1. 서 론

대한민국은 경제개발계획과 함께 1960년대 이후에야 비로소 건축 및 사회기반시설의 구축을 시작하면서 콘크리트 구조물이 대규모로 지어지기 시작했다. 산업화는 수도권과 도심지 유입인구 증가와 함께 주거용 건축은 판상형에서 탑상형의 아파트로, 업무용 건축물은 직선과 평면의 각이 진 빌딩들로 도심을 이루었다. 하지만 경제성장 이후 21세기로 접어든 지금 도심경관 및 건축미에 대한 선호로 점차 비정형 건축에 관한 관심은 높아지고 있다.

근대 이전까지 석조의 “압축부재의 시대”에서 19세기 산업혁명 이후 철근콘크리트 구조는 “휨부재의 시대”로 접어들게 하면서 건축물 설계에 일대 변혁을 가져왔는데, 건축의 평면공간증가 및 고층화 건축의 적용으로 뉴욕 같은 거대도시가 탄생되게 하였다(Cho 2015, 2018)^(1,2). 하지만 근대 이전 석조 건축의 구조 원리에서 볼 수 있었던 아치, 볼트, 돔과 같은 곡선과 곡면의 부재들은 점차 사라지게 되고, 보, 기둥, 슬래브 및 벽체들이 직선과 평면적인 반듯한 부재들로 세워진 직육면체의 콘크리트 구조가 도심을 가득 채웠다. 이러한 도시 산업화의 콘크리트 건축은 직육면체의 획일화된 도형 구조로, 곡선과 구부러진 선과 면, 원형과 비정형의 다양한 도형 구조를 갖는 중세 및 근대 이전의 석조 구조에 비해 화려한 건축적 형태미를 부각시키지 못했다(Kam et al. 2009; Yeom and Cho 2019)^(5,11). 20세기 초 초창기 콘크리트 건축은 르꼬르뷔지에의 콘크리트 건축들에서 볼 수 있듯이 성형성과 형태미 창출에 있어 석재보다 뛰어난 콘크리트의 무한한 가능성을 형상화에 적극적으로 활용하였으며, 직선과 평면보다는 곡면과 비정형성을 지닌 Fig. 1과 같은 르꼬르뷔지에의 콘크리트 건축물들을 유럽의 곳곳에서 볼 수 있었다(Yeom and Cho 2019)¹¹⁾.

본 연구에서는 건축 구조부재에 적용 가능한 요소로서 콘크리트계 비정형 구조 부재의 개발 및 활용을 위한 개념적 접근을 시도한 연구로써, 초고강도 섬유시멘트복합체의 일종인 UHPC(Ultra High-Performance Concrete, UHPC)를 활용한 비정형 콘크리트 솔리드 및 트러스 구조 부재의 형상계획 및 설계, 비정형 부재의 제작, 그리고 구조적 성능평가를 통한 향후 활용 가능성을 높이는데 연구의 목적이 있다. 이를 위한 연구방법으로서, 직사각형 단면의 철근콘크리트 단순보를 대상으로 3차원 유한요소해석 및 스트럿-타이 방법을 이용하여 UHPC 비정형 솔리드 및 트러스 구조요소의 형태 계획 및 설계를 시도하고, 제안된 비정형 솔리드 및 트러스 구조요소 형상에 따른 부재 제작을 위한 비정형 구조의 거푸집 제작 기술 제시, 그리고 이를 활용 철근 UHPC 비정형 솔리드 및 트러스 보의 시험체를 제작하였다. 설계 및 고안된 부재의 구조성능 평가를 위해 구조재하시험 및 성능평가를 수행함으로써 비정형 콘크리트계 솔리드 및 트러스 부재의 활용 가능성을 평가하였다.

2. 비정형 건축구조요소 적용 UHPC

일반적으로 건축물에 주로 적용되는 콘크리트는 압축강도 20~30 MPa 정도로서, 압축 및 인장강도, 취성 및 균열 특성에서 부재를 세장하고 슬림화하는 비정형 형상으로 설계하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 구조 부재의 세장화 및 비정형 부재 적용에 유리한 압축에서의 초고강도, 인장에서의 강도뿐만 아니라 균열제어 및 연성능력 발현에 유리한 UHPC 배합을 적용하도록 하였다.

