The Improvement of Biaxial Flexure Test (BFT) Method for Determination of the Biaxial Flexure Tensile Strength of Concrete

콘크리트工學

第31卷 第5A 號·2011年 9月 pp. 389 ~ 397

콘크리트 이방향 휨인장강도 결정을 위한 이방향 휨인장강도 시험법 개선

The Improvement of Biaxial Flexure Test (BFT) Method for Determination of the Biaxial Flexure Tensile Strength of Concrete

김지환*·지광습**·오홍섭***

Kim, Jihwan ^· Zi, Goangseup ^· Oh, Hongseob

···

Abstract

In this study, an experiment for the biaxial behavior of specimens was carried out to identify whether the isotropic flexure tensile stress of concrete in the BFT method is feasible. Another experiment for the improvement of the BFT method was con- ducted to ensure the isotropic flexure tensile stress of BFT specimens during the test. In addition, the biaxial flexure strength of concrete given by the improved BFT method was compared to the uniaxial flexure strength by the four-point bending test. Test results show that the isotropic flexure tensile stress of concrete using the BFT method was highly influenced by the surface conditions and warping of the specimens. Using improved BFT method, we could obtained the isotropic flexure tensile stress of concretes. The biaxial flexure strength of BFT was about 32% greater than the uniaxial flexure strength of the four-point bending test. In the experiment, with the smaller scatter, the improved BFT method gave a reliable biaxial flexure strength like the four-point bending test.

Keywords : tensile strength, biaxial flexure strength, biaxial flexure test, isotropic flexure stress, bending test

···

요 지

본 논문에서는 이방향 휨인장강도 시험 시 시험체에 작용하는 등방성 휨인장거동의 구현여부를 실험적으로 증명하기 위해 시험체의 변형률 측정 실험과, 시험체에 등방성 휨인장응력이 작용할 수 있도록 시험법 개선을 위한 연구를 수행하였다. 또 한, 개선된 시험법을 적용하여 이방향 휨인장강도와 4점 휨인장강도 시험에 의한 일방향 휨인장강도를 측정하여 비교하였다.

실험 결과, 시험체에 발생하는 등방성 휨인장응력은 시험체의 표면 조건과 뒤틀림 정도에 많은 영향을 받는 것으로 나타났 으나, 시험법 개선으로 인해 시험체에 등방성 휨인장응력상태를 확보할 수 있었다. 개선된 이방향 휨인장강도 시험에 의한 이방향 휨인장강도가 일방향 휨인장강도 보다 32% 더 큰 것으로 나타났으며, 분산성은 동일한 것으로 나타났다.

핵심용어 : 인장강도, 이방향 휨강도, 이방향 휨인장강도 시험, 등방성 휨인장응력, 휨시험

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1. 서 론

이방향 휨인장강도 시험 (biaxial flexure test; BFT) ^{은 길}

이에 비해 두께가 얇은 쉘 및 판 형태의 콘크리트 구조물에 서 발생하는 이방향 인장응력상태 (biaxial tensile stress

states) 를 간단하고 , 경제적인 방법으로 평가하기 위해 국내

연구진에 의해서 개발된 시험법이다 ( 지광습 등 2007; Zi 등 , 2008). 그림 1(a) 와 같이 보 (beam) 형태의 시험체를 이용하 는 4 점 휨강도 시험을 삼차원화한 BFT 시험은 , 유리 및 세 라믹 분야에서 재료의 이방향 휨인장강도 측정을 위해 사용 되어온 ring-on-ring ^시험 (ISO 6474; Fessler ^와 Fricker,

1988; Soltesz 등 , 1986) 을 콘크리트 재료에 적합하도록 수

정 , 제시한 것이다 . BFT 시험은 그림 1(b) 와 같이 무근 콘

크리트의 원판 시험체와 링 형태의 지점장치 및 가력장치로 구성된다 .

