Flexural Behavior of Concrete-ECC Composite Beam Reinforced with Steel Rebar

1. 서 론

최근 급속한 경제성장과 함께 건설기술이 발전함에 따라 고층 및 대형 콘크리트 구조물이 증가하고 있으며 이에따른 고성능 콘크리트의 필요성이 대두되고 있다. 콘크리트는 경 제성과 내구성이 우수하여 강재와 함께 건설 분야에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 건설 재료이다. 그러나 인장강도 및 휨강도가 압축강도에 비해 낮은 공학적인 특성으로 균열 이 발생하기 쉬운 유사취성 재료라는 단점을 가지고 있다. 이 러한 콘크리트의 본질적인 단점을 보완하기 위한 방법으로 섬유를 콘크리트에 혼입하는 섬유보강 콘크리트(FRC, Fiber Reinforced Concrete)에 관한 연구 및 현장적용이 지속되고 있 다(Balaguru et al. 1992; Bentur et al. 1990; Wille et al. 2014).

일반적인 섬유보강 콘크리트(FRC)는 첫 번째 균열이 발생한 이후 일반 콘크리트와 달리 급격한 하중저하 및 파괴가 발생 하지 않는 연화거동이 나타난다.

ECC(Engineered Cementitious Composite)로 불리는 고인 성 섬유 복합체는 시멘트 페이스트 또는 모르타르에 부피비 로 2% 이내의 합성섬유를 혼입하여 인장하중 하에서 다중 균

열과 변형경화현상이 나타나는 특징이 있다(Kanda et al.

1999; Li 1993; Cho et al 2011, Jin et al. 2019). 이러한 재료 성 능은 마이크로 역학과 안정상태균열이론을 바탕으로 재료가 선정되고 배합설계가 되어야 발현된다(Kim et al 2005).

Fisher(2002, 2003)는 기둥 부재의 반복가력 조건에서 ECC 로 보강된 RC기둥의 실험을 통해 최대내력, 연성능력의 향상 과 에너지흡수능력 증가로 인한 내진성능 향상을 확인한 바 있다. Salahuddin (2014)은 보 기둥 접합부인 소성힌지부에 ECC를 보강하는 연구를 진행하였다. 실험결과 ECC와 전단 연결재를 함께 적용할 경우 전단저항능력 증가, 에너지흡수 능력 향상, 균열발생 저감 등의 효과가 있는 것으로 나타났다.

Cho(2012), Zang(2019)은 철근콘크리트 기둥의 소성힌지부 에 프리캐스트 ECC를 적용하여 반복가력실험을 진행하였다.

실험결과를 통해 소성힌지부에 프리캐스트 ECC를 적용할 경 우 에너지흡수능력, 강성감소, 연성능력 등이 모두 우수한 것 을 확인하였다. 기존 연구(Cho et al. 2012; Zang et al. 2019)에 서는 기둥 전체를 ECC로 치환하거나 기둥과 기초부의 연결 부를 ECC로 치환하였으며, 순수한 보 부재에서 ECC의 치환 에 따른 휨 성능에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

이 연구에서는 철근콘크리트 보의 지간 중앙부를 ECC로 치환하였고, 치환길이 변화에 따른 보 부재의 휨 성능을 실험 적으로 고찰하고자 한다.

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 3, June 2020, pp.104-111

https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.3.104 pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

철근 보강된 콘크리트-ECC 복합보의 휨 거동

현정환¹, 방진욱², 이방연³, 김윤용⁴*

Flexural Behavior of Concrete-ECC Composite Beam Reinforced with Steel Rebar

Jung-Hwan Hyun¹, Jin-Wook Bang², Bang-Yeon Lee³, Yun-Yong Kim⁴*

Abstract:

Keywords:

1정회원, 한남대학교 토목환경공학과 연구원

2정회원, 동양 기술연구소 팀장

3정회원, 전남대학교 건축학부 교수

4정회원, 충남대학교 토목공학과 교수

*Corresponding author: yunkim@cnu.ac.kr

Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Korea

∙본 논문에 대한 토의를 2020년 7월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 8월 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

