저작자표시

저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국

이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게

l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다.

다음과 같은 조건을 따라야 합니다:

l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다.

저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다.

이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.

Disclaimer

저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.

비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.

변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

2013年 2月 碩 士 學 位 論 文

고인성 섬유복합체 활용 내진 개선 콘크리트 기둥공법

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

建 築 工 學 科 ( 建 築 工 學 專 攻 )

韓 聖 鎭

고인성 섬유복합체 활용 내진 개선 콘크리트 기둥공법

Seismic Strengthened Concrete Columns using High Ductile Fiber Reinforced Composites

2013年 2月 25日

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

建 築 工 學 科 ( 建 築 工 學 專 攻 )

韓 聖 鎭

고인성 섬유복합체 활용 내진 개선 콘크리트 기둥공법

指 導 敎 授 조 창 근

이 論文을 工學 碩士學位申請 論文으로 提出함.

2012年 10月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

建 築 工 學 科 ( 建 築 工 學 專 攻 )

韓 聖 鎭

韓聖鎭 의 碩士學位論文을 認准함

委員長 朝鮮大學校 敎授 김 의 식 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 최 재 혁 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 조 창 근 印

2012年 11月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

<목 차>

<그림 차례> ··· VIII

<표 차례> ··· XIII

<Abstract> ··· XIV

1. 서 론

1.1 연구배경 ···1

1.1.1 연구 필요성 및 목적 ···1

1.1.2 연구 내용 및 방법 ···4

1.2 연구 동향 ···6

2. 고인성 섬유복합체의 개발

2.1 고인성 섬유복합체 배합설계 ···10

2.1.1 사용재료 및 혼입비율 결정 ···10

2.2 고인성 섬유복합체의 성능분석 ···16

2.2.1 고인성 섬유복합체의 시공성 평가 ···16

2.2.2 고인성 섬유복합체의 역학적 특성 검증 ···20

3. 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 내진개선 콘크리트 기둥 공법 의 개발

3.1 공법개발 목적 ···28

3.2 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 기둥의 시공단계 ···29

3.2.1 개요 ···29

3.2.2 프리캐스트 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 시공순서 ···29

3.2.3 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 제작 ···30

3.2.4 프리캐스트 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 시공 상세 ···31

4. 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 내진개선 콘크리트 기둥의 실

험

4.1 실험 계획 ···37

4.1.1 실험체 계획 ···37

4.1.2 실험체 제작 ···40

4.1.3 시공단계에 따른 실험체 제작과정 ···41

4.1.4 실험체 실험방법 ···63

4.1.5 하중 제어 ···69

4.2 실험 결과 및 분석 ···70

4.2.1 균열 및 파괴 양상 ···70

4.2.2 하중 - 변위 이력곡선 ···79

4.2.3 하중 – 변위 관계의 포락곡선 ···83

4.2.4 에너지 소산능력 ···84

4.2.5 실험결과 고찰 ···87

5. 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 내진개선 콘크리트 기둥의 설 계 강도 제시

5.1 개요 ···89

5.2 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 설계 휨강도 ···90

5.2.1 순수 휨모멘트 조건의 경우 ···91

5.2.2 평형하중 상태인 경우 ···91

5.2.3 인장파괴 조건인 경우 ···91

5.2.4 압축파괴 조건인 경우 ···92

5.2.5 고인성 섬유복합체가 부담하는 인장력 ···92

5.3 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 설계 전단강도 ···93

5.4 고인성 섬유복합체 박스 높이 산정 ···98

5.5 고인성 섬유복합체 박스 적용 기둥 실험체의 설계강도 ···99

6. 프리캐스트 고인성 섬유복합체 적용 철근콘크리트 기둥의 비선형 해석

모델의 개발 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

6.1 개요 ···100

6.2 재료 특성 모델 ···101

6.2.1 구속 및 비구속 콘크리트의 재료특성 모델 ···101

6.2.2 철근의 재료 특성 모델 ···105

6.2.3 고인성 섬유복합체의 재료특성 모델 ···107

6.3 비선형 층상화 단면 휨 해석 모델 ···109

6.4 비선형 하중-변위 거동의 예측 모델 ···110

6.5 전단 내력 ···114

6.6 좌굴 모델 ···116

6.6.1 Moyer-Kowalsky 의 철근 좌굴 모델 ···116

6.6.2 Berry-Eberhard 의 철근 좌굴 모델 ···117

6.7 대상 기둥 실험체의 해석 결과 ···118

6.7.1 해석 대상 실험체 ···118

6.7.2 해석 결과 비교 ···122

7. 고인성 섬유복합체 프리캐스트 박스 적용 RC 복합기둥의 현장 적용 사 례

7.1 개요 ···128

7.2 설계 및 비선형해석을 통한 프리캐스트 공법 현장적용 검토 ···132

7.2.1 설계강도 및 비선형 해석 대상 기둥 ···132

7.2.2 현장적용 고인성 섬유복합체 기둥의 비선형 해석 ···133

7.2.3 현장적용 고인성 섬유복합체 기둥의 설계강도식 ···140

7.3 프리캐스트 고인성 섬유복합체 내진기둥 현장적용 ···141

7.3.1 고인성 섬유복합체 프리캐스트 박스 제작단계 ···141

7.3.2 고인성 섬유복합체 프리캐스트 박스 현장적용 단계 ···145

8. 결 론

참고문헌

<그림 차례>

[그림 1-1] 철근콘크리트 기둥의 휨파괴 양상 ···2

[그림 1-2] 일반콘크리트의 취성파괴와 고인성 섬유복합체의 연성거동 ···3

[그림 1-3] 고인성 섬유복합체의 역학적 특성 평가 ···4

[그림 1-4] 프리캐스트 기둥 공법 제안 ···5

[그림 2-1] 예비비빔 실험을 통한 혼화제량 결정 ···14

[그림 2-2] 고인성 섬유복합체 배합을 위한 재료 ···17

[그림 2-3] Slump-flow 실험 (PVA섬유 1.5% 혼입) ···18

[그림 2-4] 직접인장 실험체 ···21

[그림 2-5] 직접인장 실험 장치 및 실험 과정 ···21

[그림 2-6] 고인성 섬유복합체의 () - () 관계 ···22

[그림 2-7] 고인성 섬유복합체의 다수의 미세 균열 ···23

[그림 2-8] 압축강도 시험체 (압축강도 평가 전후) ···25

[그림 2-9] 압축강도 시험 ···25

[그림 2-10] 고인성 섬유복합체의 압축강도 및 휨 강도 시험 성적서 ···26

[그림 2-11] 고인성 섬유복합체의 슬럼프 플로우 시험 성적서 ···27

[그림 3-1] 프리캐스트 박스 적용 개요 ···29

[그림 3-2] 전단철근만 배근된 프리캐스트 박스 형태 ···30

[그림 3-3] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공 적용단계 1 ···31

[그림 3-4] 프리캐스트 고인성 섬유 복합체 박스의 시공적용단계 2 ···32

[그림 3-5] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 3 ···33

[그림 3-6] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 4 ···34

[그림 3-7] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 5 ···35

[그림 3-8] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 6 ···36

[그림 4-1] 제작된 기둥 실험체의 형상 및 치수 ···39

[그림 4-4] 고인성 섬유복합체 박스 거푸집 제작 ···43

[그림 4-5] 고인성 섬유복합체 박스 전단철근 배근 및 거푸집설치 ···44

[그림 4-6] 고인성 섬유복합체 모르터 배합 ···45

[그림 4-7] 프리캐스트 박스 고인성 섬유복합체 타설 및 다짐 ···46

[그림 4-8] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스 양생 ···47

[그림 4-9] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스 탈형 ···48

[그림 4-10] 프리캐스트 블록 설치 공간 확보 ···49

[그림 4-11] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스를 기초에 고정하는 단계 ···50

[그림 4-12] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스 설치 완료 ···51

[그림 4-13] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스 위치조정 및 수직 수평맞춤 ···52

