Analytical Study on Flexural Behavior of Concrete Member using Heavyweight Waste Glass as Fine Aggregate

1. 서 론

건설 분야에 전반적으로 사용되는 콘크리트는 적용성이 우 수하고 경제성, 내구성 등으로 인하여 적은 비용으로도 큰 효 율을 나타내는 대표적인 건설 재료이다. 이로 인해 콘크리트 는 현재까지 개발 및 적용되어 왔으며, 향후 성능 개선에 관한 지속적인 연구가 진행될 전망이다. 그러나 콘크리트를 생산 하기 위해 사용되는 천연자원은 건설업 관련 전 분야에 걸쳐 광범위하게 사용되므로 안정적인 공급이 필수적이나 점차 수 급이 불안정해지고 있다 (Ministry of Land Infrastructure and Transport of Korea, 2014). 특히, 2010년을 기점으로 하천골재 의 채취 허가량이 급격하게 감소하였으며 콘크리트 제작에 사용되는 원자재는 점점 수급 불안정이 가속화되어 이를 대 체할 수 있는 대체 자원 개발 및 적용성에 관한 연구가 진행될 필요가 있다.

한편, 천연자원의 고갈과 동시에, 반대 급부적으로 급격히 증가하는 산업폐자원은 고부가가치의 희토류 금속을 회수하 거나 2차 제품을 생산하는 방식으로 재활용되고 있으나, 현재 까지 발생된 대부분의 산업폐기물은 대부분 폐기되고 있다.

그중, 전자제품 산업에 의해 발생량이 급증한 고밀도 폐유리 는 무분별한 매립 혹은 적재로 인해 환경오염을 일으키고 있 다 (Choi et al., 2015; Choi et al., 2017). 따라서 많은 연구자에 의해 고밀도 폐유리는 광물질 혼화재와 혼용하여 사용할 경 우 내구적, 역학적 성능 개선을 확보할 수 있는 것으로 밝혀졌 으며, 특히, 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용할 경우 발생하는 시멘트의 알칼리 성분과 폐유리에 포함된 실리카 성분이 반 응하여 팽창이 발생하는 현상(알칼리-실리카 반응, ASR)은 광물질 혼화재를 적절하게 혼합하게 되면 충분히 저감 가능 하고 고밀도 폐유리에 포함된 중금속은 자연적인 환경 조건 에서는 용출되지 않는 것으로 나타났다 (Choi et al., 2017;

Choi et al., 2018; Kim et al., 2018; Kim et al., 2018).

그러나, 현재까지 진행된 연구는 주로 콘크리트 혹은 모르 타르 시편의 역학적 특성 또는 내구성에 중점을 두고 수행되 어 왔으며 실제 고밀도 폐유리를 사용한 콘크리트의 구조재 료로의 적용성, 즉 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재 의 구조적 거동에 대한 실험적, 해석적 검토는 미흡한 실정이 다. 따라서 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재를 제작하여

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 1, February 2020, pp.88-96

https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.1.88 pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재의 휨거동에 관한 해석적 연구

차경문¹, 최소영², 김일순³, 양은익⁴*

Analytical Study on Flexural Behavior of Concrete Member using Heavyweight Waste Glass as Fine Aggregate

Kyoung-Moon Cha¹, So-Yoeng Choi², Il-Sun Kim³, Eun-Ik Yang⁴*

Abstract:

In this study, in order to evaluate the structural behavior of RC members using heavyweight waste glass as fine aggregate, a flexural behavior test was performed. And then, its results were compared with those obtained from non-linear finite element model analysis. From the results, when the heavyweight waste glass as fine aggregate in RC member, the area of compressive crushing and the number of cracks increased, however, the mean of cracking spacing decreased. Also it had reduced the ductility at high loading stage. For this reason, the same analysis method about the RC member using natural sand as fine aggregate did not predict the initial stiffness, yield load and maximum load on the flexural behavior of the RC members using heavyweight waste glass as fine aggregate. On the other hand, when it is analytically implemented the reduction of neutral axis depth due to developed compression crushing, the results of non-linear finite element analysis could be predicted the experimental results, relatively well.

