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Journal of the Korea Concrete Institute

J Korea Inst. Struct. Maint. Insp.
  • Indexed by
  • Korea Citation Index (KCI)

  1. 정회원,경상국립대학교 토목공학과 박사과정
  2. 학생회원,경상국립대학교 토목공학과 석사과정
  3. 정회원,경상국립대학교 토목공학과 부교수, 교신저자



동결 융해, 철근 콘크리트 보, 휨 거동, 반복하중, 에너지 소산 능력
Freezing and thawing, RC Beams, Flexural behavior, Cyclic loading, Energy dissipation capacity

1. 서 론

콘크리트 구조물은 구성 재료와 시공 과정의 특성상 공용년수 증가에 따른 손상 및 열화가 발생하여 그 성능이 감소할 수 있다. 한국의 경우, 1970~80년대의 급속한 경제 성장과 더불어 교량 건설이 본격화되기 시작하여 2020년에는 공용년수 30년 이상의 교량 비율이 15%에 불과하지만, 향후 10년 이내에 공용년수 30년 이상의 교량 비율이 44%에 도달하게 되는 등 노후 교량의 비율이 급속히 증가 할 것으로 예상된다. 건축물의 경우에도 2020년을 기준으로 서울 건축물의 49.5%가 공용년수 30년을 초과하였으며, 5년 이내에 그 비율은 65.8%에 이를 것으로 조사되었다(Lee and Cho, 2020).

콘크리트 구조물의 경우 외부 극한기후환경에 노출 될 경우 공용년수가 증가할수록 다양한 문제점들이 발생할 수 있다. 이러한 문제들 중 최근 가장 문제가 되고 있는 폭우, 폭설과 같은 극한 기후요소의 작용으로 동결융해 현상이 발생한다. 콘크리트의 경우 온도가 너무 낮거나 높다고 손상이 발생하는 것이 아니라 동결 및 융해의 반복적인 작용으로 인해 심각한 내구성 저하를 나타나게 되며 실제 성능저하가 된 구조물은 회복하기 힘들게 된다(Lee et al., 2008; Lee et al., 1998; Kim et al, 2017). 동결융해에 따른 콘크리트의 실험적 연구를 통한 내구성 평가는 다양한 연구자들에 의해 수행되었다.

Kim et al.(2017)는 극심한 기후변화로 발생 되는 다양한 기후인자 요소 중 풍속-일조시간을 적용하여 콘크리트를 양생 시킨 후 동결융해 시험을 수행하여 상대동탄성계수를 측정하고 이를 바탕으로 성능 중심 평가(Performance Based Evaluation(PBE))를 수행하였다(Kim et al., 2010; Kim et al., 2013; KCI, 2005; Jun et al., 2011).

Jang(2009)는 철근콘크리트 보의 동결융해 노출에 따른 휨 거동특성의 평가를 위해 주근비와 동결융해 사이클을 변수로 하였다. 동결융해는 기중 급속 동결 후 수중 융해 시험 방법으로 실시하였다. 실험결과 최소 및 최대 철근비로 휨 보강된 실험체 모두 동결융해 사이클이 증가함에 따라 철근과 콘크리트 간 부착력 저하를 일으키는 것으로 나타났으나 부착력 저하가 휨 부재의 성능저하에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 동결융해에 따른 에너지 소산능력을 비교, 분석한 결과 인장철근비가 증가할수록 인장 측 철근의 높은 응력 분담능력으로 인해 상대적으로 콘크리트의 응력 분담이 줄어들게 되며, 따라서 철근비가 높을수록 동결융해로 인한 에너지소산능력의 저하는 크지 않은 것으로 나타났다.