BFT 시험의 주요한 장점은 다음과 같다 . 첫째 , BFT 시험

시 시험체에는 모든 방향에서 일정한 등방성 휨인장응력

(isotropic flexure tensile stress) 이 형성되어 그림 2(a) 와 같 이 일방향 응력상태 (uniaxial stress state) 가 아닌 그림 2(b)

와 같은 이방향 응력상태 (biaxial stress state) 의 구조물을

가장 잘 평가할 수 있는 시험법이다 (Zi 등 , 2008). 둘째 , 기 존의 이방향 인장강도 시험법과 달리 현장에서 실무자들이 보다 간단하고 , ^{경제적인 방법으로 콘크리트의 이방향 휨인}

장강도를 평가할 수 있어 , 구조물 설계 시 4 점 휨시험에 의

*정회원·고려대학교건축·사회환경공학과박사과정

(E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·고려대학교건축·사회환경공학과부교수

(E-mail : [email protected])

***정회원·경남과학기술대학교토목공학과조교수

(E-mail : [email protected])

한 일방향 휨인장강도와 함께 이방향 휨인장강도를 고려한 설계가 가능하다 . 셋째 , 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능평 가에 본 시험법을 적용할 경우 타설 시 섬유의 방향성이 일 정한 보 시험체와 달리 실제 타설되는 섬유의 방향성과 분 산성을 효과적으로 고려할 수 있어 섬유보강 시멘트 복합재 료의 정확한 성능평가가 가능하다 . 마지막으로 , BFT 시험체 는 최대 인장응력이 시험체 중심부에 작용하여 파괴에 직접 적인 영향을 미치는 모서리가 포함되어 있지 않아 파괴 전 균열생성이 모서리 부위에서 일어나 전체 두께로 전진되며 파괴되는 모서리 파괴 (edge failure) 를 배제할 수 있다 (Ritter

등 , 1980). 반면 , 4 점 휨시험 시 사용되는 보 시험체의 경

우 최대 인장응력이 발생하는 영역에 모서리가 포함되어 모 서리 파괴를 야기할 수 있다 .

BFT 시험에 의한 콘크리트 재료에 적합한 이방향 휨인장

강도 평가를 위해 사전 실험 및 삼차원 유한요소 해석을 수 행하였으며 , 이론해에 대한 고찰을 통하여 이방향 휨인장강 도에 영향을 미치는 시험체의 높이 , 여유길이 , 지간과 하중 재하점간의 상관관계를 분석하여 시험의 신뢰성을 높이고자 한 연구가 수행된 바 있다 ( 지광습 등 , 2009). 표 1 은 그 연 구에서 제시한 최적 시험체의 제원이다 .

여기서 , h는 시험체의 높이 , a, b는 각각 중앙점부터 지지점 및 가력점까지의 거리 , ^{시험체 반지름} ( ^R ) ^{과 중앙점부터 지지}

점까지의 거리 ( a ) 의 차를 여유길이 ( f ) 로 정의한다 .

또한 , 앞서 언급한 시험법과 그 시험체의 제원에 기초하여

여러가지 연구가 진행되어 왔다 ( 지광습 등 , 2009; Zi 등 ,

2008; 지광습 등 , 2007; 오홍섭과 지광습 , 2010; 오홍섭과

지광습 , 2008). 그러나 기존의 연구에서는 BFT 시험 시 시

험체에 작용하는 실제 변형률 거동을 측정한 바가 없어서 연구결과 자체로는 정확한 등방성 휨인장거동의 구현여부가 의문시되었다 . 따라서 , 본 연구에서는 BFT 시험체에 작용하 는 등방성 휨인장거동을 실험적으로 증명하기 위해 기존 연 구의 시험절차를 적용하여 변형률 측정 실험을 수행하였다 .

측정된 실험결과의 분석과 문헌조사를 통해 시험체에 발생 하는 등방성 휨인장응력은 시험체의 표면 조건과 뒤틀림 정

도에 많은 영향을 받는 것으로 나타나 , 시험 시 BFT 시험

체에 등방성 휨인장응력이 작용하도록 하기 위해 BFT 시험 법 개선에 관한 실험을 수행하였다 . 실험 결과를 바탕으로 등방성 휨인장응력 확보가 가능한 BFT 시험법을 개선하였

으며 , 개선된 BFT 시험을 이용하여 이방향 휨인장강도와 4

점 휨시험에 의한 일방향 휨인장강도의 측정 결과를 비교 분석하였다 .