Keywords:

1정회원, 한국시설안전공단, 안전진단본부, 직원

2정회원, 강릉원주대학교 방재연구소, 연구교수, 공학박사

3정회원, 강릉원주대학교 토목공학과, 박사과정

4정회원, 강릉원주대학교, 토목공학과 정교수, 교신저자

*Corresponding author: [email protected]

Department of Civil Eng., Gangneung-Wonju National University, Jukheon-gil 7, Gangneung-si, Gangwon-do, 25457, Republic of Korea

∙본 논문에 대한 토의를 2020년 3월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 4월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.

휨 거동 성능 평가를 수행하였으며, 고밀도 폐유리 대체 유무 에 따른 구조적 거동의 차이점을 유한요소 프로그램을 이용 한 비선형 해석 결과와 비교, 검토하여 해석적으로 RC 부재의 휨거동 특성을 분석하고자 하였다.

2. 실험계획 및 변수

2.1 실험 변수

고밀도 폐유리를 잔골재로 적용한 RC 부재의 휨거동을 평 가하기 위한 실험 변수는 물-결합재비, 광물질 혼화재 종류 및 고밀도 폐유리의 잔골재 대체 유무로 결정하였다. 이때 선행 연구를 통하여 고밀도 폐유리 혼입에 의해 발생하는 ASR 억 제에 효과적인 광물질 혼화재인 플라이애시와 고로슬래그 미 분말도 함께 사용하였다 (Choi et al., 2018). 본 연구에 사용된 실험 변수는 Table 1과 같다.

2.2 사용재료 2.2.1 결합재

본 연구에서는 결합재로 시멘트와 광물질 혼화재인 플라이 애시(FA)와 고로슬래그 미분말(BFS)을 사용하였다. 사용된 결합재의 물리적, 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다.

2.2.2 골재

본 연구에서 사용된 천연잔골재는 하천모래를 사용하였으 며 천연 굵은 골재는 부순 골재이다. 이때 굵은 골재의 최대치 수는 19 mm이며, 배합에 사용된 골재의 특성은 Table 3과 같다.

2.2.3 고밀도 폐유리

고밀도 폐유리는 브라운관에서 발췌한 것으로 중금속을 일 부 함유하고 있어 밀도가 3.0 g/cm³이며, 고밀도 폐유리에 포 함된 중금속을 용출하지 않고 jaw crusher를 이용하여 단순 분 쇄한 후, 5 mm 체를 통과하는 고밀도 폐유리만을 사용하였다.

고밀도 폐유리의 물리적 특성을 Table 3에 함께 나타내었다.

2.3 배합조건

고밀도 폐유리의 잔골재 대체율은 부피비로 각각 0(NS), 100%(HG)이며, 물-결합재비는 35, 45, 55%로 결정하였다. 또 한, 광물질 혼화재가 미치는 영향을 함께 검토하기 위하여 물- 결합재비 45% 경우에 한정하여 플라이애시(FA)와 고로슬래 그 미분말(BFS)을 시멘트 질량의 각각 20%, 50%로 치환하여 함께 평가하였으며, 본 연구에 사용된 배합표는 Table 4에 나 타내었다.

Item Content

W/B ratio 35%, 45%, 55%

Mineral admixture (replacement ratio)

FA (20%), BFS (50%) (only W/B 45%) Heavyweight waste

glass substitution ratio

0(NS), 100(HG) (%)

Specimen size 150 × 205 × 1400 mm (RC member)

∅100 × 200 mm (Compressive strength) Curing condition Wet curing (20±3 °C)

Table 1 Test variables

Material

Properties OPC FA BFS

Physical Specific gravity 3.15 2.34 2.82 Blaine (cm

/g) 3,200 3,700 4,000

Chemical (%)

SiO

21.36 52.83 31.85

Al

O

5.03 18.08 14.55

Fe

O

3.31 7.74 0.59

CaO 63.18 5.95 34.95

MgO 2.89 1.43 5.63

SO

2.30 0.01 2.97

LOI 1.40 6.14 0.60

Table 2 Physical and chemical properties of the binders

Type Density

(g/cm

)

Absorption

(%) F.M.

