[논문]초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널의 휨 거동 평가

김경철; 고경택; 안기홍; 손민수; 김병석

doi:10.14190/jrcr.2020.8.3.269

초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널의 휨 거동 평가
Evaluation of Flexural Behavior of Lightweight Precast Panel with Ultra High Performance Concrete 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.3, 2020년, pp.269 - 275

김경철 (한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회 특화기술연구팀) , 고경택 (한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회 특화기술연구팀) , 안기홍 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부 복합신소재연구센터) , 손민수 (한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회 특화기술연구팀) , 김병석 (한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회)

초록
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본 연구에서는 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널 개발의 일환으로 단면 두께와 철근 배근 유무에 따른 패널의 휨 재하 실험을 수행하였다. 일반 콘크리트 패널 1개와 초고성능 콘크리트를 사용한 경량 프리캐스트 패널 3개로서 총 4개의 패널을 제작하였다. 초고성능 콘크리트를 사용하고 철근을 보강하지 않은 패널은 단면 크기와 상관없이 일반 콘크리트 패널에 비해 휨 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 초고성능 콘크리트를 적용한 속빈 단면에 콘크리트 양을 감소시킨 패널은 일반 콘크리트 패널에 비해 휨 성능이 150% 향상되었다. 이는 초고성능 콘크리트를 사용한 프리캐스트 패널의 단면 최적화 설계를 통해 더욱 경량화가 가능할 것으로 판단된다. 초고성능 콘크리트를 사용한 경량 프리캐스트 패널을 실제 구조물에 적용하기 위해서는 전단 성능과 연결 상세에 대한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, flexural tests of precast concrete panels according to the thickness of cross-sectional and the with or not of reinforcement were carried out in order to develop and assess of a lightweight precast concrete panel using ultra high performance concrete. For the test, four panels were fabricated, and consisted of one normal concrete panel and three ultra high performance concrete panels. As a test result, it was found that the plain precast panel using ultra high performance concrete had a lower flexural performance than the reinforced normal concrete panel, regardless of the cross-sectional size. The flexural performance of the hollow-sectional precast panel applying ultra high performance concrete, is improved by 150% compared to that of the reinforced normal concrete panel. That is, through additional performance verification and optimization of the cross-sectional design of the panel, the ultra high performance concrete precast panel can be made lighter. Also, the practical use of lightweight precast panels with ultra high performance concrete can be available through evaluation on shear, joint connection and anchoring, etc.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Mix proportion of UHPC
그림 Fig. 1. Dimension of the panel
그림 Fig. 2. Shape of SH120-R1
표 Table 2. Details of test panels
그림 Fig. 3. Test setup
그림 Fig. 4. Instrumentation used for the panel
그림 Fig. 5. Load-deflection curve according to depth of UHPC panels
표 Table 3. Test results of flexural performance of panels
그림 Fig. 6. Failure mode of panels
그림 Fig. 7. Comparison of load-deflection curve according to normal concrete panel and UHPC panel

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널 개발의 일환으로 단면 두께와 철근 배근 유무에 따른 패널을 제작하여 휨 재하 실험을 수행하였다. 또한, 비교를 위해 일반 콘크리트의 패널에 대해서도 동일한 실험을 수행하였다.
속찬 단면 패널은 공통적으로 철근을 배근하지 않았고, SC120-R0-1은 N24-R1과 동일한 두께로 제작하였다. 또한, SC120-R0-2 패널의 두께를 140mm로 감소시켜 패널 두께에 대한 영향과 순수 초고성능 콘크리트만의 휨 성능을 평가하고자 하였다.
본 연구에서 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널 개발의 일환으로 단면 두께와 철근 배근 유무에 따른 패널을 제작하여 휨 성능을 평가하였다. 또한 일반 콘크리트 패널에 대해서도 동일한 실험을 수행하여 비교하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