2. 이방향 휨인장강도의 이론 해

시험 시 재료의 강도는 측정된 하중의 최댓값으로부터 산 정하게 된다 . 4 점 휨시험에서는 파괴 직전까지 재료의 거동 이 선형탄성이라고 가정하여 작용 하중과 시험체에 발생하 는 응력 사이의 관계를 탄성보이론을 적용하여 강도를 산정 한다 . 4 점 휨시험 시 휨인장강도의 산정식은 다음과 같다 .

(1)

여기서 , ^σ

는 콘크리트 일방향 휨인장강도 (MPa), ^{P는 최대}

하중 (N), L은 시험체의 지간 (mm), h는 시험체 높이 (mm) 이

며 , b는 시험체의 폭 (mm) 이다 .

원판 형태의 콘크리트 시험체를 이용하여 측정된 이방향 휨인장강도의 경우 Vitman and Pukh(1963) ^와 Zi ^등 (2008) ^이

가력링 안의 응력 계산 시 탄성판이론에 근거한 식 (2) 를 사용하여 계산한 바 있다 .

(2)

여기서 , σ

은 콘크리트 이방향 휨인장강도 (MPa), P는 최대 하중 (N), h는 시험체 높이 (mm) 이며 , a , b , R은 각각 원판 시험체의 중앙 점부터 지지점 및 가력점까지의 거리 (mm),

시험체의 반지름 (mm) 이다 . ν는 콘크리트 포와송비이다 .

σ

PL bh

---

=

σ

3 P 4 π h

--- 2 1 ⁽ + ^{ν )} ln _{⎝ ⎠} ^{⎛ ⎞ a} _b --- ( 1 – ν ) ( a

– b

)

R

--- +

=

그림 1. (a) 4 점 휨강도 시험법 구성 , (b) 이방향 휨인장강도 시험법의 구성

그림 2. (a) 일방향과 (b) 이방향 응력 상태

표 1. 최적 시험체의 제원

h/a f/a b/a

0.24 0.05 0.25

그러나 , 식 (1) 과 (2) 를 이용하여 계산된 휨인장강도는 실 제 시험체에 작용하는 휨인장강도 보다 더 큰 것으로 판단 된다 . 이는 두 식 모두 최종 파괴 시까지 재료의 거동이 선 형탄성이라고 가정하였으나 , 실제 콘크리트 재료의 거동은 그림 3 과 같이 초기구간을 제외한 나머지 구간은 변형률이 증가함에 따라 강성이 줄어들어 비선형 관계를 가지기 때문 이다 . 그림 3 의 A 점은 재료 거동을 선형으로 가정하였을 경 우의 파괴 시 휨인장강도를 나타내고 있고 , B ^{점은 실제 시}

험체에 작용하는 휨인장강도를 나타내고 있다 (Raphael,

1984). 두 점의 변형률은 동일한 반면 , 강도에는 차이가 있

음을 알 수 있다 .

3. 이방향 휨인장강도 시험체의 등방성 휨인장거동 3.1 실험 개요 및 방법

본 연구에서는 원판 형태의 BFT 시험체에 작용하는 등방 성 휨인장거동의 구현여부를 실험적으로 증명하기 위해 기 존 연구 ( 지광습 등 , 2009; Zi 등 , 2008; 지광습 등 , 2007;

오홍섭과 지광습 , 2010; 오홍섭과 지광습 , 2008) 에서 제시된

시험절차에 따라 BFT 시험체의 변형률 측정 실험을 수행하 였다 . 실험을 위해 표 1 의 최적 시험체 제원을 적용하여

90 mm 높이의 BFT 시험체를 제작하였으며 , 그림 4 와 같이

2 mm 두께의 철판으로 제작된 링 형태의 테두리와 12 mm

두께의 합판 바닥으로 구성된 몰드를 사용하여 원판 형태의 시험체를 제작하였다 . 시험체의 제원은 표 2 에 정리하였다 .

