Flexural Behavior of Concrete Beams Reinforced with Fe based Shape Memory Alloy Bar

1. 서 론

콘크리트는 현대사회를 구축하고 있는 주요한 재료로써 수 많은 구조물이 콘크리트로 이루어져 있다. 그러나 콘크리트 는 취성적인 재료일 뿐 아니라 압축력에는 잘 저항하는 반면 인장력에는 거의 저항을 하지 못하는 단점이 있다. 이러한 콘 크리트의 단점을 극복하기 위해 철근을 인장부에 배치하는 철근콘크리트가 폭 넓게 사용되고 있다. 철근콘크리트는 철 근을 이용하여 인장력 및 전단력에 저항할 수 있으며, 구조물 에 연성을 부여하여 사용자의 안전성을 확보할 수 있다. 하지 만 철근콘크리트는 단면의 압축부만 유효하기 때문에 부재의 크기가 커지며 이에 따라 자중이 커지는 단점이 있다. 또한 철 근콘크리트의 철근은 외력에 의한 변형이 구조물에 발생하여 야 그 성능이 발휘되는 수동적인 방법으로 균열 발생 후 철근 이 외력을 부담한다. 그러나 구조물에 발생된 균열로 인해 이

산화탄소, 수분, 염분 등 철근을 부식시킬 수 있는 인자들이 콘크리트 내 침입이 수월해져 철근의 부식을 촉진시킨다 (Kim et al, 2007). 이렇게 발생된 부식은 철근의 단면적을 감 소시켜 부재의 내력을 저하시키고 피복 콘크리트의 박리 등 을 초래할 수 있다. 철근콘크리트의 단점을 보완하기 위해 강 선, 강봉 등의 긴장재를 이용하여 구조물에 긴장력을 부여하 는 프리스트레스 콘크리트가 사용되고 있다. 프리스트레스 콘크리트는 부재에 인장력이 발생되는 부분에 사전 압축력을 가하여 균열 및 처짐 제어에 매우 효율적이다(Collins et al., 1991; Chung et al., 2004). 또한 프리스트레스 콘크리트는 전 단면을 유효단면으로 사용하기 때문에 철근콘크리트 부재에 비해 단면 크기 및 부재 중량이 감소하여 장경간 교량과 같은 대형 구조물에 사용되고 있다. 그러나 프리스트레스 콘크리트 는 긴장과정에서 정착 및 잭킹장치 사용으로 인해 시공과정이 복잡하고 공기가 길어지는 단점이 있다(Kang et al., 1999). 또 한 크리프, 릴랙세이션 등 다양한 원인으로 인해 긴장재의 긴 장력의 손실되어도 재긴장이 어렵다는 단점이 있다.

프리스트레스 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 형상기억 합금(SMA)을 이용하여 구조물에 프리스트레스를 도입하기 위한 연구가 일부 연구자들에 의해 진행되었다(Hong et al., 2018a; Czaderski et al., 2014). SMA란 일반적인 강재와는 다

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 6, December 2020, pp.67-76

https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.6.67 pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

철계-형상기억합금 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동

홍기남¹, 연영모^2*, 지상원³

Flexural Behavior of Concrete Beams Reinforced with Fe based Shape Memory Alloy Bar

Ki-Nam Hong¹, Yeong-Mo Yeon^2*, Sang-Won Ji³

Abstract: This paper reports an experimental study to evaluate the flexural behavior of concrete beams reinforced using Fe based shape memory alloy (Fe-SMA) bars. For the experiment, a concrete beam of 200mm×300mm×2,200mm was produced, and a 4% pre-strained Fe-SMA bar was used as a tensile reinforcement. As experimental variables, type of tensile reinforcement (SD400, Fe-SMA), reinforcement ratio (0.2, 0.39, 0.59, 0.78), activation of Fe-SMA (activation, non-activation), and joint method of Fe-SMA bar (Continuous, welding, coupler) were considered. The electric resistance heating method was used to activate the Fe-SMA bar, and a current of 5A/mm² was supplied until the specimen reached 160°C. After the upward displacement of the specimen due to the camber effect was stabilized, a three-point flexural loading experiment was performed using an actuator of 2,000 kN capacity. As a result of the experiment, it was found that the upward displacement occurred due to the camber effect as the Fe-SMA bar was activated. The specimen that activated the Fe-SMA bar had an initial crack at a higher load than the specimen that did not activate it. However, as with general prestressed concrete, the effect of the prestress by Fe-SMA activation on the ultimate state of the beam was insignificant.