2. ECC 사용재료 및 인장성능

2.1 사용재료 및 배합

ECC에는 밀도 3.15 g/cm³의 1종 보통 포틀랜드 시멘트 (OPC)를 사용하였고, 매트릭스의 파괴인성을 낮춰 다중 미세 균열을 발생시키기 위해 굵은골재를 사용하지 않았다. 혼화 재료로는 F급 플라이애시(FA)를 사용하였다. 보강용 섬유로 사용한 PVA(Polyvinyl-alcohol) 섬유의 물성은 Table 1과 같 고, 시멘트 페이스트와 과도한 화학적 부착을 방지하기 위하 여 표면처리가 되어 있다. Table 2는 ECC 배합을 나타낸다. 시 멘트 매트릭스에 플라이애시의 치환율을 높임으로서 매트릭 스의 강도 감소로 인한 파괴인성을 낮추어 다중균열 특성이 나타나도록 하였고, 결합재와 충전재의 역할을 할 수 있도록 하였다. 또한, 시멘트 매트릭스에 혼입되는 PVA 섬유가 고루 분산되도록 시멘트 페이스트의 점성을 조절하기 위하여 감수 제(SP)와 셀룰로스 계열의 분리저감제(HPMC)를 혼화제로 첨가하였고, 공기량 조절을 위한 소포제(defoamer)를 사용하 였다.

2.2 고인성 섬유복합체의 인장성능

철근콘크리트 보 실험체에 적용할 ECC의 재령 28일 압축 강도는 21 MPa로 나타났다. 1축 인장성능을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같이 1축 인장실험을 수행하였다. 실험체는 단부의 파괴를 방지하면서 직접인장 실험체에 균일한 1축 인장하중 이 가해지도록 아령 형상을 갖고 있다. 실험체는 탈형 후 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 이후, 250 kN 용량의 UTM 을 활용하여 1축 인장하중을 가력하였고, 0.2 mm/min 속도로 재하하였다. 실험체 중양부 80 mm 좌우 대칭인 구간에 10 mm

변위계(LVDT)를 설치하여 하중과 함께 실험체에 발생한 변 위를 데이터 로거를 이용하여 실시간으로 측정하였다. 실시 간 하중과 변위는 인장응력과 변형률로 각각 환산하였고 그 결과를 인장응력-변형률 관계로 나타내어 Table 3 및 Fig. 2에 나타내었다. 또한, 초기 균열강도와 최대 인장변형률을 측정 하여 인장 변형률 경화거동과 함께 실험체에 발생되는 균열 형태를 관찰하였다. ECC 실험체는 1축 인장조건 하에서 변 형률의 증가와 함께 인장강도가 증가하는 뚜렷한 변형률 경 화거동을 나타내었으며, 100 μm 이하 균열폭을 가진 다수의 미세균열이 관찰되었다. 실험체의 최대 변형률은 ECC1, ECC2, ECC3 실험체가 각각 2.9 %, 3.0 %, 3.1 %로 측정되었 고 평균 3.0 %의 최대 인장변형률로 측정되었다.

실험체의 파괴형태는 1축 인장응력이 증가함에 따라 각 실 험체의 균열강도에 도달하면서 첫 균열이 발생하였다. 이때 의 균열강도는 ECC1, ECC2, ECC3 실험체가 각각 2.2 MPa, 2.3 MPa, 2.5 MPa로 측정되었다. 인장강도가 증가하는 변형 구간에서는 안정상태의 미세균열이 실험편 중앙부 전체에 골 고루 분산되면서 변형률 경화거동이 관찰되었다. 이후, 응력 이 실험체의 최대 인장강도를 초과될 때 발생된 균열에 응력 이 집중되어 균열의 폭이 점차 증가하면서 실험체가 파단되 어 실험을 종료하였다.

