[논문]고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재의 휨거동에 관한 해석적 연구

차경문; 최소영; 김일순; 양은익

doi:10.11112/jksmi.2020.24.1.88

[국내논문] 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재의 휨거동에 관한 해석적 연구
Analytical Study on Flexural Behavior of Concrete Member using Heavyweight Waste Glass as Fine Aggregate 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.1, 2020년, pp.88 - 96

차경문 (한국시설안전공단, 안전진단본부) , 최소영 (강릉원주대학교 방재연구소) , 김일순 (강릉원주대학교 토목공학과) , 양은익 (강릉원주대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

고밀도 폐유리가 콘크리트를 포함하는 건설 재료로 사용 가능함이 밝혀짐에 따라 본 연구에서는 고밀도 폐유리를 잔골재로 적용한 RC 부재의 구조적 거동을 평가하고자 휨거동 실험을 수행하고 그 결과를 비선형 유한요소해석 결과와 비교 검토하였다. 그 결과, 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용하게 되면, 균열 개수가 감소하고 균열 간격 및 압괴 면적이 증가하였다. 또한, 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재는 높은 처짐 단계에서 연성이 감소되었다. 이러한 이유로 천연골재를 사용한 부재와 동일한 방법의 해석 기법은 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재의 휨거동에 대한 초기강성, 항복하중 및 최대하중을 제대로 예측하지 못하는 것으로 나타났으나, 압괴 진전에 따른 중립축 깊이가 감소하는 것을 해석적으로 구현하게 되면, 비선형 유한요소 해석 결과가 실험결과를 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

It were found that the heavyweight waste glass can be used as a construction materials including concrete from previous experimental studies. In this study, in order to evaluate the structural behavior of RC members using heavyweight waste glass as fine aggregate, a flexural behavior test was performed. And then, its results were compared with those obtained from non-linear finite element model analysis. From the results, when the heavyweight waste glass as fine aggregate in RC member, the area of compressive crushing and the number of cracks increased, however, the mean of cracking spacing decreased. Also it had reduced the ductility at high loading stage. For this reason, the same analysis method about the RC member using natural sand as fine aggregate did not predict the initial stiffness, yield load and maximum load on the flexural behavior of the RC members using heavyweight waste glass as fine aggregate. On the other hand, when it is analytically implemented the reduction of neutral axis depth due to developed compression crushing, the results of non-linear finite element analysis could be predicted the experimental results, relatively well.

Keyword

표/그림 (19)

표 Table 1 Test variables
표 Table 2 Physical and chemical properties of the binders
표 Table 3 Physical properties of all of the aggregate
표 Table 4 Concrete mix proportions
그림 Fig. 1 Reinforcement detail of test members
그림 Fig. 2 Schemed applied cyclic loading history
표 Table 5 Mechanical properties of reinforcement used in RC member
표 Table 6 CDP Parameters in ABAQUS
그림 Fig. 3 Model of RC member
그림 Fig. 5 Compression properties of concrete specimens
그림 Fig. 4 Uniform loads acting on the RC
표 Table 7 Results of experimental test of RC member (crack)
그림 Fig. 6 Typical crack occurrence patterns (NS case)
그림 Fig. 7 Typical crack occurrence patterns (HG case)
그림 Fig. 8 Comparison of load-displacement curve (NS)
그림 Fig. 9 Comparison of load-displacement curve (HG)
그림 Fig. 10 Comparison of load-displacement curve (HG)
표 Table 8 Comparison experimental results and analytical results
표 Table 9 Comparison experimental results and analytical results

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재를 제작하여 휨 거동 성능 평가를 수행하였으며, 고밀도 폐유리 대체 유무에 따른 구조적 거동의 차이점을 유한요소 프로그램을 이용한 비선형 해석 결과와 비교, 검토하여 해석적으로 RC 부재의 휨거동 특성을 분석하고자 하였다.
유한요소해석 방법은 RC 부재의 휨 거동을 해석적으로 평가하기 위한 대표적인 방법으로, 다양한 유한요소해석 프로그램이 개발, 적용되고 있다. 본 논문에서는 사용성이 높고 재료 특성의 반영이 용이한 ABAQUS 프로그램을 이용하여 유한요소 해석을 수행하고자 하였다.

