2.1 배합비

본 연구에서는 총 세 가지의 배합비를 사용하여 부재를 제 작하였다. 강섬유로 보강되지 않은 초고강도 콘크리트, 단일 강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트 그리고 하이브리드 강섬 유로 보강된 초고강도 콘크리트로 구분하였다. 본 연구에서 사용된 콘크리트의 목표 강도는 180MPa로 각 콘크리트는 180M, 180F, 180H로 구분하였다. Table 1에 세 가지 배합비 를 같이 나타내었다.

본 연구에는 총 세 가지의 강섬유가 사용되었다. 강섬유 형태 영향을 배제하기 위해 세 가지 강섬유 모두 직선형 강섬유가 사 용되었으며 길이 13mm, 16.3mm 그리고 19.5mm의 강섬유를 사용하였다. 각 강섬유의 형상을 Photo 1에 나타내었다. 강섬유 의 직경은 모두 0.2mm로 동일하였다. 제조처에서 제공된, 사용 된 강섬유들의 인장강도는 13mm의 경우 2800MPa, 16.3mm의 경우 2580MPa 그리고 19.5mm의 경우 2500MPa이었다. 모든 강섬유의 탄성계수는 200GPa로 일정하였다. 단일 섬유보강 콘 크리트 배합비인 180F에는 길이 13mm의 강섬유를 부피비로 2% 혼입하였으며, 하이브리드 섬유보강의 경우 16.3mm 길이 의 강섬유를 1%, 19.5mm 길이의 강섬유를 부피비 0.5%로 혼입 하였다.

2.2 재료시험

초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침(^{2012, KCI})에 의하면 부재의 강도를 평가하거나 부재설계를 위해서는 적용 할 재료에 대한 재료 시험을 수행해야 한다. 본 연구에서는 압 축강도, 휨인장강도, 쪼갬인장강도 및 직접인장강도를 측정 하였으며, 각각에 대한 시험 방법은 초고성능콘크리트 구조 설계지침에서 정하는 바를 따라 수행하였다. 각각 시험 셋팅 을 Photo 2에 나타내었으며, 세 가지 배합에 대한 시험 결과를 Table 2 에 정리하여 나타내었다. 각 변수별로 세 개의 공시체 를 제작하여 시험하였으며, 평균값을 정리하여 나타내었다.

강섬유에 의한 초고강도 콘크리트의 보강 효과는 높은 균 열강도 뿐만 아니라 균열강도 발현 이후의 높은 변형능력으 로 나타나며 이에 대한 결과는 각 인장시험체에 존재하는 노 치의 개구변위로 나타낼 수 있다. 휨인장시험과 직접인장시 험의 시험 결과를 Fig.1에 각각 나타내었다. 특히 휨인장시험 결과는 단면해석에 적용하기 위해 역해석을 통해 인장응력으 로 변환하여 Fig. 1(b)에 나타내었다.

3.1 실험 변수 및 실험 방법

본 연구에서는 초고강도 강섬유보강 콘크리트 보의 휨강도 및 연성능력에 대한 평가를 수행하기 위해 총 세 개의 휨파괴형 보 실험체를 제작하였다. 주요 변수는 콘크리트에 혼입된 강섬 유의 종류로 설정하였다. 실험에 사용된 실험체의 특징을요약 하여 Table 3에 나타내었다. 또한 전체 보의 상세를 Fig. 2에 나 타내었다. 실험체의 휨파괴를 유도하기 위해 100 mm간격의 전 단철근을 전단경간 내에 배치하였다.

실험체의 보유한 강도는 가력장치에 설치되어 있는 로드셀 을 통해 측정할 수 있도록 하였으며, 실험체의 변형은 보 중앙 및 가력점에서 처짐을 측정함과 동시에 보 중앙부에서의 축 방향 변형률 검토를 위해 스트레인 게이지를 설치하여 측정 하였다. Fig. 3에 실험체의 설치 상황과 변형 측정 계획을 나타 내었다.