Fine 2.6 1.07 2.79

Coarse 2.68 1.35 6.86

Heavyweight waste glass 3.0 0 3.4

Table 3 Physical properties of all of the aggregate

Type W/B (%)

Unit weight(kg/m

)

W C G S H.G FA BFS

35OPC-NS 35 167 477 999 673 - - -

35OPC-HG 35 167 477 999 - 777 - -

45OPC-NS 45 170 378 1008 738 - - -

45OPC-HG 45 170 378 1008 - 851 - -

55OPC-NS 55 173 315 998 792 - - -

55OPC-HG 55 173 315 998 - 914 - -

FA20-NS 45 170 302 996 729 - 76 -

FA20-HG 45 170 302 996 - 841 76 -

BFS50-NS 45 170 189 971 713 - - 189

BFS50-HG 45 170 189 971 - 842 - 189

Table 4 Concrete mix proportions

2.4 실험 방법 2.4.1 시험체 제원

본 연구에서 사용된 RC 휨 부재는 Fig. 1과 같이 크기 150 × 205 × 1400 mm (폭^×높이^×길이)로 결정하였다. 사인장 파괴 를 방지하기 위한 전단 철근을 배치하였으며, 전단 철근의 간 격은 80 mm이다. 하중 재하시 발생하는 주철근의 변형률 측 정을 위하여 부재 중앙부 철근의 총 2개소에 철근 변형률 게 이지를 각각 설치하였으며, 콘크리트의 변형률 측정을 위한 콘크리트 변형률 게이지를 압축연단으로부터 10, 20 mm 지 점에 부착하고 (Fig. 1), 하중 가력시 발생하는 부재의 처짐을 측정하기 위하여 하중 재하 지점 하단 및 부재 중앙부 하단에 LVDT를 설치하였다. 본 연구에 사용된 철근은 주철근은 D13, 스터럽은 D10이며, SD 400의 규격을 갖는 철근의 탄성 계수와 푸아송비를 사용하였다. 그러나, 철근의 항복 응력은 직접 인장시험을 통해 결정된 값을 사용하였으며, 해석에 사 용된 철근 물성치는 Table 5에 나타내었다.

한편, 압축강도는 ∅100 × 200 mm 크기의 원주형 시험체 를 3개씩 제작하여 RC부재와 동일한 조건에서 양생시킨 후 부재실험과 동일한 재령에서의 압축강도를 측정하였으며, 측 정 재령은 OPC만 결합재로 사용한 경우에는 28일이며, 광물 질 혼화재를 사용한 경우에는 충분한 수화반응을 유도하기 위하여 재령 91일에 실험을 수행하였다.

2.4.2 휨시험 방법

고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 콘크리트 부재의 휨 거 동을 파악하기 위하여 500kN 용량의 가력장치를 사용하여 4 점 휨 시험을 수행하였으며, 하중 제어는 변위제어 방식을 사 용하였다. 단면 설계시 계산된 부재의 처짐을 기준으로 0.5△

y, 1.0△y, 2.0△y, 3.0△y, 4.0△y까지 총 5단계로 나누어 하중 재하를 실시한 후 실험을 종료하였으며, 하중 재하 사이클은 Fig. 2에 나타내었다. 이때, 하중 분배 장비를 이용하여 400 mm의 순수 휨구간을 확보하였다.

3. 유한요소해석 모델

3.1 기본 형상 모델링

고밀도 폐유리의 잔골재 대체 유무에 따른 RC 부재의 유한요 소 해석을 위하여 사용된 요소 유형은 콘크리트의 경우 8절점 3차원 솔리드 요소 (8-node, 3-dimensional solid element, C3D8R)를, 철근의 경우에는 2절점 트러스 요소 (2-node, 3-dimensional truss element T3D2)를 사용하였다. Fig. 3에는 철 근이 콘크리트와 일체 거동을 하도록 RC 부재의 ABAQUS 모델 형상을 표현하였으며, 지점 및 하중 조건은 실험조건과 동일하 게 결정하였다(Fig. 4). 또한, Table 5에는 유한요소 해석에 사용 된 철근의 물성치를 나타내었으며, 콘크리트의 물성치의 경우, 역시 실험을 통해 얻은 값을 이용하여 해석 모델에 반영하였다.