제안 방법

고밀도 폐유리를 잔골재로 적용한 RC 부재의 휨 거동을 평가하기 위한 실험 변수는 물-결합재비, 광물질 혼화재 종류 및 고밀도 폐유리의 잔골재 대체 유무로 결정하였다. 이때 선행연구를 통하여 고밀도 폐유리 혼입에 의해 발생하는 ASR 억제에 효과적인 광물질 혼화재인 플라이애시와 고로슬래그 미분말도 함께 사용하였다 (Choi et al.
고밀도 폐유리의 잔골재 대체율은 부피비로 각각 0(NS),100%(HG)이며, 물-결합재비는 35, 45, 55%로 결정하였다. 또한, 광물질 혼화재가 미치는 영향을 함께 검토하기 위하여 물결합재비 45% 경우에 한정하여 플라이애시(FA)와 고로슬래그 미분말(BFS)을 시멘트 질량의 각각 20%, 50%로 치환하여함께 평가하였으며, 본 연구에 사용된 배합표는 Table 4에 나타내었다.
고밀도 폐유리의 잔골재 대체율은 부피비로 각각 0(NS),100%(HG)이며, 물-결합재비는 35, 45, 55%로 결정하였다. 또한, 광물질 혼화재가 미치는 영향을 함께 검토하기 위하여 물결합재비 45% 경우에 한정하여 플라이애시(FA)와 고로슬래그 미분말(BFS)을 시멘트 질량의 각각 20%, 50%로 치환하여함께 평가하였으며, 본 연구에 사용된 배합표는 Table 4에 나타내었다.
한편, 압축강도는 ∅100 × 200 mm 크기의 원주형 시험체를 3개씩 제작하여 RC부재와 동일한 조건에서 양생시킨 후부재 실험과 동일한 재령에서의 압축강도를 측정하였으며, 측정 재령은 OPC만 결합재로 사용한 경우에는 28일이며, 광물질 혼화재를 사용한 경우에는 충분한 수화반응을 유도하기위하여 재령 91일에 실험을 수행하였다.
사인장 파괴를 방지하기 위한 전단 철근을 배치하였으며, 전단 철근의 간격은 80 mm이다. 하중 재하 시 발생하는 주철근의 변형률 측정을 위하여 부재 중앙부 철근의 총 2개소에 철근 변형률 게이지를 각각 설치하였으며, 콘크리트의 변형률 측정을 위한 콘크리트 변형률 게이지를 압축연단으로부터 10, 20 mm 지점에 부착하고 (Fig. 1), 하중 가력시 발생하는 부재의 처짐을 측정하기 위하여 하중 재하 지점 하단 및 부재 중앙부 하단에 LVDT를 설치하였다. 본 연구에 사용된 철근은 주철근은 D13, 스터럽은 D10이며, SD 400의 규격을 갖는 철근의 탄성계수와 푸아송비를 사용하였다.
고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 콘크리트 부재의 휨 거동을 파악하기 위하여 500kN 용량의 가력장치를 사용하여 4점 휨 시험을 수행하였으며, 하중 제어는 변위제어 방식을 사용하였다. 단면 설계시 계산된 부재의 처짐을 기준으로 0.
고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 콘크리트 부재의 휨 거동을 파악하기 위하여 500kN 용량의 가력장치를 사용하여 4점 휨 시험을 수행하였으며, 하중 제어는 변위제어 방식을 사용하였다. 단면 설계시 계산된 부재의 처짐을 기준으로 0.5△y, 1.0△y, 2.0△y, 3.0△y, 4.0△y까지 총 5단계로 나누어 하중재하를 실시한 후 실험을 종료하였으며, 하중 재하 사이클은 Fig. 2에 나타내었다. 이때, 하중 분배 장비를 이용하여 400mm의 순수 휨 구간을 확보하였다.
고밀도 폐유리의 잔골재 대체 유무에 따른 RC 부재의 유한요소 해석을 위하여 사용된 요소 유형은 콘크리트의 경우 8절점3차원 솔리드 요소 (8-node, 3-dimensional solid element,C3D8R)를, 철근의 경우에는 2절점 트러스 요소 (2-node,3-dimensional truss element T3D2)를 사용하였다. Fig.
그러나 앞서 기술한 해석 기법으로는 압축파괴 면적 증가에 따른 중립축 깊이의 감소를 구현하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 항복점에서의 모멘트와 인장철근의 관계를 이용하여 인장철근의 외력 부담비율을 산정하여 이를 해석 모델에 반영하였으며, Fig. 10에는 하중-처짐 곡선을, Table 9에는 항복하중, 최대하중 및 그때의 처짐값을 나타내었다. 그 결과, Fig.