[그림 4-14] 고성능 무수축모르터를 이용 프리캐스트 박스 고정 ···53

[그림 4-15] 기둥 상부 후타설을 위한 거푸집 설치 ···54

[그림 4-16] 상부 기둥의 거푸집 완성 ···55

[그림 4-17] 상부 기둥 내부 상태 및 철근커플러 사용 ···56

[그림 4-18] 프리캐스트 박스 상부 기둥 거푸집 고정 ···57

[그림 4-19] 기둥 가력부 파이프관 및 거푸집 설치 ···58

[그림 4-20] 기둥 가력부의 내부 상태 ···59

[그림 4-21] 기둥 상부의 일반콘크리트 후타설 현장 1 ···60

[그림 4-22] 기둥 상부의 일반콘크리트 후타설 현장 2 ···61

[그림 4-23] 완성된 프리캐스트 박스 적용 기둥 실험체 ···62

[그림 4-24] 준정적 반복하중 실험을 위한 설치 전경 ···64

[그림 4-25] 일정 축하중을 전달하기 위한 유압 시스템 (풀링잭) ···65

[그림 4-26] 준정적 반복하중 실험 준비 단계 ···66

[그림 4-27] 준정적 반복하중 실험준비 완료 ···67

[그림 4-28] 준정적 반복하중 실험 진행과정 ···68

[그림 4-29] 예비실험체 테스트 ···69

[그림 4-30] 변위제어 이력 ···70

[그림 4-31] 사이클에 따른 실험체별 균열양상 ···76

[그림 4-32] 기준 실험체 (RC-C1) 파괴균열 ···77

[그림 4-33] 기준 실험체 (RC-C2) 파괴균열 ···77

[그림 4-34] 프리캐스트 고인성섬유복합체 ···78

[그림 4-35] 프리캐스트 고인성섬유복합체 ···78

[그림 4-36] 기준 시험체 RC-C1 하중-변위 관계 곡선 ···81

[그림 4-37] 기준 시험체 RC-C2 하중-변위 관계 곡선 ···81

[그림 4-38] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 PCHPFC-N 하중-변위 관계 곡선 ···82

[그림 4-39] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 PCHPFC-S 하중-변위 관계 곡선 ···82

[그림 4-40] 포락곡선 (FEMA 356) ···83

[그림 4-41] 실험체별 하중-변위 포락곡선 ···84

[그림 4-42] 각 사이클에 대한 에너지소산능력 ···86

[그림 4-43] 각 사이클에 대한 누적에너지 소산능력 ···86

[그림 5-1] 고인성 섬유복합체 RC 기둥 단면 ···90

[그림 5-2] 변위연성계수 값에 따른 강도 감소계수 ···95

[그림 5-3] 곡률 연성계수 값에 따른 강도 감소계수 ···95

[그림 5-4] 심부 콘크리트의 지름 ···96

[그림 5-5] 기둥의 중심축과 압축스트럽이 이루는 각 ···97

[그림 6-1] 비구속 및 구속 콘크리트의 응력-변형률 관계 ···101

[그림 6-2] 철근의 구성모델 (King, 1986) ···106

[그림 6-3] 철근의 구성모델 (Raynor 등, 2002) ···106

[그림 6-4] 고인성 섬유복합체의 응력-변형률 관계 ···108

[그림 6-5] 고인성 섬유복합체의 응력-변형률 관계 ···109

[그림 6-6] 등가 소성힌지 방법 ···111

[그림 6-7] 보강 좌굴 한계 상태에 대한 평가 (Moyer–Kowalsky,2003) ···117

[그림 6-8] 해석 대상 기둥 실험체 상세 ···119

[그림 6-9] 철근의 응력-변형률 관계 ···120

[그림 6-10] 구속 및 비구속 콘크리트의 응력-변형률 관계 ···121

[그림 6-11] HPFR의 응력-변형률 관계 ···121

[그림 6-14] RC-C1 기둥 실험체의 하중-변위 관계 예측 ···123

[그림 6-15] PCHPFR-S 기둥 실험체의 하중-변위 관계 예측 ···123

[그림 6-16] PC-C1 기둥 실험체의 축력-모멘트 상관관계 ···124

[그림 6-17] PCHPFR-S 기둥 실험체의 축력-모멘트 상관관계 ···124

[그림 6-18] PC-C1 기둥 실험체의 좌굴 한계상태 예측 (M-K 모델) ···125

[그림 6-19] CHPFR-S 기둥 실험체의 좌굴 한계상태 예측 (M-K 모델) ···125

[그림 6-20] PC-C1 기둥 실험체의 좌굴 한계상태 예측 (B-E 모델) ···126

[그림 6-21] PCHPFR-S 기둥 실험체의 좌굴 한계상태 예측 (B-E 모델) ···126

[그림 7-1] 공사현장 조감도 ···129

[그림 7-2] 공사현장 위치 ···129

[그림 7-3] 고인성 섬유복합체 현장적용부 위치 ···130

[그림 7-4] 해석 대상 기둥 상세 ···132

[그림 7-5] RC-C 기둥의 휨모멘트-곡률 관계 예측 ···134

[그림 7-6] PCaHPFR-C 기둥의 휨모멘트-곡률 관계 예측 ···134

[그림 7-7] RC-C 기둥의 하중-변위 관계 예측 ···135

[그림 7-8] PCaHPFR-C 기둥의 하중-변위 관계 예측 ···135

[그림 7-9] RC-C 기둥의 축력-모멘트 상관관계 ···136

[그림 7-10] PCaHPFR-C 기둥의 축력-모멘트 상관관계 ···136

[그림 7-11] RC-C 기둥의 좌굴 한계상태 예측(M-K 모델) ···137

[그림 7-12] PCaHPFR-C 기둥의 좌굴 한계상태 예측(M-K 모델) ···137

[그림 7-13] RC-C 기둥의 좌굴 한계상태 예측(B-E 모델) ···138

[그림 7-14] PCaHPFR-C 기둥의 좌굴 한계상태 예측(B-E 모델) ···138

[그림 7-15] 프리캐스트 박스 거푸집 제작 ···141

[그림 7-16] 고인성 섬유복합체 배합과정 ···142

[그림 7-17] 프리캐스트 박스 거푸집에 고인성 섬유복합체 타설 ···143

[그림 7-18] 양생 및 거푸집 탈형 후 프리캐스트 박스 ···144

[그림 7-19] 양생 완료된 프리캐스트 박스 ···145

[그림 7-20] 프리캐스트 박스 현장적용 위치 ···146

[그림 7-21] 프리캐스트 박스 현장적용 부 인양작업 ···147

[그림 7-22] 기초 주철근에 프리캐스트 박스 넣기 ···148

[그림 7-23] 프리캐스트 박스 거치 후 수직, 수평 맞춤 ···149

[그림 7-24] 철근커플러를 이용한 주철근 이음 ···150

[그림 7-25] 주철근 중공부 무수축 모르터 채움 ···151

[그림 7-26] 무수축 모르타르 양생 후 프리캐스트 박스 ···152

[그림 7-27] 프리캐스트 박스 설치 후 주철근 커플러 이음 ···153

[그림 7-28] 프리캐스트 박스 상부의 후타설을 위한 거푸집 설치 ···154

[그림 7-29] 일반콘크리트 후타설 후 거푸집제거(프리캐스트 공법) ···155

[그림 7-30] 미장 완료된 기둥 ···156

<표 차례>

<표 2-1> 시멘트의 화학적 조성 ···10

<표 2-2> 시멘트의 물리적 조성 ···10

<표 2-3> 플라이애쉬 특성 ···12

<표 2-4> 고로슬래그 미분말의 특성 ···12

<표 2-5> 규사의 물리적 특성 ···13

<표 2-6> 혼화제의 물리적 특성 ···14

<표 2-7> 보강용 섬유의 종류 및 특성 ···15

<표 2-8> PVA섬유의 물리적 특성 ···15

<표 2-9> 고유동 고인성 섬유복합체 배합표 ···17

<표 2-10> Slump-flow 실험 결과 ···19

<표 2-11> 직접인장 실험 결과 ···24

<표 2-12> 압축 강도 실험 결과 ···25

<표 4-1> 실험체별 배합 및 타설 변수 ···38

<표 4-2> 실험체별 변위에 따른 하중관계 및 연성비 ···88

<표 5-1> 실험에 의한 극한내력 및 설계강도 추정 결과 비교 ···99

<표 6-1> 해석 대상 시험체 ···119

<표 6-2> 각 기둥 시험체의 비선형 해석 결과의 비교 ···127

<표 7-1> 설계개요 ···131

<표 7-2> 해석 대상 기둥 ···132

<표 7-3> 현장적용 기둥의 비선형해석 결과 ···139

<표 7-4> 현장적용 기둥의 설계강도 결과와 비선형해석결과 비교 ···140

Abstract

Seismic Strengthened Concrete Columns using High Ductile Fiber Reinforced Composites

Han, Sung Jin

Advisor : Prof. Cho Chang Geun, Ph,D Department of Architectural Engineering, Graduate School of Chosun University

The shortcoming of brittleness of concrete could be improved by

applying fibers mixed into cementitous mortar which was so called the

high ductile fiber-reinforce composites (HDFRC). By applying the

HDFRC, the local failure by cracks could be minimized and multiple

micro-cracks could be distributed largely so that overall flexural

and shear strengths as well as deformation capacities could be

improved. This study is focus to develop a seismic strengthened

reinforced concrete (RC) column by applying a precast HDFRC box on

the flexural critical region of the column. By current experimental

research, the practical construction method and structural design of

the strengthened reinforced concrete column with the application of

HDFRC were newly developed. From experiments, the precast box made by

HDFRC located in the column plastic hinge zone could improve

high-ductile lateral deformation and lateral load-carrying capacities

1. 서 론 1.1 연구배경

1.1.1 연구 필요성 및 목적

건축 구조물이 초고층화, 대형화 및 장지간화 되면서 콘크리트 구조재료에 대한 요 구 성능이 높아지고 있으며, 특히 콘크리트의 고강도 및 고성능화가 대두되고 있다.