Fig. 5에서 철근이 배근되지 않은 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널 S120-R0-1과 동일한 조건에 패널 두께를 140mm로 감소시킨 S120-R0-2의 하중-처짐 관계를 분석하였다. 패널 S120-R0-1과 S120-R0-2의 P_cr 은 각각 79.
거푸집 제거 후 일반 콘크리트 패널은 60±10℃, 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널은 90±5℃에서 각각 2일 동안 고온 증기양생을 실시하였다.
본 연구에서 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널 개발의 일환으로 단면 두께와 철근 배근 유무에 따른 패널을 제작하여 휨 성능을 평가하였다. 또한 일반 콘크리트 패널에 대해서도 동일한 실험을 수행하여 비교하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
거푸집 제거 후 일반 콘크리트 패널은 60±10℃, 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널은 90±5℃에서 각각 2일 동안 고온 증기양생을 실시하였다. 또한, 콘크리트 패널 제작 시 일반 콘크리트(NC)와 초고성능 콘크리트(SC)의 압축강도 측정용 원주형 공시체와 할렬인장강도 및 직접인장강도 시편을 각각 3개씩 제작하였다.
본 연구에서 사용된 실험 패널은 크게 일반 콘크리트 패널과 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널로 각각 구분하였다. 실험 부재의 주요변수는 콘크리트 종류, 단면 크기 그리고 철근 유무로 설정하였고, Table 2에 실험 부재의 특성을 각각 나타내었다.
실험 부재의 상단, 중간 및 하단면에 콘크리트 변형률 게이지를 부착하였고, 하중 가력 지점에 50mm 용량의 변위계를 설치하여 처짐을 측정하였다.
본 연구에서 사용된 실험 패널은 크게 일반 콘크리트 패널과 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널로 각각 구분하였다. 실험 부재의 주요변수는 콘크리트 종류, 단면 크기 그리고 철근 유무로 설정하였고, Table 2에 실험 부재의 특성을 각각 나타내었다. 일반 콘크리트 패널 N24-R1은 콘크리트 벽체 설계기준(KDS 14 20 72 : 2016)과 공동주택 구조설계지침(SHCC 2012) 기준에 따라서 패널 두께와 철근량을 선정하였다.
콘크리트 타설 후 온도 20±2℃에서 1일 동안 양생포를 사용하여 습윤양생을 수행하였다.
콘크리트 패널의 휨 성능 평가 실험은 용량 3,000kN의 가력장비(UTM)를 활용하여 Fig. 3과 같이 패널 중앙을 기준으로 200mm 구간에 4점 하중재하 방식으로 하중을 재하하였다. 패널의 계측장치는 Fig.
하중 단계별 부재의 중앙에서 측정된 처짐을 이용하여 하중-처짐 관계를 비교하였다. Table 3에 초기균열, 항복 및 극한하중의 측정값을 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널의 주재료는 Table 1에 나타낸 설계기준압축강도 120MPa급 초고성능 콘크리트 배합을 적용하였다(KICT 2020a; KICT 2020c).
2011). 또한, KCI(2019)에서 규정하고 있는 피복두께 25mm를 적용하였다. 일반 콘크리트 패널 N24-R1의 자중은 3.
036cm²/g)를 사용하였다. 또한, 직선형상의 강섬유(직경 0.2mm, 길이 19.5mm, 인장강도 2,000MPa 이상)를 사용하였고, 강섬유의 혼입률은 초고성능 콘크리트의 체적에 대해 1.0%를 적용하였다. 일반 콘크리트 패널에 사용된 콘크리트는 호칭강도 24MPa의 레디믹스트 콘크리트를 적용하였다.
1(d)에서 보는 바와 같이 속빈 단면 패널 SH120-R1은 N24-R1 패널과 동일한 철근량을 사용하였다. 또한, 콘크리트 두께는 102mm로 하였으며, 패널 전체 단면 두께를 200mm로 설정하였다. Fig.
이 배합에 사용되는 재료로는 보통 포틀랜드 시멘트(밀도 3.15g/cm3, 비표면적 3,413cm2/g), 실리카퓸(밀도 2.10g/cm3, 비표면적 240,000cm2/g), 고로슬래그미분말(밀도 2.91g/cm3, 비표면적 4,463cm2/g), 충전재(석회석 미분말, 밀도 2.70g/cm3, 비표면적 6,325cm2/g, CaO 54.07%) 등으로 구성된 프리믹싱 결합재, 모래(밀도 2.62g/cm3, SiO2 90% 이상, 평균입경 0.5mm 이하), 폴리카르본산계 고성능 감수제(밀도 1.04g/cm3, 고형성분 30%), 액상형 수축저감제(글로콜계, 밀도 1.036cm2/g)를 사용하였다.
0%를 적용하였다. 일반 콘크리트 패널에 사용된 콘크리트는 호칭강도 24MPa의 레디믹스트 콘크리트를 적용하였다. 콘크리트 타설 시 초고성능 콘크리트 배합의 슬럼프 플로는 723mm, 공기량 3.
초고성능 콘크리트를 적용한 경량 프리캐스트 패널 SH120-R1의 극한하중상태에서 Pu는 374.5kN이고, 이때의 처짐 Δu는 5.1mm로 측정되었다.
일반 콘크리트 패널 N24-R1은 콘크리트 벽체 설계기준(KDS 14 20 72 : 2016)과 공동주택 구조설계지침(SHCC 2012) 기준에 따라서 패널 두께와 철근량을 선정하였다. 패널 두께는 200mm이고, 압축과 인장 철근량은 각각 380.0mm²(3-D13)로 동일하게 적용하였으며, 피복두께는 40mm를 사용하였다.