3.2 해석방법 및 재료모델

유한요소해석 방법은 RC 부재의 휨거동을 해석적으로 평 가하기 위한 대표적인 방법으로, 다양한 유한요소해석 프로 그램이 개발, 적용되고 있다. 본 논문에서는 사용성이 높고 재 료 특성의 반영이 용이한 ABAQUS 프로그램을 이용하여 유 한요소 해석을 수행하고자 하였다.

ABAQUS를 이용한 휨 부재 해석에서 수식의 유도를 위해서 는 방법에 따라 변위법(Displacement method), 하중법(Force method), 혼합법(Hybrid method or Mixed method)이 사용되고 있다. 일반적으로 구조 해석용으로 개발된 범용 유한요소 해석 프로그램은 변위법을 기반으로 개발되었기 때문에 본 연구에서 는 변위법을 사용하였다 (Cha, 2017).

한편, 본 연구에서는 Lubliner에 의해 제안 (Lubliner et al., 1989)되고 Lee and Fenves에 의해 수정된 모델인 Concrete

Type Elastic Modulus (GPa)

Yield Stress (MPa)

Poisson’s Ratio

D13 200 430 0.3

Table 5 Mechanical properties of reinforcement used in RC member Fig. 2 Schemed applied cyclic loading history

Dilation

Angle Eccentricity fb

/fc

K Viscosity Parameter Table 6 CDP Parameters in ABAQUS

Fig. 1 Reinforcement detail of test members

Damaged Plasticity model (CDP model)을 사용하였다 (Seo et al., 2018). CDP 모델은 일축 하중이 작용하는 콘크리트 구조 물의 일반적인 해석에 사용되는 모델로, 인장 균열과 압축 파 괴에 관한 등방성 손상을 고려하고 하중 재하에 따른 강성 회 복 효과도 반영할 수 있어 적용하였다 (Choi et al., 2014). 또 한, CDP 모델에 적용한 파라미터는 Table 6에 나타내었다.

3.3 콘크리트 시험체의 응력-변형률 관계

일반적으로 콘크리트의 응력-변형률 관계는 콘크리트 배 합에 사용된 재료의 특성을 나타내므로, 구조설계에 있어 반 드시 검토해야 할 주요 인자중에 하나이다. 특히, 콘크리트의 응력-변형률 곡선은 콘크리트 제작에 사용되는 구성성분에 의해 영향을 받기 때문에 콘크리트를 구조재료로 적용하기에 앞서 반드시 응력-변형률 곡선 특성을 평가해야 한다 (Mehta., 2014). Fig. 5에 나타낸 RC 부재 제작과 동시에 제작된 콘크리 트 원주형 시험체의 응력-변형률 곡선은 3개 시험체의 측정 결과중 평균값과 가상 유사한 대푯값을 선정하여 나타내었 다. 측정 결과, 고밀도 폐유리를 혼입한 경우에는 일반 골재를 사용한 경우에 비하여 압축강도가 감소하는 경향이 나타났으 나, 압축강도가 감소하더라도 응력-변형률 곡선 특성에는 영 향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 콘크리트의 파괴는 시멘 트 페이스트와 골재 사이의 경계면에서 발생하는 미세균열의 진전으로 인해 진행된다. 특히 유리의 경우, 대표적인 취성재 료이므로 콘크리트의 잔골재로 사용될 경우 응력-변형률 곡 선에서 일반 콘크리트와 상이한 차이를 유발할 수 있을 것으로

예상되었으나, 잔골재 대체제로 사용된 고밀도 폐유리는 응 력-변형률 곡선 특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 측정되 었다.

4. 실험결과

4.1 RC 부재의 균열 발생 특성

반복하중이 재하 된 RC 부재의 균열 특성을 평가하기 위하 여 RC 부재의 순수 휨 구간에서 기록된 균열 특성을 Table 7 과 Fig. 6, 7에 나타내었다. 실험결과를 살펴보면, 모든 부재에 서 하중 재하 초반에는 순수 휨 구간에서 휨균열이 진전되다 가 하중이 증가할수록 전단-휨균열 형상을 나타내는 휨균열 형성 패턴 (Kim et al, 2016)을 나타내어 고밀도 폐유리 대체에 따른 취성파괴는 발생하지 않았다. 또한, 55OPC의 경우를 제 외하고 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재의 균열 개수 가 천연골재를 사용한 경우에 비해 증가하고 균열 간격이 감 소하였으며 균열 발생면적이 크게 증가하였다.