Fig. 1 Specimen dimension and setup for uniaxial tension test

Specimen First cracking stress (MPa) Ultimate tensile

strength (MPa) Maximum tensile strain (%)

ECC12.2 3.1 2.9

ECC2 2.3 3.3 3.0

ECC3 2.5 3.4 3.1

Ave. value 2.3 3.3 3.0

Table 3 Material properties of ECC

W/C(%) FA/C(%)

Unit: kg/m

W OPC FA PCSP

HPMC

Defoamer PVA (vol.%) 88 280 362 411 1152 0.493 0.165 0.041 2 PCSP

: polycarboxylic superplasticizer

HPMC

: hydroxypropyl methylcellulose Table 2 Mix proportion of ECC

Fiber Density

(g/mm

) Length

(mm) Diameter (㎛)

Tensile strength (MPa)

Young’s modulus

(GPa) Polyvinyl

alcohol

(PVA) 1.30 12 39 1,620 40

Table 1 Properties of PVA fiber

Fig. 2 Tensile stress and strain curves of ECC

3. 철근콘크리트 보 실험체 제작 및 실험방법

ECC 치환 길이를 변화하여 제작한 보 실험체의 휨거동을 평가하기 위하여 4점재하 방식으로 휨실험을 수행하였다. 보 강철근 종류 및 배근간격은 모두 동일한 조건으로 제작하였 으며, 실험체 제작조건은 Table 4에 표기하였다. 모든 실험체 는 각각 2개씩 제작되었고, ECC 치환 길이 변화에 따른 실험 체의 거동을 비교하고 분석하였다. 실험을 위해 제작한 보 실 험체는 철근콘크리트로 제작한 RC 실험체, 중앙부 800 mm를 ECC로 치환한 ECC5d 실험체, ECC로 전 구간(2,200 mm)을 타설한 ECCFull 실험체로서 총 6개 실험체를 제작하였다.

3.1 사용재료

실험체 제작을 위하여 사용된 콘크리트는 슬럼프 150 mm, 공기량 4.5 %, 압축강도 21 MPa의 물성을 나타내었다. ECC 는 2.2절에 기술된 성능을 갖는 것을 사용하였다. 보강 철근으 로 사용된 재료의 물리적 특성은 Table 5와 같다. 철근콘크리 트 보는 연성거동을 할 수 있도록 저보강으로 설계하였다.

Specimen ECC replacement length from the midspan Longitudinal

rebar (SD40) stirrup near the support(SD30)

RC - 3-D13 D6@100

ECC

400 mm 3-D13 D6@100

ECC

1,100 mm 3-D13 D6@100

Table 4 Details of beam specimens

Classification Yield strength

(MPa) Diameter

type Nominal diameter (mm) Longitudinal

rebar 400 D13 12.7

Shear rebar 400 D6 6.35

Table 5 Mechanical properties of rebar

3.2 실험체 제작

철근콘크리트 보 실험체 형상 및 단면 상세를 Fig. 3에 나타 내었다. 실험체의 총 길이는 2,200 mm이며, 단면치수는 110 mm × 180 mm의 직사각형 형상이다. 압축부에는 D13의 이형 철근 두개, 인장부에는 세 개의 D13의 이형철근을 배근하였으며 띠철근은 길이방향 전 구간에 100 mm 간격으로 균일하게 배 근하였다. 또한, 실험 중 변화하는 철근 변형률을 측정하기 위 하여 압축부에 26개소, 인장부에 26개소 총 52개소에 변형률 게이지를 부착하여 각 지점의 곡률을 분석하였다. RC 실험체 와 ECCFull 실험체의 경우 전단면을 각각 일반 콘크리트와 ECC로 타설하였고, ECC5d 실험체의 경우 중앙부 800 mm에 ECC를, 나머지 구간에 일반 콘크리트로 타설하였다. 실험체 제작과정은 Fig. 4에 도시하였다.

