Fracture Toughness of Concrete Brazilian Disk according to Maximum Size of Coarse Aggregate

한국구조물진단학회 제10권 제3호(2006. 5)

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굵은골재의 최대치수에 따른 콘크리트 브라질리언 디스크의 파괴인성

Fracture Toughness of Concrete Brazilian Disk according to Maximum Size of Coarse Aggregate

이 승 훈

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Lee, Seung-Hoon Kim, Hee-Sung Jang, Hee-Suk Jin, Chi-Sub

Abstract

Fracture toughness is a material property for crack initiation and propagation in frac- ture mechanics. For mode I fracture toughness measurement in concrete, RILEM commit- tees 89-FMT proposed three-point bend tests based on the two-parameter fracture model.

But, there is no proposed test method as a standard for mixed mode test for now. And RILEM three-point bend test procedure is complicate. Therefore, in this study, brazilian disks of various size were designed as the concrete with a similar specified concrete strength and maximum size of coarse aggregate (G

) were respectively 20 mm and 40 mm.

And mode I fracture toughness of brazilian disks was compared with that of RILEM three-point bend test. As a result, it was suggested appropriate size (thickness, diameter) and notch length ratio of brazilan disk on the G

. And it was verified that stress in- tensity factors for mixed mode can be easily calculated with the disk specimen. Stress in- tensity factors of a concrete brazilian disk were evaluated with finite element analysis and five terms approximation for comparison.

요 지

파괴인성은 균열의 개시와 전파에 대한 재료 고유의 상수로서 파괴역학에서 가장 중요한 재료상수 중의 하나이다. 콘크리트의 모드 I 파괴인성 측정에 대하여 RILEM 기술 위원회 89-FMT는 2-파라메타 모델 에 근거한 3점 휨 시험법을 제시하였다. 그러나 혼합모드에 대한 시험법은 아직까지 표준으로 제안된 방법 이 없는 실정이며, 또한 RILEM에서 제안한 3점 휨 시험법은 실험법이 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 굵은골재의 최대치수가 각각 20 mm, 40 mm이고, 동일한 설계기준강도를 가지는 콘크리트로써 다양한 크 기의 브라질리언 디스크를 제작하였다. 그리고 브라질리언 디스크의 모드 I 파괴인성을 RILEM 3점 휨 시험결과와 비교하였다. 비교 결과, 굵은골재의 최대치수에 따른 브라질리언 디스크의 적정 크기(두께, 직 경) 및 노치 길이 비를 제시하였다. 또한 모드 I 시험으로부터 결정된 치수의 브라질리언 디스크로 혼합모 드 시험을 수행한 결과 디스크 시편은 혼합모드 파괴의 연구 및 시험에 유용함을 알 수 있었다. 모드 I 및 혼합모드 시험에서 브라질리언 디스크의 응력확대계수는 유한요소해석(FEA)으로 구하였으며 FEA의 결과 를 검증하기 위하여 5개항 근사법(Five terms approximation)에 의한 결과와 비교하였다.

Keywords : Fracture Toughness, RILEM, Brazilian Disk, Stress Intensity Factor 핵심 용어 : 파괴인성, RILEM, 브라질리언 디스크, 응력확대계수

1)2)

* 정회원, 부산대학교 토목공학과 박사과정 ** 정회원, 동서대학교 건설공학부 전임강사, 공학박사 *** 정회원, 부경대학교 건설공학부 교수, 공학박사

**** 정회원, 부산대학교 토목공학과 교수, 공학박사

E-mail : [email protected] 051-510-2351

•본 논문에 대한 토의를 2006년 6월 30일까지 학회로 보내 주시면 2006년 9월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

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Table 1 Sizes of beams for measuring

K

and

CTOD

Gmax

(mm)

Depth, b (mm)

Width, t (mm)

Length, L (mm)

Span, S (mm) 1.0～25 150±5 80±5 700±10 600±5 25.1～50 250±5 150±5 1,100±10 1,000±5

Fig. 1 Geometry of the RILEM three-point bend beam⁽⁹⁾

1. 서 론

파괴인성은 균열의 개시와 전파에 대한 재료 고유의 상수로서 파괴역학에서 가장 중요한 재료상수 중의 하 나이다. 콘크리트의 모드 I 파괴인성 측정에 대하여 1990년 RILEM 기술 위원회 89-FMT는 2-파라메타 모델에 근거한 3점 휨 시험법을 제시하였으나 실험법 이 다소 복잡하다.