Keywords: Fe based shape memory alloy, Recovery stress, Pre-stress, Initial crack

1정회원, 충북대학교 토목공학부 교수

2정회원, 충북대학교 토목공학과 박사과정

3학생회원, 충북대학교 토목공학과 석사과정

*Corresponding author: [email protected]

School of Civil Engineering, Chungbuk National University, Chungdae-ro 1, Seowon-Gu, Chungbuk 28644, Korea

∙본 논문에 대한 토의를 2021년 1월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 2월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution

르게 소성변형이 발생하여도 가열 및 냉각과정으로 구성되는 활성화 과정을 통해 원래의 형상으로 되돌아오는 합금을 지 칭한다(Lee et al., 2015). 이때 사전 변형된 SMA를 구속한 후 온도를 가하면 형상기억합금 내부에 회복응력이라 불리는 압 축력이 발생된다. 이러한 원리를 이용하여 사전 변형된 SMA 를 콘크리트에 매립한 후 온도를 가하면 콘크리트와 형상기 억합금 사이의 부착력에 의해 합금의 변형이 구속되어 콘크 리트에 압축력으로 작용하고 부재에 긴장력으로 작용하게 된 다(Sawaguchi et al., 2006). 그러나 일반적으로 알려진 SMA 는 Nitinol이라 불리는 Ni-Ti계 SMA로 높은 원재료 가격에 의 해 건설재료로 사용하기에는 사실상 불가능한 실정이다 (Shahverdi et al., 2016). 한편 1982년 Sato 등이 철을 기반으로 하는 철계-형상기억합금(Fe-SMA)을 발견한 후 여러 연구자 들에 의해 다양한 조성의 Fe-SMA가 연구되고 있다(Sato et al., 1982). 특히 Nitinol에 비해 저렴한 Fe-SMA는 건설재료로 활용이 가능할 것으로 판단되며, 이를 이용하여 구조물에 긴

장력을 부여하기 위한 연구가 국내･외에서 활발히 진행되고 있다(Hong et al., 2018b; Abouali et al., 2019). Michels et al(2018) 등은 Fe-SMA 바(bar)를 콘크리트 프리스트레싱에 적용하기 위한 연구를 실시하였다. Fe-SMA로 제작된 바는 사전변형 0.04, 활성온도 200℃에서 약 300MPa의 긴장 응력 이 발생하였으며, 1000시간 경과 후 약 10% 이하의 릴랙세이 션이 발생하는 것으로 보고되었다. Rojob & El-Hacha(2017) 는 Fe-SMA 스트립을 이용하여 표면매립 보강공법을 통해 콘 크리트 구조물을 보강한 연구를 진행하였다. 그들은 연구를 통해 Fe-SMA 스트립으로 보강된 실험체는 무보강 실험체 대 비 사용하중 및 극한하중 모두에서 큰 성능 개선을 나타내는 것으로 보고하였다. Hong et al(2018c)은 Fe-SMA 스트립을 표면매립 보강공법을 통해 보강된 RC 슬래브의 휨 거동을 평 가한 연구를 진행하였다. 연구결과 Fe-SMA 스트립에 의한 프리스트레스 효과는 초기 균열하중을 증가시키는 반면 항복 및 극한하중의 증가는 미미한 것으로 보고하였다. Yeon et

(a) Continuous reinforcement

(b) Discontinuous reinforcement

(c) Cross section of A-A Fig. 1 Specimen details

al(2020)은 Fe-SMA 스트립을 이용하여 표면매립 보강공법으 로 보강된 철근콘크리트 보의 지속하중 하에서 장기거동에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 그들은 시간이 경과하여도 Fe-SMA 활성화를 통해 발생된 프리스트레스 효과는 적절히 유지되는 것으로 보고하였다.

그러나 Fe-SMA를 이용하여 구조물에 긴장력을 도입하기 위한 연구는 대부분 보수･보강 분야에 집중되어 있으며 Fe-SMA 자체를 구조부재로 사용하기 위한 연구는 미미한 실 정이다. 따라서 본 연구에서는 Fe-SMA 바를 프리스트레스 부재로 사용하기 위한 기초연구로써 Fe-SMA 바를 이용하여 제작된 콘크리트 보의 휨 성능을 평가하고자 한다.