3.3 실험방법

Fig. 5는 휨 실험을 위한 실험체 설치 전경을 보여주고 있다.

실험은 250 kN 용량의 UTM을 사용하여 4점재하 방식으로 수 행하였다. 실험체의 양 끝단으로부터 100 mm 위치에 회전단 을 설치하여 순 지간이 2,000 mm가 되도록 단순지지 하였다.

Fig. 3 Configuration and dimension of the beam specimen

하중은 UTM에 프레임을 연결하여 2점 가력을 하였고, 가력 점의 간격은 400 mm로서 이 영역에서는 순수 휨이 작용하도 록 하였다. 실험체의 처짐은 보의 중심부에서 레이져 변위측 정기를 이용하였고, 압축철근 및 인장철근에 부착된 철근게

이지를 분석하여 휨하중에 따른 실험체의 거동을 평가하였 다. 하중 가력 시 콘크리트의 국부파괴를 방지하기 위하여 각 부 콘크리트에 균일한 하중이 가력될 수 있도록 가력판을 설 치하여 실험을 수행하였다.

4. 실험 결과 및 분석

4.1 균열 및 파괴양상

Fig. 6은 각 실험체의 실험종료 후 균열패턴을 나타낸다. 모든 단면을 일반 콘크리트로 사용한 RC-1과 RC-2 실험체의 초기 균

(

a(a) Rebar reinforcing (b) Formworking

(c

(c) ECC mixing (d) Slump-flow

(e

(e) Placing ECC (f) finishing Fig. 4 Manufacturing process of beam specimen

(a) RC

(b) ECC

(c) ECC

Fig. 6 Typical crack patterns of specimens

Fig. 5 Set-up for beam bending test

열은 9.6 mm, 8.4 mm에서 각각 발생하였다. 또한, ECC5d-1, ECC5d-2 실험체는 10.9 mm, 10.3 mm, ECCFull-1, ECCFull-2 실험 체의 경우 11.2 mm, 10.1 mm에서 각각 초기 균열이 발생하였다.

RC-1과 RC-2 실험체는 최대 내력에 도달 한 후, 인장부에 서 발생한 균열이 압축부까지 도달하여 압축부 콘크리트가 압축파괴 되는 전형적인 휨 파괴 형태를 나타내었다. ECC를 중앙부에 800 mm 치환한 ECC5d-1, ECC5d-2 실험체와 ECC를 전단면에 적용한 ECCFull-1, ECCFull-2 실험체는 최대내력 이 후 ECC가 적용된 인장단면에 다중 미세균열이 증가하는 경 향을 나타내었다. 또한, ECC의 치환길이가 증가할수록 최대 내력에서 인장부의 미세균열 발생과 함께 처짐이 증가하는 연성적인 거동을 보였으며, ECC의 치환율이 증가할수록 보 의 중앙점을 중심으로 휨균열이 분산되는 범위가 증가한 것 을 확인하였다.

4.2 하중-변위 특성

Fig. 7은 각 실험체의 하중과 처짐 곡선을 나타내며, 특징이 되는 수치는 Table 6에 정리하였다. RC 시리즈 실험체의 경우 평균 21.5 mm의 처짐에서 인장철근이 항복한 이후 인장부에 서 발생한 균열폭이 집중되었고 최대하중 이후 급격히 내력 이 감소하였다. ECC를 중앙부에 800 mm 치환한 ECC5d 시리 즈 실험체의 경우 인장철근의 항복은 평균 23.0 mm에서 발생 하였고, ECC를 전단면에 적용한 ECCFull 시리즈 실험체는 평 균 23.3 mm의 처짐에서 인장철근이 항복하였다.