3.2 실험 결과

본 연구의 주요 목적은 하이브리드 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 보 의 휨강도 및 연성에 대한 평가이므로 모든 실험 체가 휨파괴를 경험할 수 있도록 설계하였으며, 의도한 바와 같이 모든 실험체들은 휨파괴를 경험하였다. 각 실험체들의 최종 파괴 상태를 Photo 3에 나타내었다. Photo 3에 나타난 바 와 같이, 강섬유가 보강되어 있지 않은 경우 균열의 확산은 나 타나지 않고 넓은 간격으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실험 종료 시점에 가까워서는 사인장 균열이 일부 확인 되었으나, 섬유가 보강된 두 경우에 대해서는 균열의 확산이 전단경간 내에까지 침투하는 것을 확인할 수 있었으며, 단일 섬유보다는 하이브리드 섬유의 균열 확산 능력이 더 높은 것 으로 확인되었다. 또한, 섬유를 사용하지 않은 경우 압축연단 에서의 급격한 파열로 인해 실험이 중지되었으나, 섬유가 보 강된 경우 인장측에서의 지속적인 변형량 증가와 함께 하중 지지능력을 상실하면서 실험이 종료되었다.

각 실험체의 휨저항능력과 함께 변형능력을 검토하기 위해 Fig. 4에 작용하중-처짐 관계를 나타내었다. 파괴경향에서 나 타난 바와 같이 섬유가 보강되어 있지 않은 180M의 경우 항복 이후 지속적인 강도의 증가 현상을 보이나 급작스러운 압축 측 콘크리트의 파괴에 의해 강도지지능력을 상실하였다. 반 면, 강섬유로 보강한 경우에는 부재가 항복을 경험한 이후 최 대강도 발현까지 점진적인 하중지지능력의 증가를 경험하고, 최대 하중지지능력 발현 이후 점진적인 강도의 하락을 경험 하며 파괴에 이르는 것을 확인할 수 있었다. 강섬유의 종류에 따른 특징으로는 하이브리드 강섬유가 단일 강섬유에 비해 더 큰 하중지지능력을 보유하고 있음을 확인할 수 있었으며, 변형능력 또한 단일섬유 보강시에 비하여 하이브리드 섬유를 보강하였을 때 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 초기강성의 경 우 강섬유를 혼입함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었으 나, 최대하중지지능력과는 다르게 강섬유의 종류에 따른 차 이는 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 5 에는 실험체의 파괴 상황에 대한 검토를 위해 압축연 단과 최외단 인장철근 위치에서의 변형률을 나타내었다. 강섬 유가 혼입되지 않은 180M의 경우 초기균열은 74.77kN에 가력 지점에서 나타났다. 이후 최외단 인장철근의 항복은 199.56kN 에서 발생하였다. 이후 최대하중 270.02kN을 경험하며 실험이 종료되었다. 180F 실험체는 강섬유의 혼입에 의해 균열 발생 하중이 123.83kN으로 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이후 작용하중이 선형적으로 증가하였으며 철근의 항복을 314.21kN에서 경험하며 강성이 감소하였다. 최대강도는 340.15kN으로 나타났으며 압축연단의 압괴가 급작스럽게 나 타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 180H의 경우 보강량이 180F 보다는 작으나 180F 이상의 균열제어 성능을 보이는 것으 로 나타났다. 최외단 인장철근의 항복은 315.14kN에서 발생하 여 단일섬유 2%의 보강시보다 더 높은 항복강도가 나타났다. 이후 최대강도는 389.28kN으로 나타났으며, 최대강도 경험 이 후에도 압축연단 콘크리트의 압괴가 급작스럽지 않게 천천히 진행되어 파괴되었다.

4.1 초고성능콘크리트 부재의 성능평가

실험체들의 강도와 연성을 평가하기 위해 초고성능 콘크리 트 K-UHPC 구조설계지침(^{2012, KCI})에서 제시한 방법을 사용 하였다. 해당 설계기준은 강섬유로 보강된 초고성능콘크리트 부재의 휨강도 산정을 위해서는 층상해석법을 사용할 것을 권 고하고 있다. 이를 위해 압축 및 인장응력-변형률 관계를 제시하 고 있으며 각 응력-변형률 관계는 Table 4와 같이 정의된다.