기존의 동결융해 관련 연구는 KS F 2456 및 ASTM C666/ C666M에서 규정하고 있는 수중 급속 동결 융해 시험방법(방법 A)과 기중 급속 동결 후 수중 융해 시험방법(방법 B)에 따른 콘크리트의 내구성 평가가 대부분이다. Table 1은 대한민국 서울 지역의 2010~2020년 동안의 각 월 별 최고기온(HT, Highest Temperature of the month)과 최저기온(LT, Lowest Temperature of the month)을 나타낸 것이고, Table 2는 대한민국 서울 지역의 2010~2020년 동안의 월 별 누적강수량을 나타낸 것이다(KMA, Korea Meteorological Administration). Table 1에서 콘크리트의 동결융해가 발생할 수 있는 최소 조건인 ‘HT>0℃ and LT<0℃’을 만족하는 기간은 11월에서 다음 해 3월까지로 총 5개월이다. 11월~3월의 기간 동안 콘크리트의 동결융해가 발생한다고 가정을 한다면, 동결융해가 발생하는 기간에 서울지역에 발생한 총 강수량은 164.4 mm로 1년 총 강수량의 약 12%이다. 이는 서울지역에 1년 동안 발생하는 강수량의 약 88%가 동결융해가 발생하지 않는 기간에 기록되며, 따라서 동결융해가 발생하는 기간에는 건조한 날씨가 기록됨을 나타낸다.

이에 본 연구에서는 실제로 콘크리트의 동결융해가 발생하는 기간 동안 수중 동결 및 수중 융해가 발생 할 확률이 매우 낮다고 판단하였다. 기중 급속 동결 융해 시험의 필요성을 인지하고 기중 급속 동결 융해 시험방법을 제시하였으며 기중 급속 동결 융해 시험방법을 활용하여 콘크리트의 동결융해에 대한 내구성 평가를 수행하였다. 또한 기존의 동결융해에 따른 콘크리트 관련 연구는 재료적 측면에서의 실험 연구가 대부분으로 철근콘크리트 구조물에 관한 연구는 미미하다. 따라서 철근콘크리트 구조물의 동결융해에 대한 안정성 및 내구성 평가를 위해 철근콘크리트 휨 부재를 제작하여 기중 급속 동결 융해 후 휨 성능실험을 수행하였다. 콘크리트 성능 실험 결과를 통해 기중 급속 동결 융해 사이클에 따른 압축강도 감소량을 측정하고자 하였으며, 휨 부재 실험을 통해 재료단위와 동일한 기중 급속 동결 융해 환경에서의 휨 부재에 대한 동결융해 영향 및 성능 저하를 확인하고자 하였다.

Table 1 Monthly mean temperature(℃) over the past 10 years at Seoul, Korea (Korea meteorological administration)

Year

Jan.

Feb.

Mar.

Apr.

May

Jun

Jul.

Aug.

Sep.

Oct.

Nov.

Dec.

Avg.

