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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.19 No.4 pp.75-82
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2015.19.4.075

Cyclic Responses of Steel Reinforced ECC Column under Reversed Cyclic Loading Conditions

Jung-Hwan Hyun1), Young-Heung Shim2), Jin-Wook Bang3), Yun-Yong Kim4)*
1)membership, Chungnam National University Department of Civil Engineering Ph.D.
2)member, SK Construction site manager Geum 4 schools
3)membership, Chungnam National University Department of Civil Engineering, postdoctoral researcher
4)membership, Chungnam National University Department of Civil Engineering Professor, Corresponding Author

• 본 논문에 대한 토의를 2015년 8월 31일까지 학회로 보내주시면 2015년 9월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Corresponding author : yunkim@cnu.ac.kr
April 20, 2015 May 7, 2015 May 14, 2015

Abstract

In this study, experimental research was carried out to evaluate steel reinforced ECC (Engineered Cementitious Composites) column, which exhibits excellent crack control property and highly ductile behavior. Ordinary portland cement and high volume fly ash were used as binding materials in the mixture proportions for the purpose of achieving a high level of multiple cracking property with the tightly controlled crack width. To compare with the cyclic behavior of steel reinforced ECC column specimen, a conventional reinforced concrete column was prepared and tested under reversed cyclic loading condition. Based on the cyclic load test, ECC column exhibited higher cyclic behavior, compared to the conventional RC column, in terms of load carrying capacity and energy dissipation capacity.


철근 보강된 ECC 기둥의 반복하중에 대한 이력거동

현 정 환1), 심 영 흥2), 방 진 욱3), 김 윤 용4)*
1)정회원, 충남대학교 토목공학과 박사과정
2)정회원, SK건설 금강4교 현장소장
3)정회원, 충남대학교 토목공학과 박사후 연구원
4)정회원, 충남대학교 토목공학과 교수, 교신저자

초록

이 논문에서는 철근으로 보강한 고인성 섬유복합체(ECC) 기둥의 반복이력거동을 연구하였다. ECC를 제조하기 위하여 1종 보통 포틀랜 드 시멘트(OPC)를 기본 결합재로 하고, 플라이애시를 다량 치환하여 결합재와 충전재로 사용하는 배합을 적용하였다. 철근 보강한 ECC 기둥의 반복이력거동을 평가하기 위하여 일반 철근콘크리트 기둥 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 반복하중에 의한 실험의 결과, 일 반 철근콘크리트 기둥에 비하여 철근 보강한 ECC 기둥은 높은 연성비와 함께 안정적인 이력거동을 나타내었고, 우수한 휨 균열 제어 특성 을 나타내었다. 또한 횡방향 하중에 대한 기둥의 내력 증진효과와 함께 에너지 소산능력의 향상을 나타내었다.


    Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs

    1.서 론

    최근들어 국내 및 국외에서 건설되고 있는 구조물들은 고 층화, 대형화 되고 있어 이에 따른 건설 재료들의 발전이 급 격하게 진행되고 있으며 건설재료들 중 콘크리트의 변화와 발전이 급진전 되고 있다. 기존 콘크리트는 취성(brittle)적인 성질로 인하여 인장 및 휨성능이 낮은 특성을 가지고 있으며 이러한 결함을 개선하기 위한 콘크리트 재료로 최근 국내외에 서 활발히 연구되고 있는 고인성 시멘트 복합체(Engineered Cementitious Composite; 이하 ECC)가 있다.

