Comparative Flexural Performance of Concrete Panels Reinforced with Ring-Type Steel Fibers and with Hooked-End Straight Steel Fibers

링 형태 강섬유와 양단갈고리 선형 강섬유 보강 콘크리트 패널의 휨성능 비교

이 차 돈^* 조 원 택^**

* 정회원, 중앙대학교 건축공학부 교수

** 정회원, 중앙대학교 공학석사, (주)코펙엔지니어링 대표이사

•본 논문에 대한 토의를 2009년 2월 28일까지 학회로 보내 주시면 2009년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Fig. 1 HSFRC 및 RSFRC 파단면에서의 각 섬유의 저항 메카니즘

단위 투입량 (^)

EH 15860A 양단 갈고리 선형 강섬유 15 0.19 0.8 60 -

EH 15860B 양단 갈고리 선형 강섬유 15 0.19 0.8 60 -

EH 30860A 양단 갈고리 선형 강섬유 30 0.38 0.8 60 -

EH 30860B 양단 갈고리 선형 강섬유 30 0.38 0.8 60 -

RF 15430A ^{원형 폐곡선} 15 0.19 0.4 - 30

RF 15430B 원형 폐곡선 15 0.19 0.4 - 30

RF 15640A 원형 폐곡선 15 0.19 0.6 - 40

RF 15640B ^{원형 폐곡선} 15 0.19 0.6 - 40

RF 30430A 원형 폐곡선 30 0.38 0.4 - 30

RF 30430B 원형 폐곡선 30 0.38 0.4 - 30

RF 30640A 원형 폐곡선 30 0.38 0.6 - 40

RF 30640B 원형 폐곡선 30 0.38 0.6 - 40

Table 1 HSFRC 및 RSFRC 패널 실험체 (a) HSF

Fig. 2 실험에 적용된 HSF 및 RSF(단위: mm)

Fig. 4 위험단면에서 HSF와 RSF의 저항 메카니즘 (a) 가력 방법

(b) 가력 종료 후 실험체 파단

Fig. 3 패널 실험체에 대한 3점 가력

초기 강성 ()

