2.1 UHPC 배합 및 압축강도

초고강도 섬유보강 콘크리트 배합은 Table 1과 같이 시멘 트 중량을 기준으로 물 0.22, 실리카흄 0.25, 규사 1.1, 실리카 플로우 0.3, 감수제 42 L/m³을 기본 배합비로 하였다. F0시험 체에는 강섬유를 넣지 않고, F0.7, F1 그리고 F2는 강섬유를 체적대비 0.7%, 1%, 2%를 혼입하였다. 강섬유의 직경은 0.2 mm, 길이 13 mm로서 세장비가 65이며, 강섬유의 인장강도는 2500 MPa이다.

압축강도 실험용 공시체는 ϕ100×200 mm몰드를 사용하 였으며, I형 실험체와 함께 증기양생 후 강도 실험을 수행하였 다. 압축강도 실험 결과 Table 2와 같이 F0는 158.2 MPa, F0.7 은 160.8 MPa, F1은 164.6 MPa, F2는 165.1 MPa로 측정되었 다. 인장강도는 길이 500 mm, 단면 40×75 mm의 직사각형 공 시체를 사용하여 직접인장강도 실험을 실시하였다. 직접인장 강도 실험 결과 Table 2와 같이 F0는 4.1 MPa, F0.7은 4.6 MPa, F1은 5.8 MPa, F2는 8.4 MPa로 측정되었다.

2.2 UHPC I형 시험 부재 제작

UHPC I형 보는 Fig. 1 ~ Fig. 4와 같이 상하연폭 400 mm, 복 부폭 150 mm, 높이 500 mm로서 모든 실험체는 길이 10 m, 양 단에 1 m씩 직사각형 단면형태를 두고 2 m씩의 변단면 형태, 4 m의 I형 단면 형태를 가지고 있다. 실험변수로는 체적대비 강섬유의 혼입률 0%, 0.7%, 1%, 2%와 보의 지간 중앙 압축부 에 D10의 철근 집합체, 15.2 mm 강연선 집합체와 집합체의 길이로 구성하였으며, Table 3과 같이 총 9개의 보를 제작하였 다. 강섬유 혼입률 0%, 0.7%, 1%, 2%를 사용한 보는 각각 F0, F0.7, F1, F2로 표기하였고, 보 지간 중앙의 압축부에 배근된 종방향 철근 집합체는 D10의 철근을 사용한 경우 S로, 15.2 mm 강연선을 사용한 경우 RT로 표기하였다. 종방향 철근 집 합체를 보 중앙 1 m에 보강한 경우 S1, 2 m로 보강한 경우 S2 로 나타냈었고, 강연선을 보 중앙 1 m에 보강한 경우 RT1, 2 m 로 보강한 경우 RT2로 나타내었다. 중앙단면에 2 m의 철근집 합체를 배근하고, 강섬유를 0.7% 혼입한 경우는 F0.7S2로 표 기하였으며, RC보 9개의 종류를 Table 3에 분류하였다. Fig. 2

Fig. 1

Section of F0, F0.7 and F1(RC beam)

Fig. 2

Section of F2(RC beam)

Fig. 3는 중앙단면에 길이 1 M의 철근 집합체로 보강한 평 면도를 나타내었고, Fig. 4는 중앙단면에 길이 2 M의 철근 집 합체로 보강한 RC보의 평면도를 도시하였다.

Fig. 3

Length of group bar of RC I-Beam(S1, RT1)

Fig. 4

Length of group bar of RC I-Beam(S2, RT2)

2.3 실험체 실험 방법

시험부재 길이 10 M의 양 단부 40 cm 안쪽에 지점을 설치 하여 순경간 9.2 M를 형성시켰으며, 양쪽의 지점은 힌지와 롤 러로 경계조건을 형성하였다. 하중 가력점은 실험체 중앙에 서 각각 50 cm 떨어진 곳에 위치시켜 두 가력점 사이 순수 휨 이 발생하도록 4점 재하 하였다. 실험체에 재하된 하중은 액 츄에이터를 통해 10 mm/min 속도의 변위제어 방식으로 가력 하였다. 실험 데이터는 실험체 중앙에 설치한 콘크리트게이 지와 휨철근에 부착한 철근게이지를 통해 변위데이터를 수집 하였고 엑츄에이터에서 측정된 하중, 처짐 데이터를 수집하 였다.