본 연구를 위해 콘크리트의 28 일 목표강도를 30 MPa 로 설계하였고 , 표 3 의 배합설계를 적용하였다 . 균일한 시험체 제작을 위하여 레미콘으로 타설한 후 48 ^{시간이 경과하여 탈}

형했으며 , 실험 수행 시까지 양생조에서 수중양생을 실시하 그림 3. 탄성이론에 의한 휨인장강도 (Raphael, 1984)

그림 4. (a) BFT 시험체 몰드 및 (b) 타설 전경

표 2. BFT 시험체 제원

(mm) h 2R

(mm) 2a

(mm) 2b

90 788 750 (mm) 188

그림 5. BFT 시험을 위한 (a) 가력장치 , (b) 지점장치

였다 . 콘크리트의 압축강도는 5 개의 Ø100 × 200 mm 원주공

시체를 제작하여 KS F 2405 기준에 의해 측정하였으며 , 재

령 28 일 압축강도는 평균 32 MPa 로 얻어졌다 .

BFT 시험체에 등방성 휨인장응력이 발생하도록 하기 위해

그림 5 와 같이 폭 20 mm 의 강재로 제작된 링 형태의 가력

장치와 지점장치를 사용하여 실험을 수행하였다 . ^{실험 시 가}

력장치의 중심과 시험체의 중심 , 그리고 지점장치의 중심이 서로 일치하도록 하여 편심으로 발생하는 강도의 오차를 최 소화 하였다 . 또한 , 시험체 제작 시 발생할 수 있는 시험체 뒤틀림을 고려하여 시험체와 가력장치 , 그리고 시험체와 지

점장치 사이에 경도 (hardness) 75 인 5 mm 두께의 고무를

덧대어 시험체에 균일한 하중이 작용하도록 하였다 .

본 실험의 하중 재하는 한국 J 사에서 제조한 10t 용량의

유압 Actuator(JHSC-1000-250) 를 사용하였고 , 데이터 수집

은 일본 T 사의 DATA LOGGER(TDS-303) 을 사용하였다 .

하중 재하 속도는 분당 1 mm 의 변위제어 (displacement

control) 방식으로 실험을 수행하였으며 , 시험체가 파괴될 때

까지 하중을 재하하여 각 시험체에 가해지는 최대 하중을 측정하였다 . 또한 , 시험체의 변형률 측정을 위해 그림 6 과 같이 최대인장응력이 발생하는 시험체 중심 아랫면에 60

mm 변형률 게이지를 직각으로 부착하여 시험체가 파괴될

때까지의 하중과 변형률을 측정하였다 .

3.2 실험 결과 및 고찰

그림 7 은 앞서 언급한 바와 같이 기존 연구의 시험절차에

따른 BFT 시험체의 대표적 파괴 형상을 나타내고 있다 . 실

험 시 BFT 시험체를 직접 육안으로 관찰한 결과 대부분의

시험체가 그림 7 과 같이 최대하중에서 시험체 중앙을 가로 지르는 1 차 균열이 발생한 이후 균열의 수직 방향으로 2 차 균열이 추가 발생하는 것으로 관찰되었으며 , 이는 기존 연구의

파괴 형상과도 유사하다 ( 지광습 등 , 2009; 오홍섭과 지광습 ,

2010).

그림 6. BFT 시험체 아랫면의 60 mm 변형률 게이지

그림 7. 기존 시험절차에 따른 BFT 시험체의 대표적 파괴 형상

그림 8. 기존 시험절차에 따른 이방향 휨인인장강도 시험체 중앙 아랫면의 하중 - 변형률 곡선 표 3. 콘크리트 배합표

W/C (%) S/a

(%) Unit weight (kg/m

)

W C S G

42 49 170 405 866 934

BFT 시험체의 대표적 파괴 형상과 그에 따른 하중 - 변형률 곡선은 그림 8 과 같다 . 두 그림 모두 , 하중 재하와 동시에

2 개의 변형률 게이지에서 측정된 하중 - 변형률 곡선이 서로 일 치하지 않고 , 한 개의 하중 - 변형률 곡선의 기울기가 급격하게 증가한 후 시험체의 파괴와 동시에 측정이 중단된 것을 볼 수

있다 . 이러한 결과는 결국 실험 시 BFT 시험체의 응력상태가

등방성이 아닌 , 비등방성인 것으로 판명할 수 있다 .