인장철근 항복 시 RC 실험체의 하중은 평균 62.7 kN으로 측정되었다. 인장철근 항복 시 ECC5d시리즈 실험체의 하중 평균은 67.4 kN로 측정되었고 ECCFull 시리즈 실험체는 평균 68.8 kN으로 나타나 RC 시리즈 실험체 대비 각각 평균 7.5 %, 9.7 % 향상되었다. RC 시리즈 실험체의 최대내력은 평균 67.2 kN(최대변위 평균 80.2 mm)으로 측정되었다. ECC

5d

mm), ECC

Full

Specimens Initial crack Re-bar

yielding Ultimate load Deflection

(mm) Load

(kN) Deflection (mm) Load

(kN) Deflection (mm) Load

(kN)

RC-19.6 24.6 21 .2 62.2 83.1 68.2

RC-2 8.4 24.5 21.8 63.1 77.3 66.2

ECC

-11 0.9 26.5 23.1 68.7 97.5 73.7 ECC

-2 10.3 26.7 22.8 66.1 90.2 74.2 ECC

-1 11.2 28.5 23.4 69.4 119.5 74.5 ECC

-2 10.1 27.3 23.2 68.2 121.2 77.4 Table 6 Result of bending test

(a) RC specimens

(b) ECC

specimens

(c) ECC

specimens

Fig. 7 Load-displacement curves

변형률 경화거동 특성이 반영되어 변위의 증가와 함께 최대 내력이 향상되는 것으로 판단된다.

4.3 모멘트-곡률 특성

Fig. 8과 Table 7에는 각 실험체의 모멘트와 곡률 관계를 나 타내고 있다. 초기균열 모멘트(







다만, 치환길이가 순수모멘트 구간의 길이보다 작다면 차이 가 나타날 것으로 판단된다.

극한곡률(



5d,

Full

5d

Full

4.4 소성힌지 특성

횡하중을 받는 철근콘크리트 부재는 휨에 의해 지배될 경 우 위험단면에서 소성힌지가 발생하고 비탄성 변형이 집중된 다. 항복곡률을 초과하는 비탄성 영역의 곡률 분포는 등가소

성힌지 길이 구간의 면적과 동일하다는 가정하에 등가 소성 힌지 개념을 도입하였다(Park et al, 1975).

Table 8에는 등가소성힌지 길이(_) 및 곡률연성계수(_/

Specimens 

(kN·m) 

(kN·m) 

(kN·m) 

(1/m) 

(1/m) 

(1/m) RC-1 9.8 24.9 27.3 0.00913 0.02412 0.05824 RC-2 9.8 25.2 26.5 0.009210.02335 0.05611 ECC

-11 0.6 27.5 29.5 0.00953 0.02664 0.06623 ECC

-2 10.7 26.4 29.7 0.00987 0.02595 0.06852 ECC

-1 11.4 27.8 29.8 0.01132 0.02614 0.07251 ECC

-2 10.9 27.3 31.0 0.0106470.02726 0.07416 Table 7 Test result of each beam specimen

(a) RC specimens

(b) ECC

specimens

(c) ECC

specimens

Fig. 8 Moment-curvature curves

_)를 산정한 결과를 나타내었고 Fig. 9에는 각 지점에서 측정 된 곡률을 등가면적으로 환산하여 소성힌지 길이를 산정하였 다. 여기서 가로축 h는 보의 중앙부에서 단부까지의 길이를 나타내며 세로축은 각 지점에서의 곡률 분포를 나타낸다.

RC 보 실험체의 소성힌지 길이는 RC-1, RC-2가 각각 1.31d(210 mm), 1.46d(234 mm)로 측정되어 평균 222 mm의 소성힌지 길이로 계산되었다. ECC를 800 mm 치환한

ECC

5d

5d

Full

Full

5d

Full

측정된 곡률연성계수는 RC 시리즈 실험체가 평균 2.41로 측정되었다. ECC

5d

ECC

Full

수록 곡률연성계수는 점진적으로 증가하는 것을 확인하였다.

따라서 ECC를 소성힌지부에 적용할 경우, 소성힌지의 길이 가 길어져서 연결부에 곡률이 집중되는 현상이 기존의 철근 콘크리트에 비하여 줄어들게 되므로 이를 고려하여 부재 설 계가 이루어 져야 할 것이다.