하중() 처짐() _ _ _

EH15860A 13.9 0.40 6.67 34.8 1.64 2.32 4.46

EH15860B 14.0 0.35 6.72 40.0 1.41 2.39 4.64

평 균 14.0 0.38 6.72 37.4 1.53 2.36 4.55

EH30860A 13.9 0.38 6.67 36.6 2.23 4.30 8.98

EH30860B 15.1 0.17 7.25 88.8 2.28 3.72 7.44

평 균 14.5 0.28 6.96 62.7 2.26 4.01 8.21

RF15430A 15.1 0.51 7.25 29.6 2.63 3.67 6.47

RF15430B 14.7 0.26 7.06 56.5 2.61 4.44 9.37

평 균 14.9 0.39 7.15 43.1 2.62 4.06 7.92

RF15640A 14.7 0.44 7.06 33.4 1.80 2.34 3.46

RF15640B 14.7 0.35 7.06 42.0 3.14 4.37 8.32

평 균 14.7 0.40 7.06 37.7 2.47 3.34 5.89

RF30430A 15.1 0.31 7.25 48.7 2.96 5.66 10.50

RF30430B 14.5 0.39 6.96 37.1 3.91 7.14 11.05

평 균 14.8 0.35 7.10 42.9 3.44 6.40 10.78

RF30640A 13.3 0.26 6.38 51.2 2.99 5.76 10.53

RF30640B 13.7 0.38 6.58 36.1 3.01 5.40 10.01

평 균 13.5 0.32 6.48 43.7 3.00 5.58 10.27

Table 2 패널 실험체 실험 결과 및 인성지수

(a) EH15860 (b) EH30860 Fig. 5 HSFRC 패널의 하중-처짐도

(a) RF15430 (b) RF15640

(c) RF30430 (d) RF30640 Fig. 6 RSFRC 패널의 하중-처짐도

^ Fig. 7 RSF 종류에 따른 RSFRC 패널의 평균 하중-

링 직경 Fig. 8 단위투입량의 차이에 따른 RSFRC 패널의 평균

^ Fig. 9 HSFRC와 RSFRC 패널의 평균 하중-처짐도

Fig. 10 단위투입량 증가에 따른 RSFRC 및 HSFRC 패널의 상대 인성비

5 10 20 Fig. 11 동일 단위투입량을 갖는 경우, HSFRC에 대한 RSFRC

_^^^^^^{⋅}

_^^^^^⋅





연구자 실험체 인성 지수

 ^ 15

(1) 30 (2) 15

(3) 30 (4) 15

(3)/(1) 30 (4)/(2) Choi

 4.6 3.8 4.6 4.6 1.00 1.21

 8.5 7.2 9.0 9.0 1.06 1.25

 15.7 14.0 17.9 20.0 1.14 1.43

 1.53 2.26 2.62 3.44 1.71 1.52

 2.36 4.01 4.06 6.40 1.72 1.60

_ 4.55 8.21 7.92 10.78 1.74 1.31 Table 3 실험체 종류 및 섬유 종류에 따른 인성지수 값

Fig. 12 HSFRC 및 RSFRC 내 각 섬유의 방향계수(orientation factor)

Fig. 13 보 실험체 인성지수에 대한 패널 실험체 인성지 수 비

_^^^^^^{⋅}





Comparative Flexural Performance of Concrete Panels Reinforced with Ring-Type Steel Fibers and with Hooked-End Straight Steel Fibers

Abstract

and 

요 지

과 

Keywords : Ring-type Steel Fibers, Concrete, Experiments, Toughness Indices, Orientation Factor, Panel

핵심 용어 : 링 형태 강섬유, 콘크리트, 실험, 인성지수, 방향계수, 패널

Comparative Flexural Performance of Concrete Panels Reinforced with Ring-Type Steel Fibers and with Hooked-End Straight Steel Fibers

Lee, Chadon Cho, Won-Tack

(a) HSF

(b) RSF

1. 서 론

일반적으로 선형 강섬유는 인장응력 하에서 섬유의 항복 및 파단이 발생하기 이 전에 debonding이 먼저 발생하며 그 결과 뽑힘(pull-out) 현상이 발생한다.

상기와 같이 기존의 선형강섬유가 갖는 문제점인 강섬유의 파 단 이전의 debonding 발생에 의한 낮은 저항효율성 및 선형강섬유의 직선성에 의한 낮은 방향성을 극복하 기 위하여 최근에 링 형태의 강섬유인 RSF가 개발되 었다.

Choi and Lee

는 ASTM C 78에 근거하여 RSF를 혼입한 SFRC에 대한 휨실험을 실시하였다.

이하 HSFRC)의 가장 좋은 인성값과 RSFRC의 가장 좋은 인성값을 ASTM C 78에서 규정한 

에 근거 하여 비교한 결과 RSFRC의 인성값이 22% 우수한

것으로 관찰되었다.

이 연구에서는 Choi and Lee

2. 휨 실험

2.1.1 주요변수 및 실험체 제작

이 연구에서 채택한 강섬유의 규격은 Choi and

Lee

의 실험결과를 토대로 각 섬유 형태별 우수한 인

성이 확보된 규격에 근접하도록 설정하였다. 실험변수

는 섬유의 단위투입량(

, 

)과 RSF

의 강선직경 및 링 직경으로 하였다. HSF는 상용화

된 양단 갈고리 선형강섬유로서 직경 0.8mm, 길이

60mm인 강섬유를 사용하였으며 RSF는 강선직경 0.4mm, 링 직경 30mm인 것과 강선직경 0.6mm, 링 직경 40mm인 두 종류를 제작하여 적용하였다.

Fig. 2는 실험에 사용된 HSF 및 RSF를 나타낸다.

패널의 크기는  ×  ×  로서 실 험의 정확도를 기하기 위하여 동일한 변수에 대하여 2 개의 실험체를 제작하였고 초기 균열강도를 비교하기 위한 무혼입 콘크리트 패널 실험체 2개를 제작하였다.

SFRC를 적용한 실험체 명은 ‘FT M D L R’ 형태로 명명하였다.

여기서 FT는 강섬유 종류(EH:양단 갈고리 선형강섬 유(HSF), RF:링 형태 강섬유(RSF)), M은 강섬유 단위투입량(15: 

, 30: 

), D는 강섬 유 직경(4:0.4mm, 6:0.6mm, 8:0.8mm), L은 HSF 길이 또는 RSF 직경(60:60mm, 30:30 mm, 40:40mm), R은 반복시험체(A 또는 B)를 나타낸다.