측정된 실험 결과의 분석과 문헌조사를 통해 시험 시 가 력장치 , 시험체 , 지점장치의 중심들이 정확하게 일치하지 않 았거나 , 시험체의 표면조건 및 제작 시 발생된 뒤틀림에 의 해서 가력장치와 시험체 , 그리고 지점장치가 서로 균일하게 맞붙지 않아 시험체에 비등방성 휨인장응력이 작용한 것으 로 판단하였다 . 이러한 점들은 세라믹 분야에서 이방향 휨인

장강도 측정을 위해 사용되고 있는 ring-on-ring 시험에서

지적되는 문제점들과도 같으며 , 특히 , 시험체의 표면조건과

뒤틀림이 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다 (Marshall,

1980). 그러므로 목적했던 등방성 응력상태의 구현을 위해서

는 추가적인 시험법 개선 작업이 필요한 것으로 판단된다 . 4. 이방향 휨인장강도 시험법 개선

4.1 실험 개요 및 방법

BFT 시험 시 시험체가 등방성 응력상태에 놓일 수 있도

록 하기 위해 BFT 시험법 개선을 위한 실험을 수행하였다 .

이를 위해 기존 실험에서 시험체 제작에 사용한 그림 4(a)

의 몰드를 대신하여 실험에서는 시험체의 표면의 평탄성 확 보와 시험체의 뒤틀림을 최소화하기 위해 그림 9 ^{와 같이 테}

두리와 바닥 모두 두께 2 mm 철판으로 제작된 몰드를 사용

하였다 . 또한 , 타설 시 타설 바닥면의 굴곡으로 인한 시험체

에 발생할 뒤틀림을 고려하여 모든 시험체는 12 mm 두께의

합판 위에서 타설하였다 .

본 실험을 위해 높이 30 mm 와 75 mm 의 BFT 시험체를

표 1 의 최적 시험체의 제원을 적용하여 제작하였다 . 높이

30 mm 시험체의 재료 파괴 연속성을 확보하기 위해 굵은

골재는 최대치수 8 mm 인 부순 굵은 골재를 사용하였으며 ,

시험체의 크기에 따라 각각 4 개씩의 시험체를 제작하였다 .

제작에 사용된 콘크리트 배합설계는 사전 등방성 변형률 측 정 실험과 동일하다 . 시험체 제원은 표 4 에 정리하였다 .

실험 시 시험체에 작용하는 편심에 의한 오차를 최소화하 기 위해 가력장치의 중앙에 추를 매달아 지점장치와 가력장 치의 중앙이 서로 일치하도록 한 후 실험실의 바닥과 지점 장치를 고정시켜 이동을 제한하였고 , 시험체의 중앙이 지점 장치의 중앙과 가력장치의 중앙에 위치하도록 하여 실험을 수행하였다 . 또한 , 그림 10 과 같이 시험체에 균일한 하중 전달 을 위해 기존 실험에서 사용하였던 경도 75 의 3 mm 두께

고무를 대신하여 경도 55 인 5 mm, 20 mm 두께의 고무를

높이 30 mm 시험체와 , 75 mm 시험체에 각각 그림 10 와

같이 덧댄 후 실험을 실시하였다 .

높이 75 mm 시험체는 높이 30 mm 시험체와 달리 크기

증가에 따른 시험체의 뒤틀림 정도가 증가할 것으로 예상되

어 경화된 높이 75 mm 시험체의 몰드를 제거한 후 실험

전에 그림 10 과 같이 시험체와 지점장치가 맞닿는 부분에

캐핑 (capping) 을 하여 , 시험체에 등방성 휨인장응력이 작용하

도록 하였다 . 이는 KS F 2403 기준의 압축강도 시험을 위

그림 9. 등방성 휨인장응력 확보를 BFT 시헙 시험체 몰드

표 4. 시험체 제원

Specimens h

(mm) 2R

(mm) 2a

(mm) 2b

BS 30 262 250 (mm) 63

BL 75 657 625 156

그림 10. BFT 시험의 구성

그림 11. BFT 시험체의 캐핑 과정

한 원주형 콘크리트 공시체의 표면 마무리인 캐핑과 같은 목적을 가진다 . ^{본 시험체의 캐핑을 위해 링 형태의 두께}

20 mm 강재로 된 누름판을 제작하였고 , 시험체의 30 MPa 의

배합강도를 고려해 70 MPa 고강도 공업용 석고를 사용하였 다 . 캐핑의 순서는 다음과 같이 진행하였다 . 먼저 , 시험체 표면을 물로 씻어서 먼지를 제거하고 , 캐핑을 할 때까지 물 을 충분히 흡수시킨 후 표면의 물기를 제거한 다음 그림 11