일반적으로, RC 부재에서 발생하는 균열은 콘크리트와 인 장철근의 부착력 감소로 인하여 RC 부재의 인장연단에서부 터 진전된다 (Kang 2005). 따라서 고밀도 폐유리 대체에 따른 균열의 진전은 철근과 콘크리트의 부착력 저하에 기인한 것 으로 예상되며, 이는 고밀도 폐유리 대체에 따른 압축강도 저 하에 영향을 받은 것으로 판단된다.

4.2 하중-처짐 관계

Fig. 8에는 천연잔골재를 사용한 부재의 하중-처짐 곡선을 나타내었다. 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 보면, 초기균 열이 발생하는 시점의 기울기(초기 강성)는 모두 비슷한 수준 의 값을 나타내었으며, 초기균열이 발생하고 항복 변위가 발생 하는 시점의 항복 하중 역시 비슷한 수준 값을 나타내는 것으로

Specimen ID

Number of crack

(ea)

Mean. crack spacing

(mm)

Area of compression crushing

(mm

)

35OPC-NS 5 101.69 710.6

35OPC-HG 7 84.27 1120.7

45OPC-NS 5 103.85 9450.2

45OPC-HG 6 85.31 11988.7

55OPC-NS 7 79.11 3167.1

55OPC-HG 4 134.15 9214.2

45FA20-NS 4 108.57 -

45FA20-HG 6 71.91 8917.2

45BFS50-NS 6 90.54 -

45BFS50-HG 7 79.73 10521.2

Table 7 Results of experimental test of RC member (crack) Fig. 3 Model of RC member Fig. 4 Uniform loads acting on the RC

Fig. 5 Compression properties of concrete specimens

나타났다. 특히, 천연골재를 사용한 콘크리트의 압축강도의 차 이가 다소 발생하더라도, RC 부재의 휨 거동은 인장철근에 지 배적이기 때문에 하중-처짐 관계는 물-결합재비에 큰 영향을 받지 않으며, 이러한 경향은 해석적으로도 충분히 반영된 것으 로 나타났다. 한편 Fig. 9에는 고밀도 폐유리를 전량 잔골재로 대체한 RC부재의 하중-처짐관계를 그래프로 나타내었다. 실 험 결과를 살펴보면, 물-결합재비 및 광물질 혼화재 혼합에 관 계없이 하중 재하를 실시할 경우, 35OPC와 45BFS50의 경우를 제외하고 최대하중 도달 이후 하중이 감소하는 것으로 나타났 다. 이는 전반적인 연성이 감소하는 현상에 기인한 것으로 판단 되며, 해석적으로는 이를 반영하지 못하는 것으로 나타났다.

특히, 고밀도 폐유리의 잔골재 대체로 인한 1축 압축에 의한 변 형특성 (응력-변형률 곡선)은 영향을 받지 않더라도, 고밀도 폐 유리 대체에 따른 휨-압축에 의한 변형(구조적 거동)에는 영향 을 받는 것으로 나타났다.

Table 8에는 실험결과와 해석 결과에서 취득한 항복하중 및 최대하중과 그때의 처짐값을 함께 나타내었다. 그 결과, 천 연잔골재를 사용한 RC 부재의 경우, 항복하중 및 그때의 처짐

일치하였으며, 부재의 연성 거동을 효과적으로 예측하는 것 으로 나타났다. 그러나 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재에서는 항복 하중은 물론 전체거동을 반영하지 못하는 것으로 나타났으며, 특히 반복하중에 따른 연성 저하를 예측 하지 못하였다. 이는 고밀도 폐유리 대체에 따른 압괴 발생으 로 인한 취성 거동에도 불구하고 해석적으로 구현되지 않음 을 의미한다. 따라서 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 경우 에는 천연잔골재와 동일한 조건에서의 해석방법은 적절하지 않으므로 고밀도 폐유리를 사용한 RC 부재를 해석적으로 검 증하기 위해서는 해석방법을 개선해야 할 것으로 사료된다.