2010

HT

8.4

17.9

14.2

20.7

28.6

32.7

32.3

33.8

31.4

24.2

17.4

13.5

22.9

LT

-15.3

-10.8

-4

1.1

5.8

12.1

21

19.9

8.4

0.7

-5.2

-15.1

1.6

2011

HT

0.3

13.2

16.8

19

31.2

32.9

34.1

34.1

32.4

23.4

25.9

9.1

22.7

LT

-17.8

-9.2

-5.5

4.3

8.5

14.4

18.9

18.1

10.3

3.1

-5.5

-10.6

2.4

2012

HT

8.4

12.1

16.2

29.4

29.3

33.5

33.2

36.7

29.5

26

15.7

8.3

23.2

LT

-12.2

-17.1

-5.7

0.6

12

16.3

18.5

18.7

12

2.8

-3

-14.5

2.4

2013

HT

11.5

13.9

23.8

21.6

31.8

32.6

31.3

33.9

31.1

28.1

20.7

11

24.3

LT

-16.4

-15.8

-4.4

1.3

7.9

16.3

20.5

21.1

10.9

4.3

-6.4

-9.8

2.5

2014

HT

8.2

16.4

23.8

26.2

33.3

31.1

34.4

35.8

31.3

29

22.9

7.9

25.0

LT

-10.5

-10.5

-4.6

2.3

6.8

17.3

19.1

18.3

14.9

2.7

-3.1

-13.2

3.3

2015

HT

9

13

21.9

28.3

32.2

34.9

36

34.4

31

26.6

21

12.2

25.0

LT

-9.8

-13

-6.9

3.5

8.3

15.6

18.2

18.9

14.2

1.1

-7.3

-9.5

2.8

2016

HT

9.5

14.4

21.4

29.6

31.9

32.2

34.1

36.6

31.1

29

18.6

13.6

25.2

LT

-18

-10

-7.5

5.1

8.9

17.1

19.8

16.1

14.3

0.7

-6.2

-9.8

2.5

2017

HT

11.4

12.3

18.9

27.8

30.3

34.1

35.4

35.3

31.4

29.4

18.4

8.7

24.5

LT

-12.6

-9.3

-5.3

3.1

10

14.5

21.9

16.1

11.2

2.5

-6.6

-12.3

2.8

2018

HT

8.7

10.4

22.1

26.3

29.6

32.9

38.3

39.6

30.9

25.6

19.4

13.5

24.8

LT

-17.8

-13.4

-6.7

0.1

6.9

16.3

17.7

20.2

10.8

0.7

-3.1

-14.4

1.4

2019

HT

8.5

14.5

17.6

28.2

33.4

32.8

36.1

36.8

30.5

28.2

22.1

12.9

25.1

LT

-10.1

-10.2

-1.7

0.3

8.4

14.1

19.3

18.5

13.6

4.7

-4.6

-10.9

3.5

2020

HT

11.9

15.6

20.6

23.8

30

35.4

32.9

34.5

29.5

23.6

20

11.4

24.1

LT

-6.5

-11.8

-2.8

1.9

9.2

14.8

17.2

21.5

13.6

3.2

-3.6

-12.9

3.7

Avg.

HT

8.7

14.0

19.8

25.5

31.1

33.2

34.4

35.6

30.9

26.6

20.2

11.1

24.3

LT

-13.4

-11.9

-5.0

2.1

8.4

15.3

19.3

18.9

12.2

2.4

-5.0

-12.1

2.6

Table 2 Monthly mean precipitation(mm) over the past 10 years at Seoul, Korea (Korea meteorological administration)

Year

Jan.

Feb.

Mar.

Apr.

May

Jun

Jul.

Aug.

Sep.

Oct.

Nov.

Dec.

Avg.

2010

29.3

55.3

82.5

62.8

124

127.6

239.2

598.7

671.5

25.6

10.9

16.1

170.3

2011

8.9

29.1

14.6

110.1

53.4

404.5

1131

166.8

25.6

32

56.2

7.1

169.9

2012

6.7

0.8

47.4

157

8.2

91.9

448.9

464.9

212

99.3

67.8

41.4

137.2

2013

22.1

74.1

27.3

71.7

132

28.3

676.2

148.6

138.5

13.5

46.8

24.7

117.0

2014

13

16.2

7.2

31

63

98.1

207.9

172.8

88.1

52.2

41.5

17.9

67.4

2015

11.3

22.7

9.6

80.5

28.9

99

226

72.9

26

81.5

104.6

29.1

66.0

2016

1

47.6

40.5

76.8

160.5

54.4

358.2

67.1

33

74.8

16.7

61.1

82.6

2017

14.9

11.1

7.9

61.6

16.1

66.6

621

297

35

26.5

40.7

34.8

102.8

2018

8.5

29.6

49.5

130.3

222

171.5

185.6

202.6

68.5

120.5

79.1

16.4

107.0

2019

0

23.8

26.8

47.3

37.8

74

194.4

190.5

139.8

55.5

78.8

22.6

74.3

2020

60.5

53.1

16.3

16.9

112.4

139.6

270.4

675.7

181.5

0

120.1

4.6

137.6

Avg.