과 같이 석고를 도포하고 누름판으로 눌러 주었다 . 캐핑의

두께는 시험체 높이의 2%(1.5 mm) 정도로 하였으며 , 누름판

과 고강도 석고가 들러붙는 것을 막기 위하여 누름판과 석 고 사이에 얇은 비닐을 끼워 캐핑을 하였다 . 그림 12 는 캐 핑이 완료된 시험체이다 .

본 실험에서도 시험 시 BFT 시험체에 작용하는 등방성 휨인장거동의 구현여부를 알아보기 위해 그림 12 와 같이 시

편 중앙 아랫면에 2 개의 60 mm 변형률 게이지를 직교하도

록 부착하여 시험체의 변형률을 측정하였다 . 본 실험의 하중 재하는 한국 S ^{사에서 제조한} 10 ton ^{용량의 유압} Actuator

(STC-10D) 를 사용하였으며 , 나머지 실험 조건들은 사전 등

방성 변형률 측정 실험과 동일하다 .

4.2 실험 결과 및 분석

그림 13 은 높이 30 mm 시험체의 대표적 파괴 형상과 그

시험체의 인장면에서 측정한 하중 - 변형률 관계를 나타내고 있다 . 본 실험 결과에서 관찰된 파괴 형상은 사전 변형률 측정 실함과 기존 연구 (Zi 등 , 2008; 지광습 등 , 2007; 오

홍섭과 지광습 , 2008; 지광습 등 , 2009; 오홍섭과 지광습 ,

2010) 에서 관찰된 파괴 형상과 달리 정확하게 3 조각으로

파괴 되었으며 , 최대모멘트 구간인 가력장치 내에서 균열이 발생하여 파괴된 것을 알 수 있다 . ^또한 , ^{기존 연구} ( ^오홍섭

과 지광습 , 2010) 에서는 균열강도와 최대강도가 차이가 발생

하는 것으로 나타났으나 , 본 실험 결과에서는 균열강도와 최

대강도가 일치하는 것으로 나타났다 . 시험 시 BFT 시험체에

작용하는 응력상태를 알아보기 위해 측정한 두 개의 하중 - 변형 률 곡선은 파괴 시까지 완전히 일치하는 것으로 나타나 , 실험

시 높이 30 mm 시험체는 등방성 휨인장응력 상태에 놓인 것

으로 판단할 수 있었다 .

그림 14 는 높이 75 mm 시험체의 대표적 파괴 형상과 그

에 따른 시험체 아랫면의 하중 - 변형률 관계를 나타내고 있다 .

앞서 언급한 높이 30 mm 시험체와 같이 3 조각으로 파괴

된 높이 75 mm 시험체의 하중 - 변형률 관계 역시 파괴 시까

지 거의 일치하는 것으로 나타났다 ( 그림 14(a)). 그림 14(b)

그림 12. BFT 시험체 아랫면의 캐핑과 변형률 게이지

그림 13. BFT 시험법 개선에 의한 높이 시험체의 파괴 형상과

시험체 아랫면의 하중 - 변형률 관계

그림 14. BFT 시험법 개선에 의해 (a) 3 조각 및 (b) 2 조각으로 파괴된 높이 75 mm 시험체 아랫면의 하중 - 변형률 관계

는 2 조각으로 파괴된 시험체의 하중 - 변형률 관계이다 . 두 곡선 또한 거의 일치하는 것으로 나타나 , 파괴 형상과 관계

없이 시험 중 높이 75 mm 시험체에 등방성 휨인장응력이

작용한 것으로 판명되었음을 판단할 수 있다 . 5. 일방향 및 이방향 휨인장강도

5.1 실험 개요 및 방법

이 장에서는 4 점 휨시험의 일방향 휨인장강도와 개선된

BFT 시험법을 적용한 이방향 휨인장강도를 비교하고자 한다 .