    국내에서는 최적의 시멘트계 복합재료 및 이를 적용한 구 조물 적용에 대한 연구가 진행된바 있으며(Kim, 2006; Kim, 2014 and Lee, 2012), ECC 재료는 시멘트계 복합재료에 마 이크로역학을 적용한 섬유와 매트릭스간의 인장변형률 경화 거동특성 및 안정상태 균열이론을 기반으로 개발되었다(Li, 1991; Li, 1992 and Marshall, 1988). ECC는 시멘트 복합체 에 최초 균열이 발생할 경우 혼입된 단섬유가 가교작용을 하 면서 즉시 파괴에 도달하지 않고 2차, 3차 균열을 유도할 수 있도록 설계된 재료이다(Kim, 2005; Li, 2001 and Shwan, 2015). 이러한 특성에 기인하여 ECC는 마이크로 역학과 안 정상태균열이론을 바탕으로 시멘트 매트릭스에 2 % 이하의 단섬유가 혼입되어 1축 인장 하에서 다분산 균열(multiple cracking) 특성을 가지고 다수의 균열이 발생된 후에도 변형률 의 증가와 함께 응력이 증가하는 변형률 경화(strain-hardening) 가 발생한다. 이러한 특성으로 인하여 Fischer(2002, 2003)는 반복가력 조건에서 ECC가 보강된 철근콘크리트 기둥의 실 험결과 내력 및 연성능력의 향상, 부재단면의 감소 등 내진 성능 향상을 확인한 바 있으며 Salahuddin(2014)은 보-기둥 접합부에 ECC를 보강하는 연구를 진행하여 극한강도 및 에 너지 소산능력 향상 등의 연구결과를 보고한 바 있다.

    따라서 이 연구에서는 섬유-매트릭스 경계면의 부착특성과 안전상태 균열이론을 적용하여 제작한 ECC를 철근콘크리트 기둥에 적용하여 실험을 수행하였다. 이를 토대로 지진하중 과 같은 횡력이 작용할 경우 내력과 연성능력을 향상시키고 기둥 및 교각과 같은 철근콘크리트 구조물의 안전성을 증진 시키고자 함이 이 연구의 목적이다. 또한 기둥의 소성힌지 콘크리트를 임의의 높이까지 ECC로 대체한 기존의 연구 (Cho, 2014)와는 달리, 이 논문은 보다 합리적으로 ECC 대 체 범위를 결정하고자 하는 연구의 선행 실험으로서 기둥 전 체를 ECC로 만든 실험체의 거동을 파악하는 데에 연구의 주안점이 있다.

    2.실험 개요

    2.1사용재료

    기둥 실험체의 내진성능을 평가하기 위해 본 연구에서 사 용한 ECC는 시멘트계 모르타르 매트릭스에 2 % 이하의 합 성 섬유를 혼입함으로써 일반 콘크리트의 취성적인 성질을 개선하여 인장변형률 2 % 이상을 갖는 고인성 재료이고 인 장변형이 발생할 때 다수의 미세 균열(multiple micro cracks) 이 발생하며 균열폭을 100 μm 이하로 제어하는 우수한 균 열 제어 특성을 갖고 있는 특성이 있다. 본 연구에서 적용한 ECC에는 시중에서 판매하는 밀도 3.15 g/cm3의 보통 포틀 랜드시멘트(OPC)를 사용하였고, ECC의 일반적인 골재로 사 용하는 규사(평균입경 130 μm) 대신 순환재료중 하나인 플 라이애시를 혼화재료로 결정하여 배합에 사용하였다. 섬유로 는 Table 1에 나타낸바와 같이 밀도 1.30 g/mm3, 직경 39 ㎛ 인 12 mm 의 표면처리된 PVA 단섬유를 혼입하여 콘크 리트의 취성적인 성질을 향상시키고자 하였다. 또한, ECC배 합으로는 Table 2에 표기한 바와 같이 물-결합재비(W/B) 88 %, 플라이애시/결합재비(FA/B) 280 %, PVA의 혼입률 2 % 로 하여 배합을 수행하였다. 적용할 ECC 배합은 기존의 규 사를 사용하는 ECC배합과 유사한 다중균열 특성을 구현하 기 위하여 플라이애시의 치환율을 높여 결합재와 충전재의 역할을 할 수 있도록 하였다. 시멘트 매트릭스에 플라이애시 의 치환율을 높임으로서 매트릭스의 강도 감소로 인한 파괴 인성을 낮추어 다중균열 특성을 부여하도록 하였다.

    또한, 시멘트 매트릭스의 유동성을 증가와 배합 시 혼입 섬유의 분산성 향상을 위하여 카르본산계 고성능 감수제 (PCSP)를 사용하였으며, 시멘트, 플라이애시, 섬유 등 혼합 재료의 재료분리 방지를 위하여 셀룰로오즈계 분리저감제 (HPMC)와 공기량 조절을 위하여 소포제(defoamer)를 혼화 제로 사용하였다.