대상 데이터

고밀도 폐유리를 잔골재로 적용한 RC 부재의 휨 거동을 평가하기 위한 실험 변수는 물-결합재비, 광물질 혼화재 종류 및 고밀도 폐유리의 잔골재 대체 유무로 결정하였다. 이때 선행연구를 통하여 고밀도 폐유리 혼입에 의해 발생하는 ASR 억제에 효과적인 광물질 혼화재인 플라이애시와 고로슬래그 미분말도 함께 사용하였다 (Choi et al., 2018). 본 연구에 사용된 실험 변수는 Table 1과 같다.
본 연구에서는 결합재로 시멘트와 광물질 혼화재인 플라이애시(FA)와 고로슬래그 미분말(BFS)을 사용하였다. 사용된 결합재의 물리적, 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 천연잔골재는 하천모래를 사용하였으며 천연 굵은 골재는 부순 골재이다. 이때 굵은 골재의 최대치수는 19 mm이며, 배합에 사용된 골재의 특성은 Table 3과 같다.
고밀도 폐유리는 브라운관에서 발췌한 것으로 중금속을 일부 함유하고 있어 밀도가 3.0 g/cm³ 이며, 고밀도 폐유리에 포함된 중금속을 용출하지 않고 jaw crusher를 이용하여 단순 분쇄한 후, 5 mm 체를 통과하는 고밀도 폐유리만을 사용하였다. 고밀도 폐유리의 물리적 특성을 Table 3에 함께 나타내었다.
본 연구에서 사용된 RC 휨 부재는 Fig. 1과 같이 크기 150 ×205 × 1400 mm (폭×높이×길이)로 결정하였다.
1), 하중 가력시 발생하는 부재의 처짐을 측정하기 위하여 하중 재하 지점 하단 및 부재 중앙부 하단에 LVDT를 설치하였다. 본 연구에 사용된 철근은 주철근은 D13, 스터럽은 D10이며, SD 400의 규격을 갖는 철근의 탄성계수와 푸아송비를 사용하였다. 그러나, 철근의 항복 응력은 직접 인장시험을 통해 결정된 값을 사용하였으며, 해석에 사용된 철근 물성치는 Table 5에 나타내었다.

이론/모형

ABAQUS를 이용한 휨 부재 해석에서 수식의 유도를 위해서는 방법에 따라 변위법(Displacement method), 하중법(Force method), 혼합법(Hybrid method or Mixed method)이 사용되고 있다. 일반적으로 구조 해석용으로 개발된 범용 유한요소 해석 프로그램은 변위법을 기반으로 개발되었기 때문에 본 연구에서는 변위법을 사용하였다 (Cha, 2017).
한편, 본 연구에서는 Lubliner에 의해 제안 (Lubliner et al., 1989)되고 Lee and Fenves에 의해 수정된 모델인 ConcreteDamaged Plasticity model (CDP model)을 사용하였다 (Seo et al., 2018). CDP 모델은 일축 하중이 작용하는 콘크리트 구조물의 일반적인 해석에 사용되는 모델로, 인장 균열과 압축 파괴에 관한 등방성 손상을 고려하고 하중 재하에 따른 강성 회복 효과도 반영할 수 있어 적용하였다 (Choi et al.

