2.1 실험체의 형태 및 변수

지진하중과 같은 반복 주기하중을 받는 철근콘크리트 외 부 보-기둥 접합부에 순환굵은골재와 고로슬래그미분말의 치 환과 하이브리드섬유(강섬유+PVA섬유) 혼입에 따른 내진성 능을 평가하기 위하여 실제 구조물의 1/2정도의 크기로 축소 한 7개의 실험체를 제작하였다. 철근콘크리트 보-기둥 접합 부의 설계는 ACI Building code (318-11) 및 ACI-ASCE 352위원회의 권장안, 국토교통부 콘크리트 구조설계 규준의 권장안에 따라 설계되었다.

철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체의 변수 및 내용은 Table 1과 같고, 각 실험체의 상세는 Fig. 1(a)~(b)에 나타나 있다.

Fig. 1.

Details of specimen (unit: mm)

2.2 사용재료 특성

2.2.6 PVA섬유

실험체에 사용된 섬유는 Fig. 2와 같이 다양한 형상의 섬 유 중에서 분산성, 시공성, 적합성 등을 고려하여 K사에서 생산되는 길이가 12mm인 PVA섬유 REC15로 선정하였으 며, 사용된 섬유의 물리적인 특성은 Table 8과 같다.

Fig. 2.

PVA fiber

Table 8.

Properties of PVA fiber

Diameter (μm)	Length (mm)	Nominal strength (MPa)	Elongation (%)	Oiling agent content (%)	Young’s modulus (GPa)
39	12	1620	6	0.8	38.9

2.3 실험방법 및 장치

본 연구에서는 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험을 위한 프레임을 제작하여 설치하였으며, 실험체의 설치상황과 각종 시험기기 및 장치는 Fig. 3과 같다. 실험체는 프레임에 기둥 부분을 수평으로 눕혀서 설치하였다. 또한, 7개의 실험체에 기둥의 허용 축하중의 30%를 기둥에 일정하게 가력하였다.

Fig. 3.

Test setup of test specimen

수평하중의 가력은 보의 변곡점에서 변위제어로 하중을 작용시켰다. 반복주기하중의 형태는 Fig. 4와 같으며 반복주 기하중의 주기는 전 실험체를 T=70sec로 하였으며, 반복횟 수 2Cycle로 최대수평하중에 도달한 이후 최대하중이 80% 이하로 감소할 때까지 실험을 진행하였다.

Fig. 4.

Loading history

3.1 이력거동 특성

지진지역에서 철근콘크리트 구조물의 설계 및 해석을 위 하여 비탄성 범위에서 부재의 특성, 즉 부재의 연성, 에너지 소산능력, 강성저하 등을 파악하여야 하며, 이를 위해서 부 재의 이력거동 특성을 정확히 규명하여야 한다.

따라서, 각 설계변수에 따른 실험체의 이력거동을 규명하 기 위하여 각 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체에 반복주 기 하중을 변위제어방식으로 최종파괴시까지 가력하여 이력 거동곡선을 Fig. 5(a)~5(g))와 같이 나타내었다.

각 실험체의 이력거동곡선은 표준실험체에 PVA섬유를 0.2% 혼입한 실험체 BCJGP는 표준실험체보다 강도 및 에 너지 소산능력이 증가하였다. 그러나, 순환굵은골재를 치환 한 실험체시리즈 BCJGPR은 순환굵은골재의 치환율이 증가 함에 따라 강도 및 에너지 소산능력이 감소하는 것으로 나타 났다. 하지만, PVA섬유의 혼입으로 인하여 강도 및 에너지 소산능력이 표준실험체와 유사한 거동을 보였다. 그리고 순 환굵은골재에 치환에 따른 강도 및 에너지 소산능력 감소에 따라 실험체 보강을 위하여 접합부영역 1.5d 범위에 하이브 리드섬유 (강섬유+PVA섬유)를 보강한 결과 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체 BCJGPSR시리즈는 강섬유 0.75% 보 강으로 인하여 균열에 대한 저항성 향상으로 인하여 실험체 BCJGPR시리즈보다 강도 및 에너지 소산능력이 증가하였다. 그리고 표준실험체 BCJS보다 강도 및 강성, 에너지 소산능 력이 증가 되었으며, 하중 재하시 전 영역에 걸쳐 안정적인 이력거동을 나타내었다.