단면해석은 아래와 같은 가정을 기반으로 수행하였다. 1) 변형전 평면은 변형 후에도 평면을 유지한다. 2) 콘크리트와 철근 사이의 부착은 완벽한 것으로 가정한다. 3) 강섬유가 보 강된 경우에는 인장응력-변형률 관계를 반영하며, 강섬유가 보강되지 않은 경우에는 인장응력-변형률 관계를 반영하지 않는다. 단면해석을 수행하기 위해 해석 대상 단면을 적절한 수의 레이어로 나누어주었다. 콘크리트와 철근 레이어를 분 리하였으며 철근위치에서의 콘크리트 레이어와 철근 레이어 에는 같은 변형률이 적용되어 적합조건이 만족하도록 하였 다. 단면의 응력분포는 가정 1에 따른 선형 변형률 분포에 의 거하여 결정할 수 있다. 변형률 분포와 곡률 사이의 관계는 압 축 및 인장연단의 변형률과 관계되며 각 요소 사이의 관계는 아래 식들을 통해 정의할 수 있다.

여기서, ϕ는 곡률을 의미하며 ∈_cfib는 압축연단에서의 변형 률, c는 압축연단에서부터 중립축까지의 거리를 의미한다. 또한, ∈_tfib는 인장연단에서의 변형률의 크기를 의미하며 H는 부재의 전체깊이를 의미한다.

식 (1)과 (2)를 통해 결정된 변형률 분포로 콘크리트 및 철근 의 레이어에 위치한 변형률의 크기를 결정할 수 있으며 해당 변 형률에 해당하는 응력의 크기는 Table 4에 정리된 응력-변형률 관계를 통해 결정할 수 있다. 단면의 형태와 이와 연관된 변형 률 및 응력의 분포 형태를 Figure 6에 나타내었다. 해석 중 평형 조건은 다음 식 (3)과 (4)를 사용, 압축연단의 변형률을 고정하 고 중립축의 깊이를 조정하여 만족시켰다. 이 때의 하중상태를 통해 저항 가능한 모멘트의 크기를 결정하였다.

여기서, F_i는 단면의 레이어 하나에 작용하는 응력의 크기 를 의미하며 y_i는 압축연단으로부터 i-번째 레이어까지의 거 리이다. N은 전체 레이어의 개수이다. Fig. 7에 각 실험체의 모멘트-곡률 관계에 대하여 실험 결과와 해석 결과를 나타내 었으며, Table 5에는 실험체의 강도 몇 연성에 대한 실험 결과 와 해석 결과를 정리하여 나타내었다. 실험체의 항복 시점은 최외단 인장철근이 최초로 항복을 경험하는 시점으로 설정하 였다. 극한 상태에 대해서는 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구 조설계지침(^{2012, KCI})에 뚜렷한 제한사항 등이 제시되어 있 지 않은 상태이기에, 현행 콘크리트구조설계기준을 반영하여 압축연단의 변형률이 0.003에 이르렀을 때를 기준으로 설정 하였다. 부재의 곡률 연성비는 위 두 상태에 대한 곡률을 통해 산정하였다.

각 실험체의 모멘트 지지능력에 대해서는 초고성능 콘크리 트 K-UHPC 구조설계지침(^{2012, KCI})에서 제시하는 모델을 사용할 경우 항복강도와 극한강도 모두에 대하여, 실험결과 에 비해 7~9% 낮은 값으로 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과는 재료강도에 대한 저감계수를 별도로 적용하지 않았으므로, 설계기준에 의거하여 설계할 경우 단일섬유가 사용된 경우 뿐만 아니라 하이브리드 섬유가 사용된 경우에 도 모멘트 지지능력에 대해 안전을 확보할 수 있을 것으로 판 단된다.

다면 곡률에 있어서는 실험결과와의 차이가 다소 크게 나 타나는 것을 확인할 수 있었다. 180F와 180H의 경우 항복시 의 곡률에 대해 각각 6%와 27%의 오차가 나타났으며 극한상 태에 대해서는 각각 38%와 47%의 오차를 보이는 것으로 나 타났다. 이는 초고성능 콘크리트 K-UHPC 구조설계지침 (^{2012, KCI})이 단일 섬유가 사용된 연구 결과를 바탕으로 작 성되었으며 보수적 평가를 위한 재료성능지표를 사용하였기 에 나타나는 현상으로 판단된다. 섬유가 보강되지 않은 경우 에는 항복시의 변형에 있어서 43%의 오차가 나타났다. 섬유 가 보강되지 않은 초고강도 콘크리트가 보유한 인장저항능력 을 해석시에는 완전히 무시하여, 항복이전의 강성의 차이가 크게 발생하여 나타난 문제인 것으로 판단된다. 실제로 균열 이 크게 발생하고 난 후의 변형상태인 극한상태에 대해서는 3% 미만의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