또한 최근에 일본 북동부 지역에서 발생한 지진으로 인한 피해가 발생하였고, 국내에 서도 최근 지진이 감지되고 있어, 더 이상 지진에 대해 안전지대만은 아니다. 이에 따 라 국내에서도 지진에 대한 관심이 높아지고 있고 내진방안에 대해 여러 가지 방법들 이 논의 되고 있다. 구조재료로서 가장 많이 사용되고 있는 콘크리트의 경우 재료 자 체의 수축과 취성, 폭열 문제 등 해결해야 할 문제점을 가지고 있으며, 압축강도에 비 해 인장강도가 작으므로 균열 발생으로 인해 취성 파괴되는 결점을 가지고 있다.

한편, 기둥은 건축물의 주요 구조부재로서 일반 구조 설계 뿐만 아니라 내진 및 내 풍 설계를 반영할 경우 구조물 전체의 안전 측면에서 높은 내력 및 내진성능이 요구된 다. 하지만 철근콘크리트 기둥에 지진하중과 같은 횡 하중에 의한 외력이 가해지면, 기둥의 상단과 하단의 단부에서 휨 균열, 철근이 항복 및 좌굴에 의해 콘크리트에 파 괴가 집중되고, 소성힌지가 발생함으로써 단부 국부 휨 파괴에 도달하여 급격히 내력 을 상실하게 된다.¹⁾ [그림 1-1].

일반 철근 콘크리트 골조건축물에서 횡하중으로 인해 기둥의 하단에 집중되는 휨모 멘트에 의한 단부 국부 휨파괴를 극복할 수 없다. 이러한 문제점의 해결방안으로 내력 및 내진성능 개선을 위해 상대적으로 철근량을 늘려서 충분한 내진보강을 해주거나, 강관충진 및 강-콘크리트 합성 단면의 기둥을 사용함으로서 내진보강을 할 수 있다.

하지만 최근 높은 가격대를 형성하고 있는 철근 및 강재 사용량의 증가로 인해 경제적 측면에서 불리하다는 단점이 있다.^2-4) 또한 다른 내진보강 방법들로 모르터 뿜칠 및 프리스트레스 강선을 이용한 보강방안과 콘크리트의 취약점을 개선하기 위해 첨단 섬 유를 콘크리트에 적용하는 방법이 사용되고 있다. 현재 탄소섬유, 유리섬유, PVA 및 PP 등의 합성섬유와 그 밖의 여러 종류의 섬유를 이용한 내진보강 설계가 이루어지고

있으며,^5,6) 상대적으로 높은 가격대를 형성하고 있는 강재나 철근의 사용량을 최소로 하고, 콘크리트 기둥의 고성능화를 위하여 첨단 섬유재료를 사용한 콘크리트 기술을 적용하여 경제적이면서 기둥 및 교각의 주요 부위에 실용화가 가능하고 구조적인 거동 및 성능의 개선이 가능한 내진구조요소기술을 개발이 필요한 시점이다.

[그림 1-2] 철근콘크리트 기둥의 휨파괴 양상

최근에 내진 보강 방법으로 적용되는 고인성 섬유복합체 콘크리트는 고인장 특성을 지니는 PVA 합성섬유를 사용하여 배합한 특수 콘크리트를 말한다. 역학적으로 인장 균 열 발생시 일반 콘크리트 및 강섬유 콘크리트는 국부균열이 급격하게 진전되어 취성파 괴되는 단점이 있다. 고인성 섬유복합체의 경우에는 인장균열 발생 이후에도 곧바로 인장응력을 상실하지 않고 인장변형률 2~5% 정도에서 인장강도를 유지하는 고인성 인 장변형특성을 가진다. 또한 균열강도 이후 국부취성균열이 발생을 억제하며 다중미세 균열이 넓게 분포하도록 하는 높은 인성을 가지고 있다. 고인성 섬유복합체의 이와 같 은 장점은 기둥단부에 응력이 집중되었을 시, 단부의 휨 위험단면에서 휨균열 및 국부 적인 취성파괴가 집중되지 않도록 다중미세균열 거동을 유도한다. 이와 같은 특징은

을 해결할 수 있고 구조적으로 높은 연성 및 내력 증진 효과를 기대할 수 있다.^7-12) [그림 1-2]

[그림 1-3] 일반콘크리트의 취성파괴와 고인성 섬유복합체의 연성거동

그러나 기존의 타설 공법으로 고인성 섬유복합체를 현장에 적용하기에는 문제점이 있다. 먼저 고인성 섬유복합체의 제조단가가 매우 고가이므로 기둥 전체에 고인성 섬 유복합체를 사용하는 것은 비효율적이고 시공단가를 상승시키는 문제점이 있다. 그리 고 현장에서 고인성 섬유복합체 타설시, 일반 콘크리트와 고인성 섬유복합체를 별도로 타설하여야 되는데, 이는 일반콘크리트가 먼저 타설되어 양생된 이후에 고인성 섬유복 합체를 타설해야 되기 때문이다. 따라서 현장에서 고인성 섬유복합체를 타설하는 것은 시공 시 추가적인 비용 발생의 소지가 있으며 시공 절차상 복잡하고 시공 효율을 저하 시키는 문제점도 가지고 있다.

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 고인성 섬유복합체를 프리캐스트 박 스 형태로 미리 제작하고, 고인성 섬유복합체로 구성되는 프리캐스트 박스를 횡하중에 의해 휨모멘트가 집중되는 기둥의 단부 소성힌지 부분에 적용한다. 프리캐스트 박스의 상부에 일반 콘크리트를 후타설하여 이음 시공함으로 프리캐스트 박스와 일반콘크리트 를 일체화시킨다. 또한 고인성 섬유복합체를 기둥 구조부재에 효율적으로 적용하기 위 한 공법을 제시하고자 한다. 이를 통해, 일반 콘크리트에 비해 비교적 고가인 고인성 섬유복합체를 최적위치에 시공함으로써 지진력과 같은 외력에 대항할 수 있는 휨 내력 증진 및 고인성 변형능력을 기대할 수 있으며, 미리 제작된 프리캐스트 박스를 이용하 여 시공함으로써 추가적으로 발생할 수 있는 시공비용을 감소시킴과 동시에 공기를 단 축시키고 작업 효율을 상승시키는 이점이 있을 것으로 기대된다.

1.1.2 연구 내용 및 방법

본 연구에서는 고인성 섬유복합체를 만들기 위한 최적 배합을 제시하고 역학적 실험 을 통하여 고인성 섬유복합체의 역학적 특성을 평가하고자 한다. 고인성 섬유복합체에 대한 1축압축거동 특성을 파악하기 위하여 압축강도에 대한 시험을 수행하여 설계에 사용할 수 있는지 파악한다. 고인성 섬유복합체는 1축 인장에서 일반 콘크리트와 확연 한 인장거동 특성을 보이므로, 1축 인장에 대한 특성을 파악하기 위해 개발된 고인성 섬유복합체에 대한 1축 직접인장 실험을 수행한다. 그리고 고인성 섬유복합체의 시공 성능을 평가하기 위하여 플로우 실험을 통해서 접합부나 철근이 다소 과밀하게 배근되 어있는 경우에도 시공성능이 우수한지 평가한다.[그림 1-3]

[그림 1-4] 고인성 섬유복합체의 역학적 특성 평가

다음으로, 고인성 섬유복합체 기둥의 내진구조요소기술의 설계를 위하여 휨 위험구 간에 집중적으로 고인성 섬유복합체를 적용할 수 있는 프리캐스트 기둥 공법을 제안하 고자 한다 [그림 1-4]. 기둥의 내진성능개선 방법으로 소성힌지영역에 프리캐스트 고 인성 섬유복합체 박스를 적용한 기둥의 반복재하실험을 통하여 성능평가를 실시하였 다. 이를 위하여 전단철근의 간격을 변수로 기존의 일반 콘크리트를 적용한 기둥 시험

작하여 일정 축하중 하에서 횡하중에 대한 반복재하시험을 수행하도록 하였다. 재하시 험 결과로부터 균열 및 파괴양상, 하중-변위 이력거동특성 등으로부터 개발 공법의 내 진성능 개선효과에 관해 분석하였다. 또한 시공 공법을 제안하고 실제의 신축현장에 본 연구에서 개발된 고인성 섬유복합체를 신축현장의 구조부재에 박스 형태로 제작하 는 프리캐스트 공법으로 국내 최초로 적용하였다.

[그림 1-5] 프리캐스트 기둥 공법 제안

1.2 연구 동향

최근 콘크리트의 거동을 연성거동으로 유도하고 인장저항력을 증대시키며 매트릭스 의 국부적인 균열 및 균열제어 효과가 있는 보강 재료로서 고인성 섬유보강 콘크리트 중의 하나인 ECC(Engineered cementitious composites)가 주목을 받고 있다.