Fig. 5.

Load-displacement relationship of each specimen

3.2 파괴형태

3.2.2 순환굵은골재 치환과 하이브리드섬유 혼입에 따른

실험체 (BCJGP, BCJGPR시리즈, BCJGPSR시리즈) 고로슬래그미분말 치환과 PVA섬유를 보강한 실험체 BCJGP 는 보 내측에 초기 균열이 발생하였고, 변위연성 2~3에서 접 합부영역에서 사인장균열과 접합면에 균열이 발생하였다. 하 중이 증가됨에 따라 접합면에 이격, 콘크리트 박리·박락, 균열폭이 증대 되었다.

순환굵은골재 치환율 변화에 따른 실험체 BCJGPR시리즈 는 변위연성 2~3에서 접합면 균열과 접합부영역에서 사인장 균열이 발생하였다. 변위연성 5~8에서 균열의 폭이 급격히 증대되었다. 최종파괴시 콘크리트 압괴, 박리·박락으로 파 괴되었다.

순환굵은골재 치환과 하이브리드섬유 혼입에 따른 실험체 BCJGPSR 시리즈도 변위연성 2~3에서 초기균열, 접합면, 접 합부영역에서 균열이 발생하였다. 그러나 하중이 증가함에 따라 균열이 폭이 크게 증가하지 않고 이미 발생되어진 균열 의 주변으로 미세균열들이 발생하였다. 이는 하이브리드섬유 (강섬유+PVA섬유)가 균열과 균열의 가교역할에 의한 것으 로 판단된다.

각 실험체의 최종파괴형태는 Fig. 6(b)~(g))에 나타내었다.

Fig. 6.

Crack pattern and failure mode of each specimen

3.3 강도변화 특성

순환굵은골재 치환과 접합부 영역에 하이브리드 섬유 혼 입에 따른 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능 평가를 위한 실험을 수행하여 각 실험체의 이력거동 및 균열상태를 근거로 각 실험체의 강도변화 특성을 비교하기 위하여 변위 연성과 각 실험체 강도 관계를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7.

Comparison of load-carrying capacity as a function of displacement ductility

각 실험체의 최대내력은 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP, BCJGPR시리즈는 변위연성 5~8, 실험체 BCJGPSR시리즈는 변위연성 9에서 나타났다.

순환굵은골재를 10% 치환한 실험체 BCJGPR1은 표준실 험체 BCJS와 실험체 BCJGP의 최대내력을 각각 99%, 96% 를 나타났다. 그리고 순환굵은골재 20%, 30% 치환한 실험체 BCJGPR₂, BCJGPR₃는 표준실험체 BCJS와 실험체 BCJGP 의 최대내력을 각각 94%, 95% 및 91%, 91%의 내력을 나 타내었다. 따라서 순환굵은골재 치환율의 변화에 따라 내력 이 최대내력이 감소하였으나 큰 폭으로는 감소하지 않은 것 을 알 수 있었다. 그 이유는 일반적으로 콘크리트는 균열이 발생되어진 이후에는 더 이상 인장력을 전달하지 못하고 파 괴되지만, PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교 역할에 따른 균열의 제어와 강도개선된 것으로 사료된다.

실험체 BCJGPSR시리즈는 표준실험체 BCJS, 실험체 BCJGP 와 비교한 결과 1.01~1.04배, 0.99~1.01배의 내력을 나타냈 다. 또한, 실험체 BCJGPSR₁은 실험체 BCJGPR1 보다 1.05 배, 실험체 BCJGPSR2는 실험체 BCJGPR₂ 보다 1.08배 내 력이 증가하였다. 그 이유는 하이브리드섬유의 PVA섬유와 강섬유의 균열에 대한 저항으로 인한 역학적 거동으로 내력 이 증가한 것으로 사료된다.

