 발생된 후휨 균열이 압축부로 성장하다가 압축부 콘크리트의 파쇄로 이어지는 전형적인 휨 파괴 양상이 나타났다. 반면 Fe-SMA 바를 이용하여 제작된 다른 실험체는 중앙부근에서 최초의 휨 균열이 발생한 후 휨 균열이 압축부로 성장하다가 극한 휨 강도에 도달하기 전 경사-휨 균열의 확장에 의해 파괴가 되는 전형적인휨-전단 파괴 양상이 나타났다.
78%인 실험체의 하중-변위 관계의 비교를 나타낸다. SD400 등급의 D16 철근으로 제작된 실험체인 CTRLe 약 19kN에서 초기균열이 발생하는 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화 시키지 않은 실험체인 8N-NC의 초기균열 하중은 24.
Fe-SMA는 뚜렷한 항복점이 나타나지 않는다. 따라서 0.2% 옵셋법으로 결정된 Fe-SMA 바의 항복변형률 및 항복강도는 각각 0.0061, 506MPa이다.
반면 Fe-SMA 바를 이용하여 제작된 다른 실험체는 중앙부근에서 최초의 휨 균열이 발생한 후 휨 균열이 압축부로 성장하다가 극한 휨 강도에 도달하기 전 경사-휨 균열의 확장에 의해 파괴가 되는 전형적인휨-전단 파괴 양상이 나타났다. 또한 Fe-SMA 바를 활성화한 보는 일반적인 프리스트레스 보의 거동과 마찬가지로 적은 수의 휨 균열이 발생되는 것으로 나타났으며, Fe-SMA 철근비가 증가함에 따라 더 많은 수의 휨 균열이 발생하며, 균열 폭은 감소되는 경향이 나타났다.
5mm이다. 실험 결과 사전변형 4% 가열온도 160℃에서 Fe-SMA 바의 회복응력은 약 308MPa로 나타났다. Fig.
5% 증가된 초기균열 하중이 나타났다. 이는 Fe-SMA 회복응력에 의한 프리스트레스 효과에 의한 것으로 판단됨에 따라 Fe-SMA를 이용하여 콘크리트에 프리스트레스를 도입시켜 구조물에 균열을 제어할 수 있음을 확인하였다.
2% 증가된 것으로 나타났다. 이는 일반적인 프리스트레스 보와 유사하게 프리스트레스의 도입에 따라 초기균열 하중은 증가하는 것으로 나타났으며, 프리스트레스의 도입이 극한 강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 이러한 경향은 철근비가 0.
034mm의 하향 변위가 발생하였다. 이후 Fe-SMA 바의 회복응력이 증가함에 따라 캠버효과가 발생되어 변위가 회복되었으며 최종적으로 0.105mm의 상향 변위가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 캠버효과로 인한 상향 변위는 Fe-SMA 바의 양이 증가함에 따라 증가하는 경향이 나타났다.
따라서 추후 연구를 통해 콘크리트와 Fe-SMA의 부착강도 관계를 규명하기 위한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 커플러와 용접을 통해 Fe-SMA바를 연결한 실험체인 4A-CQ와 4A-WQ의 이론값에 실험값의 비는약 0.22~0.38의 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이는 전술한 바와 같이 나사선 제작과정 및 용접과정에서 발생된 열에의해 철계-형상기억합금 일부가 사전 활성화되었기 때문으로판단된다.
9(d)는 Fe-SMA 바 이음방법에 따른 실험체의 하중-변위 관계를 나타낸다. 커플러와 용접을 통해 바를 연결한 실험체인 4A-CQ와 4A-WQ의 초기균열 하중은 각각 20.58kN, 20.74kN으로 바의 이음부가 없이 연속인 실험체인 4A-NC의 초기 균열 하중에 비해 약 9% 감소한 것으로 나타났다. 이는 3.

후속연구

또한 동일한 원인에 의해 4A-CQ와 4A-WQ의 극한하중이 소폭 감소된 것으로 판단된다. 따라서 추후 사전 변형된 Fe-SMA를 적절히 연결하는 방법에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
9에 나타나듯 Fe-SMA 바로 제작된 보는 일반적인 RC 부재와 다르게 뚜렷한 항복구간이 나타나지 않는다. 따라서 추후 연구를 통해 Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 적절한 항복 하중을 선정하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
이러한 차이는 낮은 콘크리트의 압축강도에 따라 콘크리트와 Fe-SMA 사이의 부착력이 작기 때문으로 판단된다. 따라서 추후 연구를 통해 콘크리트와 Fe-SMA의 부착강도 관계를 규명하기 위한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 커플러와 용접을 통해 Fe-SMA바를 연결한 실험체인 4A-CQ와 4A-WQ의 이론값에 실험값의 비는약 0.
추후 연구로써 Fe-SMA의 유효 정착길이에 관한 연구 및사전변형이 발생된 Fe-SMA 바의 적절한 이음 방법에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.

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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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