    2.2ECC의 인장성능 평가

    기둥실험체에 적용한 ECC의 1축인장 성능을 평가하기 위 하여 Fig. 1과 같이 실험을 수행하였다. 단부의 파괴를 방지 하면서 직접인장 실험체에 균일한 1축 인장하중이 가해지도 록 dog-bone 형태의 인장 실험편을 제작하여 직접인장 실험 을 실시하였다. 실험체는 타설 후 28일간 수중양생을 실시하 여 24시간 건조를 마친 후 20t 용량의 UTM을 이용하여 1축 인장을 가력하였으며, 실험체 중양부 80 mm 좌우 대칭인 구간에 10 mm 변위계(LVDT)를 설치하여 하중과 함께 실 험체에 발생하는 실시간의 변위를 측정하였다. 하중과 변위 는 인장응력과 변형률로 각각 환산하였으며 인장응력-변형률 관계를 Fig. 2에 나타내었다. 최적배합을 바탕으로 제작된 고인성 섬유복합체인 ECC는 1축인장에서 뚜렷한 변형률 경 화거동이 발생하였으며, 균열폭이 아주 작은 다수의 미세균 열이 발생하였다. 실험체의 파괴형태는 1축인장응력이 증가 하여 실험체의 균열강도에 도달하면서 첫 균열이 발생하였 으며 인장강도가 증가하는 변형구간에서는 안정상태의 미세 균열이 실험편 전체에 분산되면서 변형률 경화거동이 관찰 되었다. 이후, 응력이 실험체의 최대 인장강도를 초과될 때 발생된 균열에 응력이 집중되어 균열의 폭이 커지면서 파괴 되는 거동을 나타내었으며 사용 재료의 특성은 Table 3에 표 기하였다. 실험결과를 토대로 직접인장 실험체의 최대 변형 률은 3.0 ~ 3.5 %를 보여 평균 3.2 %의 변형률을 나타내었 으며 이것은 일반 콘크리트의 인장 변형률 0.01 %에 비하여 약 300배 이상의 인장 변형성능에 해당된다.

    또한, ECC는 초기균열 이후 미세한 다수 균열이 발생함과 동시에 변형률 경화거동을 나타내므로 일반 콘크리트에 비 하여 인장 조건하에서 균열이 발생하더라도 저항할 수 있는 능력이 향상되어 ECC를 기둥실험체에 적용할 경우 높은 에 너지 소산능력을 발휘할 것으로 판단된다.

    3.기둥 실험체 제작 및 실험 방법

    3.1개요

    이 연구에서 설계한 실험체의 형상 및 제원는 Fig. 3, Table 4에 표기하였다. 기둥 실험체는 총 높이 2,640 mm 이며, 기 둥 단면치수 300 mm × 300 mm, 가력판이 부착되는 기둥 머리 400 mm × 400 mm 이고, 기둥과 연결된 기초부 치수 는 900 mm × 900 mm × 700 mm로 제작하였다.

    반복가력 실험을 위하여 RC 실험체와 ECC 실험체를 제 작하였다. RC실험체는 ECC실험체와 비교하기 위한 기준실 험체로서 콘크리트의 압축강도는 20 MPa, 주철근은 8개의 D13 철근을 사용하였으며 띠철근은 D10 철근을 기초부로부 터 100 mm 간격으로 배근하여 실험체를 제작하였다.

    ECC실험체의 경우 기초부는 일반 콘크리트 20 MPa를 적 용하였고 기초부와 연결된 기둥과 기둥머리 부분은 평균 인 장변형률 3.2 %, 재령 28일 기준 압축강도 20 MPa의 ECC 를 사용하였다.

    3.2실험체 제작 과정

    실험체 제작을 위하여 Fig. 4와 같이 현장에서 거푸집을 제작한 후 철근망을 조립하여 거푸집 내부에 고정하였다. 주 철근과 띠철근의 변형률을 측정하기 위하여 조립된 철근망 에 스트레인 게이지를 좌우로 부착하였다. RC실험체를 제작 할 때에는 콘크리트 충전을 용이하게 하기 위하여 굵은골재 의 최대치수 20 mm, 슬럼프 150 mm 규격의 콘크리트를 사 용하였다. ECC 실험체의 경우 기초부는 RC 실험체와 동일 한 콘크리트를 적용하였고 기둥부에는 전체를 ECC로 타설 하였다. ECC의 경우 콘크리트와 마찬가지로 현장에서 배합 및 타설을 진행하였으며 콘크리트 및 ECC 타설 후 건조수 축 균열을 방지하기 위하여 양생포를 덮어 일정한 습도가 유 지되도록 습윤양생한 후 재령 28일에 실험을 수행 하였다.