16.0

33.0

30.0

76.9

87.1

123.2

414.4

278.0

147.2

52.9

60.3

25.1

112.0

2. 기중 급속 동결 융해 실험 설계

급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법(KS F 2456)과 동일한 조건으로, 동결융해 1 사이클의 상한온도와 하한온도는 공시체 중심부의 온도를 각각 4℃, -18℃로 설정하여 기중 급속 동결 융해를 수행하였다. 온도 센서가 삽입된 콘크리트 공시체로부터 Thermometer를 활용하여 시간에 따른 온도 데이터를 측정하였으며, 측정 결과 하루 평균 2.5 cycle이 발생 하였다. 기중 급속 동결 융해 챔버는 Fig. 1과 같다(Kim et al., 2020; Kwon et al., 2017).

Fig. 1 Chamber for rapid freezing and thawing test method in the air
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig1.png

3. 기중 급속 동결융해에 따른 콘크리트의 거동 특성

3.1 콘크리트 공시체 설계

콘크리트의 기중 급속 동결 융해 실험을 위해 KS F 2403에 따라 단면 지름 100 mm에 높이 200 mm의 원주형 콘크리트 공시체를 Fig. 2와 같이 제작하였다. 콘크리트 공시체 제작에는 설계 강도 24 MPa의 Ready-Mixed Concrete를 사용하였다. 각 콘크리트 공시체의 실험 변수를 Table 3에 정리하였다.

기중 급속 동결 융해에 따른 콘크리트의 압축 강도 변화를 분석하기 위해 각 케이스 별로 6개의 공시체를 제작하였다. 6개의 콘크리트 공시체를 약 2달간 습윤 양생을 시킨 후 3개의 콘크리트 공시체는 기중 급속 동결융해를 수행하였으며, 나머지 3개는 기중 양생하였다. 기중 급속 동결융해 된 콘크리트 공시체(이하 FTA) 3개와 동결융해 하지 않은 기건 양생 콘크리트 공시체(이하 NOR, 비교실험체) 3개를 같은 날에 실험하였다.

Fig. 2 Concrete specimen
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig2.png
Table 3 Parameter and name of concrete specimen

Name

Parameter

Number of Specimen

NOR-0

0 cycle

3

NOR-1

Same test day with FTA1

3

NOR-2

Same test day with FTA2

3

NOR-3

Same test day with FTA3

3

FTA-1

100 cycle

3

FTA-2

200 cycle

3

FTA-3

300 cycle

3

3.2 콘크리트 압축 강도 실험 설계

콘크리트 압축강도 실험은 KS F 2405(2010)에 따라 Fig. 3과 같다. 시험장비는 200 Ton의 만능재료시험기(Universal Testing Machine ,UTM)를 사용하였다. 압축력에 따른 콘크리트의 가력 방향의 선형 변형률을 측정하기 위해 LVDT를 콘크리트 공시체의 좌우에 설치하여 변위를 측정하였다. KS F 2405(2010)에서는 콘크리트의 압축강도 평가시 초당 0.6±0.4 MPa의 증가속도의 하중제어 방식을 규정하고 있다. 본 연구에서는 동결융해에 따른 콘크리트의 압축특성을 평가하기 위해 압축력을 변위제어로 설계하여 하중제어 방식과 유사한 속도로 분당 2 mm의 속도로 가력하였다.

Fig. 3 Test Setting for concrete specimen
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig3.png
Fig. 4 Compressive strength-cycle relation of concrete
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig4.png

3.3 콘크리트 압축 강도 실험 결과

동결융해를 하지 않은 NOR의 하중-변형률 관계 그래프를 Fig. 5에 나타내었다. NOR의 각 변수별 평균 압축 강도는 24.49 MPa, 24.88 MPa, 25.35 MPa, 24.19 MPa로 설계 강도 24 MPa을 모두 만족하였다. 동결융해 중 양생에 의한 강도 증가 효과를 최소화하기 위해 약 2달의 수중 양생을 수행하였다. 실험결과 양생에 따른 콘크리트의 강도가 크게 증가하지 않았으며 평균 24.73 MPa으로 설계 강도와 유사하게 압축강도가 유지되었다.

