3.2.1 파괴양상

강섬유가 혼입되지 않은 콘크리트의 압축강도가 이방향 RC 슬래브의 충격저항 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 N25-F0, N60-F0, U180-F0 시험체에 대한 낙하추 충격실험을 수행하였다. 충격하중을 받은 모든 시험체는 최종적으로 뚫림 전단파괴가 발생하였다. 시험체의 최종 파괴양상은 Fig. 5와 6을 통해 나타내었다.

Fig. 5 Failure modes of specimens (series 1)

Fig. 6 Damaged rear surface of N25-F0 (blow No. 1)

모든 시험체에서 뚫림 전단파괴가 발생한 원인은 Fig. 7(c)에 나타난 바와 같이 낙하추 텁(tub)의 형상이 구형으로 제작되어 짧은 시간동안 큰 충격하중이 집중되어 시험처에 가해졌기 때문이다^{(Sevkat et al. 2013; Xiao et al. 2017)}. 가해진 충격파의 전달 속도가 균열의 진전 속도보다 빠를 때 콘크리트 시험체에는 균열의 경사 각도가 큰 원뿔 형태의 전단 균열인 shear plug가 발생하게 된다^{(Dinic and Perry 1990; Yankelevsky 1997)}. 콘크리트 압축강도가 더 작은 N25-F0에서 더 확연한 shear plug가 확인된 반면 중앙부 방사형 균열은 다른 시험체에 비해 적게 발생하였다. Fig. 5(b), (c)에 나타낸 바와 같이 상대적으로 압축강도가 큰 N60-F0과 U180-F0에서도 shear plug의 형성과 함께 최종적으로는 뚫림 전단 파괴가 발생하였으나 N25-F0과 비교하여 더 많은 방사형 균열을 확인할 수 있었다.

모든 시험체에서 뚫림 전단 파괴가 발생하였지만 배근된 철근의 파괴는 발생하지 않았으며 시험체 중앙부 콘크리트의 심각한 국부손상이 발생한 후에도 철근을 통해 충격하중이 전달되는 것으로 판단된다.

Fig. 7 Test instrumentation and data acquisition system

3.2.2 균열폭

N25-F0, N60-F0, U180-F0 시험체에서 발생한 균열은 약 0.5 mm의 유사한 최대 균열폭을 나타내었다. 이러한 결과는 모든 시험체에서 국부적인 shear plug가 지배적인 파괴 메커니즘으로 작용하여 유사한 균열을 발생시켰기 때문이다. 시험체의 압축강도가 증가할수록 슬래브 중심으로부터 더 많은 방사형 균열을 확인할 수 있었으나 그 차이는 크지 않았다. 콘크리트 압축강도 별 타격 횟수에 따른 균열폭은 Table 6에 나타내었다.

3.2.3 충격 하중 및 최대 반력 하중

충돌의 종류는 충돌체의 특성에 따라 연성 충돌과 강성 충돌로 나뉘어진다. 연성 충돌은 강도와 강성이 작은 물체가 충돌하였을 때 물체의 충격면에서 충격에 의한 변형 에너지의 방출이 발생하고 물체의 재료 손상이 동반되어 충격에너지의 흡수가 발생하는 현상을 말한다. 강성 충돌은 강도와 강성이 큰 물체가 충돌하였을 때 물체의 충격면에서 충격에 의한 변형 에너지의 방출이 일어나지 않으며 재료의 손상에 의한 충격에너지의 흡수가 발생하지 않는 현상을 말한다^{(Rigueiro et al. 2017; Prabowo et al. 2018)}. 서로 다른 시험체에 동일한 에너지의 충격하중이 가해지더라도 시험체의 강도 및 강성에 따라 충돌의 종류가 달라져 서로 다른 충격 하중(impact force)과 최대 반력 하중(reaction force)이 나타날 수 있다. N25-F0, N60-F0, U180-F0 시험체는 동일한 에너지의 충격하중(impact force)이 가해졌으나 측정된 최대 충격하중은 각각 263.89 kN, 303.62 kN, 321.18 kN으로 측정되었다. 다른 시험체들에 비해 충격 하중이 가장 작게 측정된 N25-F0 시험체의 충돌 양상은 연성 충돌로 보인다. 그 이유는 가해진 충격하중에 의해 시험체에 국부 손상이 발생하게 되어 콘크리트의 변형 및 파괴로 인해 충격에너지의 흡수가 발생하였기 때문이다. N60-F0, U180-F0 시험체는 충돌의 양상이 강성 충돌과 유사하게 나타났으며 N25-F0 시험체보다 충격 하중이 더 크게 측정되었다. 이러한 결과는 N60-F0, U180-F0 시험체가 N25-F0 시험체에 비해 더 큰 강도와 강성을 가지고 있어 충격 에너지에 의한 재료 손상이 적게 발생하였기 때문이다. N25-F0, N60-F0, U180-F0 시험체의 최대 반력 하중은 각각 118.70kN, 136.26 kN, 139.11 kN로 측정되었다. Fig. 6에 나타난 바와 같이 모든 시험체의 중앙부에서 뚫림 전단파괴가 발생하였다. 그러나 콘크리트의 압축강도가 증가할수록 더 많은 에너지의 충격하중을 견딜 수 있게 되어 전단 균열인 shear plug가 확연하게 형성되지 않아 하중이 지점부까지 전달 되어 더 많은 방사형 균열이 관측되었다. Series 1에서 나타난 punching shear를 통해 콘크리트 압축강도의 증가가 충격 저항 성능 향상에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 판단되며 측정된 최대 반력 하중이 유사한 수치를 보이는 것은 충격하중이 슬래브에 배근된 철근에 의해 지점부로 전달되었기 때문이다. 타격횟수에 따른 실험체의 충격 하중 및 반력 하중은 Table 7에 나타내었다.