4.2 초고성능콘크리트 부재의 곡률연성비

고강도 콘크리트를 사용할 때에는 압축시의 취성적 파괴패 턴에 의해 휨부재의 설계에 있어서 휨강도 뿐만 아니라 변형 능력의 확보를 위해 연성에 대한 평가도 필수적으로 수행되 어야 한다. 본 연구에서는 곡률연성비를 통해 변형능력을 검 토하였다. Table 5에 각 실험체들의 곡률연성비를 정리하여 나타내었다. 세 개의 실험체 중 가장 큰 곡률연성비를 가진 것 은 180M실험체인 것으로 나타났다. 섬유로 보강된 실험체인 180F와 180H는 180M에 비하여 낮은 곡률연성비를 보유한 것으로 나타났으며, 혼입된 섬유의 종류에 따라 볼 때에는 하 이브리드 섬유가 혼입된 180H가 더 높은 곡률연성비를 보이 는 것을 확인할 수 있었다.

섬유의 보강은 부재의 변형능력을 향상시키는 것으로 일반 적으로 알려져있다. 본 연구의 재료 시험 결과에서 섬유의 혼 입에 의해 인장저항능력과 인장변형능력이 크게 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, Fig.5에서 확인할 수 있는 바와 같이 최외단 인장철근이 항복하기 전에 관찰 가능한 균열모멘트의 크기도 재료의 인장저항능력에 비례하여 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 중립축의 상향에 대한 저항을 의미하며, Fig. 8 에 나타난 바와 같이 섬유로 보강된 두 실험체는 섬유로 보강되지 않은 실험체와는 달리 중립축의 상향이 철근의 항 복 이전에는 완만하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그러 나 철근의 항복 이후에는 중립축의 상향을 지연시키는 효과 가 미비한 것으로 나타났다. 항복 이후 단일 섬유가 사용된 경 우와는 달리 하이브리드 섬유가 사용된 경우 중립축의 상향 을 억제하는 경향이 나타나는 것으로 보아 하이브리드 섬유 를 사용한 경우 Fig. 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 단일섬유 가 사용된 경우에 비해 더 큰 변형능력을 가지게 된 것으로 판 단된다.

4.3 곡률연성비와 설계기준

현행 콘크리트구조기준(KCI, 2017) 에 따르면 철근콘크리 트 휨재의 연성은 최외단 인장철근의 변형률에 의해 결정되 며 이에 대한 직접적인 영향 인자는 인장철근의 철근비이다. 따라서 휨재의 연성파괴를 보장하기 위해 철근의 양을 간접 적으로 제한하는 방법을 사용한다. 그러나 초고성능 콘크리 트 K-UHPC 구조설계지침에서는 연성능력의 확보를 위한 기 준이 구체화되어 있지 않으므로 연성 확보를 위한 별도의 검 토가 수행되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 사용된 세 가지 콘크리트 배합에 대해, 철근비에 따른 곡률연성비의 변화를 검토하였다. 검토한 철근비는 0.6%부터 4.5%까지 총 8 가지 로 설정하였다. 단면의 형태는 본 연구에서 사용된 실험체의 형태와 동일하게 설정하였으며 단근보 상태로 검토하였다. 각 검토 단면의 연성비는 본 연구에서 사용된 모멘트-곡률 관 계 계산 방법을 사용하여 도출하였다.

철근비의 변화에 따른 단근 UHPC보의 곡률연성비를 Fig. 9 에 나타내었다. 현행콘크리트구조설계기준을 활용할 경우 180MPa의 설계기준압축강도를 보유한 콘크리트 휨파괴형 부 재의 휨재로서의 사용 제한기준에 따르면 적용 가능한 최대의 철근비는 0.0678이며 이 값을 기준으로 할 경우 요구되는 곡률 연성비는 1.226으로 계산된다. 180H에 사용된 재료가 적용될 경우 검토한 모든 철근비에 대하여 현행콘크리트구조기준에 서 요구하는 변형능력을 충분히 발현할 수 있을 것으로 판단된 다. 180F에 사용된 재료를 적용하여 설계할 경우, 4.5%의 인장 철근비가 현행 콘크리트구조기준에서 요구하는 연성능력을 보유할 수 있는 한계철근비가 될 것으로 판단된다.