2.4.1. 1단계 실험 결과 분석
두께 100 mm 시험체에 대한 충격 파괴시험에 앞서, 우선적 으로 실험에 적합한 충격하중 조건을 결정하였다. 60 MPa급 일반 콘크리트(NC-60)의
경우 약 360 m/s 발사속도에서 관통 으로 인해 완전 파괴가 발생하였으며, 약 200 m/s 발사속도에 서는 배면부에 미세 전단균열만 발생하였다.
즉, 해당 발사체 를 사용할 경우, NC-60 시험체에서의 탄도한계속도가 200~ 360 m/s 범위에 있음을 확인하였다. 한편, 200 MPa급
UHPC (UHPC-200)의 경우 360 m/s 발사속도에서도 배면부 미세 전 단균열만 발생하였는데, 이는 기존에 보고된 연구 결과와 매 우 유사하다(Riedel et al., 2010).
배면부 균열 성상에 있어, NC-60에서는 방사형 대칭 균열 이 발생한 반면, UHPC-200에서는 비대칭형 랜덤형 균열이 발생하였다. 이는 UHPC에
혼입된 섬유의 위치 및 방향성에 따라 취약 부위에 균열이 발생하기 때문인 것으로 판단된다.
Table 5는 충격하중 하에서 시험체의 파괴모드 및 각 모드 의 특성을 정리한 도표이며(Sugano et al., 1993), 본 실험에서 도출된 시험체의 발사속도별 파괴 모드 및 형상을 Table 6에 나타내었다. 이를 바탕으로 NC-60에서는 약 200 m/s, UHPC- 200에서는 약 360 m/s의 발사속도로 충격 파괴시험을 수행하 였다.
Table 5
|
Failure mode
|
Characteristics
|
Failure shape
|
|
Penetration
|
Crater on the front surface. No scabbing on the rear surface (only radial and shear
cone cracks)
|
|
|
Just Scabbing
|
Few small debris are peeled off on the rear surface
|
|
|
Scabbing
|
Considerable debris is peeled off the rear surface with small opening
|
|
|
Just Perforation
|
Projectile does not pass through the target
|
|
|
Perforation
|
Projectile pass through the target completely
|
|
Table 6
Test results on failure mode depending on projectile speed
|
Specimen
|
Projectile speed
|
Failure Mode
|
|
|
NC-60
|
362 m/s
|
Perforation
|
|
NC-60
|
204 m/s
|
Penetration
|
|
UHPC-200
|
363 m/s
|
Penetration
|
|
|
|
|
|
(NC-60: 362 m/s)
|
(NC-60: 204 m/s)
|
(UHPC-200: 363 m/s)
|
일반 콘크리트 NC-60 시험체 및 지지프레임에 부착된 가 속도계로부터 측정된 신호를 Fig. 6에 나타내었다. 시험체에 약 200 m/s 발사속도로 충격하중을 가하였을 때, x축 및 y축 방향(하중에 대해 직교방향)으로, 비록 오프셋(offset)이
발생 하는 등 불안정한 신호일지라도, 2,000~2,500 g 수준의 가속 도 신호를 계측할 수 있었다. 그러나 충격하중이 작용한 z축 방향의 경우
신호 잡음만 계측되었다. UHPC-200 시험체에서 도 동일한 현상이 관찰되었는데, 이는 본 실험에서 사용된 가 속도계의 계측 범위(±10,000
g)를 초과하였기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 6.
Measured vibration signals on normal concrete (the thickness of specimen=100 mm)
Fig. 7은 200 m/s 충격하중 하에서의 NC-60 파괴시험 및 360 m/s 충격하중 하에서의 UHPC-200 파괴시험 시, 지지프 레임에서 계측된 충격하중
방향(z축)의 가속도 신호이다. 각 시험체에 가해진 탄도 속도, 즉 충격에너지가 다르기 때문에 시험체별 에너지 소산 성능을 비교하고자 지지프레임에
전달 되는 진동의 최대 크기로 정규화하였다. 지지프레임의 강성 이 매우 높음에도 불구하고 두 시험 모두 약 1,500~2,000 g 수 준의 고진동이
발생하였다. UHPC-200의 경우 탄도 충격에 의한 주 진동이 탄도 도달 순간부터 약 0.015 초간 지속된 반 면, NC-60의 경우 발사체 속도가
낮음에도 불구하고 지지프 레임의 진동이 약 0.025 초간 진행되고 일부 여진이 지속적으 로 뒤따름을 알 수 있다. 이를 통해 일반 콘크리트의 충격에너
지 소산 성능이 UHPC에 비해 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 계측 신호에 대하여 주파수 영역 스펙트럼 분석을 수행한 결 과, 약 4 kHz와 6
kHz 인근에서 고유주파수가 나타났으며, 지 지프레임에서의 가속도 신호 계측이 일관되게 이루어졌음을 확인하였다.