동결융해를 수행한 FTA의 하중-변형률 관계는 Fig. 6과 같다. 동결융해가 진행될수록 콘크리트의 압축강도와 압축강도 변형률이 감소하였다. 동결융해 100 cycle에서 1.84 MPa(약 7.5%), 200 cycle에서 3.61 MPa(약 14.74%), 그리고 300 cycle에서 약 5.24 MPa(약 21%)의 콘크리트 압축강도가 감소하였다. 동결융해 사이클이 증가할수록 압축강도 변형률은 100 cycle에서 0.003, 200 cycle에서 0.008, 300 cycle에서 0.009 만큼 감소하였다. 기중 급속 동결 융해 사이클에 따른 콘크리트 압축강도 관계를 Fig. 4에 나타내었으며, 각 실험체의 압축강도와 압축강도 변형률을 Table 4에 정리하였다.

Fig. 5 Compressive strength-strain relation of NOR
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig5.png
Fig. 6 Compressive strength-strain relation of FTA
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig6.png
Table 4 Summary of compressive test results

Name

Compressive Strength

[MPa]

Strain at Compressive Strength

Each

Ave.

Each

Ave.

NOR-0

25.01

24.49

24.73

(0)

0.015

0.015

(0)

0.015

(0)

25.37

0.015

23.98

0.015

NOR-1

24.54

24.88

0.014

0.014

24.41

0.014

25.69

0.013

NOR-2

23.44

25.35

0.015

0.015

25.92

0.016

26.70

0.015

NOR-3

23.57

24.19

0.014

0.015

24.65

0.015

24.35

0.015

FTA-1

22.84

22.65

(-2.08)

0.012

0.012

(-0.003)

22.91

0.012

22.18

0.011

FTA-2

21.33

20.88

(-3.85)

0.007

0.007

(-0.008)

20.63

0.006

20.67

0.007

FTA-3

18.98

19.25

(-5.48)

0.006

0.006

(-0.009)

18.70

0.006

20.06

0.007

4. 철근 콘크리트 휨 부재의 거동 특성

4.1 철근콘크리트 휨 부재 설계

철근콘크리트 휨 부재의 기중 급속 동결 융해 실험을 위해단면 300 mm×300 mm에 길이 2400 mm의 직사각형 철근콘크리트 보를 Fig. 7과 같이 제작하였다. 사용된 콘크리트는 3장의 콘크리트 공시체 제작에 사용된 일반 레미콘 제품과 동일한 제품을 사용하였으며, 콘크리트 공시체 제작과 동시에 제작하였다. 압축 및 인장 철근을 동일하게 D19 철근으로 배근하였으며, 모든 실험체가 휨 파괴 되도록 전단 보강근 D10을 200 mm간격으로 배근하여 전 구간 보강하였다. 사용한 철근의 설계항복강도는 모두 400 MPa이며, 철근콘크리트 휨 부재의 설계 휨 강도에 해당하는 가력 하중은 87.85 kN이다. Fig. 7에 나타난 바와 같이 휨부재 내부의 응력 분포 및 주근에 작용하는 하중에 따른 변형률을 파악하기 위해 각 인장철근의 중앙부에 철근 변형률 게이지(Wire strain gauge, st1 & st2)를 설치하였다. 철근콘크리트 휨 부재의 실험 변수를 Table 5에 정리하였다.

Table 5 Parameter and name of RC beams

Name

Parameter

Number of Specimen

B-NOR0

0 cycle

1

B-FTA1

100 cycle

1

B-FTA2

200 cycle

1

B-FTA3

300 cycle

1

Fig. 7 Details of RC beams
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig7.png

4.2 휨 실험 설계

제작된 철근콘크리트 휨 부재는 Fig. 8에 나타난 바와 같이 4절점 휨 실험(4point Bending Test)를 수행하였다. 힌지의 폭과 커버를 고려하여 휨 가력에 따라 발생하는 모멘트 거리를 850 mm으로, 가력부 간격은 400 mm으로 설계하였다. 하중 재하 방법은 하중 작용점의 변위를 조절하는 변위제어방식을 적용하였으며, 전체 가력 계획은 Fig. 9와 같이 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm로 반복 하중 변위 사이클(Cyclic Loading Displacement)을 계획하였다.