3.4 강성변화 특성

각 실험체의 변위연성별 강성 (Stiffness, k)의 변화를 Fig. 8에 도시하였고, 실험체의 강성은 Fig. 8과 같은 방법으로 구하였다. 여기서 강성 k는 각 하중의 싸이클에서 정방향과 부방향에서의 최대하중과 최대변위가 만나는 점의 기울기로 산정하였다.

Fig. 8.

Calculation of stiffness

초기강성은 표준실험체 BCJS가 가장 작게 나타났으며, 실 험체 BCJGPSR₁이 하이브리드섬유 (PVA+강섬유) 보강으로 인하여 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고 실험체 BCJGPSR 시리즈는 표준실험체 BCJS, 실험체 BCJGP 보다 각각 초기 강성이 1.06~1.16배, 1.03~1.12배 큰 것으로 나타났다.

그 이유는 순환굵은골재의 치환에 따른 취약성에도 불구 하고 PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교역할 에 따른 균열의 제어와 강도개선으로 구조적 성능이 개선된 것으로 판단된다. 또한, 실험이 진행됨에 따라 강성이 점차 감소하여 초기강성의 약 15%까지 감소하였다. 이는 순환굵 은골재의 치환 증가로 인하여 순환굵은골재가 초기강성 저 하에 영향을 끼친 것으로 사료된다. 그리고 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양상을 보였으며, 이것은 접합부 영역 의 콘크리트의 균열, 철근의 미끄러짐 등에 의한 것으로 판 단된다.Fig .9

Fig. 9.

Comparison of stiffness for each specimen at various displacement ductilities

3.5 에너지 소산능력

철근콘크리트 구조물의 내진성능을 평가함에 있어 에너지 소산능력은 매우 중요한 요소이며, 철근콘크리트 구조물의 설계시 높은 에너지 소산능력을 갖도록 설계되어야 한다. 일 반적으로 에너지 소산능력은 부재 또는 구조물의 이력거동 곡선으로 둘러싸인 면적에 의하여 산정된다.

철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 영역을 하이브리드 섬유 (강섬유+PVA섬유)를 적용한 실험체 BCJPSR시리즈의 이력거동 곡선을 고찰하여 보면 재하 후반부 연성능력과 내 력이 크게 증대하였고, 지진하중 작용시 에너지 소산능력이 매우 향상됨을 알 수 있었다.

각 실험체는 Fig. 10, Fig. 11에서와 같이 변위연성 5까지 는 비슷한 에너지 소산능력을 보였으나, 변위연성 6에서부터 실험체 BCJPSR 시리즈는 표준실험체 BCJS보다 1.06~1.29 배 증가하였다. 특히, 실험체 BCJPSR1은 최대강도를 확보한 변위연성 9에서 실험체 BCJS, BCJP, BCJGPR 시리즈 보다 최대에너지 소산능력이 1.33~1.65배, 누적에너지 소산능력은 1.25~1.42배 증가하였다.

이는 PVA섬유와 강섬유를 융합 보강하여 섬유의 가교역 할에 따른 균열의 제어와 강도가 개선된 것으로 판단된다. 그리고 실험체 BCJPSR1은 실험체 BCJGPR1 보다 1.39배, 실험체 BCJPSR2는 실험체 BCJGPR₂ 보다 1.17배 증가함을 나타내었다. 최종파괴시까지 변위연성별 에너지 소산능력이 우수한 것을 알 수 있었다.

Fig. 10.

Comparison of energy dissipation capacity for each specimen at various displacement ductilities

Fig. 11.

Comparison of cumulative energy dissipation capacity for each specimen at various displacement ductilities