초고강도 섬유보강 철근 콘크리트 I형 시험체는 액츄에이 터 스트로크 제원 내인 280 mm를 처짐 한계로 실험을 수행하 였다.

3.1 하중－처짐 관계

철근 콘크리트 보는 인장구역에서 균형 철근량보다 적게 인장철근을 배근하여 연성거동을 유도하는 것이 일반적인 설 계방법이다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 철근콘크리트 보의 인장구역이 아닌 압축구역에 작은 직경의 종방향 집합체 철 근을 중앙단면에 부분적으로 배근함으로써 철근 집합체의 3 축 구속효과로 인한 보의 연성파괴를 유도하는 현상에 대한 실험적 연구이다.

Fig. 5와 같이 강섬유 혼입률이 2%인 F2는 강섬유가 혼입 되지 않은 F0계열 보보다 강성은 강하지만 항복하중 이후 최 대하중에 대한 연성도가 작고, 최대하중 이후 보의 처짐이 급 속히 진행되어 F0계열의 보보다 취성적 거동 특성을 보이고 있다. F0계열 보의 평균항복하중은 210.6 kN으로 F2 보가 받 는 항복하중의 58%만을 받는 것으로 나타났다. 또한 항복 하 중 시 F2 보의 처짐이 92.5 mm로서 F0계열 보보다 16 mm 정 도 더 진행되었다.

Fig. 5

Load-Displacement of F0 and F2 beam

선형의 하중-처짐 관계에서 비선형 관계로 변화할 경우 보 가 항복하였다고 규정하고 항복하중과 이에 상응하는 처짐 및 철근의 변형률을 Table 4에 그리고 최대하중과 상응하는 처짐을 Table 5에 나타내었다. F2보는 항복하중과 최대하중 의 차이가 7 kN이고 항복하중 이후 최대하중까지 처짐이 8.5 mm발생하여 연성도가 작고, 최대하중 이후 내하력이 급속히 감소되는 현상을 보였다. 반면 F0계열 보는 항복하중과 최대 하중의 차이가 33 kN이고 항복하중 이후 최대하중까지 F0RT2 는 100 mm정도, F0S2은 188 mm정도의 처짐을 보여 연성도 가 크다고 볼 수 있다. 항복 하중 이후 최대하중까지 거동을 비 교해 볼 때 F0계열의 보가 F2 보보다 강섬유가 혼입되지 않은 관계로 강성은 약하지만 압축구역에서 철근 집합체에 의한 3 축 구속으로 연성적 거동을 보이고 있다. 철근 집합체를 사용 한 F0S2가 강연선 집합체를 사용한 F0RT2보다 항복 하중 이 후 안정적 거동을 보이고 있으며, F0계열의 보는 최대하중 작 용 시 압축연단에서 콘크리트 압축파괴 현상을 보이고 있다.

F0.7계열 보의 평균항복하중은 277.5 kN으로 F2 보가 받는 항복하중의 76.7%를 받는 것으로 나타났으며 평균최대하중 은 322.1 kN으로 F2최대하중의 87.1%이다. 또한 항복 하중 시 F2 보의 처짐이 92.5 mm로 F0.7계열의 보 보다 15.3 mm정 도 더 발생되었다. 보의 하중과 처짐 관계에서 보면 F2 보가 F0.7계열 보 보다 강섬유 혼입률에 의한 인장응력 증진으로 더 높은 강성을 보이고 있음을 Fig. 6에서 볼 수 있다.