Fig. 8 Test setting for RC beams
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig8.png
Fig. 9 Cyclic loading displacement
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig9.png

4.3 철근 콘크리트 휨 부재 실험결과

4.3.1 시험체의 파괴형태

철근콘크리트 휨 부재의 인장부 중앙 및 가력점 아래에서 휨 균열이 발생하고, 압축부에서 콘크리트가 압괴되어 최종 파괴 되었다. 철근 콘크리트 휨 부재의 최종 파괴형태는 Fig. 10과 같이 모든 실험체가 휨 파괴로 나타났다.

Fig. 10 Failure mode of RC beams
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig10.png

4.3.2 시험체의 하중-변위 관계

철근콘크리트 휨 부재의 휨 강도는 모두 설계강도보다 높게 나타났다. 300 cycle의 동결융해를 받은 철근 콘크리트 휨 부재의 항복 강도는 약 13.9 kN(9%) 작게 나타났으며, 최대 휨 강도는 약 4 kN(3%) 작게 나타났다. 항복 변위는 평균 10 mm으로 유사하게 나타났다 . 이는 동결융해로 인해 보 부재의 압축부에 콘크리트 압축강도가 약해지면서 부재의 항복 및 휨 강도가 감소하는 것으로 사료된다. 철근 콘크리트 휨 부재의 하중-변위 관계를 Fig. 11에 나타내었으며, 각 시험체의 항복강도와 최대강도 결과를 Table 6에 정리하였다.

Table 6 Summary of bending test results

Name

Yield

Ultimate

Failure Mode

Load

[kN]

Dis.

[mm]

Load

[kN]

Dis.

[mm]

B-NOR0

123.8

(0)

8.8

(0)

162.5

(0)

37.5

(0)

Flexural Failure

B-FTA1

119.9

(-3.9)

9.6

(0.8)

157.5

(-5)

55.3

(17.8)

B-FTA2

110.8

(-13)

12.5

(3.7)

161.8

(-0.7)

47.3

(9.8)

B-FTA3

109.9

(-13.9)

9.3

(0.5)

158.5

(-4)

43.0

(5.5)

Fig. 11 Load-displacement relation of RC beams
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig11.png

4.3.3 시험체의 철근 변형률-변위 관계

각 시험체의 반복하중에 따른 인장철근의 변형률 관계 그래프를 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12(a)에서 1번 스트레인 게이지(이하 st1)는 변위 약 13 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있다. 2번 스트레인 게이지(이하 st2)는 변위 약 16 mm일 때 휨에 따른 인장철근의 변형률이 최대를 나타내고 있다.

Fig. 12(b)에서 st1은 변위 약 11 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있으며, 약 45 mm일 때 휨에 따른 변형률 최댓값을 나타내고 있다. st2는 변위 약 8 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있으며 약10 mm일 때 휨에 따른 변형률이 최대를 나타내고 있다.

Fig. 12(c)에서 st1은 변위 약 9 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있으며, 약 12 mm일 때 휨에 따른 변형률 최댓값을 나타내고 있다. st2는 변위 약 11 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있으며 약 12 mm일 때 휨에 따른 변형률이 최대를 나타내고 있다.

Fig. 12(d)에서 st1은 변위 약 7 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있으며, 약 10 mm일 때 휨에 따른 변형률 최댓값을 나타내고 있다. st2는 변위 약 9 mm일 때 처음으로 인장 철근이 항복 변형률 2,000×10$^{-6}$ 이상을 나타내고 있으며 약 10 mm일 때 휨에 따른 변형률이 최대를 나타내고 있다.