4.3 하중-처짐 관계(해석방법 비교)

Fig. 9에 나타낸 바와 같이, 고밀도 폐유리를 혼입한 RC 부 재의 경우, 천연잔골재를 사용한 RC 부재와 다르게 반복하중 재하에 따른 연성 저하가 발생하였으므로 천연잔골재를 사용 한 RC 부재와 동일한 해석 방법을 통한 유한요소해석은 적절 하지 않았다.

한편, RC 부재에 압축파괴가 발생하기 이전에는 외력을

(a) 35OPC

(b) 45OPC

(c) 55OPC

(d) 45FA20

(e) 45BFS50

Fig. 6 Typical crack occurrence patterns (NS case)

(a) 35OPC

(b) 45OPC

(c) 55OPC

(d) 45FA20

(e) 45BFS50

Fig. 7 Typical crack occurrence patterns (HG case)

(a) 35OPC

(b) 45OPC

(c) 55OPC

(d) 45FA20

(e) 45BFS50

Fig. 8 Comparison of load-displacement curve (NS)

(a) 35OPC

(b) 45OPC

(c) 55OPC

(d) 45FA20

(e) 45BFS50

Fig. 9 Comparison of load-displacement curve (HG)

콘크리트와 인장철근이 동시에 저항하지만, 콘크리트의 균열 이 진전되고 압축파괴가 발생하게 되면, 콘크리트 부재의 저항 모멘트가 급격하게 감소하게 된다. 즉, 압축파괴로 인하여 RC 부재 단면의 중립축 깊이가 감소하므로 인장철근이 부담하는 하중이 증가하게 된다. 그러나 앞서 기술한 해석 기법으로는 압 축파괴 면적 증가에 따른 중립축 깊이의 감소를 구현하기 어렵 다. 따라서 본 연구에서는 항복점에서의 모멘트와 인장철근의 관계를 이용하여 인장철근의 외력 부담비율을 산정하여 이를 해석 모델에 반영하였으며, Fig. 10에는 하중-처짐 곡선을, Table 9에는 항복하중, 최대하중 및 그때의 처짐값을 나타내었다.

그 결과, Fig. 9와 달리, Fig. 10에 나타낸 바와 같이 항복하중이

Specimen ID

Yield point Peak point P

(kN)

△

(mm) P

(kN)

△

(mm)

35OPC

NS Exp. 91.87 4.0 108.24 17.19

Anls. 92.29 3.89 97.4 17.8

HG Exp. 89.94 4.58 99.93 12.57

Anls. 93.03 4.16 96.07 18.20

45OPC

NS Exp. 85.95 3.83 101.97 11.74

Anls. 85.2 3.79 86.87 18.29

HG Exp. 86.85 3.96 93.74 9.27

Anls. 87.20 5.07 88.34 18.58

55OPC

NS Exp. 89.23 3.91 99.82 15.13

Anls. 89.19 3.71 93.87 18.36

HG Exp. 87.76 4.43 93.16 8.33

Anls. 80.78 3.61 88.87 18.70

45FA20

NS Exp. 91.49 4.31 114.51 17.11

Anls. 90.49 3.68 97.38 18.62

HG Exp. 91.16 3.72 99.21 9.95

Anls. 89.18 3.94 94.06 16.90

45BFS50

NS Exp. 87.13 3.80 111.38 17.2

Anls. 88.47 3.92 95.10 17.73

HG Exp. 91.12 3.73 104.25 10.9

Anls. 88.32 4.21 91.68 18.06 Table 8 Comparison experimental results and analytical results

Specimen ID

Yield point Peak point P

(kN)

△

(mm) P

(kN)

△

(mm)