2. 실험 개요

2.1 실험체 제원 및 변수

Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동을 평가하기 위해 총 9개의 실험체를 제작하였다. Fig. 1에 나타낸 것과 같 이 보의 단면치수는 200mm×300mm 이며 실험체의 유효깊이 는 260mm이다. 실험체의 길이는 총 2,200mm 이며, 순지간은 2,000mm로 양쪽 부재 끝에서 중심부로 100mm 거리를 두고 지점을 설치하였다. Fig. 1에 나타낸 것과 같이 압축철근으로 SD400 등급의 D10 이형철근 2개를 배근하였다. 인장재로써 CTRL 실험체는 SD 400등급의 D16 철근 2개를 배근하였으 며 CTRL을 제외한 실험체는 10mm×10mm 정사각형 단면의 철계-형상기억합금 인장재를 배근하였다. Fe-SMA 바를 배근 하기 전 수평인장장치를 통해 바에 4% 사전변형을 가하였다.

또한 전단에 의한 파괴를 방지하기 위해 SD 400등급의 D10 의 전단철근을 150mm 간격으로 배근하였다.

Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거동을 평가하

기 위해 본 연구에서 고려된 실험 변수는 Table 1에 나타 낸 것과 같다. CTRL은 SD 400 등급의 D16 이형철근을 이용하여 철근비 0.78%로 배근한 실험체이다. Table 1에 나타낸 것과 같이 철근비(2: 0.2%, 4: 0.39%, 6: 0.59%, 8:

0.78%), Fe-SMA 활성화 유･무(A : 활성화, N : 비활성 화), 그리고 Fe-SMA 바 이음방법(NC : 연속, CQ : 커플러 연결, WQ : 용접)을 실험 변수로써 고려하였다. 예를 들 어 “4A-CQ” 실험체는 철근비 0.39%이며 Fe-SMA 바의 연결을 위해 커플러를 이용한 실험체이며, Fe-SMA의 활 성화를 실시한 실험체를 의미한다.

2.2 사용재료

Table 2에 본 연구에서 사용된 콘크리트의 배합설계 표를 나타내었다. 사용된 콘크리트 굵은 골재의 최대치수는 25mm 이고, 잔골재율은 51.6%, 물-결합재비는 47.2%이다. 굳지 않 은 콘크리트의 슬럼프는 150mm로 설정하였다. 실험체 타설 시 5개의 Φ100×200mm 실린더를 제작하였다. 이후 공시체는 실험체와 동일한 조건에서 탈형 및 양생을 실시하였으며 실 험당일 KS F 2405(KS, 2017)에 따라 측정된 콘크리트의 평균 압축강도는 21.71MPa이다.

본 연구에서 압축철근 및 전단철근으로 사용된 철근은 SD 400 등급의 D10 철근이며, CTRL 실험체는 인장철근으로 동 일 등급의 D16 철근을 사용하였다. KS D 3504(KS, 2019)에 따라 철근 인장시험을 실시한 결과 사용된 철근의 기계적 특 성은 Table 3과 같이 나타났다.

No. Specimen ID Type of reinforcement Reinforcement ratio

(%) Activation Connection method

1 CTRL Steel rebar 0.78 - Continuous reinforcement

2 2A-NC

Fe-SMA

0.2 Activation Continuous reinforcement

3 4A-NC

0.39

Activation Continuous reinforcement

4 4A-CQ Activation Coupler joint at quarter point

5 4A-WQ Activation Weld joint at quarter point

6 6N-NC

0.59 Non-activation Continuous reinforcement

7 6A-NC Activation Continuous reinforcement

8 8N-NC

0.78 Non-activation Continuous reinforcement

9 8A-NC Activation Continuous reinforcement

Table 1 Test variables

W/C (%)

S/a (%)

Slump (mm)

Unit wight (kg/m3)

W B S G AE^a)

47.2 51.6 150 118 250 904 866 2.49

a) Air entraining agent

Table 2 Mixture design of used concrete

본 연구를 위해 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 Fe-SMA 바를 제 작하였다. Fe-SMA의 합금 조성비는 Fe-17Mn-5Si-5Cr-0.3C- 1T(weight %)이다. Fe-SMA 바를 제작하기 위해 진공유도용 해를 통해 500kg의 주괴를 제한 후 합금 균질화를 위해 1,25 0℃에서 6시간 동안 초기 열처리를 실시하였다. 이후 두께가 11mm 될 때까지 1,000℃에서 열간압연을 실시하였으며 열 간압연이 완료된 후 750℃에서 2시간 동안 추가 열처리를 실 시하였다. 이 후 합금의 강도를 증진시키기 위해 압파율 10%

로 냉간압연을 실시한 후 600℃에서 2시간동안 마지막 열처리 를 실시하여 Fe-SMA 판(Plate)을 제작하였다. 이 후 Fe-SMA 바 제작을 위해 워터젯 컷팅시스템을 사용하여 Fe-SMA 판을 10mm 간격으로 절단하였다.