성능/효과

, 2017). 따라서 많은 연구자에 의해 고밀도 폐유리는 광물질 혼화재와 혼용하여 사용할 경우 내구적, 역학적 성능 개선을 확보할 수 있는 것으로 밝혀졌으며, 특히, 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용할 경우 발생하는 시멘트의 알칼리 성분과 폐유리에 포함된 실리카 성분이 반응하여 팽창이 발생하는 현상(알칼리-실리카 반응, ASR)은 광물질 혼화재를 적절하게 혼합하게 되면 충분히 저감 가능하고 고밀도 폐유리에 포함된 중금속은 자연적인 환경 조건에서는 용출되지 않는 것으로 나타났다 (Choi et al., 2017;Choi et al., 2018; Kim et al., 2018; Kim et al., 2018).
5에 나타낸RC 부재 제작과 동시에 제작된 콘크리트 원주형 시험체의 응력-변형률 곡선은 3개 시험체의 측정 결과 중 평균값과 가상 유사한 대푯값을 선정하여 나타 내었다. 측정 결과, 고밀도 폐유리를 혼입한 경우에는 일반 골재를 사용한 경우에 비하여 압축강도가 감소하는 경향이 나타났으나, 압축강도가 감소하더라도 응력-변형률 곡선 특성에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 콘크리트의 파괴는 시멘트 페이스트와 골재 사이의 경계면에서 발생하는 미세균열의 진전으로 인해 진행된다.
콘크리트의 파괴는 시멘트 페이스트와 골재 사이의 경계면에서 발생하는 미세균열의 진전으로 인해 진행된다. 특히 유리의 경우, 대표적인 취성재료이므로 콘크리트의 잔골재로 사용될 경우 응력-변형률 곡선에서 일반 콘크리트와 상이한 차이를 유발할 수 있을 것으로 예상되었으나, 잔골재 대체제로 사용된 고밀도 폐유리는 응력-변형률 곡선 특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 측정되었다.
6, 7에 나타내었다. 실험결과를 살펴보면, 모든 부재에 서 하중 재하 초반에는 순수 휨 구간에서 휨 균열이 진전되다가 하중이 증가할수록 전단-휨 균열 형상을 나타내는 휨 균열 형성 패턴(Kim et al, 2016)을 나타내어 고밀도 폐유리 대체에 따른 취성파괴는 발생하지 않았다. 또한, 55OPC의 경우를 제외하고 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재의 균열 개수가 천연골재를 사용한 경우에 비해 증가하고 균열 간격이 감소하였으며 균열발생면적이 크게 증가하였다.
실험결과를 살펴보면, 모든 부재에 서 하중 재하 초반에는 순수 휨 구간에서 휨 균열이 진전되다가 하중이 증가할수록 전단-휨 균열 형상을 나타내는 휨 균열 형성 패턴(Kim et al, 2016)을 나타내어 고밀도 폐유리 대체에 따른 취성파괴는 발생하지 않았다. 또한, 55OPC의 경우를 제외하고 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재의 균열 개수가 천연골재를 사용한 경우에 비해 증가하고 균열 간격이 감소하였으며 균열발생면적이 크게 증가하였다.
실험 결과와 해석 결과를 비교하여 보면, 초기균열이 발생하는 시점의 기울기(초기 강성)는 모두 비슷한 수준 의 값을 나타내었으며, 초기균열이 발생하고 항복변위가 발생 하는 시점의 항복하중 역시 비슷한 수준값을 나타내는 것으로 나타났다. 특히, 천연골재를 사용한 콘크리트의 압축강도의 차이가 다소 발생하더라도, RC 부재의 휨 거동은 인장철근에 지배적이기 때문에 하중-처짐 관계는 물-결합재비에 큰 영향을 받지 않으며, 이러한 경향은 해석적으로도 충분히 반영된 것으로 나타났다. 한편 Fig.
9에는 고밀도 폐유리를 전량 잔골재로 대체한 RC부재의 하중-처짐관계를 그래프로 나타내었다. 실 험 결과를 살펴보면, 물-결합재비 및 광물질 혼화재 혼합에 관계없이 하중 재하를 실시할 경우, 35OPC와 45BFS50의 경우를 제외하고 최대하중 도달이후 하중이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 전반적인 연성이 감소하는 현상에 기인한 것으로 판단되며, 해석적으로는 이를 반영하지 못하는 것으로 나타났다.
이는 전반적인 연성이 감소하는 현상에 기인한 것으로 판단되며, 해석적으로는 이를 반영하지 못하는 것으로 나타났다. 특히, 고밀도 폐유리의 잔골재 대체로 인한 1축 압축에 의한 변형특성 (응력-변형률 곡선)은 영향을 받지 않더라도, 고밀도 폐유리 대체에 따른 휨-압축에 의한 변형(구조적 거동)에는 영향을 받는 것으로 나타났다.
Table 8에는 실험결과와 해석 결과에서 취득한 항복하중 및 최대하중과 그때의 처짐값을 함께 나타내었다. 그 결과, 천연잔골재를 사용한 RC 부재의 경우, 항복하중 및 그때의 처짐 은 약1% 내외의 차이가 발생하여 실험결과와 해석결과가 잘 일치하였으며, 부재의 연성 거동을 효과적으로 예측하는 것으로 나타났다. 그러나 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재에서는 항복 하중은 물론 전체거동을 반영하지 못하는 것으로 나타났으며, 특히 반복하중에 따른 연성 저하를 예측 하지 못하였다.
1. ABAQUS를 통한 RC 부재의 해석 결과, 천연 골재를 사용한 RC 부재의 휨 거동은 해석적으로 비교적 정확하게 예측하였으나, 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용할 경우, 최대하중 및 그때의 처짐을 적절하게 예측하지 못하는 것으로 나타났다.
2. 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 RC 부재는 천연골재를 사용한 RC 부재에 비하여 균열개수가 증가하고 균열 간격이 감소하며, 압괴면적이 증가하면서 압축 파괴에 의한 연성 저하가 동반되었다.
3. 고밀도 폐유리 대체에 따른 RC 부재의 연성 저하는 압괴 진전으로 인해 감소한 중립축 깊이의 감소를 이용하여 ABAQUS에 반영하면, 처짐 증가에 따른 연성저하를 반영할 수 있는 것으로 나타났다.
5. 본 연구를 통해 응력-변형률 곡선이 일반적인 콘크리트의 응력-변형률 곡선 특성을 만족하더라도, 실제 RC 부재의 휨 거동에서는 상이한 특성이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 따라서 콘크리트에 적용하는 재료 특성에 따른 콘크리트 구조물 설계에는 콘크리트의 휨 압축 특성을 반영하여야 할 것으로 판단된다.
그 결과, Fig. 9와 달리, Fig. 10에 나타낸바와 같이 항복하중이 발생하기 이전의 기울기를 비롯하여 항복하중 및 최대하중이 잘 일치하였다.
8에는 천연잔골재를 사용한 부재의 하중-처짐 곡선을 나타내었다. 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 보면, 초기균열이 발생하는 시점의 기울기(초기 강성)는 모두 비슷한 수준 의 값을 나타내었으며, 초기균열이 발생하고 항복변위가 발생 하는 시점의 항복하중 역시 비슷한 수준값을 나타내는 것으로 나타났다. 특히, 천연골재를 사용한 콘크리트의 압축강도의 차이가 다소 발생하더라도, RC 부재의 휨 거동은 인장철근에 지배적이기 때문에 하중-처짐 관계는 물-결합재비에 큰 영향을 받지 않으며, 이러한 경향은 해석적으로도 충분히 반영된 것으로 나타났다.