Fig. 6

Load-Displacement of F0.7 and F2 beam

전술한 바와 같이 최대하중 이후 내하력이 급격히 감소하 는 F2보와 달리 F0.7계열 보는 최대하중과 항복하중의 차이 가 45 kN 정도이고, 항복하중 이후 최대하중까지 F0.7계열의 보는 187 mm정도의 추가 처짐을 보여 연성파괴 거동을 보이 고 있다. 내하력이 낮고 보의 항복 시 압축부의 콘크리트 파괴 가 일어난 F0계열 보와 달리, F0.7계열 보는 체적대비 0.7%의 강섬유 보강효과와 철근집합체에 의한 3축 구속효과로 F0계 열 보에 비해 강성과 연성도가 증진되었으며 최대하중 작용 시 압축연단에서 콘크리트의 파괴가 일어나지 않았다. 철근 집합체 보강과 강연선 집합체 보강에 의한 F0.7계열 보의 거 동은 차이가 별로 없었으며, 2 m 보강보(F0.7S2, F0.7RT2)의 내하력이 1 m 보강보(F0.7S1, F0.7RT1)보다 평균 20 kN 크게 측정되어 차이에 대한 개념을 도입하기엔 미미한 수준이다. 하지만 하중이 증가함에 따라 압축응력이 압축연단에서 종방 향으로 증대되므로 순수 휨 길이보다 큰 2 m의 보강길이가 안 정적이라 판단된다.

Fig. 7에서 볼 수 있듯이 F1계열 보의 평균항복하중은 287.6 kN으로 F2 보가 받는 항복하중의 79.4%를 받는 것으로 측정 되었으며, 평균최대하중은 338.3 kN으로 F2 최대하중의 91.5% 이다. 이는 강섬유 혼입률이 1%로 증가에 따른 콘크리트의 인 장응력 증가로 인해 구조물의 내하력이 증가하여 강섬유 혼 입률 0% 또는 0.7% 보의 내하력 보다 F2보의 내하력에 근접 하였다고 볼 수 있다. 항복 하중 시 처짐은 F2보가 92.5 mm 인 데 비해 F1S2보가 85.3 mm이고, F1RT2 보가 78.1 mm로 F2 보 보다 작게 측정되었으나 최대하중에 대한 처짐은 F2보가 101 mm인데 비해 F1S2보가 190 mm, F1RT2보가 265.8 mm 로 F2보에 비해 철근집합체로 보강한 F1계열 보의 처짐이 더 크게 발생하였다. F1계열 보는 항복한 후 최대하중에 이르기 까지 50 kN 정도 더 증가되었으며 처짐이 크게 증가된 점을 볼 때 F2보 보다 연성거동 특성이 향상되었다고 볼 수 있다. 즉, F2보와 같이 최대하중 이후 급격한 내하력 감소보다는 처 짐이 수반되면서 하중 감소폭이 크지 않은 안정적인 연성거 동을 보여준다.

Fig. 7

Load-Displacement of F1 and F2 beam

Table 4와 같이 F0계열 보의 항복하중에 대한 하부 플랜지 종방향 철근의 변형률 평균이 2819.5 με이고, F0.7계열 보의 종방향 철근 변형률 평균은 3263.8 με이며, F1계열 보의 종방 향 철근 변형률 평균은 3305 με이다. 따라서 강섬유 혼입률이 0.7%와 1%인 보의 콘크리트 인장강도와 상응하는 인장변형 률이 크고, 콘크리트 하부플랜지 하연에 균열을 발생시키면 서 비선형 거동을 유발시키는 하중과 처짐이 크기 때문에 그 시점까지 진행되는 철근의 변형률이 F0계열 보의 변형률보다 크다는 것을 확인할 수 있다. 비선형 거동 시점부터 Table 5의 최대하중에 이르기까지 하중의 증가 형태는 철근집합체를 배 근한 보가 강섬유만 혼입한 F2계열 보보다 점진적으로 증가 한다. 이는 곧 보의 연성파괴 거동을 시사하고 있다. 또한 강 섬유를 혼입하지 않고 철근집합체를 배근한 F0계열도 항복하 중 이후 최대하중까지 급격한 취성파괴보다는 철근집합체에 의한 압축구역 구속으로 인해 완만한 형태의 거동을 보여주 고 있다. 초고강도 철근 콘크리트 I형 보에 대한 항복하중 하 중, 최대하중 및 상응하는 처짐에 대해 비교 분석한 결과 강섬 유 0.7% 또는 1%의 혼입과 철근 집합체를 병용한 I형 보는 강 섬유만 2%를 혼입한 F2보보다 안정적인 연성파괴 거동을 보 이면서 경제적인 배합구성을 가지고 있다.