이와 관련된 연구는 국외에서 다양하게 진행되고 있다. 1990대 초반에 미시간대학의 Victor Li 교수는 마이크로 역학(Micromechanics)^13,14)과 안정상태 균열이론 (Steady-State Cracking Theory)¹⁵⁾에 근거한 재료설계 개념을 도입하여 휨, 인장 및 파괴 시 인성이 대폭적으로 향상됨은 물론, 휨 응력 하에서도 미세한 다중 균열 (Multiple Cracking)이 발생되는 특성을 가지는 고인성 시멘트 복합체를 개발하였다.

또한 이와 같이 개발된 재료를 다양한 공법과 구조물에 적용하고자 하는 연구가 진 행되고 있는 실정이다. 이러한 재료의 특성은 1축인장에 변형률 경화거동을 하는 것으 로서 특히 내진부재, 기존 구조물의 보수․보강 등에 적용하였을 때에 구조물의 성능을 극대화 할 수 있는 장점을 갖고 있는 것으로 보고되었다.^16,17)

국내에서도 내진구조에 대한 필요성이 증가되면서 여러 종류의 섬유복합재료를 이용 한 내진구조 기법에 대한 연구가 수행된 바 있다. 특히, 재료 자체의 역학적 거동뿐만 아니라, 주요 부재에 대한 내진 보수․보강에 대한 연구를 통해서 거동에 따른 특성을 파악하는 연구가 많이 수행되고 있다. 하지만 고인성 섬유복합체에 대한 재료의 근본 적 특성에 대한 이해의 부족과 대부분의 재료가 외국에서 직접 생산되어 도입되었기 때문에 기술적인 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 섬유복합소재의 개발에서부터 재료의 역학적 특성을 기반으로 하는 구조물 내진 보수․보강 신기술의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 따라서 국내에서는 섬유보강 재료에 대한 연구가 다양한 분 야에 걸쳐 많은 연구자들에 수행되었으며, 대표적인 몇몇 연구 결과는 다음과 같다.

조창근 등 (2012)¹⁸⁾은 “Flexural Behavior of Extruded DFRCC Panel and Reinforced Concrete Composite Slab”에서 압출성형 DFRCC패널을 적용시킨 새로운 철 근콘크리트 복합슬래브 시스템 개발을 하였다. 슬래브 시스템은 기존의 일반 철근콘크

조창근 등 (2012)¹⁹⁾은 “Cyclic Responses of Reinforced Concrete Composite Columns Strengthened in the Plastic Hinge Region by HPFRC Mortar”에서 철근콘크 리트 기둥에서의 소성힌지 부근에 고성능 섬유 보강 모르타르를 적용하여 내력과 거동 을 향상시키기 위한 새로운 방법을 제시하였다. 일반 RC기둥과 고성능 섬유 보강 철근 콘크리트 기둥을 설계하여 실험결과를 통해 반복적인 횡력과 변형 능력에 대한 향상뿐 만 아니라 휨의 임계영역에서의 휨과 전단 균열을 최소화하는 결과를 나타냈다.

조창근, 권민호 (2011)²⁰⁾은 “Nonlinear Failure Prediction of Concrete Composite Columns by a Mixed Finite Element Formulation, Engineering Failure Analysis”에 서 일반 철근 콘크리트와 FRP 복합 기둥들이 복합된 골조 시스템의 전체적인 거동과 단면에서의 국부적인 손상에 대한 예측을 정확하게 하기 위한 유한 요소 해석법을 개 발하는 연구를 하였다.

조창근, Hisato Hotta (2011)²¹⁾은 “Compressive Strength of Concrete in Flexural Critical Regions of Reinforced Concrete Beam-Column Members”에서 철근 콘크리트 보-기둥 부재에서의 휨 임계영역의 압축강도 특성에 대해 실험 및 3차원적인 유한 요 소 예측에 의한 연구를 수행하였다.

하기주, 조창근 등 (2008)²²⁾은 “Groove and embedding techniques using CFRP trapezoidal bars for strengthening of concrete structures, Engineering Structures”에서 매립형의 FRP를 복합시킨 철근콘크리트 보의 휨 거동에 대한 실험적 인 평가를 연구를 하였다.

조창근, 권민호 (2012)²³⁾은 “소성힌지부 강섬유 혼입 모르터 적용 철근콘크리트 기 둥의 내진성능평가”에서 기둥의 휨 위험단면부에 강섬유 시멘트 모르타르를 적용함으 로서 기존 철근콘크리트 기둥에 비해 내진성능이 우수한 강섬유 모르타르 적용 철근콘 크리트 복합 기둥공법에 관해 제시하였고, 휨 및 전단 균열의 제어에 우수할 뿐만 아 니라 기둥의 횡하중 내력 및 횡방향 변형 능력 향상에서도 우수한 것으로 평가되었다.

조창근, 서정환 등 (2012)²⁴⁾은 “압출성형 ECC 패널 RC 복합 슬래브의 해석모델”에 서 압출성형 ECC 패널 직접인장시험 결과로부터 균열 이후에 고인성 인장거동을 하는 재료로 모델링하였으며, 철근콘크리트 복합 슬래브 구조에 대한 비선형 휨 해석 모델 을 새롭게 제시하였다.

조창근, 한병찬 등 (2010)²⁵⁾은 “압출성형 ECC 패널을 이용하여 제작된 복합바닥슬 래브의 휨 거동”을 통해 고인성 압출성형 ECC 패널을 이용한 철근콘크리트 복합바닥 슬래브 시스템을 개발하였으며, 무거푸집 또는 하프프리캐스트 공법을 슬래브 공사의 적용할 수 있는 장점이 있다.

조창근, 하기주 (2010)²⁶⁾은 “철근콘크리트 보의 휨 및 전단파괴 예측의 3차원 유한 요소 모델”에서 철근콘크리트 보의 휨 및 전단파괴 예측을 위한 철근콘크리트 부재의 3차원 유한요소모델을 개발하였다. 다축구속응력 하에서의 콘크리트의 연성거동을 보 다 정확히 예측하기 위해 변형률 공간에서의 콘크리트 파괴기준을 제시하였다.

권민호, 조창근 (2010)²⁷⁾은 “2차원 래티스 모델에 의한 반복 하중을 받는 철근콘크 리트 기둥의 해석”에서 RC 구조물의 지진에 대한 거동을 해석할 수 있는 도구인 2차 원 래티스 모델을 제안하였다.

조창근 등 (2009)²⁸⁾은 “섬유보강 고인성 시멘트 복합체 패널의 2축 전단 비선형 모 델”에서 철근 보강된 ECC 면내요소에 대한 2축 응력 상태에서의 면내전단거동에 관한 예측 모델을 제시하였다. 면내 순수전단거동에 대한 실험 및 해석결과를 통하여 개발 된 R-ECC-MCFT 모델은 ECC 면내전단거동 예측에 효과적인 것으로 평가되었다.

이방연, 김윤용, 조창근 등 (2009)²⁹⁾은 “압출성형 ECC 패널의 섬유분포 특성과 휨 성 능”에서 변형률 경화거동을 나타내기 위한 압출성형된 ECC를 제조하기 위하여 사용되 는 재료의 특성, 제조 방식, 배합 조건, 양생 조건에 관한 검토를 수행하였으며, 섬유

조창근, 하기주 등 (2009)³⁰⁾은 “전단연결재 상세에 따른 H형강과 콘크리트의 합성 효과에 관한 실험 및 해석적 평가”에서 전단 연결재의 형태 및 상세에 따른 H형강과 콘크리트 합성작용에 관한 평가를 위하여 개발중인 전단연결재 상세에 대한 전단거동 의 실험 및 3차원 유한요소모델에 의한 해석적 평가를 수행하였다.

조창근, 우성우 (2009)³¹⁾은 “철근콘크리트 보-기둥 접합부의 비선형 전단거동예 측”에서 철근콘크리트 내부 보-기둥 접합부의 전단거동 예측에 관한 비선형 모델을 제안한 것이다. 보-기둥 접합부 패널존에서의 전단거동 모델을 위하여 면내전단 예측 을 위한 연화트러스모델 이론을 수정한 이론을 적용하였다. 접합부에서의 평형조건에 의한 등가 모멘트 및 회전 관계를 이용하여 접합부에서의 전단변형 관계를 접합부의 회전스프링의 특성관계로 변환하여 고려토록 하였다.

조창근, 김화중 등 (2008)³²⁾은“점소성 유동 입자법에 의한 굳지않은 콘크리트의 유 동해석 모델”에서 굳지 않은 콘크리트 및 유동 콘크리트의 흐름 거동에 관한 해석 시 뮬레이션 모델의 개발에 관한 것으로, 입자법의 일종인 MPS법 (moving particle semi-implicit method)을 적용하였다.