일방향 휨인장강도 측정을 위해 KS F 2408 콘크리트 휨 강도 시험방법에 준하여 높이 75 mm 보 형태의 시험체를 제작하여 4 점 재하시험을 구성하였으며 , 이방향 휨인장강도

측정을 위해 일방향 시험체와 동일한 높이의 BFT 시험체를

제작하였다 . 시험체는 강도의 통계적인 분산을 고려하기 위 해 두 시험체 모두 13 개씩 제작하였으며 , 실험에 사용된 시 험체의 제원은 표 5 와 같다 .

시험체 제작을 위하여 본 실험의 28 일 목표강도 및 배합 설계는 사전 실험들과 모두 동일하게 적용 하였으며 , ^균일한

시험체 제작을 위하여 레미콘으로 타설을 한 후 , 실험 수행 시까지 양생조에서 수중양생을 실시하였다 . 콘크리트의 재령

28 일 압축강도는 평균 33 MPa 로 얻어졌다 . 시험체와 가력장 치 그리고 지점장치 사이의 마찰로 인한 구속효과를 최소화하 기 위하여 마찰계수가 0 에 가까운 폴리에틸렌 (Polyethylene) 계

열 Teflon 섬유시트를 사용하여 실험을 수행하였다 .

5.2 실험 결과 및 고찰

그림 15 는 일방향과 BFT 시험체의 대표적 파괴 형상을

나타내고 있다 . 일방향 휨인장강도 시험체는 가력점 안의 최 대 모멘트 구간에서 주균열 발생과 동시에 파괴되었고 , BFT

시험체 또한 가력구간 내에서 균열발생과 동시에 파괴가 일

어났다 . BFT 시험체의 파괴 형상은 사전 등방성 휨인장응력

확보를 위한 실험에서 나타난 파괴 형상과 같이 2~3 조각으

로 파괴 되었다 . 파괴된 시험체의 균열의 방향성은 통계적으 로 예측할 수가 없었다 .

일방향 휨인장강도와 이방향 휨인장강도에 대한 실험 결과 는 표 6 에 요약하였다 . 실험 시 측정된 하중에 의한 일방향 과 이방향 휨인장강도는 탄성론을 적용한 식 (1) 과 식 (2) 를 사용하여 각각 계산하였다 . 등방성 휨인장응력이 작용하지 않은 기존의 시험법에 기초한 일방향과 이방향 휨인장강도 의 비교 실험에서는 일방향 휨인장강도가 이방향 휨인장강

도 보다 더 크게 측정된 바 있다 ( 오홍섭과 지광습 , 2010).

그러나 본 실험에서는 이방향 휨인장강도가 일방향 휨인장

강도 보다 약 32% 더 큰 것으로 나타났으며 , 이는 유리

및 세라믹 분야의 Higgs 등 (2001), Russell 등 (1991), Ban

과 Anusavice(1990), Shetty 등 (1983) 의 연구에서 이방향 휨인장강도 (ring-on-ring test, piston-on-3-ball test, ball-on- 3-ball test) 가 일방향 휨인장강도 (3 or 4-point bending test) 보 다 더 크다는 결과와도 유사하다 .

BFT 시험과 유사한 시험법인 ring-on-ring 시험은 높은 변

동계수 (coefficient of variation) 로 인하여 신뢰성 있는 시험 결과를 위해서는 많은 시험체들이 필요한 것으로 지적되어

표 5. 시험체 제원

Specimens h

(mm) h × W × L h × 2R

(mm) 2a

(mm) 2b

(mm)

일방향 75 75 ^× 75 ^× 325 225 75

이방향 75 75 × 657 625 156

그림 15. (a) 4 점 휨시험체와 (b) BFT 시험체의 대표적 파괴 형상

표 6. 실험결과 요약

No. Flexure strength[MPa]