사용된 Fe-SMA 바의 기계적 특성을 확인하기 위해 인장시 험을 실시하였으며 실험결과를 Table 4에 나타내었다.

Fe-SMA는 뚜렷한 항복점이 나타나지 않는다. 따라서 0.2%

옵셋법으로 결정된 Fe-SMA 바의 항복변형률 및 항복강도는 각각 0.0061, 506MPa이다.

사용된 Fe-SMA 바의 회복응력을 확인하기 위해 회복응력 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 시편의 길이는 250mm이 며, 단면의 폭과 두께는 각각 10mm, 2.5mm이다. 실험 결과 사 전변형 4% 가열온도 160℃에서 Fe-SMA 바의 회복응력은 약 308MPa로 나타났다. Fig. 3에 회복응력-온도 관계를 나타내 었다. 회복응력 실험은 Yeon(2018)이 실시한 회복응력 실험 과 동일한 방법으로 진행하였다.

2.3 실험방법

콘크리트 타설 후 28일간 기건양생을 실시하였다. 이후 매립 된 Fe-SMA 바를 가열하기 위해 15kW 용량의 전력공급장치를

Fig. 4 Overview of the activation system Fig. 2 Fe based shape memory alloy bars

Nominal diameter

(mm)

Modulus of elasticity

(GPa)

Yield stress (MPa)

Ultimate stress (MPa)

Elongation (%)

9.53 192 552 647 10.0

15.9 202 472 630 9.6

Table 3 Mechanical properties of the steel rebar used

Fig. 3 Recovery stress-temperature relation of Fe-SMA bar Modulus of

elasticity (GPa)

Yield strain

Yield stress (MPa)

Ultimate strain

Ultimate stress (MPa)

126.57 0.00605 506 0.37 1137

Table 4 Mechanical properties of Fe-SMA

이용하여 5A/mm²의 전류를 가하였다. 이 후 Fe-SMA 바의 온도 가 160℃에 도달하면 전력을 차단하여 상온까지 바를 냉각시켰 다. Fe-SMA 바의 온도는 비 접촉식 적외선 열전대를 이용하여 측정하였다. 활성화 과정 중 프리스트레싱 효과에 의한 보의 상향 변위를 측정하기 위해 25mm 용량의 Linear variable differential transformer(LVDT)를 보 중앙 하단에 설치하였다. 측정된 온도 및 변위는 Data acquisition system(DAQ)를 이용하여 5초 간격

으로 수집하였다. Fig. 4에 철계-형상기억합금 활성화 전경을 나 타내었다.

Fe-SMA 바를 활성화시킨 후 캠버효과에 의한 상향 변위가 안정화된 뒤 2,000kN 용량의 엑츄레이터를 이용하여 3점 휨 실험을 수행하였다. 하중은 0.5mm/min의 변위제어로 가력하 였다. 하중 증가에 따른 실험체의 처짐을 측정하기 위해 100mm 용량의 LVDT를 실험체 중앙에 설치하였다. 측정된 하중 및 변위는 DAQ를 사용하여 1초 간격으로 수집하였다.

Fig. 5에 3점재하 휨 실험 전경을 나타내었다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 철계-형상기억합금 바 활성화

Fig. 6에 Fe-SMA 바를 활성화 하였을 때 실험체 중앙부의 시간-변위 이력곡선을 나타내었다. Fig. 6에 나타낸 것과 같이

(a) 2A-NC (b) 4A-NC

(c) 6A-NC (d) 8A-NC

Fig. 6 Mid span displacement – time relation according to activation Fig. 5 Test setup

Fe-SMA 바를 활성화하면 두 가지 변위 양상이 나타난다. 첫 번째는 가열초기 Fe-SMA 바의 열팽창에 의해 실험체에 하향 변위가 발생한다. 가열을 지속하면 열팽창에 의해 발생된 하 향 변위는 Fe-SMA 바의 회복응력이 발생함에 따라 천천히 회 복되며 최종적으로 캠버효과로 인해 상향 변위가 발생한다.

예를 들어 2A-NC는 초기 열팽창에 의해 0.034mm의 하향 변 위가 발생하였다. 이 후 Fe-SMA 바의 회복응력이 증가함에 따라 캠버효과가 발생되어 변위가 회복되었으며 최종적으로 0.105mm의 상향 변위가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 캠버 효과로 인한 상향 변위는 Fe-SMA 바의 양이 증가함에 따라 증가하는 경향이 나타났다.