Fig. 7.
Measured z-axis vibration signals on steel frame (the thickness of specimen=100 mm)
시험체와 지지프레임에 각각 부착된 스트레인게이지로부 터 획득한 변형률 데이터를 Fig. 8에 도시하였다. 지지프레임 의 경우 순간 충격으로 인해 고변형이 발생하였으나 이후 0으 로 수렴하면서 탄성거동을 보여주었다. 반면, 일반 콘크리트
NC-60의 경우 약 500~1,000범위의, UHPC-200의 경우 약 500~2,000범위의 영구변형이 발생하였다. 이는 콘크리트의 순수한 소성변형이
아닌 균열에 의한 변형으로 큰 의미가 없 으며, 충격에 의해 균열이 발생하는 순간의 최대 변형률을 명 확히 추출할 수 있는 대책이 필요하다. 이와
같은 결과는 일반 적인 정적/동적 하중 하에서 사용되는 스트레인게이지 기반 변형률 계측 방식이 가지는 한계를 보여주는 것으로, 특정 부 위에 부착된
변형률 계측값을 통해 시험체 전반에서 이루어 지는 파괴 또는 균열 발생에 따른 변화 성상을 모니터링/분석 하기 어려움을 의미한다.
Fig. 8.
Measured strain signals on concrete under projectile impact (the thickness of specimen=100
mm)
Fig. 9는 시험체 중앙부 및 지지프레임에 각각 부착된 LVDT 변위계의 측정 결과를 보여준다. 1단계 실험에서는 정적 실 험에서 일반적으로 적용하는 방식대로
시험체 및 지지프레임 배면에 LVDT를 단순 접촉시켰으며, 초강력 마그네틱 베이스 를 사용하여 지지프레임에 고정하였다. 그러나 실험 결과, 마 그네틱
베이스를 부착한 고정단에도 충격파가 다량 전달되어 고정력이 상실됨을 확인하였다. 즉, 모든 LVDT 신호에서 영 구변위가 관찰되는데, 이는 LVDT
고정단이 충격 이후 고정 력을 상실하여 이동하였기 때문인 것으로 영상 분석 결과 확 인되었다. 따라서 LVDT 계측값에 대하여 신뢰성 있는 결과 를
획득하기 위해서는 시험체와 LVDT의 변위거동을 일체화 시켜야 한다.
Fig. 9.
Measured displacement signals on concrete under projectile impact (the thickness of
specimen=100 mm)
2.4.2. 2단계 실험 결과 분석
2단계에서는 재령 28일 압축강도가 100, 150, 200 MPa인 UHPC 배합 3종(Table 2) 시험체에서 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 동일한 발사체 충격속도 하에서 실험을 진행하였 으며, 유의미한 파괴거동을 분석하기 위하여 압축강도
150 MPa UHPC 시험체(UHPC-150)를 사용하여 관통 이상의 파 괴가 발생하는 속도를 선정하는 충격 파괴시험을 우선적으로 수행하였다. 사전
충격파괴시험으로부터 2 단계 실험을 위한 발사체 속도를 200 m/s로 결정하였으며, 이후 충격 파괴시험 은 100 MPa 및 200 MPa급 UHPC
시험체(UHPC-100, UHPC- 200)에서 수행하였다.
Table 2
Mixture proportions of UHPC
|
Sample
|
W/B (%)
|
C
|
SF
|
BS
|
FA
|
Sand
|
Filler
|
SP (B×%)
|
Fiber (Vf,%)
|
|
|
UHPC-100
|
0.3
|
1
|
0.1
|
-
|
0.2
|
1.2
|
0.3
|
0.005
|
2%
|
|
UHPC-150
|
0.25
|
1
|
0.1
|
0.2
|
-
|
1.1
|
0.3
|
0.0075
|
2%
|
|
UHPC-200
|
0.2
|
1
|
0.25
|
-
|
-
|
1.1
|
0.3
|
0.018
|
2%
|
충격 하중 하에서 시험체의 파괴 거동을 관찰하기 위하여 1 단계와 마찬가지로 LVDT, 콘크리트 스트레인게이지, 가속 도계 등을 설치/계측을 수행하였으나
1단계 실험에 기술한 바와 같이 콘크리트 스트레인게이지 및 가속도계는 적용상의 한계점을 재확인하였다. 특히, 가속도계의 경우, 센서 자체의 최대 표기치인
17,000 g 수준의 계측값을 도출한 후 더 이상 계측을 수행하지 못하였다. 따라서 Gas-gun을 사용한 충격 파 괴시험에 있어서 최소 20,000
g 이상 계측이 가능한 고출력 가 속도계를 선정해야 할 것으로 판단된다. 이와 같은 문제들로 인하여 2단계 실험결과 분석에서는 LVDT 로 계측한
결과만 을 기술하고자 한다.