철근의 휨에 따른 항복 변형률은 동결융해가 진행될수록 발생 변위가 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 동결융해에 따른 보 부재의 콘크리트의 압축강도 감소로 인해 압축부에 콘크리트가 부담할 수 있는 응력이 감소하여 부재의 인장 측 주 철근의 응력 부담이 증가하기 때문으로 판단된다.

Fig. 12 Test result of RC beams
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig12.png

4.4 철근콘크리트 휨 부재 실험 결과 분석

4.4.1 최대 하중-변위 사이클 관계와 탄성계수

각 반복하중 변위 사이클의 최대 하중을 Fig. 13에 나타내었으며, 각 PL 점에서의 원점에 대한 기울기를 탄성계수로 정의하여 Table 7(a)에 정리하였다. 반복하중 변위사이클이 증가함에 따라 5 mm부터 10 mm는 탄성계수가 증가하였으나, 20 mm부터 80 mm까지는 감소하였다. 또한 동결융해 사이클이 증가함에 따라 5 mm와 10 mm의 탄성계수가 감소하는 경향이 나타났으나 20 mm부터 80 mm까지는 차이가 나타나지 않았다. 이는 콘크리트의 재료적 강도가 감소하였으나, 동결융해 영향 깊이가 부재의 중심부까지 영향을 주지 못하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 13 Load-displacement relation at peak
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig13.png
Table 7 Peak load at each cyclic loading displacement

Specimen

Analysis*

Peak Load [kN]

Cyclic Loading Displacement [mm]

5

10

20

30

40

50

60

70

80

B-NOR0

(a)

PL

56.99

123.87

143.69

157.29

162.54

158.56

142.40

141.38

141.89

EM

11.40

12.39

7.18

5.24

4.06

3.17

2.37

2.02

1.77

(b)

EDC

54.33

216.32

1276.33

1488.82

1685.40

1830.61

1674.60

1424.50

1608.11

AEDC

54.33

270.65

1546.98

3035.80

4721.20

6551.81

8226.41

9650.91

11259.02

B-FTA1

(a)

PL

58.84

119.98

134.79

146.86

152.84

156.86

157.55

144.60

150.68

EM

11.77

12.00

6.74

4.90

3.82

3.14

2.63

2.07

1.88

(b)

EDC

54.84

200.76

1235.04

1381.92

1457.78

1540.22

1619.64

1478.87

1497.32

AEDC

54.84

255.60

1490.64

2872.56

4330.34

5870.56

7490.20

8969.07

10466.39

B-FTA2

(a)

PL

38.16

97.81

131.85

147.25

159.02

161.87

155.19

145.19

146.17

EM

7.63

9.78

6.59

4.91

3.98

3.24

2.59

2.07

1.83

(b)

EDC

49.90

148.95

1076.15

1328.78

1489.11

1593.63

1581.5

1447.14

1417.27

AEDC

49.90

198.85

1275.00

2603.78

4092.89

5686.52

7268.02

8715.16

10132.43

B-FTA3

(a)

PL

48.36

109.97

132.34

146.76

156.18

158.53

143.23

141.26

138.52

EM

9.67

11.00

6.62

4.89

3.90

3.17

2.39

2.02

1.73

(b)

EDC

46.00

176.63

1146.90

1379.40

1518.70

1664.72

1536.07

1503.44

1506.62

AEDC

46.00

222.63

1369.53

2748.93

4267.63

5932.35

7468.42

8971.86

10478.48

* PL: Peak Load, EM: Elastic Modulus, EDC: Energy Dissipation Capacity, AEDC: Accumulated Energy Dissipation Capacity

4.4.2 설계강도에서의 인장 철근 변형률

휨 부재의 강도가 설계 휨 강도인 약 87 kN일 때의 변위와 각 인장철근의 변형률을 Table 8에 정리하였다. 동결융해가 진행될수록 설계 휨 강도에서의 평균 인장 철근 변형률이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 동결융해로 인한 콘크리트의 압축강도 감소로 인해 부재의 압축부에 콘크리트가 부담할 수 있는 응력이 감소하여 부재의 인장 측에 위치한 철근의 응력 부담이 증가하기 때문으로 판단된다.