2. 고인성 섬유복합체의 개발

2.1 고인성 섬유복합체 배합설계

2.1.1 사용재료 및 혼입비율 결정

가) 시멘트

본 연구에서 사용한 기본 결합재로서 재료의 획득이 용이하고 가격면에서 저렴한 1 종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. KS L 5201의 규정에 적합한 국내 S사 제품을 사용하였으며, 그 화학적 조성 및 물리적 특성을 <표 2-1>과 <표 2-2>에 나타내었다.

화학적 조성 (%)

Si02 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 Ig.loss total 21.24 5.97 3.34 62.72 2.36 0.13 0.81 1.97 1.46 100.0

<표 2-1> 시멘트의 화학적 조성

물리적 특성

밀도 (g/cm³)

분말도 (cm²/g)

44 ㎛ on Residue

(%)

Setting Time (min) 압축강도 (MPa) Initial

Set.

Final

Set. 3days 7days 28days 3.14 3,200 12.5 240 370 22.5 30.0 39.5

<표 2-2> 시멘트의 물리적 조성

나) 혼화재료

본 연구에서의 고인성 섬유복합체의 개발 목표는 시멘트 매트릭스 내에서 균일한 섬 유분산 능력을 가지며, 섬유의 물리적 특성을 발휘하여 인장변형률과 인장응력을 부담 할 수 있도록 하는 배합설계이다.

섬유가 시멘트 매트릭스 내에서 충분한 물리적 특성을 나타나기 위해 굵은골재를 사 용하지 않고 시멘트, 물, 잔골재를 구성되는 시멘트 모르타르의 형태로 배합 설계하였 다. 모르타르 형태로 배합시 일반 콘크리트에 비해 사용되는 단위용적당 시멘트가 비 교적 많은 단점이 있어 사용되는 시멘트량을 저감시키고자 혼화재인 플라이애시와 고 로슬래그 미분말을 시멘트 대체제로 선정하였다. 이 두 재료를 사용하여 시멘트 사용 량을 저감시킬 수 있다. 또한 혼화재료의 특징인 포졸란 및 잠재수경성으로 인해 시멘 트 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘이 포졸란 반응에 소비됨으로써 매트릭스가 치밀화되어 역학적 성능은 향상되고, 섬유와의 부착성 향상에도 크게 기여 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 혼화재료의 입자의 형태가 구형을 나타내기 때문에 우수한 유 동성을 확보할 수 있어 섬유의 분산성 향상 및 작업성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

본 연구에서 사용된 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 특성은 다음 <표 2-3>, <표 2-4>와 같다.

KS L 5405 규정

측정값

1 종 2 종

이산화 규소(%) 45 이상 45 이상 50.5

수분(%) 1.0 이하 1.0 이하 0.3

강열감량(%) 3.0 이하 5.0 이하 3.04 밀도(g/㎤) 1.95 이상 1.95 이상 2.16 분말도 45 ㎛체 체잔분 10 이하 40 이하 -

비표면적(㎠/g) 4,500 이상 3,000 이상 3,645

플로값비(%) 105 이상 95 이상 101

활성도지수(%) 재령 28 일 90 이상 80 이상 92 재령 91 일 100 이상 90 이상 102

<표 2-3> 플라이애쉬 특성

KS L 5405 규정

1 종 2 종 3 종 측정값

밀도(g/㎤) 2.80 이상 2.80 이상 2.80 이상 2.94 비표면적(㎠/g) 8,000∼10,000 6,000∼8,000 4,000∼6,000 4,310

활성도지수(%)

재령 7 일 95 이상 75 이상 55 이상 88 재령 28 일 105 이상 95 이상 75 이상 109 재령 91 일 105 이상 105 이상 95 이상 112 플로값 비(%) 95 이상 95 이상 95 이상 106 산화마그네슘(MgO)(%) 10.0 이하 10.0 이하 10.0 이하 5.62

삼산화황(SO3)(%) 4.0 이하 4.0 이하 4.0 이하 0.23 강열 감량(%) 3.0 이하 3.0 이하 3.0 이하 0.64

<표 2-4> 고로슬래그 미분말의 특성

다) 잔골재

본 연구에서는 고인성 섬유복합체를 개발을 위해 평균 입경이 약 130㎛인 국내 S사 의 규사를 잔골재로 사용하였다. 콘크리트 내에서의 섬유의 물리적 특성을 극대화하기 위하여 굵은 골재는 사용하지 않았다. 물리적 성질은 <표 2-5>에 나타낸 바와 같다.

특성 규사

밀도 (g/㎤) 2.60

평균입경(㎛) 130

<표 2-5> 규사의 물리적 특성

굵은 골재를 사용하지 않은 이유는 굵은 골재 사용시 시멘트 모르타르의 파괴인성과 불균일성을 증대시켜 응력 집중이 발생될 확률이 높아지게 된다. 다중 균열이 발생할 수 있는 가능성이 저하되어 인성이 감소되기 때문이다. 또한 시멘트 모르타르 내부의 공극이 증대되어 섬유와 매트릭스 사이의 부착력의 감소로 최대균열면 응력을 저하시 켜 다수의 미세균열과 변형률 경화거동의 발생에 큰 악영향을 끼치기 때문이다. 따라 서 평균입경 130㎛인 규사는 Lepech³³⁾등의 연구에서 밝혀진 고인성 섬유복합체의 유동 성을 저하시키지 않는 골재 최대크기 200㎛를 초과하지 않기 때문에 배합에 사용시 우 수한 섬유 분산성을 확보할 수 있을 것이라 판단된다.

라) 혼화제

본 연구에서 사용된 혼화제로서 시멘트 매트릭스 유동성을 향상시키기 위해 카르본 산계 고성능 감수제(PCSP)를 사용하였고, 배합시 규사, 플라이애시, 고로슬래그 미분 말, 섬유 등 재료의 분리를 방지하기 위하여 셀룰로즈계 분리저감제(HPMC)를 사용하였 다. 또한 표면 마무리 및 공기량 조절을 위한 극소량의 소포제를 사용하였다. 본 연구 에서 사용한 혼화제의 품질 특성은 다음 <표 2-6>에 나타낸 바와 같다. 혼화제의 최적 혼입비는 2 용량의 Vertical Mixer를 통한 여러 번의 예비비빔 실험으로 결정하고, 그 사용량은 결합재에 대한 중량비로 혼입하였다.

[그림 2-1] 예비비빔 실험을 통한 혼화제량 결정

PCSP HPMC Defoamer

밀도 (g/㎤) 0.37 0.60 0.26

형태 brownish powder white powder white powder

<표 2-6> 혼화제의 물리적 특성

마) 섬유

섬유는 콘크리트 또는 모르타르의 취성적인 성질을 개선하기 위해 보강재로 많이 사 용되고 있으며, 그 종류 및 특성도 다양하다. 일반적으로 보강용으로 많이 사용되는 대표적인 섬유와 물리적 특성을 <표 2-7>에 나타내었다. 현재 고인성 콘크리트에 주로 사용되는 섬유로는 강섬유, PVA섬유, PE섬유 등이 고인성 콘크리트에 주로 사용된다.

한편, 콘크리트 또는 모르타르의 보강재로 사용하기 위한 최적의 섬유 선정 조건은 다 음과 같다.

먼저, 섬유와 매트릭스와의 부착 측면에서 물과 시멘트로 이루어진 매트릭스에 대한 부착성이 있는 친수성(hydrophilic) 섬유가 유리하고, 매트릭스의 균열 가교 측면에서 인장강도와 탄성계수가 큰 섬유가 효율적이며, 섬유와 매트릭스와의 배합 측면에서 섬

Types 인장강도 (MPa)

탄성계수 (GPa)

연신율 (%)

밀도 (g/cm³) Steel fiber 490∼980 200 - 7.85

PVA fiber 690∼1500 11∼36 3∼13 1.30 PE fiber 250∼700 1.4∼2.2 10∼15 0.95 PP fiber 300∼750 1.4∼2.2 10∼15 0.91 Acrylics fiber 200∼390 2∼11 25∼45 1.18 Aramid fiber 2,000∼2,900 62∼130 2∼4 1.45 Carbon

fiber

PAN 2,500∼3,600 230∼350 1∼2 1.90 Pitch 760∼2,900 39∼98 1∼2 2.0 High performance

PE fiber 2,200∼4,800 70∼175 3∼6 0.98 High performance

PVA fiber 2,000∼2,600 39∼41 5∼6 1.30

<표 2-7> 보강용 섬유의 종류 및 특성

본 연구에서는 앞서 기술한 조건을 만족하고 가격 및 성능면에서 우수하며 제품의 다양성을 비교·검토한 후 최적의 섬유로 PVA섬유를 보강용 섬유로 결정하였다. PVA섬 유는 친수성 특징과 알칼리에 대한 저항성이 높은 특징으로 배합시 분산의 용이성과 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있으므로 섬유의 가교 성능이 극대화 될 것으로 판 단된다. PVA섬유의 물리적 특징은 <표 2-8>에 나타낸 바와 같다.