Fig. 7에 Fe-SMA 바 활성화시 바 이음방법에 따른 실험체 중앙부의 시간-변위 이력곡선을 나타내었다. 이음부가 없이 연속으로된 실험체인 4A-NC는 캠버효과에 의해 최종적으로 0.169mm의 상향 변위가 발생하였다. 반면 각각 커플러와 용 접을 통하여 Fe-SMA 바를 연결한 4A-CQ, 4A-WQ의 상향 변 위는 4A-NC에 비해 각각 36%, 63% 감소된 0.108, 0.063mm 로 나타났다. 이러한 상향 변위의 감소는 나사선 제작과정 및 용접과정에서 발생된 열에 의해 Fe-SMA 일부가 사전 활성화 되었기 때문으로 판단된다.

콘크리트의 휨 강성 및 탄성계수를 바탕으로 Fe-SMA의 회 복응력이 작용하였을 때 실험체의 이론적인 상향 변위는 식 (1) ~ (11)과 같이 나타낼 수 있다.

  ^ (1)

여기서 _{}는 회복응력에 의한 상향 변위, 은 Fe-SMA

바에 의해 발생되는 모멘트, 는 콘크리트의 탄성계수, 는 단

면 2차모멘트를 나타낸다.

   (2)

여기서 _{}는 Fe-SMA 바에 의해 발생되는 회복력, 

는 편심거리를 나타낸다.

  _ (3)

여기서 는 Fe-SMA 바에 의해 발생되는 회복응력,

는 Fe-SMA의 단면적을 나타낸다.

  ^{ } (4)

 



 _ 



(5)

여기서 와 는 각각 콘크리트에 대한 철근과 Fe-SMA의 탄성계수 비를 나타낸다.

_    _ _ _

^ _ _^ _ _ (6)

여기서 는 중립축 깊이를 나타낸다

     (7)

 ^ _  _^ (8)

 _ __ ^^ (9)

 _ __ ^ (10)

   _ _ (11)

Fig. 7 Mid span displacement according to connection method

Specimen

Experiment (mm)

Theory

(mm) Experiment /Theory

Upward Upward

2A-NC 0.105 0.142 0.74

4A-NC 0.169 0.283 0.60

4A-CQ 0.108 0.283 0.38

4A-WQ 0.063 0.283 0.22

6A-NC 0.337 0.422 0.80

8A-NC 0.727 0.560 1.30

Table 5 Summary of mid span displacement by activation

여기서 _, _, _는 각각 평행축 정리를 통해 계산된 콘크 리트, 철근, Fe-SMA 바의 단면 2차모멘트를 나타낸다.

Table 5에 활성화 실험을 통한 중앙 변위 및 식(1) ~ (11)을 이용하여 계산된 이론 변위를 나타내었다. Fe-SMA 바의 이 음부가없이 연속으로 된 실험체들의 이론값에 대한 실험값의 비는 평균 0.86인 것으로 나타났다. 이러한 차이는 낮은 콘크 리트의 압축강도에 따라 콘크리트와 Fe-SMA 사이의 부착력 이 작기 때문으로 판단된다. 따라서 추후 연구를 통해 콘크리 트와 Fe-SMA의 부착강도 관계를 규명하기 위한 연구가 필요 할 것으로 사료된다. 커플러와 용접을 통해 Fe-SMA바를 연 결한 실험체인 4A-CQ와 4A-WQ의 이론값에 실험값의 비는 약 0.22~0.38의 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이는 전술 한 바와 같이 나사선 제작과정 및 용접과정에서 발생된 열에 의해 철계-형상기억합금 일부가 사전 활성화되었기 때문으로 판단된다.

3.2 파괴모드

Fig. 8은 실험된 콘크리트 보의 파괴형태를 나타낸다. SD 400 이형철근을 이용하여 제작된 CTRL은 휨 균열이 발생된 후 휨 균열이 압축부로 성장하다가 압축부 콘크리트의 파쇄로 이 어지는 전형적인 휨 파괴 양상이 나타났다. 반면 Fe-SMA 바를 이용하여 제작된 다른 실험체는 중앙부근에서 최초의 휨 균열 이 발생한 후 휨 균열이 압축부로 성장하다가 극한 휨 강도에 도 달하기 전 경사-휨 균열의 확장에 의해 파괴가 되는 전형적인 휨-전단 파괴 양상이 나타났다. 또한 Fe-SMA 바를 활성화한 보 는 일반적인 프리스트레스 보의 거동과 마찬가지로 적은 수의 휨 균열이 발생되는 것으로 나타났으며, Fe-SMA 철근비가 증

가함에 따라 더 많은 수의 휨 균열이 발생하며, 균열 폭은 감소 되는 경향이 나타났다.