28일 콘크리트 압축강도는    이다. 콘크리트는 동일한 배치(batch)에서 혼합하였고 강섬유는 뭉침현 상을 방지하기 위하여 손으로 직접 분산, 혼입하였다.

시험체는 수중 양생하였으며 28일 경과 후 휨 실험을 실시하였다. Table 1에 실험체 상세에 대하여 정리하 였다.

2.1.2 가력

패널 가력실험은 KSF 4201에 규정된 실험방법에 따 라 실시하였다. Fig. 3과 같이 지점 간 거리 

에 대하여 3점 휨 가력하였다. 가력은 500kN 용량의

Servo-controlled UTM을 사용하였다. 하중-처짐 관

계는 자동으로 입력되어 컴퓨터에 저장되었다. 하중

재하속도는 0.15mm/sec으로 하였고 처짐이 10mm

이상이 되어 균열이 하단에서 실험체 두께의 상부

4/5 깊이로 진전될 때까지 진행하였다.

2.2.1 위험단면에서의 강섬유 저항 형태

RSFRC의 경우, 강섬유의 파단, 분리파괴, 원추형 인 발파괴, 링 고리 풀림, 부분 뽑힘 등으로 관찰되었다 (Fig. 4(b)). RSFRC의 경우, HSFRC의 경우와는 일부 다른 저항 메카니즘을 갖고 있음을 알 수 있다.

또한 기존의 Choi and Lee

니즘이다. RSF가 2개 내지 4개 정도 한 곳에 군집하 여 있는 경우에 주로 관찰되었다. RSF의 부분뽑힘은 주균열이 벌어짐에 따라 RSF의 인장변형이 발생한 것으로서 RSFRC의 인성증가에 기여한다고 판단된다.

2.2.2 하중-처짐도

대부분의 실험체는 가력에 따라 휨균열이 지간 중심

부분에서 발생하였다. 하중은 초기균열 발생 전까지

처짐과 비례하여 증가하였으나 균열 발생과 동시에 취

성적인 하중 저하가 발생하였다. Table 2에 나타난 바와 같이 RSFRC 및 HSFRC 실험체의 휨강도 및 초기 강성은 유사함을 알 수 있다. 그러나 균열 후 RSFRC 및 HSFRC 실험체의 거동은 Fig. 5와 Fig.

이 후, 약간의 내력 증감 현상이 반복되면서 추가적인

내력 상실이 관찰되었다. RSFRC 시험체의 경우, 균

열이 상부로 진행함에 따라 RSF의 파단음이 발생하

였으며 이는 RSF의 링 직경이 작은 RSF가 혼입된

시험체에서 더 반복적이고 지속적으로 발생하였다.





2.2.3 최대하중 및 처짐

RSFRC 및 HSFRC 실험체의 최대하중은 강섬유를 혼입하지 않은 패널의 최대하중인   과 비교하여,



및 

인 RF30640 실험체의 경우 이 와 상반된 결과를 나타내었다.

RSFRC의 최대하중 시 평균 처짐은  ∼ 

인 반면 HSFRC의 경우는 평균  ∼  의 처짐을 나타냄으로서 큰 차이를 나타내지 않았다.

2.2.4 파괴양상과 하중-처짐도

Fig. 5에 의하면 HSFRC의 경우, 위험단면에서 강 섬유의 파단은 거의 발생하지 않았으며 주로 강섬유의 뽑힘(pull-out) 현상이 발생하였음을 알 수 있다.

짐도를 나타내고 있음을 알 수 있다. RF30430B 실 험체의 경우, 파단 및 원추형 인발파괴가 발생한 RSF의 개수가 각각 33개와 26개로서 RF30430A 실 험체의 27개, 6개에 비하여 더 많이 발생하였음이 관 찰되었다.

2.2.5 RSF 형상과 하중-처짐도

Fig. 7은 동일한 단위투입량을 가지나 서로 다른

RSF를 혼입한 RSFRC 실험체의 휨 거동을 나타낸

다. 각 하중-처짐도는 동일 실험체 2개의 평균값이다.





^

^

^

^{⋅ ⋅}