종류종류 밀도밀도 (g/cm (g/cm³³))

길이길이 (mm)(mm)

직경직경

(㎛)( ) 형상비형상비 인장강도인장강도 (MPa) (MPa)

탄성계수탄성계수 (GPa) (GPa) PVA 섬유 1.30 12 39 307 1,600 40

<표 2-8> PVA섬유의 물리적 특성

2.2 고인성 섬유복합체의 성능분석

2.2.1 고인성 섬유복합체의 시공성 평가

가) 개요

이 절에서는 현장에서 본 개발 배합을 사용시 우수한 시공성(유동성)이 요구되므로 고유동 특성을 나타낼 수 있는 고인성 섬유복합체의 배합을 도출하고자 한다. 배합의 유동성을 확보하기위해 시멘트 매트릭스의 배합비를 변화시켜 유동성을 부여하는 방법은 바람직하지 않다고 판단하여, 혼화제(PCSP, HPMC)의 사용량을 최적화시켜 고인성 섬유복합체에 고유동 특성을 부여하고자한다. 고유동 특성을 검증하기 위하여 slump-flow 실험을 실시하였다.

나) Slump-flow 실험

Slump-flow 실험을 위하여 PVA 섬유를 1.5% 혼입한 배합을 이용하는 배합을 계획하였다. 배합에 사용한 재료는 [그림 2-1]에 나타낸 바와 같으며, <표 2-1>은 혼입률에 따른 배합표이다. 최대용량 15ℓ인 믹서를 이용하여 배합한 후 실험을 실시하였다. 예비비빔 실험을 통하여 사용재료의 재료분리와 섬유의 뭉침 현상이 발생하지 않도록 혼화제인 PCSP 와 HPMC 의 사용량을 결정하였다.

[그림 2-2] 고인성 섬유복합체 배합을 위한 재료

W/B

W/B wt.%

wt.%

S/C

wt.%

wt.%

FA/B

FA/B wt.%

wt.%

SL/B

wt.%

wt.%

uni. (kg/m

)

W

W

B

OPC

FA

BFS

SS

PCSP

HPMC

Defoa mer

PVA

PVA vol.%

vol.%

45 71 20 20 375 833 500 167 167 692 0.37 0.18 0.45 1.5

<표 2-9> 고유동 고인성 섬유복합체 배합표

* 여기서, B 는 결합제(C+FA+Slag), W/B 는 물-결합제비, W 는 물, C 는 시멘트, S 는 잔골재, FA 는 플리이애쉬, Slag 는 고로슬래그 미분말을 나타낸다.

[그림 2-3] Slump-flow 실험 (PVA섬유 1.5% 혼입)

Slump-flow 실험은 직경 200mm 의 슬럼프콘을 사용하였으며, 동일한 배합과 조건하에서 Slump-flow 실험을 2 회 실시한 후에 평균 값을 측정하였다. 섬유 혼입률 1.5% 인 경우 예비실험을 반복하여 실행하였으며, 혼화제량을 조절하여 재료 분리와 섬유가 뭉치는 현장을 방지 할 수 있었다. 또한 고유동 특성을 확보하여 시공성에서도 만족스러운 결과를 보였다. 목표 플로어 값은 600mm 로 계획하였고, 실험결과는 650mm, 660mm 으로 나타났다. [식 2-1]을 통한 유동성 값()은 9.725 이었으며, 일반적으로 자기충전용 콘크리트의 유동성 값의 범위가 8~12 임을 고려해 볼 때, 본 연구의 고인성 섬유복합체의 유동성 값과 비교할 경우 충분한 유동성 범위를 만족함을 알 수 있다.

  











[식 2-1]

슬럼프콘직경(mm)



200

퍼진직경(mm)





650 660

유동성 값() 9.725

<표 2-10> Slump-flow 실험 결과

2.2.2 고인성 섬유복합체의 역학적 특성 검증

가) 개요

마이크로역학 설계를 바탕으로 변형률 경화거동과 다수의 미세균열이 발생할 수 있 는 고인성 섬유복합체를 설계하였고, 예비시험을 통해 재료분리와 섬유의 분산성을 만 족하는 배합을 제시하였다. 또한 slump-flow 실험을 통하여 시공성을 만족할 수 있는 최적 배합을 앞 절의 연구를 통해 도출하였다. 이 절에서는 굳은 후 콘크리트의 성능 을 검토하기 위해 역학적 실험을 실시하였다. 1축 인장거동은 직접인장 실험을 통하여 평가하였으며, 고인성 섬유복합체의 압축강도 평가를 위하여 압축강도 실험을 실시하 였다.

나) 직접인장 실험

고인성 섬유복합체의 1축인장 성능을 평가하기 위하여 직접인장 실험을 실시하였다.

PVA 섬유의 혼입률이 1.5%인 고유동 특성을 확보하는 최적 배합인 <표 2-1>을 이용하 였으며, [그림 2-3]와 같이 단부의 파괴를 방지하면서 직접인장 실험체에 균일한 1축 인장 하중이 가해지도록 설계한 도그본(Dog bone) 형상으로 실험체를 제작하였다. 실 험체는 초기응결 후 재령 28일 동안 수중양생을 실시하여 꺼낸 뒤 24시간 건조를 마친 후 [그림 2-4]의 가력장치를 이용하여 1축 인장실험을 실시하였다. 최대 용량 10kN의 로드셀을 이용하여 인장강도를 측정하였으며, 실험체 중앙부 좌ㆍ우 대칭인 구간에 5 mm 변위계 (LVDT)를 설치하여 인장강도 도입에 따른 실험체에 발생하는 실시간의 변위 를 측정하였다. 인장강도와 변위는 인장응력과 변형률로 각각 환산하였으며, 인장응력 - 변형률 관계를 그래프로 나타내어 변형률 경화거동을 평가하였다. 또한 초기 균열강 도, 최대 인장강도, 최대 인장 변형률을 측정하였으며, 실험체에 발생되는 균열 형태 를 파악하였다.

[그림 2-4] 직접인장 실험체

[그림 2-5] 직접인장 실험 장치 및 실험 과정

[그림 2-5]은 직접인장 실험을 실시하여 도출된 (  )-(  ) 관계 그래프를 나타낸 것이다. 최적 배합을 바탕으로 제작된 고인성 섬유복합체는 1축인장 하에서 변형률 경 화거동을 나타냈으며, 균열폭이 아주 작은 다중미세균열의 형태로 진행되었다. 실험체 의 1축인장 강도가 증가함으로 실험체가 균열강도에 도달하게되어 초기균열이 발생하 였다. 인장강도가 증가하는 변형구간에서는 안정상태의 미세균열의 발생이 점차적으로 확대되면서 변형률 경화거동이 관찰되었다. 그 후 1축인장 강도가 시험체의 최대 인장 강도를 초과될 때 실험체의 응력이 집중되는 부분에서 균열의 폭이 커지면서 파괴되는 거동을 보였다. 동일한 조건의 여러 개의 실험체 중 대표적으로 5개 실험체의 직접인 장 실험 결과를 정리하여 <표 2-11>에 나타내었다. 직접인장 실험체의 최대 변형률은 최소 2.3%, 최대 4.5%를 나타내었으며, 5개의 시험체 평균 3.2%로 측정되었다. 이는 일반 콘크리트의 인장 변형률 0.01%에 비해 약 300배 이상의 인장 변형성능을 나타내 는 것을 알 수 있다.

또한 [그림 2-6]와 같이 초기균열 이후 미세한 다수 균열이 발생함과 동시에 뚜렷한 변형률 경화거동을 나타내므로 일반 콘크리트에 비해 인장 조건하에서 균열이 발생하 더라도 저항할 수 있는 능력이 향상되어 고인성 섬유복합체의 특징을 충분히 발휘할 것으로 판단된다.

[그림 2-7] 고인성 섬유복합체의 다수의 미세 균열

초기균열 강도(MPa) 최대인장 강도(MPa) 최대 변형률(%)

HPFRC-1 3.6 4.1 3.2

HPFRC-2 2.7 3.7 3.1

HPFRC-3 3.7 4.2 4.5

HPFRC-4 2.6 4.4 2.3

HPFRC-5 1.7 4.3 3.0

평균값 2.8 4.1 3.1

<표 2-11> 직접인장 실험 결과

직접인장 실험을 통하여 측정한 결과는 다음 <표 2-11>과 같다. 초기균열 강도는 약 1.7 ∼ 3.7 MPa로 측정되었으며 변형률 경화거동 구간에서의 최대 인장강도는 약 3.7

∼ 4.5 MPa로 측정되었다. 고인성 섬유복합체의 직접인장 실험결과를 통해서, 1축인장 하에서 고인성의 특성을 확보하는 것으로 나타나 구조물 적용시에 우수한 성능을 나타 낼 것이라 사료된다.