3.3 하중-변위 관계

Fig. 9와 Table 6에 모든 실험체의 하중-변위 관계를 나타내 었다. Fig. 9(a)는 철근비가 0.78%인 실험체의 하중-변위 관계 의 비교를 나타낸다. SD400 등급의 D16 철근으로 제작된 실 험체인 CTRL은 약 19kN에서 초기균열이 발생하는 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화 시키지 않은 실험체인 8N-NC의 초기균열 하중은 24.62kN으로 CTRL에 비해 약 30% 증가된 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화시킨 실험 체인 8A-NC의 초기균열 하중은 46.9kN으로 CTRL과 8N-NC 에 비해 각각 146.8%, 90.5% 증가한 것으로 나타났다. Table 6 에 나타낸 것과 같이 8N-NC의 최대하중은 136.72kN으로 CTRL에 비해 약 30% 증가한 것으로 나타났다. 8N-NC의 초 기균열 이 후 강성은 8A-NC와 유사한 것으로 나타났으며 최 대하중은 약 141.23kN으로 CTRL과 8N-NC에 비해 각각 34.5%, 3.2% 증가된 것으로 나타났다. 이는 일반적인 프리스 트레스 보와 유사하게 프리스트레스의 도입에 따라 초기균열 하중은 증가하는 것으로 나타났으며, 프리스트레스의 도입이 극한강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 이러한 경향은 철근비가 0.59%를 비교한 Fig. 9(b)에서도 유사하게 나타난다.

Fig. 9(c)는 Fe-SMA 철근비가 0.2%, 0.39%, 0.59%, 0.78%

인 실험체인 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 하중-변위 관 계의 비교를 나타낸다. 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 초 기균열 하중은 각각 21.82kN, 22.68kN, 31.00kN, 46.9kN으로

Fig. 8 Crack patterns and failure modes of specimens

Specimen ID

Experiment

Theoretical initial crack load

(kN)

Experiment / Theory

Initial crack Ultimate load

Deflection (mm)

Load (kN)

Deflection (mm)

Load

(kN) Initial crack

CTRL 0.64 19.00 33.41 105 19.77 0.96

2A-NC 0.81 21.82 11.66 42.84 27.26 0.80

4A-NC 0.79 22.68 15.12 88.82 37.07 0.61

4A-CQ 0.79 20.58 13.89 75.86 37.07 0.56

4A-WQ 0.60 20.74 16.155 77.72 37.07 0.56

6N-NC 0.82 24.48 29.12 136.52 18.64 1.31

6A-NC 0.81 31.00 17.94 124.88 46.99 0.66

8N-NC 1.00 24.62 17.015 136.72 18.98 1.30

8A-NC 1.37 46.90 20.10 141.23 56.97 0.82

Table 6 Summary of experimental test results

(a) Reinforcement ratio 0.78% (b) Reinforcement ratio 0.59%

(c) Reinforcement ratio (d) Connection method

Fig. 9 Comparison of load-deflection curves

철근비가 증가함에 따라 초기균열 하중은 커지는 것으로 나 타났다. Fe-SMA의 회복응력 도입에 따른 이론적인 초기균열 하중()은 식 (12) ~ (16)을 통해 도출할 수 있다.

  

_{ }^{    }^{ (12)}

  ^ (13)

  



(14)

   _ _ _ _ (15)

   

 (16)

여기서 _, _은 각각 프리스트레스가 도입된 콘크리트 의 균열모멘트 및 균열하중을 나타내며, _은 콘크리트의 인 장강도이다. 는 유효 단면을 나타내며, 는 단면계수를 나 타낸다.