35OPC-HG Exp. 89.94 4.58 99.93 12.57

Re-Anls. 84.17 3.85 94.38 16.23

45OPC-HG Exp. 86.85 3.96 93.74 9.27

Re-Anls. 92.60 3.69 99.89 6.84

55OPC-HG Exp. 87.76 4.43 93.16 8.33

Re-Anls. 90.23 4.85 93.71 8.35

45FA20-HG Exp. 91.16 3.72 99.21 9.95

Re-Anls. 94.1 4.79 99.75 16.51 45BFS50-HG Exp. 91.12 3.73 104.25 10.9

Re-Anls. 88.81 3.66 100.8 17.78 Table 9 Comparison experimental results and analytical results

(a) 35OPC

(b) 45OPC

(c) 55OPC

(d) 45FA20

(e) 45BFS50

Fig. 10 Comparison of load-displacement curve (HG)

발생하기 이전의 기울기를 비롯하여 항복하중 및 최대하중이 잘 일치하였다. 또한, 최대하중 이후 발생하는 하중 저하 역시 해석 결과로 구현 가능하였다. 따라서 해석적으로는 고밀도 폐 유리 대체에 따른 최대하중 이후에 급격한 하중감소는 인장철 근의 하중 부담비율을 증가시킨 방법으로 해석을 수행해야 할 것으로 사료되나, 더 명확한 재료적인 특성을 반영할 수 있는 해석 기법의 도입이 필요할 것으로 판단된다.

5. 결 론

고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 RC 부재의 휨 거동을 해 석적으로 평가한 연구로부터 얻어진 결과는 다음과 같다.

1. ABAQUS를 통한 RC 부재의 해석 결과, 천연 골재를 사 용한 RC 부재의 휨거동은 해석적으로 비교적 정확하게 예측하였으나, 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용할 경우, 최대하중 및 그때의 처짐을 적절하게 예측하지 못하는 것으로 나타났다.

2. 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 RC 부재는 천연골재 를 사용한 RC 부재에 비하여 균열 개수가 증가하고 균열 간격이 감소하며, 압괴면적이 증가하면서 압축 파괴에 의한 연성 저하가 동반되었다.

3. 고밀도 폐유리 대체에 따른 RC 부재의 연성 저하는 압괴 진전으로 인해 감소한 중립축 깊이의 감소를 이용하여 ABAQUS에 반영하면, 처짐증가에 따른 연성저하를 반 영할 수 있는 것으로 나타났다.

4. 고밀도 폐유리 대체에 따른 RC 부재의 휨거동은 일반적 인 해석 기법을 도입하기보다는 재료 특성에 의해 영향 을 받는 인자를 고려한 추가적인 해석방법의 도입이 필 요한 것으로 사료된다.

5. 본 연구를 통해 응력-변형률 곡선이 일반적인 콘크리트 의 응력-변형률 곡선 특성을 만족하더라도, 실제 RC 부 재의 휨 거동에서는 상이한 특성이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 따라서 콘크리트에 적용하는 재료 특성에 따 른 콘크리트 구조물 설계에는 콘크리트의 휨 압축 특성 을 반영하여야 할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가 원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No.20171

520101680).

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Received : 12/18/2019 Revised : 01/16/2020 Accepted : 01/30/2020

요 지 : 고밀도 폐유리가 콘크리트를 포함하는 건설 재료로 사용 가능함이 밝혀짐에 따라 본 연구에서는 고밀도 폐유리를 잔골재로 적용한

RC 부재의 구조적 거동을 평가하고자 휨거동 실험을 수행하고 그 결과를 비선형 유한요소해석 결과와 비교 검토하였다. 그 결과, 고밀도 폐유

리를 잔골재로 사용하게 되면, 균열 개수가 감소하고 균열 간격 및 압괴 면적이 증가하였다. 또한, 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재는 높 은 처짐 단계에서 연성이 감소되었다. 이러한 이유로 천연골재를 사용한 부재와 동일한 방법의 해석 기법은 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 부재의 휨거동에 대한 초기강성, 항복하중 및 최대하중을 제대로 예측하지 못하는 것으로 나타났으나, 압괴 진전에 따른 중립축 깊이가 감소하 는 것을 해석적으로 구현하게 되면, 비선형 유한요소 해석 결과가 실험결과를 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다.

핵심용어 : 압축파괴, 유한요소법, 휨 거동, 고밀도 폐유리, 하중-처짐 곡선