    3.3실험 방법

    반복가력실험은 Fig. 5와 같이 진행하였으며 기둥 기초 부 분을 정착시키기 위한 방법으로 직경 50 mm의 원형 강봉을 실험체의 기초부분에 볼트로 조이고 기초판과 기둥 머리 부 분의 수직과 수평을 유지하도록 정착하였다. 실험체에 축하 중을 재하하기 위하여 300 kN 용량의 액츄에이터를 실험체 상부에 고정하였으며 압축력을 받고 있는 상황에서 횡방향 하중을 가력하기 위해 500 kN 용량의 액츄에이터를 사용하 였고 가력판과 기둥 상단부를 볼트와 너트로 고정하였다. 실 험 시작 시 축방향 액츄에이터를 이용하여 실험체에 축압축 강도의 10 %를 일정하게 축하중으로 재하한 후 실험을 진행 하였다.

    횡방향 하중 형태는 기둥실험체의 높이에 대한 수평방향 변위의 비인 drift ratio를 증가시키는 방법으로 횡방향 하중 을 가력하였다. 각 단계별 drift ratio는 Fig. 6과 같이 매회 2 싸이클씩 정가력과 부가력의 반복하중을 변위제어 방식으로 재하하였으며 총 24 싸이클의 반복하중을 재하하였다.

    4.기둥 실험결과 및 분석

    4.1균열 및 파괴양상

    Fig. 7은 반복하중 재하에 따른 RC와 ECC실험체의 실험 종료 후 균열 및 파괴양상을 나타내고 있다. 기준 실험체인 RC 실험체의 경우 drift ratio 0.25 %(4.4 mm)에서 초기 휨 균열이 발생하였고 하중이력이 증가함에 따라 휨균열의 개 수가 점차 증가하였다. 이후 drift ratio 1 % (17.4 mm)에 도 달할 때까지 균열의 발생 없이 실험체에 발생한 기존 균열의 폭이 증가하는 양상을 보였으며 drift ratio 1.5 %(26.1 mm) 에 도달한 후 추가적인 휨 균열이 발생하면서 기초-기둥 접 합부에서 콘크리트 피복의 박리가 시작되었다. drift ratio 2 %(34.8 mm)에서 최대 내력에 도달 한 이후 소성힌지 구간 에서 발생한 전단균열의 진전과 함께 박리되는 콘크리트의 양이 크게 증가하였으며, drift ratio 2.5 %(52.2 mm)에서 급 격한 하중감소가 발생하기 시작하여 20 싸이클에 도달한 drift ratio 3 %(52.2 mm)에서 실험을 종료하였다.

    ECC 실험체의 경우 RC 실험체와 동일하게 drift ratio 0.25 %(4.4 mm)에서 초기 휨 균열이 발생하였다. 이후 drift ratio 1.75 %(30.5 mm)까지 하중의 증가와 함께 실험체에서 다중 미세균열이 점진적으로 발생하였고 기둥의 최대 하중 은 drift ratio 3.0 %(52.2 mm)에서 최대내력에 도달하였으 나 RC 실험체와 달리 기초-기둥 접합부에서의 콘크리트 박 리는 관찰되지 않았으며 drift ratio 4.0 %(69.6 mm)에 도달 후 24 싸이클에서 실험을 종료하였다. 최대내력에 도달한 이 후 급격히 하중이 감소한 RC 실험체와는 달리 ECC 실험체 는 최대내력 이후에 수평변위의 증가에도 내력이 유지되면 서 서서히 감소하는 특성을 나타내었다.