다) 압축강도 시험

고유동 특성을 나타내는 고인성 섬유복합체의 최적배합의 압축강도 평가를 위하여

「KS L 5105 수경성 시멘트 모르타르 압축강도 시험방법」으로 압축강도 시험을 실시 하였다. 50.8 mm의 3면 입방체 몰드를 사용하여 시험체를 제작하였으며, 압축 시험체 를 28일 수중양생 후 압축강도를 측정하였다. 하중은 몰드의 정확한 평면과 접촉하고 있는 시험체 면에 대하여 부하하였다. 압축강도 시험결과는 <표 2-12>와 같으며, 실험 체 6개의 평균 압축강도는 41MPa로 측정되었다.

[그림 2-8] 압축강도 시험체 (압축강도 평가 전후)

[그림 2-9] 압축강도 시험

최대압축 강도(MPa)

HPFRC-1 38.5

HPFRC-2 41.3

HPFRC-3 44.4

HPFRC-4 42.3

HPFRC-5 41.2

HPFRC-6 39.6

평균값 41.2

<표 2-12> 압축 강도 실험 결과

라) 시험 성적서

1) 고인성 섬유복합체의 압축강도 및 휨 강도 시험 성적서

2) 고인성 섬유복합체의 슬럼프 플로우 시험 성적서

[그림 2-11] 고인성 섬유복합체의 슬럼프 플로우 시험 성적서

3. 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 내진개선 콘크리트 기둥 공법의 개발

3.1 공법개발 목적

고인성 섬유복합체는 휨강도나 인장강도가 매우 낮은 콘크리트의 단점을 보강하기 위해 PVA 섬유를 혼입함으로써 일반 콘크리트의 100 ~ 1000배의 인장변형률을 가지고, 균열 발생 후에도 변형강화 현상을 보임으로써 높은 인성을 가지는 콘크리트를 의미한 다. 고인성 섬유복합체가 적용된 기둥에 수평방향의 하중이 가해지는 경우 기둥 단부 휨 위험단면에서 휨 균열 및 파괴가 집중되지 않도록 미세균열 거동을 유도하여 부재 전체에서 휨에 대한 저항능력을 향상시킨다. 하지만 기존의 공법으로는 고인성 섬유복 합체를 공사현장에 직접 적용하기에는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 구조부재의 인성을 증가시키기 위해 주요 구조 부재인 기둥의 전체 높이에 걸 쳐서 고인성 섬유복합체를 사용할 수 있으나, 고인성 섬유복합체의 제조 단가가 고가 이므로 기둥전체에 고인성 섬유복합체를 사용하는 것은 비효율적이고 시공단가를 상승 시키는 문제점이 있다. 그리고 고인성 섬유복합체를 현장 타설시, 일반 콘크리트와 고 인성 섬유복합체를 별도로 시공해야 하기 때문에 고인성 섬유복합체를 현장에서 타설 하는 것은 시공절차상 복잡하고 시공효율을 저하시키는 문제점이 있다.

본 연구는 이와 같은 문제점을 해결하여 기둥에 고인성 섬유복합체를 효율적으로 적 용 시킬 수 있는 공법으로 고인성 섬유복합체를 프리캐스트 박스로 제작하여 시공하는 공법을 제안하고자 한다.

3.2 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 기둥의 시공단계

3.2.1 개요

프리캐스트 고인성 섬유복합체를 이용한 철근 콘크리트 복합기둥공법은 고성능 섬유 복합체로 구성되는 프리캐스트 박스를 기둥체 일부에 적용하고, 프리캐스트 박스 상부 에 일반콘크리트를 후타설하여 이음 시공함으로써 기둥을 제작하는 시공방법이다.

본 연구의 공법은 일반콘크리트에 비해 비교적 고가인 고인성 섬유복합체를 최적의 위치에 시공함으로써 공기를 단축시키고 작업효율을 상승시킴으로 시공비용을 감소시 킴과 동시에 지진력과 같은 외력에 대항할 수 있는 휨내력 증진 및 고인성 변형 능력 을 가진다.

3.2.2 프리캐스트 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 시공순서

다음은 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스를 현장에 적용하기 위한 시공단계이다.

(1) 고인성 섬유복합체를 배합하여 프리캐스트 박스를 제조 (2) 프리캐스트 박스 적용 전까지 현장 작업 진행

(3) 프리캐스트 박스의 현장 적용단계

(4) 프리캐스트 박스 상부에 후타설하게 될 일반콘크리트 부분 거푸집 설치 (5) 거푸집에 일반콘크리트를 후타설하는 단계

(6) 일반콘크리트 양생 후, 거푸집을 탈형하는 단계

[그림 3-1] 프리캐스트 박스 적용 개요

3.2.3 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 제작

본 연구에서 개발하고자 하는 프리캐스트 박스는 제조공장에서 미리 성형된 제품으 로 대략 장방향의 프리캐스트 콘크리트 박스 형태로 구성된다.

주철근이 없는 프리캐스트 박스의 경우에 주철근의 위치에 맞추어 프리캐스트 박스 를 설치할 수 있도록 중공 된 부분을 형성해야 한다. 주철근의 진입 공간을 충분히 확 보하기 위해서 사용되는 주철근의 직경의 2배를 중공부의 직경으로 설정할 수 있다.

프리캐스트 박스를 현장에 적용한 뒤, 주철근과 프리캐스트 박스의 사이의 비어있는 공간은 고성능 무수축모르터를 사용하여 채워줌으로 프리캐스트 박스와 기둥의 주철근 과 일체화를 시키도록 한다.

프리캐스트 박스의 형태는 장방향에 한정하지 않으며, 원기둥과 같은 다양한 형태로 구성될 수 있다.

본 연구에 사용된 프리캐스트 박스의 형태는 [그림 3-1]과 같이 주철근은 제외된 전 단철근만 배근되어있는 형태의 프리캐스트 박스의 형태로 적용하였다. [그림 3-1]에 나와 있는 리브(Rib)의 경우, 전단키(Shear Key) 역할을 하도록 제작된 것으로, 프리 캐스트 박스 적용 이후 후타설 되는 일반콘크리트와의 수평결합력을 증가시키기 위한 방법으로 사용하였다.

[그림 3-2] 전단철근만 배근된 프리캐스트 박스 형태

3.2.4 프리캐스트 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 시공 상세

[그림 3-2]~[그림 3-9]은 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공 과정을 적용 단 계별로 설명한 것이다.

[그림 3-3] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공 적용단계 1

(1) 고인성 섬유복합체로 제작된 프리캐스트 박스를 적용하는 단계로 기초부의 주철근 과 기초철근을 완성한 후 일반 콘크리트 타설을 완료한다. 충분한 기간의 양생이 이루어진 후 기초부분의 주철근의 위치와 프리캐스트 박스의 중공 된 부분을 맞추 어 프리캐스트 박스를 설치한다.

(2) 프리캐스트 공법을 사용할 경우 제작된 프리캐스트 박스 부분과 기초부분과의 결 합력의 약화로 인하여 경계면에서의 균열이 크게 발생할 수 있는 위험이 존재한다.

그러므로 결합력을 높이고 소성힌지 부분에서의 위험성을 줄이기 위해 기초부분에 서 일정 높이를 낮추어서 프리캐스트 박스가 기초콘크리트 안으로 매립될 수 있는 형태로 기초 부분을 제작하였다.

[그림 3-4] 프리캐스트 고인성 섬유 복합체 박스의 시공적용단계 2

(1) 프리캐스트 박스를 기초 콘크리트 부분에 설치한 후 하부의 주철근과 상부의 주철 근을 철근 커플러로 연결하여 일체화 시키는 단계이다. 철근 커플러를 사용함으로 현장의 상황에 맞추어 적용할 수 있다.

(2) 철근 커플러를 이용한 경우 기둥의 나선 및 원형띠철근 시공이 간편하고 이음부의 성능이 우수해진다. 심부 구속철근 제거에 의한 철근이 절감되는 효과와 콘크리트 타설 작업이 쉽고 골재분리 현상이 억제되는 장점을 지닌다. 또한 현장에 적용할 수 있는 방법이 다양해지며 시공의 편리성이 증가된다.

[그림 3-5] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 3

(1) 프리캐스트 박스의 상부와 하부 주철근이 연결되면, 상부의 주철근에 전단철근을 배근하여 기둥에 설계된 모든 철근 배근을 완료한다. 모든 철근의 배근이 완료되면 후타설 기둥 부분을 위한 거푸집을 설치한다.

(2) 기둥의 단면의 크기에 맞추어 거푸집을 제작하고 거푸집을 고정한다. 이때 후타설 되는 일반콘크리트가 프리캐스트 박스의 표면으로 흘러나오지 않도록 밀착하여 거 푸집을 설치하도록 주의하도록 한다.

[그림 3-6] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 4

(1) 기초콘크리트 부분과 프리캐스트 박스의 공간을 고정시키기 위하여 유동성이 좋으 며 성능이 뛰어난 고성능 무수축 모르터를 주입하여 양생시 발생하는 수축으로 인 해 프리캐스트 박스가 이동되는 현상을 방지하도록 한다.