Fe-SMA의 회복응력이 작용하였을 때 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 이론적인 초기균열 하중은 각각 27.26kN, 37.07kN, 46.99kN, 56.97kN이며 이는 실험값 대비 평균 27.6%의 오차를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 오차는 콘 크리트와 철근의 슬립, 초기 열팽창 및 탄성변형에 따라 프리 스트레스 효과가 손실되었기 때문으로 판단된다. 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC의 극한하중은 각각 42.84kN, 88.82kN, 124.88kN, 141.23kN으로 철근비가 0.2% 증가함에 따라 평균 34kN 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 Fig. 9에 나타나듯 Fe-SMA 바로 제작된 보는 일반적인 RC 부재와 다 르게 뚜렷한 항복구간이 나타나지 않는다. 따라서 추후 연구 를 통해 Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 적절한 항복하중 을 선정하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 9(d)는 Fe-SMA 바 이음방법에 따른 실험체의 하중-변 위 관계를 나타낸다. 커플러와 용접을 통해 바를 연결한 실험 체인 4A-CQ와 4A-WQ의 초기균열 하중은 각각 20.58kN, 20.74kN으로 바의 이음부가 없이 연속인 실험체인 4A-NC의 초기균열하중에 비해 약 9% 감소한 것으로 나타났다. 이는 3.1절에 나타낸 것과 같이 Fe-SMA 바 연결을 위한 나사선 제 작과정 및 용접시 발생된 열에 의해 Fe-SMA가 일부 회복되었 기 때문으로 판단된다. 또한 동일한 원인에 의해 4A-CQ와 4A-WQ의 극한하중이 소폭 감소된 것으로 판단된다. 따라서 추후 사전 변형된 Fe-SMA를 적절히 연결하는 방법에 대한 연 구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 Fe-SMA 바로 제작된 콘크리트 보의 휨 거 동을 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하였으며 연구를 통 해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) Fe-SMA바를 전기저항 가열을 통해 활성화 시 초기 열팽 창으로 인해 하향 변위가 발생하였으나, Fe-SMA 회복응 력이 증가됨에 따라 캠버효과에 의해 처짐이 회복되는 것으로 나타났다. Fe-SMA 회복응력에 기인한 프리스트 레스 하중은 최종적으로 2A-NC, 4A-NC, 6A-NC, 8A-NC에 각각 0.105mm, 0.169mm, 0.337mm, 0.727mm 의 상향 변위를 발생시키는 것으로 나타났다.

2) Fe-SMA 바의 이음부가 없이 연속인 실험체의 실험을 통 해 측정된 상향 변위와 이론적인 계산을 통해 도출된 상 향 변위는 평균 29.1%의 오차를 나타냈으며, Fe-SMA 바 를 커플러, 용접을 통해 연결한 실험체는 69.8%의 상대 적으로 큰 오차가 나타났다. 이는 나사선 제작과정 및 용 접과정에서 발생된 열에 의해 합금이 일부 활성화 되어 회복효과가 발생되었기 때문으로 판단된다.

3) Fe-SMA를 활성화 한 실험인 6A-NC와 8A-NC는 활성화 하지 않은 실험체인 6N-NC, 8N-NC에 비해 각각 와 26.63%, 90.5% 증가된 초기균열 하중이 나타났다. 이는 Fe-SMA 회복응력에 의한 프리스트레스 효과에 의한 것 으로 판단됨에 따라 Fe-SMA를 이용하여 콘크리트에 프 리스트레스를 도입시켜 구조물에 균열을 제어할 수 있 음을 확인하였다.

4) Fe-SMA에 회복응력이 작용하였을 때 발생된 초기균열 하중은 이론값에 비해 약 27.6% 작은 것으로 나타났다.

이는 초기열팽창 및 프리스트레싱 후 탄성변형이 발생 함에 따라 회복응력이 감소되었기 때문으로 판단된다.

추후 연구로써 Fe-SMA의 유효 정착길이에 관한 연구 및 사전변형이 발생된 Fe-SMA 바의 적절한 이음 방법에 대한 연 구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으 로 수행되었음(과제번호 20CTAP-C151899-02).

References

1. Abouali, S., Shahverdi, M., Ghassemieh, M., and Motavalli, M.

(2019), Nonlinear simulation of reinforced concrete beams retrofitted by near-surface mounted iron-based shape memory alloy, Engineering Structures, 187, 133-148.

2. Collins, M. P., and Mitchell, D. (1991), Prestressed concrete structures, Prentice-Hall, 1991, 766.

3. Czaderski. C., Shahverdi, M., Bronnimann, R., Leinenbach, C., and Motavalli, M. (2014), Feasibility of iron-based shape memory alloy strips for prestressed strengthening of concrete structures.

Construction and Building Materials, 56(15), 94-105.

4. Hong, K. M., Lee, S. G., Han, S. H., and Yeon, Y. M. (2018a), Evaluation of Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA) as strengthening material for reinforced concrete structures. Applied sciences, 8(5).

5. Hong, K. M., Lee, S. G., Han, S. H., and Kang, P. S. (2018b), Long-term flexural behavior of RC beams strengthened in flexure with NSM Fe-SMA strips, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(3), 103-110.