일방향 이방향

1 4.17 5.57

2 4.45 5.80

3 4.35 5.13

4 4.21 5.43

5 4.25 5.60

6 4.34 4.96

7 4.31 5.97

8 3.65 5.93

9 4.52 5.36

10 4.34 5.49

11 4.15 6.03

12 4.16 5.48

13 4.18 5.85

평균 4.24 5.59

표준편차 0.20 0.31

C.O.V 0.05 0.06

왔으며 (Ritter ^등 , 1980), ^{기존 연구에서 본 연구진들에 의해} BFT 시험법을 이용하여 측정한 이방향 휨인장강도 역시 일 방향 휨인장강도에 비해 큰 분산성을 갖는 것으로 나타났다

( 지광습 외 , 2007; 오홍섭과 지광습 , 2010). 그러나 본 실험 결과 이방향 휨인장강도의 변동계수는 일방향 휨인장강도의 변동계수인 5% 와 유사한 6% 로 측정되어 BFT 시험법의 개 선으로 시험 결과는 더 신뢰할 수 있는 것으로 판단된다 .

그림 16 에는 일방향 휨인장강도와 이방향 휨인장강도의 히 스토그램 및 정규분포 곡선을 나타내었다 . 두 시험 모두 전 체적으로 정규분포를 보이고 있으며 , 분산정도 역시 유사한 것으로 나타났다 .

6. 결 론

본 연구에서는 BFT 시험을 이용한 이방향 휨인장강도 시

험 시 BFT 시험체에 발생하는 등방성 휨인장거동의 구현여

부를 실험적으로 증명하기 위해 기존 연구의 시험절차에 따 라 변형률 측정 실험을 수행하였다 . 측정된 실험 결과의 분 석과 문헌조사를 바탕으로 정확한 이방향 휨인장강도 측정

을 위해 BFT 시험법 개선을 위한 실험을 수행하였고 , 개선

된 시험법을 적용한 이방향 휨인장강도와 KS F 2408 의 콘 크리트 휨 강도 시험법에 준한 일방향 휨인장강도를 비교 분석하였다 . 이로부터 도출된 결론은 다음과 같다 .

1. ^{기존 연구에서 제시된 시험체의 제원과 시험절차를 적용}

하여 BFT 시험체의 변형률 측정 실험 결과 시험체에 등

방성 휨인장응력의 발생여부는 시험체의 표면 조건과 뒤 틀림 정도에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다 .

2. BFT ^{시험 시 시험체에 등방성 휨인장응력이 발생하도록}

하기 위한 실험을 수행하였다 . 이를 위해 가력장치 , 시험 체 , 지점장치의 중심일치로 편심으로 인한 오차를 최소화 하였으며 , 시험체의 표면조건과 뒤틀림을 고려해 고강도 석고를 이용한 캐핑과 고무의 사용으로 시험체에 균일한 하중이 전달되도록 시험법을 개선하였다 .

3. 개선된 시험법에 의한 BFT 시험체의 변형률 측정 실험

결과 , 시험체에 균일한 등방성 휨인장거동이 관찰되었고 ,

최대모멘트 구간인 가력장치 내에서 균열이 발생됨과 동

시에 파괴되어 BFT 시험체에 등방성 휨인장응력이 작용

하였음을 확인할 수 있었다 .

4. 또한 , 탄성이론에 의한 일방향 휨인장강도와 이방향 휨인 장강도를 비교한 결과 , 최대휨인장강도는 이방향 휨인장강 도가 일방향 휨인장강도 보다 32% 더 큰 것으로 관찰되 었으나 , 보다 정확한 일방향과 이방향 휨인장강도의 상관 관계를 구명하기 위해서는 인장강도의 산출 방식에 대한 추가 연구 필요하다 . 변동계수는 일방향 휨인장강도가

5%, 이방향 휨인장강도가 6% 로 분석되어 , BFT 시험을 통하여 신뢰성 있는 콘크리트의 이방향 휨인장강도 측정 이 가능한 것으로 판단된다 .

감사의 글

본 연구는 2011 년 정부 ( 교육과학기술부 ) 의 재원으로 한국

연구재단의 지원 (2011-0003166) 과 건설교통부 건설기술혁신 사업 “ 레이더와 열화상 카메라를 이용한 콘크리트 비파괴시

스템 개발 ”( 과제번호 : 05 첨단융합 B01) 사업의 지원으로 이루

어졌습니다 .

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( 접수일 : 2011.4.11/ 심사일 : 2011.6.13/ 심사완료일 : 2011.8.17)