건축 구조부재 적용에 실용적인 초고강도 콘크리트의 압축강도는 200 MPa 내외의 높은 압축강도보다는 120 MPa 내외에 인장강도 및 인장연성능력이 우수한 초고성능 콘크리트가 오히려 이점이 있다. 본 연구에 적용된 건축구조 요소의 UHPC의 배합은 상온 습윤양생 조건에서 압축강도 120 MPa 이상을 목표로 하였으며, 이를 위해 제시된 배합은 Table 1과 같다. 초고강도 시멘트 매트릭스의 섬유 사이 계면 및 부착효과, 섬유분산성과 인장능력 향상을 위해 강섬유가 혼입 배합되었다. 강섬유는 탄성계수 200 GPa, 인장강도 2,700 MPa 및 지름 0.2 mm인 직선형으로서, 형상계수 80인 길이 16 mm 강섬유와 형상계수 100인 길이 20 mm 강섬유를 1:2의 비율로 혼합, Fig. 2와 같이 팬믹서를 이용 배합제조 하였다.

굳지않은 상태 UHPC의 유동특성을 확인하기 위해 KS F 2594에 따라 슬럼프 콘을 이용한 슬럼프 플로 시험 결과(KATS 2009)⁽⁷⁾, 슬럼프 플로의 평균 735 mm 정도를 보여 타설 시공 시에 충분한 유동성능이 확보되었다.

배합 제조된 굳은 상태 UHPC의 역학적 특성을 파악하기 위해 조선대학교 실험실에서 상온 습윤상태의 14일 및 28일 양생기간을 거친 후 압축강도, 직접인장강도, 전단강도 시험을 하였다. KS B 5533(KATS 2003)⁽⁶⁾ 인증의 유압 전동식시험기를 이용하여 공시체의 압축강도 시험의 측정 결과, 각각 12개의 시험체에서 UHPC의 압축강도는 재령 14일에서 평균 127 MPa, 재령 28일에서는 평균 133 MPa로 측정되어 목표 120 MPa 이상을 상회하였다.

본 연구에서 배합 제조된 굳은 UHPC의 인장거동특성평가를 위해 Fig. 3과 같이 직접인장시험을 위한 아령형 시험체를 제작하여 설치된 사진과 같이 UTM 장비를 이용 28일 양생 이후 직접인장시험을 수행하였다(Lee et al. 2012)⁽⁸⁾. 각 시험체의 직접인장시험 결과, Fig. 3의 파괴 시험체와 같이 인장응력의 증가에 따라 다중미세균열 진전의 양상을 보이며 인장변형률이 증가하다가, 대략 4 % 인장변형률 이후 일부 균열에서 균열폭이 급진전하면서 인장응력을 상실하면서 파괴에 도달했으며, 측정된 각 시험체의 직접 인장응력 및 인장변형률 관계는 Fig. 4와 같다. 평균 최대인장강도는 10.9 MPa로 예측되었고 이에 대응하는 평균 인장변형률은 0.34 %였다. 최대인장강도 이후 변형연화거동 양상을 보였으며, 인장변형률 평균 7.8 % 정도에서 인장파괴에 도달하는 것으로 나타나, 본 연구의 UHPC는 기존 콘크리트와 달리 높은 인장강도, 인장균열에 대한 제어 및 균열발생 후의 높은 인장연성능력을 발휘하는 장점이 있는 것으로 평가되었다. 이는 인장균열 이후 변형경화형 고인성변형률 특성을 갖는 합성섬유 적용 시멘트복합체와는 다른 인장연성거동 양상을 보였다(Cho et al. 2012; Lee et al. 2012)^(4,8).

배합 제조된 UHPC의 전단강도 평가를 위해 Fig. 5와 같이 각각 재령 14일 및 28일 각각에 대해 5개씩의 시험체를 제작하였으며, 100톤 용량의 UTM을 사용 1면 전단강도시험을 수행하였다. 시험결과 재령 14일 및 28일에서의 예측된 UHPC의 전단강도를 Fig. 6에 제시하였다. 재령 14일 28일에서의 UHPC의 평균전단강도는 각각 27.46 MPa 및 31.62 MPa로 예측되었으며, 이는 비교 대상으로 고려한 벡트란섬유를 혼입한 섬유시멘트복합체의 15.14 MPa(Moon 2019)⁽⁹⁾, 그리고 일반 콘크리트의 5.04 MPa보다 크게 상회하는 것으로, 배합 제조된 UHPC는 높은 전단강도 특성을 발휘하는 것으로 평가되었다.

3. 비정형 구조 요소의 형상 설계

4. 비정형 부재 제작을 위한 거푸집 기술

일반 철근콘크리트 타설공사는 기존 목재 또는 시스템 거푸집을 사용하여 제작 및 시공하는 방법이 일반화되어 있다. 이와 달리 비정형 콘크리트 구조 요소를 적용할 경우 비정형 형상을 갖는 콘크리트 부재의 제작을 위한 별도의 거푸집 기술이 요구된다. 본 연구에서는 비정형 콘크리트 부재 제작을 위한 거푸집기술로서 두 가지 방법을 제시하였는데, Fig. 13과 같이 유리섬유 FRP를 이용한 비정형 거푸집 제작기술, 그리고 Fig. 14와 같이 고무, 천, 또는 특수재질의 변형소재를 이용 다양한 형태의 비정형 부재 제작에 용이한 가변거푸집 기술을 제시하였다(Cho and Kim 2018)⁽³⁾.