3.3.1 파괴양상

강섬유 혼입이 보통콘크리트와 초고성능콘크리트의 충격 저항 성능 향상에 미치는 영향을 평가하기 위해 N60-F2, U180-F2 시험체에 대한 낙하추 충격 실험을 수행하였다. Fig. 8에 나타난 바와 같이 N60-F2, U180-F2 시험체는 강섬유 혼입이 되어있지 않은 N60-F0, U180-F0 시험체에 비해 명확한 뚫림 전단파괴 및 배면박리가 발생하지 않았다. 강섬유의 혼입은 콘크리트의 인장 강도 및 인성(toughness)을 증가시켜 콘크리트 구조의 에너지 흡수 능력 향상과 연성적 거동을 유도한다^{(Cánovas and Gaitan 2012; Okay and Engin 2012; Ou et al. 2012; Wu et al. 2016; Ulzurrun and Zanuy 2017; Yoo et al. 2017)}. 본 실험에서 강섬유가 혼입된 시험체는 충격하중 재하 시 연성적 거동을 보이며 향상된 충격저항 성능을 나타냈다. N60-F0, U180-F0 시험체는 2회 타격 후 심각한 국부 손상이 발생하여 실험이 종료된 반면 N60-F2, U180-F2 시험체의 경우는 2회 타격 시 뚫림 전단 파괴 및 배면 박리가 발생하지 않았으며 각각 6회, 11회까지 충격 실험을 진행하였다. 특히 U180-F2 시험체에서는 많은 미세 균열이 발생하였으며 타격 횟수가 증가할수록 미세 균열 폭이 증가하며 Fig. 8(d)에 나타난 것과 같이 방사형 균열의 모습을 나타내었다. 이러한 미세 균열의 발생은 충격하중의 분산을 유도하여 응력집중에 의한 국부손상을 억제 하였다^{(Khaloo and Afshari 2005; Pakravan et al. 2017; Yin et al. 2018; Hong and Jung 2019)}.

Fig. 8 Failure modes of specimens (series 2)

3.3.2 균열폭 및 처짐

Fig. 9에 나타낸 바와 같이 강섬유를 혼입한 N60-F2, U180- F2 시험체는 4회 이전까지 동일한 타격 횟수에서 유사한 최대 균열폭이 측정되었다.

실험으로 관측된 최대 처짐 및 잔류 처짐은 Fig. 10을 통해 확인할 수 있다. N60-F2, U180-F2 시험체는 강섬유의 혼입으로 인해 최대 처짐과 잔류 처짐의 감소가 나타났다. 강섬유를 혼입하지 않은 경우, 콘크리트 압축강도가 증가할수록 최대 처짐과 잔류 처짐이 증가하는 경향을 보였고 강섬유를 혼입한 경우에는 콘크리트 압축강도의 차이에 따른 최대 및 잔류처짐의 큰 차이는 보이지 않았다.

Fig. 9 Maximum crack width

Fig. 10 Maximum and residual deflection (series 2)

3.3.3 충격 하중 및 최대 반력 하중

낙하추 충격 실험을 통해 N60-F0, N60-F2 시험체의 충격하중은 303.62 kN에서 349.24 kN으로 약 15 % 증가하였고 U180-F0, U180-F2 시험체의 충격하중은 321.18 kN에서 446.36 kN으로 약 39 % 증가하였다. 이러한 충격하중의 증가는 강성충돌의 영향으로 판단된다.