성능/효과

1) 순수 초고성능 콘크리트만을 적용한 속찬 단면 패널의 휨 성능을 비교한 결과, 단면 두께 140mm의 패널은 단면 두께200mm 패널에 비해 약 20%정도 휨 성능이 저하되는 것으로 나타났다.
2) 철근 보강 초고성능 콘크리트를 적용한 속빈 단면 패널은철근 보강 일반 콘크리트 패널에 비해 휨 성능이 150% 향상되고, 40% 정도의 무게가 감소하는 것으로 나타났다.
Table 2에서 나타낸 것처럼 NC와 SC의 콘크리트 평균압축강도는 27MPa과 132MPa로 측정되었다. NC의 평균 할렬인장강도는 1.8MPa이고, SC의 평균 직접인장강도는 7.3MPa로써, 일반 콘크리트의 취성 거동의 단점을 보완하기 위해 개발된 초고성능 콘크리트의 직접인장강도는 연성 거동으로 유도하기 위한 중요한 변수임을 나타낸다.
1) 순수 초고성능 콘크리트만을 적용한 속찬 단면 패널의 휨 성능을 비교한 결과, 단면 두께 140mm의 패널은 단면 두께200mm 패널에 비해 약 20%정도 휨 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 단면 두께 200mm를 갖는 철근으로 보강한 일반 콘크리트 패널 대비 순수 초고성능 콘크리트 패널의 휨 성능은 약 25%정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 초고성능 콘크리트를 사용하더라도 철근 배근 및 보강재의 설치가 필요한 것으로 분석되었다.
일반 콘크리트 패널에 사용된 콘크리트는 호칭강도 24MPa의 레디믹스트 콘크리트를 적용하였다. 콘크리트 타설 시 초고성능 콘크리트 배합의 슬럼프 플로는 723mm, 공기량 3.2%이고, 일반 콘크리트의 슬럼프는 118mm와 공기량 4.2%로 각각 측정되었다.

후속연구

3) 초고성능 콘크리트를 사용한 경량 프리캐스트 패널을 실제구조물에 적용하기 위해서 철근 보강과 단면 두께에 대해 더욱 상세한 검토를 통해 단면 최적화가 필요하고, 휨 성능외에 전단과 연결 상세에 대한 추후 검토가 필요할 것으로 판단된다.
향후 공기단축과 미관⋅내구성 관점에서 건축부재용 초고성능 콘크리트 프리캐스트 제품이 많이 적용될 가능성이 높다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자중을 줄이는 방법으로 가장 효율적으로 판단되는 것은?	콘크리트의 경량화를 위해 자중을 줄이는 것이 가장 중요하다. 자중을 줄이는 방법으로 경량 콘크리트와 고강도 콘크리트의 적용이 가장 효율적으로 판단된다.
	프리캐스트 콘크리트 제품에 요구 되는 것은?	특히, 건설현장에서 근로시간이 주 52시간과 레미콘 85제 시행으로 공기단축을 위해 프리캐스트 콘크리트 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 프리캐스트 콘크리트 제품은 구조적인 성능과 함께 경량화가 요구된다. 콘크리트의 경량화를 위해 자중을 줄이는 것이 가장 중요하다.
	초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete, UHPC)는 어디에 적용되고 있는가?	2012; Park and Kim 2016). 일반 교량뿐만 아니라 콘크리트 사장교의 상부구조, 건축물에는 현장 타설 쉘 구조에 적용되고 있다(KICT 2020a; KICT 2020b). 초고성능 콘크리트를 프리캐스트 콘크리트 분야에 적용하는 연구로는 주로 교량 거더와 바닥판에 적용하는 연구(Honarvar et al.

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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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