(2) 기초콘크리트 부분에 매립되어 프리캐스트 박스를 설치하여 고정함으로 기초부와 프리캐스트 박스부의 경계면에서 균열이 발생하는 것을 방지한다.

[그림 3-7] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 5

(1) 고성능 무수축 모르터로 고정시킨 뒤 일정의 시간의 경과된 후 나머지 기둥부분을 일반콘크리트로 후타설하여 이음시공하는 단계이다. 프리캐스트 박스가 충분히 고 정되어야 하기 때문에 양생기간이 지난 후에 후타설 콘크리트를 타설하도록 한다.

(2) 프리캐스트 박스와 일반콘크리트와의 일체화를 위하여 타설시 충분한 주의가 필요 하다. 또한 프리캐스트 박스의 중앙부분에 일반콘크리트가 여유공간이 없이 타설이 되도록 충분한 다짐과정이 필요하다.

[그림 3-8] 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스의 시공적용단계 6

(1) 일반 콘크리트를 후타설하여 이음 시공한 다음 양생 후 거푸집을 제거하여 완성하 는 마지막 단계이다.

(2) 프리캐스트 박스의 높이를 기둥단면의 유효깊이 또는 기둥의 소성힌지 높이 이상 에 적용함으로 내진성능증진효과를 기대할 수 있다.

4. 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 적용한 내진개선 콘크리트 기둥의 실험

4.1 실험 계획

4.1.1 실험체 계획

본 장에서는 프리캐스트 고인성 섬유복합체를 이용한 철근 콘크리트기둥의 내진 성 능 및 구조성능 증진효과에 대한 연구를 수행하였다. 이를 평가하기 위해서 일반 콘크 리트를 적용한 철근콘크리트 기둥과 프리캐스트 섬유복합체를 적용한 기둥을 제작 및 재하 실험을 실시하였다.

프리캐스트 고인성 섬유복합체 적용 기둥의 내진성능 및 구조성능의 평가를 위하여 일정 축하중이 작용하는 조건에서 준정적 반복하중을 실시하였다. 구조물의 기둥에 수 평방향의 하중이 가해지는 경우 기둥과 기초의 접합부 바로 위쪽 휨 위험단면에 휨 균 열 및 파괴가 집중되지 않도록 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스를 기둥과 기초의 접합부 바로 위에 적용하였고, 기초에 고정된 캔틸레버 기둥의 접합형태로 실험체를 제작하였다.

또한 프리캐스트 고인성 섬유복합체의 효율적인 적용을 위하여, 프리캐스트 박스를 설치한 뒤 철근 커플러를 이용하여 주철근을 연결하였고, 그 후 이음시공을 통해 후타 설하였다. 실험체의 주요 변수로는 프리캐스트 고인성 섬유복합체 박스 적용, 전단 철 근의 유무와 전달철근의 간격, 철근 커플러 사용의 유무를 주요 실험 변수로 설정하였 다.

본 실험을 위한 실험체의 형상 및 크기는 [그림 4-1] 과 같다. 기둥의 단면적은 300mm x 300mm이며, 기초 부분에서 기둥의 상단 가력부까지의 높이는 1,200mm이며, 엑 츄에이터를 고정하고 휨하중을 가력하기 위한 상단 가력부는 400mm x 400mm x 400mm이 다. 기둥과 연결된 기초 부분은 900mm x 900mm x 700mm 의 크기로 실험체를 제작하였 다.

기준 실험체는 동일한 조건하에서 일반 콘크리트를 적용한 철근콘크리트 기둥으로서 2개의 실험체를 제작하였다. 콘크리트의 압축강도는 24MPa, 기둥의 주철근은 D13 을 8 개 사용하였으며, 전단철근은 D10을 사용하였고, 전달철근 간격은 기준 실험체 (RC-C1) 의 경우 100mm, 기준 실험체 (RC-C2) 의 경우에는 200mm 로 사용하였다.

프리캐스트 섬유복합체 적용 기둥의 경우, 먼저 철근의 가공과 조립을 완성한 뒤에 기초 부분의 거푸집을 완성하고 기초 부분에 일반 콘크리트를 타설과 프리캐스트 박스 의 고인성 섬유복합체를 배합 및 타설을 동시에 실시하였다. 일정 시간의 양생 시간을 가진 뒤에 거푸집을 탈형하여 프리캐스트 박스를 기초 부분 위에 설치하고 이음 시공 을 통해 기둥을 최종적으로 완성하는 단계를 거친다.

프리캐스트 박스의 단면 크기는 기준 실험체인 일반 콘크리트 기둥의 단면의 크기와 같은 300mm x 300mm 이며, 박스의 높이는 수평방향의 하중이 가해질 경우 휨 위험단면 을 고려하여 600mm 의 높이로 해야 되지만, 기초부분과 기둥의 경계면에서의 균열로 인한 내력의 손실을 고려하여, 기초 부분에 높이 100mm의 홈을 파고 프리캐스트 박스 의 제작 높이를 700mm로 하여 프리캐스트 박스를 끼워 넣는 식으로 제작하였다. 프리 캐스트 고인성 섬유복합체의 변수로는 전단철근의 사용 유무를 주요변수로 설정하였 다. 전단 철근이 있는 프리캐스트 박스의 경우 전단 철근의 간격은 200mm로 설정하였 다. 기준 실험체와 프리캐스트 적용 기둥의 각각의 실험체의 주요 변수는 다음 <표 4-1>과 같다.

실험체명 배합 섬유 타설높이 주철근 전단철근

RC-C1 일반콘크리트 - - 8-D13 D10@100

RC-C2 일반콘크리트 - - 8-D13 D10@200

PCHPFR-N 고인성 섬유복합체 PVA Vf=1.5%

h = 2.0d

(700mm) 8-D13 - PVA h = 2.0d

<표 4-1> 실험체별 배합 및 타설 변수

4.1.2 실험체 제작

기준 실험체의 제작은 거푸집의 제작과 철근의 가공과 조립을 완성한 다음 철근의 변형률을 얻기 위해서 조립된 실험체에 철근용 스트레인 게이지를 부착하였다. 기초 부분과 기둥 부분의 거푸집을 제작 및 설치한 후 동시에 현장에서 콘크리트를 타설하 였다.

기준 실험체에 사용된 콘크리트의 압축강도는 24MPa이고, 현장 타설 후 건조수축 균 열을 방지하기 위하여 실험체에 콘크리트 양생포로 덮어 일정한 습도가 유지되도록 물 을 충분히 공급함으로 습윤양생을 실시하였다.

프리캐스트 고인성 섬유복합체 기둥 실험체제작도 기준 실험체와 마찬가지로 거푸집 의 제작과 철근의 가공 후 철근용 스트레인 게이지를 부착하였다. 기초부분 콘크리트 타설하는 시점에 고인성 섬유복합체 박스 거푸집을 제작하고 고인성 섬유복합체 배합 을 실시한다. 배합 후 고인성 섬유복합체 박스 거푸집에 타설하고, 충분한 습도를 유 지할 수 있도록 물을 충분히 공급하여 습윤양생 실시한다.

일정기간이 지난 후에 기초부분의 콘크리트와 고인성 섬유복합체 박스의 거푸집을 탈형한다. 고인성 섬유복합체 박스를 기초 콘크리트 부분 위에 설치하고 고인성 섬유 복합체 박스 수직과 수평을 조정한 다음, 고성능 무수축모르터를 이용하여 기초와 박 스 사이의 공간에 채워줌으로 기초와 박스가 일체화 될 수 있도록 한다.

기초부분과 박스 부분의 일체화가 이루어진 후에 후타설 콘크리트를 위한 거푸집을 프리캐스트 박스 표면에 밀착하여 고정한다. 4방향으로 거푸집을 고정하고 거푸집과 박스 표면간의 유격의 발생에 주의를 기울인다. 기둥 상단의 가력부와 엑츄에이터를 연결할 수 있도록 파이프관을 매립하여 설치 후 콘크리트를 타설하여 실험체를 제작을 완료한다. 그리고 거푸집에 콘크리트 타설 후 건조수축 균열을 방지하기 위하여 실험 체에 콘크리트 양생포를 덮어 일정한 습도를 유지할 수 있도록 물을 충분이 뿌려 습윤 양생을 실시하였다.

4.1.3 시공단계에 따른 실험체 제작과정

다음은 [그림 4-2] ~ [그림 4-23]은 실험체 제작과정이며, 시공단계를 고려하여 실 험체를 제작하였다.

[그림 4-2] 기초 철근 제작 및 거푸집 설치

[그림 4-3] 기초부 콘크리트 타설 및 프리캐스트 박스 설치부

[그림 4-4] 고인성 섬유복합체 박스 거푸집 제작

[그림 4-6] 고인성 섬유복합체 모르터 배합