N60-F2 시험체와 U180-F2 시험체의 최대 반력 하중은 235.70 kN과 300.32 kN으로 측정되었으며 강섬유 혼입 전의 최대 반력 하중인 145.38 kN, 146.95 kN에 비해 각각 62 %, 104 % 증가하였다. 이는 강섬유의 혼입으로 인해 콘크리트 인장강도와 인성의 증가로 에너지 흡수 능력이 향상되어 뚫림 전단파괴가 발생하지 않고 지점부로 더 많은 하중이 전달되었기 때문이다. 측정된 충격 및 반력 하중은 Table 8에 나타내었다.

3.4.1 파괴양상

강섬유를 혼입한 시험체의 콘크리트 압축강도 차이가 충격 저항 성능의 향상에 미치는 영향을 평가하기 위해 N45-F2, N60-F2 U100-F2, U140-F2, U180-F2 시험체에 대한 낙하추 충격실험을 수행하였다. Fig. 11에 나타낸 바와 같이 모든 시험체에서는 섬유보강으로 인해 전단 뚫림파괴와 배면박리와 같은 심각한 국부손상이 발생하지 않았다. 콘크리트의 압축강도가 증가함에 따라 방사형 균열의 수도 증가하는 경향을 보였다. N45-F2, N60-F2 U100-F2, U140-F2, U180-F2 시험체의 실험 종료 시점은 5회, 6회, 7회, 8회, 11회로 나타났다. 이러한 결과는 콘크리트와 강섬유의 부착강도가 콘크리트의 압축강도에 비례하기 때문이며, 증가된 부착강도는 콘크리트 부재의 에너지 흡수 능력을 향상시키기 때문이다.

Fig. 11 Failure modes of specimens (series 3)

3.4.2 균열폭 및 처짐

타격 횟수에 따른 시험체의 최대 균열폭은 Fig. 9에 나타내었다. 모든 시험체는 4회 타격까지 미세균열의 생성과 함께 균열의 개수가 증가하는 경향이 나타났고 5회 타격부터는 새로운 균열의 생성 없이 기존 균열의 폭이 증가하였다. 미세균열의 생성 및 확장은 Fig. 12에 나타내었다.

강섬유를 혼입한 시험체는 시험체의 콘크리트 압축강도가 증가함에 따라 최대 및 잔류처짐이 감소하는 경향을 보인다. 모든 시험체는 강섬유혼입으로 혼입전에 비해 최대 및 잔류처짐이 크게 감소하였으나 콘크리트 압축강도에 따른 편차는 크지않았다. 시험체의 최대 및 잔류처짐은 Fig. 13을 통해 나타내었다.

Fig. 12 Expansion of micro cracks (U180-F2)

Fig. 13 Maximum and residual deflection (series 3)

3.4.3 충격 하중 및 최대 반력 하중

Table 8에 나타난 바와 같이 N45-F2, N60-F2, U100-F2, U140-F2, U180-F2 시험체의 충격 하중은 268.88 kN, 333.87 kN, 380.44 kN, 397.58 kN, 446.36 kN으로 측정되었으며 시험체의 콘크리트 압축강도가 증가함에 따라 N45-F2 시험체의 충격하중에 비해 약 19.5 %, 29.3 %, 32.4 %, 39.8 % 증가하였다. 이러한 결과는 강성충돌의 영향으로 보이며 콘크리트 압축강도가 증가할수록 강도와 강성이 증가하여 낙하추 충격으로 인한 재료파괴가 적게 발생하였기 때문이다.

N45-F2, N60-F2, U100-F2, U140-F2 U180-F2 시험체의 최대 반력 하중은 199.42 kN, 235.70 kN, 268.26 kN, 236.24 kN, 300.32 kN으로 측정되었다. 강섬유를 혼입한 시험체의 콘크리트 압축강도가 증가함에 따라 최대 반력 하중도 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과를 통해 콘크리트의 압축강도 증가는 섬유보강 콘크리트의 충격 저항 성능을 향상시키는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 충격 저항 성능의 향상 정도를 비교하기 위해 Fig. 14에 나타낸 것처럼 타격 횟수에 따른 하중-변위 그래프의 최고점을 연결하여 소산 에너지의 양을 계산하였다^{(Lee et al. 2020)}. 압축강도 별 소산 에너지는 Fig. 15를 통해 나타내었다. N45-F2, N60-F2, U100-F2 시험체의 소산 에너지는 유사하게 나타났으나 U140-F2, U180-F2 시험체의 소산 에너지는 N45-F2 시험체의 소산에너지 양의 비해 60.8 %, 78.5 % 크게 나타났다. 강섬유 혼입 시험체의 소산에너지 증가는 콘크리트 압축강도가 140 MPa 이상일 때부터 크게 나타났다.

Fig. 14 Typical energy dissipating capacity from force-displacement curves (U180-F2)

Fig. 15 Energy dissipating capacity of specimens (series 2, 3)