    4.2반복이력거동

    Fig. 8, Fig. 9는 반복가력실험을 통해 측정한 실험체별 하 중-변위 반복이력거동 및 포락곡선을 도시한 그래프이며 Table 5는 단계별 하중 및 변위, 연성비를 나타낸 표이다. 기 준실험체인 RC실험체의 경우 수평변위 4.2 mm, 14.2 kN의 하중에서 초기 휨 균열이 발생한 이후 17.2 mm, 23.6 kN에 서 인장부 주철근이 최초 항복에 도달하였다. 최초 항복점 이후 하중의 증가와 함께 점진적으로 수평변위가 증가하여 33.1 mm 변위에서 34.8 kN의 최대하중을 나타냈다. 최대하 중 이후 내력이 감소하면서 수평 변위가 증가하였으며 최대 수평변위에서 발생한 휨 균열폭의 증가 및 압축부 콘크리트 의 박리가 진행되면서 내력저하로 인하여 실험을 종료하였 다. RC실험체의 연성비는 1.92로 나타났다. ECC 실험체는 수평변위 4.4 mm, 16.6 kN의 하중에서 초기 휨균열이 발생 하였다. 초기 균열이 발생한 이후 다중 미세균열의 발생과 함께 수평변위 증가에 따른 하중이 점진적으로 증가하였으 며 변위 21.4 mm, 29.4 kN의 하중에서 철근이 항복하였다. 철근의 항복 이후 균열폭의 증가 없이 미세균열이 최대 내력 (변위 52.5 mm, 41.0 kN)에 도달할때까지 지속적으로 발생하 였다. RC 실험체에 비하여 최대내력은 약 18%, 연성비(2.45) 는 약 28 % 향상된 결과를 보이면서 구조적으로 보다 우수 한 거동을 나타내었다.

    4.3에너지 소산능력

    반복하중에 의한 에너지 소산능력은 지진이 발생할 경우 구조물의 내진성능을 평가할 수 있는 중요한 요소이다. 이러 한 에너지 소산능력을 평가하기 위해 Fig. 11에 도시한 바와 같이 실험 종료까지 하중-변위 반복이력곡선의 면적을 계산 하여 에너지 소산량을 산출하였다.

    RC 실험체와 ECC 실험체의 에너지 소산량은 각각 29.52 kN·m와 60.27 kN·m로 산출되었다. ECC 실험체의 에너지 소산량은 기준실험체인 RC 실험체의 204.2 %에 해당되어 ECC로 보강할 경우 일반콘크리트를 사용한 경우보다 약 2 배 우수한 에너지 소산능력을 발휘하는 것으로 나타나 내진 성능도 크게 향상될 것으로 판단된다.

    5.결 론

    철근콘크리트 기둥의 콘크리트 대체재로 고인성 섬유복합 체인 ECC를 사용한 실험체의 반복이력거동을 실험적으로 평가하고 이를 RC 실험체의 거동과 비교하는 연구를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. ECC 실험체의 성능을 평가한 결과 RC 실험체에 비하 여 우수한 횡방향 변형능력과 내력이 나타났고 이는 변형률 경화 거동으로 대표되는 ECC의 높은 연성에 기인하는 것으로 판단된다.

    2. 기존의 철근콘크리트 기둥 실험체와 비교할 경우 ECC 실험체는 약 18 % 향상된 내력 증진효과를 보였다. 또한 1.92의 연성비를 보인 RC 실험체와 비교할 경우 ECC 실험체는 2.45의 연성비를 보여 약 28 % 향상된 높은 연성 거동능력을 나타내었다.

    3. 철근콘크리트 기둥의 콘크리트를 ECC로 대체할 경우, 에너지 소산능력이 기존 철근콘크리트 기둥보다 약 2 배로 증가하여 보다 우수한 내진성능을 나타낼 것으로 판단된다.

    4. 이 결과는 철근콘크리트 기둥에서 콘크리트에 대한 ECC의 대체 범위를 보다 합리적으로 결정하는 후속 연구의 중요한 기초자료로 활용될 것이다.

    Figure

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    ECC coupons and uniaxial tension test

    JKSMI-19-75_F2.gif

    Measured tensile stress-strain curves of ECC

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    Details of test column(unit : mm)

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    Column specimen preparation

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    Test setup for cyclic loading on column

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    Cyclic lateral loading history by displacement control

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    Crack patterns of columns

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    Load-displacement relation curves

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    Envelope curves of RC and ECC columns

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    Energy dissipation capacity of RC and ECC columns

    Table

    Properties of PVA fiber

    Mix proportion of ECC

    Material properties of ECC

    Two types of column specimens

    Test results of RC and ECC specimen

    Reference

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