유리섬유 FRP 비정형 거푸집 방법은 점토인 조각토를 이용 부재와 같은 크기로 비정형 형상화하고, 제작된 조각토 몰드 형상에 따라 폴리코드경화제와 타르를 섞어 조각토 표면에 바르고 그 위에 유리섬유를 붙인다. 이때 거푸집 타설 및 탈형이 용이하도록 좌우분리형 비정형 거푸집으로 제작하였으며, 유리섬유 표면이 마르면 추가적인 재벌작업을 4회 정도 실시하여 굳은 유리섬유 FRP가 충분한 거푸집 강성을 발휘하도록 하였다. 거푸집 표면이 충분히 굳어지면 내부 조각토를 제거하고 좌우분리형 거푸집에 볼트체결작업을 하고 UHPC 타설 시 균형유지와 거치를 위한 틀을 함께 제작하였으며, 이와 같은 방법에 따라서 Fig. 15와 같이 철근 UHPC 비정형 솔리드 및 트러스형 보 시험체를 제작하였다.

비정형 부재 제작을 위한 가변형 거푸집 기술은 고무판, 천 및 변형소재를 이용 목재 또는 철재 박스형 수납부 내에 두어 수동 또는 자동의 가압조절장치를 이용하여 원하는 형상의 비정형 부재를 제작할 수 있도록 한 것으로, 사용횟수 및 다양한 형상의 곡면 및 비정형 부재를 제작할 수 있는 장점이 있다(Cho and Kim 2018)⁽³⁾. 그 외 콘크리트 부재 제작을 위한 3D 프린팅기법 관련 실용기술에서 큰 진전을 보인다면 미래에는 다양한 비정형 콘크리트 부재 제작에서 크나큰 진보를 기대할 수 있다.

5. 철근 UPHC 비정형 보 시험체의 제작 및 실험

앞 장들에서 소개한 UHPC 재료, 비정형 UHPC 솔리드 및 트러스 타입의 부재형상 설계, 그리고 부재 제작을 위한 거푸집기술을 이용 철근 UHPC 비정형 솔리드 및 트러스 보의 시험체를 설계 및 제작, 그리고 구조재하 성능시험을 하였다. 적용된 UHPC는 앞 장에서 소개한 바와 같이 28일 압축강도가 평균 133 MPa이다.

150×300 mm 직사각형 단면을 갖고 지간 중앙에 집중하중을 받는 순지간 1,350 mm인 3점 재하 단순보에 대해 앞 장에서 소개된 3차원 유한요소해석에 따른, 압축, 인장 및 전단력 분포, 그리고 비정형 형상 설계를 통해 최적화된 철근 UHPC 비정형 솔리드 보 시험체를 Fig. 16과 같이 제시하였다. 최종적으로 휨파괴에 유도되도록 지점부에서의 UHPC 단면적과 전단철근을 충분히 확보하도록 하였으며, 지간 중앙부에서 1/4 지간부 사이에는 단면중앙부에도 종방향 철근을 두어 UHPC 비정형 형상, 전단철근 고정, 수축균열억제 등에 유리하게 하였다. 직사각형 단면과 비교해 경량 최적화된 비정형 UHPC 솔리드 보 시험체의 구조성능 비교를 위해, 150×300 mm 직사각형 단면을 갖는 50 MPa 고강도 철근콘크리트 단순보를 제작하여 재하시험 결과를 비교하였다.

보의 높이를 증가시킨 200×300 mm 직사각형 단면의 동일지간 단순보에 4점 재하를 적용하여 휨모멘트 외에 전단력의 영향을 증가시킨 단순보로부터, 스트럿-타이 방법과 비정형 형상 설계를 통해 최적화된 철근 UHPC 비정형 트러스 보 시험체를 Fig. 17과 같이 제시하였다. 지점부 부근 파손을 억제하기 위해 단부에 충분한 UHPC 단면적 및 띠철근을 배근하였으며, 압축 및 인장에 따라 철근 배치 이외에 UHPC 트러스 요소의 단면적을 달리하면서 이를 비정형 곡선미로 표현되도록 하여 구조적 특성과 형태미를 반영한 비정형 트러스 구조가 되도록 하였다. 비정형 UHPC 트러스 보 시험체의 구조성능 비교를 위해, 200×300 mm 직사각형 단면을 갖는 50 MPa 고강도 철근콘크리트 단순보를 제작 동일 4점 재하시험을 통해 그 결과를 비교하였다.