6. Hong, K. N., Lee, S. G., Yeon, Y. M., and Jung, K. S. (2018c), Flexural response of reinforced concrete beams strengthened with near-surface-mounted Fe-based shape-memory alloy strips, International Journal of Concrete Structures and Materials, 12(5), 651-663.

7. Kang, W. H., Han, M. Y., Lee, T. S., and Rhu, Y. M. (1999), A study on development of methods to rehabilitate the damaged prestressed concrete beam using glass fiber, Journal of the Korea Concrete Institute, 11(2), 167-175.

8. Kim, H. H., Jang, S.M., and Noh, S. Y. (2007), Crack behavior of reinforced concrete tension member under steel corrosion after cracking, JOURNAL OF THE ARCHITECTURAL INSTITUTE OF KOREA Structure & Construction, 23(9), 99-106.

9. KS (2017), Standard test method for compressive strength of concrete, KS F 2405, Korean Standard Institute, Korea(in Korean).

10. KS (2019), Steel bars for concrete reinforcement, KS D 3504,

Korean Standard Institute, Korea(in Korean).

11. Lee, W. J., Weber, B., and Leinenbach, C. (2015), Recovery stress formation in a restrained Fe–Mn–Si-based shape memory alloy used for prestressing or mechanical joining. Construction and Building Materials, 95(1), 600-610.

12. Michels, J., Shahverdi, M., Czaderski, C., and El-Hacha, R. (2018), Mechanical performance of iron-based shape-memory alloy ribbed bars for concrete prestressing, ACI materials journal, 115(6), 877-886.

13. Rojob, H., and El-Hacha, R. (2017), Self-prestressing using iron-based shape memory alloy for flexural strengthening of reinforced concrete beams. ACI Structural Journal, 114(2), 523-532.

14. Sato, A., Chishima, E., Soma, K., and Mori, T. (1982), Shape memory effect in γ⇄ ϵ transformation in Fe-30Mn-1Si alloy single crystals. Acta Metallurgica, 30(6), 1177-1183.

15. Sawaguchi, T., Kikuchi, T., Ogawa, K., Kajiwara, S., Ikeo, Y., Kojima, M., and Ogawa, T. (2006), Development of prestressed concrete using Fe-Mn-Si-based shape memory alloys containing NbC, Materials Transactions, 47(3), 580-583.

16. Shahverdi, M., Czaderski, C., and Motavalli, M. (2016), Iron-based shape memory alloys for prestressed near-surface mounted strengthening of reinforced concrete beams.

Construction and Building Materials, 112(1), 28-38.

17. Yeon, Y. M. (2018), Evaluation of prestressing effect for Fe-based shape memory alloy, Master’s Thesis, Chungbuk National university.

18. Yeon, Y. M., Hong, K. N., and Shim, W. B. (2020), Long-term behavior of reinforced concrete beams strengthened with near-surface mounted Fe-based shape memory alloy, Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, 10(4), 48-52.

Received : 10/15/2020 Revised : 11/13/2020 Accepted : 11/27/2020

요 지 : 본 논문은 철계-형상기억합금(Fe-SMA) 바를 이용하여 제작된 콘크리트 보의 휨 거동 평가를 위한 실험적 연구이다. 실험을 위해

200mm×300mm × 2,200mm의 콘크리트 보를 제작하였으며 인장재로 4% 사전변형된 Fe-SMA 바를 사용하였다. 실험 변수로 인장재 종류 (SD400, Fe-SMA), 철근 비(0.2, 0.39, 0.59, 0.78), Fe-SMA 활성화(활성화, 비활성화) 그리고 Fe-SMA bar 연결방법(미연결, 용접, 커플러)를 고 려하였다. Fe-SMA 바를 활성화하기 위해 전기저항 가열 방법을 이용하여 5A/mm²의 전류를 실험체가 160℃에 도달할 때 까지 공급하였다. 캠 버효과에 의한 실험체의 상향 변위가 안정되면 2,000kN 용량의 엑츄레이터를 이용하여 3점 휨 재하 실험을 실시하였다. 실험결과 Fe-SMA 바 를 활성화 함에 따라 캠버효과에 의해 상향 변위가 발생하는 것으로 나타났다. Fe-SMA 바를 활성화한 실험체는 활성화하지 않은 실험체에 비 해 더 높은 하중에서 초기균열이 발생하였다. 그러나 일반적인 프리스트레스 콘크리트와 동일하게 Fe-SMA 활성화에 따른 프리스트레스 도입 이 보의 극한 상태에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

핵심용어 : 철계-형상기억합금, 회복응력, 프리스트레스, 초기균열