또한 혼합모드에 대한 시험법은 아직까지 표준으로 제안된 방법이 없는 실정이다. 따 라서 혼합모드 파괴인성 측정이 가능하면서 실험이 간 단한 측정 방법이 요구되고 있다. 이러한 문제를 해결 하기 위한 디스크 형태의 시편은 혼합모드 파괴인성 측정이 가능하면서 시험법이 단순하여 많은 연구가 행 해져 왔으나 콘크리트를 이용한 디스크 형태의 시편에 대한 연구는 현재까지 그리 많지 않다.

콘크리트와 같은 취성재료의 혼합모드 상태의 파괴 인성을 연구하기 위하여 Awaji & Sato

는 중앙에 노치가 있는 디스크에 직경방향 압축력을 가하여 혼합 모드 파괴인성치를 측정하였다. 사용한 재료는 흑연, 석고 및 대리석이었다. 그 후 Atkinson 등

은 디스 크의 응력확대계수를 구하는 식을 정식화하고 PMMA (polymethyl methacrylate)를 이용하여 혼합모드 파괴거동을 조사하였다. 한편, Irobe & Peng

은 콘 크리트 디스크에 대하여 응력확대계수를 탄성론으로 계산하고 유한요소법으로 비교하였으며 실험결과도 제 시하였다. 한편 국내에서는 陳 등

이 처음으로 콘크리트 브라질리언 디스크를 이용하여 모드 I 및 혼 합모드 상태의 파괴인성치를 연구하기 위한 실험을 수 행하였다.

본 연구의 목적은 모드 I 파괴인성 및 혼합모드 상 태의 응력확대계수를 구하기 위한 콘크리트 브라질리 언 디스크의 적정 크기(두께, 직경) 및 노치 길이 비 를 제시하는데 있다. 이를 위하여 굵은골재의 최대치 수가 20 mm, 40 mm인 동일한 설계기준강도의 콘크 리트에 대하여 다양한 크기의 브라질리언 디스크와 RILEM 3점 휨 시험보를 제작, 모드 I 파괴인성을 비 교하였다. 그리고 이렇게 정해진 디스크에 대하여 디 스크의 노치 경사를 변화시키는 방법으로 혼합모드 시 험을 수행하였다. 모드 I 및 혼합모드 시험에서 브라

질리언 디스크의 응력확대계수는 유한요소해석(FEA) 으로 구하였으며 FEA의 결과를 검증하기 위하여 5개 항 근사법(Five terms approximation)의 결과와 비교하였다.

2. 파괴인성 시험법

모드 I 파괴인성 K

및 한계균열선단열림변위 (Critical Crack Tip Opening Displacement) CTOD

를 구하 기 위하여 RILEM에서 제안한 3점 휨 시험법은 Jenq

& Shah가 탄성 파괴거동에 기초하여 제시한 2-파라메 타 모델을 근거로 한다.

보의 치수는 굵은골재의 최 대치수 G

에 의해 결정되며, 시험편 치수는 Table 1, Fig. 1과 같다.

시험은 Fig. 2 (a)와 같이 최대 응력(최대 하중)을

지났을 때나 최대 응력(최대 하중)의 95 % 이내에 있

을 때 제하한다. 하중이 제하되어 0이 되면 재재하한

다. 이때 clip gauge 등을 이용하여 CMOD(Crack

Mouth Opening Displacement)를 측정하여야 한다.