Table 8 Strain at design flexural strength of beam specimen

Specimen

Strength

[kN]

Displacement

[mm]

Strain of Steel [10$^{-6}$]

st1

st2

ave.

B-NOR0

87

6.83

1045

287

666

B-FTA1

7.29

922

1809

1365

B-FTA2

9.90

2062

1718

1890

B-FTA3

7.40

1858

1458

1658

4.4.3 에너지 소산 능력 및 누적 에너지 소산 능력

부재가 파괴 될 때까지의 흡수 할 수 있는 능력을 에너지 소산 능력이라고 한다. 주기거동에 의한 에너지 소산은 지진에 의한 구조물의 손상을 줄이므로, 구조물의 에너지 소산을 정확히 평가하는 것은 매우 중요하다(Eom and Park, 2004; Lim and Park and Eom, 2003). 에너지 소산 능력은 Fig. 11에 나타낸 하중-변위 그래프에서 선 아래 면적을 나타낸다. 각 실험체의 에너지 소산 능력을 Fig. 14에 나타내었으며 누적 에너지 소산 능력을 Fig. 15에 나타내었다. 동결융해가 진행될수록 에너지 소산능력 및 누적 에너지 소산 능력이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 콘크리트의 압축강도가 감소함에 따라 인장 철근의 응력 부담이 증가하여 휨에 의한 부재의 변형이 증가하기 때문으로 판단된다. 각 실험체의 반복하중 별 에너지 소산 능력과 누적 에너지 소산 능력을 Table 7(b)에 정리하였다.

Fig. 14 Energy dissipation capacity
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig14.png
Fig. 15 Accumulated energy dissipation capacity
../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.4.46/fig15.png

5. 결 론

본 연구에서는 기중 급속 동결 융해 시험의 필요성과 시험법을 제시하고 있으며 제시된 실험법을 활용하여 콘크리트 압축강도와 휨 부재의 휨성능을 평가하여 결과를 나타내었다. 실험 결과를 통해 기중 급속 동결 융해 사이클과 콘크리트의 강도의 관계를 분석하였으며, 휨 부재의 파괴 형상, 하중-변위 관계, 각 변위 사이클 별 최대 강도 및 탄성계수, 설계강도에서의 철근 인장 변형률, 그리고 에너지 소산능력 등을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 300 cycle의 기중동결융해를 수행한 콘크리트의 압축 강도는 5.24 MPa(21%) 만큼 감소한다.

2) 기중 급속 동결 융해가 진행될수록 콘크리트의 재료적 강도 감소에 의해 철근콘크리트 휨 부재의 철근의 응력 부담이 증가되며, 지진과 같은 외력 발생에 따른 구조물의 에너지 흡수(소산) 능력이 감소한다.

3) 본 연구 결과는 기중 급속 동결 융해로 인한 콘크리트의 내구성 평가 방법의 가능성을 나타내고 있다. 하지만 한가지의 콘크리트 배합과 오직 휨 부재에 대하여 기중 급속 동결 융해에 따른 거동 특성을 검토하였음으로 정확한 DB 구축 및 기중 급속 동결 융해 시험법 정립을 위해서는 다양한 콘크리트 배합과 기둥과 같은 다양한 부재 실험을 계획하여 추가 연구를 수행 필요가 있다. 또한 본 연구에서 수행한 기중 동결 융해에 따른 부재 실험 연구는 재료 실험 결과에 비해 영향이 적게 작용하였으므로, 동결깊이를 증가시키는 등, 동결깊이에 따른 거동 특성 실험을 계획하여 추가 연구를 수행 할 필요가 있다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원(21SCIP-B146946-04)에 의해 수행되었습니다.

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