2단계 실험에서는 1단계 실험을 통해 발생한 문제점을 해 결하고자 Fig. 5에서와 같이 LVDT 팁 단부를 타설시 시험체 에 기 매립한 치구와 체결하여 시험체와 변위거동을 일체화 시키고, 지지단을 시험체 지지프레임에 고정시켰다.
Fig. 10은 UHPC-100 시험체의 충격 파괴시 LVDT 계측신 호로서, 충격 하중에 의한 중앙부(CH5) 변위가 가장 크게 나 타났으며, 파괴로 인한 영구변위가
관찰되었다. Fig. 11은 UHPC-100 시험체의 파괴성상으로, 충격 후 배면 파괴성상이 LVDT 계측 결과와 유사함을 알 수 있다. 파괴 성상을 살펴보 면 중앙부~배면
우측에 방사형 파괴가 주로 일어났으며, 중앙 부(CH5)와 우측 하단부(CH7)는 파괴 및 파괴 후 잔해 등으로 인한 영구변위가 관찰된 반면, 상단
중앙부(CH8)와 좌측 하 단부(CH6) 인근은 단순 균열파괴가 발생하여 충격에 의한 변 위 발생 후 0으로 다시 수렴하는 탄성거동을 보였다.
Fig. 10.
Displacements by projectile impact (UHPC-100)
Fig. 11.
Test specimen after impact test (UHPC-100)
Fig. 12는 UHPC-200 시험체의 충격 파괴시 LVDT 계측신 호로서, UHPC-100 시험체와는 달리 중앙부(CH5) 변위만 매 우 크게 발생하였으며,
주변 3지점에 설치된 LVDT는 1.3 mm 이내의 최대 변위 발생 후 0으로 다시 수렴하는 경향을 보 였다. UHPC-100과 동일한 충격 하중
조건에서 실험을 수행 하였기 때문에 UHPC-100와 비교시 파괴 정도가 작음을 확인 할 수 있으며, 시험체 중앙부에 집중적으로 파괴가 발생하였 다(Fig.
13).
Fig. 12.
Displacements by projectile impact (UHPC-200)
Fig. 13.
Test specimen after impact test (UHPC-200)
한편, 전체적인 LVDT 거동에 있어서는 충격하중에 의한 순간 최대변위가 발생한 후, 변위회복 거동을 보였으며, 이는, UHPC에 함유된 보강섬유에
의해 일부 탄성회복 거동을 보인 것으로 판단되며, 배면 중앙부의 균열파괴가 크게 발생하였 음에도 불구하고 보강섬유에 의해 파편이 거의 발생하지 않
았음을 확인할 수 있었다.
Fig. 10과 Fig. 12의 중앙부(CH5)에 위치한 LVDT에서 계 측된 최대 변위값만 비교할 경우, UHPC-100은 4.55 mm, UHPC-200은 6.23 mm로
강도가 큰 UHPC-200의 변위가 오 히려 크게 나타난다. 전체적인 파괴 형상은 UHPC-200이 작 으나, UHPC-100의 경우 중심부 우측을
중심으로 파괴가 발 생하였기 때문에 상대적으로 중앙부의 변위가 작게 발생한 것으로 판단된다. 일반 콘크리트의 경우, 강섬유 등이 혼입된 UHPC에
비해 발사체가 도달한 시험체 중앙부를 중심으로 방 사 대칭형으로 손상이 발생하며 따라서 중앙부 변위가 가장 크게 발생할 가능성이 높다. 그러나 UHPC의
경우 섬유 혼입 형태가 시험체 내 취약부위를 결정하게 되며, 이를 따라 손상 이 진행되기 때문에 비대칭, 비방사형으로 파괴가 발생할 확 률이 높다.
즉, LVDT로 계측된 변위만으로는 전체 거동을 파 악할 수 없으며, 육안 혹은 영상을 통한 별도의 확인이 반드시 필요하다.
Fig. 14는 시험 후 시험체 측면 모습을 촬영한 것으로, UHPC- 100 시험체의 충격 파괴로 인해 발생한 최대 변위가 중앙부에 서 22.26 mm, UHPC-200
시험체는 9.16 mm였다. 이러한 결 과는 LVDT로 측정한 최대 변위값이 시험체의 전반적인 파괴 거동을 대변하기는 어려움을 보여준다. 정밀한 파괴
거동 분 석을 위해서는 초고속 카메라 등으로부터의 시간에 따른 영 상 이미지, 트리거 소스 등을 통해 탄도에 의한 충격에너지가 시험체에 도달한 순간에서
배면부에 도달할 때까지의 시간 데이터 및 동기화, 위치별 파편 발생 시점 등에 관한 추가 정보 를 통해 데이터 보정 등이 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 14.
Maximum displacement after failure