후속연구

건설 분야에 전반적으로 사용되는 콘크리트는 적용성이 우수하고 경제성, 내구성 등으로 인하여 적은 비용으로도 큰 효율을 나타내는 대표적인 건설 재료이다. 이로 인해 콘크리트는 현재까지 개발 및 적용되어 왔으며, 향후 성능 개선에 관한 지속적인 연구가 진행될 전망이다. 그러나 콘크리트를 생산하기 위해 사용되는 천연자원은 건설업 관련 전 분야에 걸쳐 광범위하게 사용되므로 안정적인 공급이 필수적이나 점차 수급이 불안정해지고 있다 (Ministry of Land Infrastructure and Transport of Korea, 2014).
이는 고밀도 폐유리 대체에 따른 압괴 발생으로 인한 취성 거동에도 불구하고 해석적으로 구현되지 않음을 의미한다. 따라서 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 경우에는 천연잔골재와 동일한 조건에서의 해석방법은 적절하지 않으므로 고밀도 폐유리를 사용한 RC 부재를 해석적으로 검증하기 위해서는 해석방법을 개선해야 할 것으로 사료된다.
또한, 최대하중 이후 발생하는 하중 저하 역시 해석 결과로 구현 가능하였다. 따라서 해석적으로는 고밀도 폐유리 대체에 따른 최대하중 이후에 급격한 하중감소는 인장철근의 하중 부담비율을 증가시킨 방법으로 해석을 수행해야 할 것으로 사료되나, 더 명확한 재료적인 특성을 반영할 수 있는 해석 기법의 도입이 필요할 것으로 판단된다.
4. 고밀도 폐유리 대체에 따른 RC 부재의 휨 거동은 일반적인 해석 기법을 도입하기보다는 재료 특성에 의해 영향을 받는 인자를 고려한 추가적인 해석방법의 도입이 필요한 것으로 사료된다.

참고문헌 (15)

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Lubliner, J., Oliver, J., Oller, S., Onate, E. (1989), A Plastic-Damage Model for Concrete, International Journal of Solids and Structures, 25(3), 299-326.

상세보기
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Ministry of Land Infrastructure and Transport of Korea (2014), The fifth aggregate demand and aggregate supply (in Korean).
Seo, H. S., Kim, J. S., Kwon., M. H. (2018). PST Member Behavior Analysis Based on Three-Dimensional Finite Element Analysis According to Load Combination and Thickness of Grouting Layer. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(6), 53-62 (in Korean).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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