3.2 균열 및 파괴양상

강섬유를 혼입하지 않고 철근집합체로 보강한 F0S2보는 하중 240 kN에서 압축연단 콘크리트가 취성 파괴하여 Photo 1 and 2와 같이 상부 플랜지 위 콘크리트가 파괴된 형태를 볼 수 있다. 파괴는 왼쪽 가력점에서 처음 발생하여 휨 구간 전반 에 걸쳐 피복 콘크리트가 떨어져나가 실험체 압축부에 배근 된 철근집합체가 드러났다. F0RT2의 경우 50 kN에서 오른쪽 가력점 부근의 콘크리트에 균열이 발생하였고, 230 kN에서 보의 상연 표피에 종방향 균열이 발생되었다. 240 kN에서는 전단균열이 발생하였으며 194 mm의 처짐에서 휨 철근이 절 단되는 신호가 데이터로거에서 측정되었다. 이 시점에서 실 험체가 받던 하중이 245 kN에서 176.4 kN으로 감소하였다. 철근집합체와 강연선 집합체로 보강한 F0계열 보 모두 유사 한 균열 및 파괴양상을 보여준다.

Photo 1

Typical Crack Patterns of F0S2 Beam

Photo 2

Deflection Patterns of F0S2 Beam

F0.7실험체는 하중 340 kN 작용 시 처짐 250 mm가 발생하 였으며, Photo 3에서 볼 수 있듯이 다중균열이 진전하여 중앙 단면에서 3개의 큰 균열로 발전하였다. Photo 3 and 4의 F0.7S2 실험체 보 압축연단에서 압축부 파괴 현상이 보이지 않는다. Photo 5의 F0.7RT2, F0.7S1, F0.7RT1 보 모두 압축연 단에서 F0실험체 같은 취성파괴 현상은 발생하지 않았다. 즉, 0.7% 강섬유 혼입과 철근집합체의 상호작용으로 압축연단에 서 취성파괴 방지 효과가 있는 것을 볼 수 있다. 철근 집합체를 배근한 F0.7S2와 강연선을 배치한 F0.7RT2의 거동은 거의 비 슷한 양상을 보여주고 있다. 1 m 철근집합체를 배근한 F0.7S1 은 323 kN의 하중에서 3 kN정도의 하중이 감소하였고, 2 m 철 근 집합체를 배근한 보의 내하력 보다 약간 작게 측정되었다. 압축연단에서 응력이 상승하여 종방향으로 진전되는 것을 감 안할 때 2 m의 철근 집합체가 안정적이라 생각된다.

Photo 3

Typical Crack Patterns of F0.7S2 Beam

Photo 4

Deflection Patterns of F0.7S2 Beam

Photo 5

Typical Crack Patterns of F0.7RT2 Beam

강섬유 혼입률이 1%인 F1계열 보는 인장응력이 증진된 결 과로 최대하중이 F0.7계열 보보다 5%정도 상승되었다. Photo 6과 같이 다중균열을 형성하다가 330 kN하중에서 1개의 큰 균열로 발전되었다. F1 계열의 보 역시 처짐이 250 mm까지 진행되어도 압축연단에서 콘크리트 취성적 파괴는 보이지 않 았다.

Photo 6

Typical Crack Patterns of F1S2 Beam

강섬유 혼입률이 2%인 F2보는 하중 97 kN에서 최초 균열 이 발생하였고, 하중 360.64 kN 이후 내하력이 감소하였다. 처 짐 166 mm 진행 시 1개의 큰 균열로 발전하다가 Photo 7 and 8 과 같이 급격한 취성파괴 현상을 보였다. 이는 압축영역에서 취성파괴가 아니라 인장응력이 증가하는 상태에서 균열의 크 기가 증가하면서 13 mm의 강섬유로 인장력을 견지할 수 있는 한계를 초과하여 급속한 취성파괴를 하는 것으로 생각된다.

Photo 7

Typical Crack Patterns of F2 Beam

Photo 8

Deflection and Failure Patterns of F2 Beam