5. 결 론

이 연구에서는 우수한 인장변형 성능을 갖고 있는 ECC를 철근콘크리트 보에 적용한 보의 휨성능 및 ECC 치환길이가 소성힌지에 미치는 영향을 평가하였다. 이 연구를 통하여 얻 은 결론은 다음과 같다.

1) ECC(ECC5d, ECCFull) 시리즈 실험체는 RC 시리즈 실험체 와 비교할 경우 휨 균열이 발생된 이후, 균열 폭이 증가하지 않고 많은 미세균열이 분산되어 추가로 발생하였다. ECC 치환길이가 증가할수록 보의 중앙점을 중심으로 휨균열 이 분산되는 범위가 증가하였고, 이 결과는 ECC의 높은 연 성과 우수한 균열제어능력에 기인하는 것이다.

2) 휨실험을 수행한 결과 ECC 시리즈(ECC5d, ECCFull) 실험체 의 극한 곡률은 RC 시리즈 실험체보다 각각 17.8%, 28.3%

증가하였다. 이 결과는 ECC 매트릭스 내부에 혼입된 보강 섬유가 인장하중 조건에서 다중 미세균열을 발생시켜 균열 폭 제어를 통한 변형률 경화거동(strain-hardening behavior) 을 보였고, 우수한 연성능력을 발휘하였기 때문이다.

3) ECC 치환길이가 증가함에 따라 ECC-RC 실험체의 소성 힌지 길이는 증가하였다. ECC5d 실험체는 기준실험체 대비 평균 50.0 %, ECCFull 실험체는 평균 101 % 소성힌 지 길이가 증가되었다. 이 결과를 통해 ECC를 소성힌지 부에 적용할 경우, 보의 에너지 흡수능력이 증가되는 것 을 알 수 있다.

Specimen

replacement ECC length

(mm)

Plastic hinge length(

)

(mm)

Curvature ductility

factor (

/

)

RC-1- 1 .46d (234) 2.41

RC-2 - 1.31d (210) 2.40

ECC

-1800 2.04d (326) 2.49

ECC

-2 800 2.14d (342) 2.64

ECC

-12200 2.67d (427) 2.77

ECC

-2 2200 2.91d (465) 2.72

Table 8 Comparison of plastic hinge length

(a) RC-1 (b) RC-2

(c) ECC

-1 (d) ECC

-2

(e) ECC

-1 (f) ECC

-2

Fig. 9 Estimated plastic hinge length of the specimens

감사의 글

이 논문은 2015년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No.

2015R1A5A1037548)

References

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14. Park, R., & Paulay, T. (1975). Reinforced concrete structures. John Wiley & Sons.

Received : 04/22/2020 Revised : 05/12/2020 Accepted : 05/21/2020

요 지 : 이 연구의 목적은 ECC를 적용한 RC 보 실험체의 휨 성능과 소성 힌지를 조사하는 것이다. ECC에는 1종 보통 포틀랜드 시멘트

(OPC)를 결합재로 사용하였고, 플라이애시를 다량 혼입하여 결합재와 충전재 역할을 함과 동시에 균열폭 제어를 통한 다중 미세균열 확보하 고자 하였다. 1축 인장성능 측정결과 최대 인장변형률은 3.0 % 확보하여 우수한 인장변형성능이 나타났다. ECC 치환길이에 따라 3가지 종류 의 보를 제작하였다. ECC의 치환길이 변화에 따른 ECC-RC 보의 휨성능 실험 결과에서는 ECC의 적용으로 휨부재의 최대 내력과 연성이 동시 에 증가하였다. 또한, ECC를 소성힌지부에 적용할 경우, 휨 부재의 곡률연성계수와 소성힌지 길이가 증가하는 것으로 나타났다.

핵심용어 : 철근콘크리트, 콘크리트-ECC 복합, 보 실험체, 소성힌지