철근 UHPC 비정형 솔리드 보 시험체의 3점 재하 시험 및 최종 파괴 시 시험체 사진들을 Fig. 18에 나타내었다. 철근콘크리트 직사각형 단면 보 시험체는 최초 휨균열 발생 후 하중증가에 따라 지간 중앙에서 추가적인 휨균열 발생 및 균열폭 증가 양상을 보이다가 인장철근항복 후 휨 균열폭 증가는 더욱 뚜렷하였으며, 이로인해 철근항복 이후 내력증가 없이 뚜렷한 처짐 증가 양상을 보이다가, 최종적으로 지간 중앙에서 압축파괴에 도달하였다. 비정형 UHPC 솔리드 보 시험체는 하중증가에도 뚜렷한 균열폭 진전 없이 균열제어효과로 다중미세균열 양상을 보이다가, 인장철근항복 이후에도 뚜렷한 균열폭 증가없이 내력상승을 지속하였으며, 최종적으로 단면이 감소되는 인장철근 절단부에서 균열폭이 급격히 진전하면서 파괴되었다. UHPC 비정형 솔리드 보 시험체의 최대내력은 95 kN으로 철근콘크리트 직사각형 단면 보 시험체의 최대내력 82 kN를 상회하였으며, 인장철근 항복 전후 및 최종파괴 도달에 이르기까지 철근콘크리트 보 시험체에 비해 안정적인 구조거동특성을 나타낸 것으로 판단되었다.

철근 UHPC 비정형 트러스 보 시험체의 4점 재하 시험 및 최종 파괴 시 시험체 사진들을 Fig. 19에 나타내었다. 철근콘크리트 직사각형 단면 보 시험체는 지간 중앙에서 최초 휨균열 발생 후 하중증가에 따라 지간 중앙 및 1/4 지간에 걸쳐서 추가적인 휨균열 및 전단균열이 발생하였으며, 국부적인 균열폭 증가 양상도 뚜렷하였으며, 198 kN에 도달 직전 인장철근항복 후 균열폭 증가는 더욱 뚜렷하였으며, 최종적으로 전단 및 휨 균열폭 진전 이후 지간 중앙에서 압축파괴에 도달하였다. 최대내력은 237 kN으로 측정되었다. 비정형 UHPC 트러스 보 시험체는 230 kN 부근에서 최초 인장철근항복에 도달하기까지 하중증가에도 균열제어효과로 다중미세균열 양상을 보였으며, 인장철근항복 이후에도 국부적인 균열폭 증가없이 내력상승을 지속하였으며, 최종적으로 지간 중앙부근 하단부 인장 트러스요소에서 균열폭이 급격히 증가한 후에 파괴되었다. UHPC 비정형 트러스 보 시험체의 최대내력은 241 kN으로 측정되었고, 트러스 보 시험체 역시 인장철근 항복 전후 및 최종파괴 도달에 이르기까지 안정적으로 내력을 발휘하는 것으로 판단되었다.

6. 결 론

본 연구는 건축용 콘크리트 비정형 구조요소의 개발 및 활용 가능성에 대한 개념적 연구의 시도로서, 120~140 MPa 압축강도와 8~12 MPa 인장강도 및 0.5 % 이상의 최대인장변형률 특성을 갖는 UHPC 비정형 솔리드 및 트러스 보에 대한 구조 및 형태 설계, 비정형 거푸집 기술을 통해 부재 제작기술, 구조재하시험을 통한 성능평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

전형적인 직사각형 단면의 철근콘크리트 보에 대한 3차원 유한요소해석 및 스트럿-타이 방법을 이용한 인장 및 압축 응력 흐름의 분석과 UHPC의 역학적 특성을 반영하여 구조적 효율성을 극대화하면서 곡선화된 건축적 형태미를 함께 높인 UHPC 비정형 보를 위한 구조 및 형태 계획 및 설계를 위한 개념적 접근법을 제시하였으며, 휨 및 전단 지배의 영향에 따라 비정형 솔리드 및 트러스 형상을 갖는 철근 UHPC 보 시험체의 상세를 제시하였다. 비정형 UHPC 부재 제작을 위해 제시된 거푸집 기술을 통해 세장하면서 곡면의 비정형적인 다양한 형태의 구조요소 제작에 용이하였다.

보 시험체의 구조재하 성능시험을 수행, 개발된 철근 UHPC 비정형 솔리드 및 트러스 보 시험체는 하중증가에 따른 UHPC의 균열제어효과 및 압축거동능력을 효율적으로 반영한 구조설계의 장점으로 기존 철근콘크리트 직사각형 단면 보와 비교하여 인장철근 항복 전과 후, 그리고 파괴에 도달하기까지 안정적인 거동을 발휘하는 것으로 평가되었다.