Shear Strength of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete I-shaped Beams

Abstract

강섬유보강 초고성능 콘크리트(UHPFRC)는 구조적 성능 뿐 아니라 내구성, 시공성이 뛰어나 철근 배근이 없는 세장하고 자유로운 부재 형상의 구현이 가능한 재료이다. 이러한 장점을 활용하기 위해서는 철근 배근이 없는 면내 전단 거동에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 전단철근이 없는 UHPFRC I형 보의 복부 전단거동을 분석하고 이론적, 실험적 연구를 통해 전단강도 산정식을 제안하였다. UHPFRC 전단부재는 강섬유 보강효과가 미세균열 확산에 의한 강도증가로 나타나는 특징을 보인다. 강섬유 부피비가 1% 이상인 경우 대부분의 UHPFRC는 휨인장 실험에서 균열 후 경화거동을 보이며, 이러한 UHPFRC 전단부재는 최대 하중이 최초 균열 하중의 2배 이상이며 하중 증가가 일정한 강성을 가지고 안정적으로 발현된다. 현행 UHPFRC 부재 전단강도는 콘크리트 매트릭스에 의한 전단강도와 강섬유 보강에 의한 전단강도를 별도로 산정하여 이를 합하는 방법이 일반적이다. 하지만 이러한 방법은 단일재료로서 UHPFRC의 재료물성을 분리하여 산정하고 있으며 부재의 역학적 거동을 근거로 하지 않는다는 단점이 있다. 실제로 기존 실험결과 대부분의 파괴모드가 복부에서 균열 집중 현상에 의한 사인장 파괴를 보였으며, 사인장 파괴는 일반 철근콘크리트 부재에서는 철근 항복이 아닌 콘크리트 재료성질에 의해 좌우되는 취성적인 파괴로 전단경간비, 유효깊이, 휨철근비 등 다양한 설계변수에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 최초 균열 후 미세균열에 확산에 의한 안정적인 하중 증가를 보이지만, 최종 파괴는 미세균열 구간 내에서 발생하는 균열 집중 현상에 발생하는 사인장 파괴를 전단철근이 없는 UHPFRC 부재의 대표적인 파괴모드로서 준 취성파괴(Semi-Brittle Fracture)로 정의하였다. 준 취성파괴는 안정적인 하중증가를 보이는 미세균열 구간과 최종파괴로서 균열 집중 현상을 각각 소성이론과 파괴역학을 통해 분석할 수 있다. 재료의 인장거동은 UHPFRC 전단부재의 준 취성파괴를 분석하는데 있어 가장 중요한 부분이다. UHPFRC 강섬유 보강효과에 대한 기존 연구는 재료수준의 단일 강섬유와 매트릭스 부착강도를 기반으로한 재료인장강도를 산정하는데 집중되어 있다. 재료인장강도를 설계인장강도로 부재수준에서 적용시키기 위한 방법은 확률론적인 접근법과 강섬유 방향성 계수라는 개념을 적용하여 실험에 의한 계수값을 제안하는 방법이 적용되고 있다. 이 연구에서는 강섬유 보강효과의 재료적 불균질성으로 인한 부재 취성도를 설계인장강도가 아닌, 크기효과를 통해 반영하고자 하였다. 크기효과는 부재의 취성적 거동을 강도식에 반영할 수 있는 효과적인 접근법이다. 소성이론을 통해 부재 전단강도 상한값을 제안하고, 여기에 파괴역학을 기반으로 한 취성계수를 제안하여 이를 크기효과로 전단강도식에 반영하였다. 재료인장강도는 소성이론에 적용 가능한 유효인장강도로 정의하였다. 소성이론을 적용하기 위해서는 유효인장강도와 재료 파괴기준이 제안되어야 하며, 파괴역학 기반 분석을 위해 재료의 파괴역학 변수가 정의되어야 한다. 이 논문에서는 현행 기준에서 제안하고 있는 다양한 형태의 인장실험 및 분석을 비교하여 UHPFRC의 인장거동을 정의하고 파괴역학 변수를 도출하였다. 재료 파괴기준은 일축인장실험에 의한 분리 파괴 외에도 강섬유 보강에 의한 미끄러짐 파괴를 설명하기 위해 모어-쿨롱 파괴기준을 제안하였다. 철근이 배근된 단일부재의 푸시 오프 실험을 통해 쿨롱 파괴기준을 정의하는 데 필요한 마찰각 및 강도저감계수를 도출, 이를 적용하였다. 또한 철근이 배근된 면내 부재의 인장-압축의 이축응력실험을 통해 UHPFRC의 인장강화 및 압축연화 효과를 계수로 정량화하여 도출하였으며, 개략적인 이축 면내 파괴기준을 제안하였다. 균열거동에 대해서도 실험적 연구가 이루어졌다. 또한 노치가 있는 3점 재하 휨실험을 통해 초기 균열 위치 및 부재 크기에 따른 균열 선단에서 미세균열에 의한 비탄성 구간의 크기 및 균열 진전방향, 그리고 크기 효과에 대해 알아보았다. 실험결과에 따른 UHPFRC 재료모델을 적용하여 부재 전단강도식을 유도하였다. 복부 면내 전단거동은 미세균열이 일정한 기울기를 가지고 확산되는 균일한 응력장으로 Rankine 구간으로 가정하였다. Rankine 구간은 쿨롱 파괴기준으로 설명 가능한 균질한 변형을 가지는 형태의 응력장이다. 하한계 이론 중 인장강도에 지배되는 경우를 부재 전단강도로 산정하였다. 사인장 균열에 의한 부재 파괴는 준 취성파괴로서 크기효과로 고려된다. 크기효과를 결정하는 부재 취성도는 부재특성길이와 재료특성길이의 비로 제안되었다. 재료특성길이는 파괴역학 변수로서 재료계수로 제안된 값이고, 부재특성길이는 소성이론에서 가정된 미세균열에 의한 균일한 응력장의 인장지배길이이다. 취성계수는 프리스트레스 등에 의해 부재 단면에 압축력이 작용할 경우 보정될 수 있다. 제안된 식은 직접 수행한 부재 실험결과를 포함하여 전단철근이 없는 UHPFRC I-형 보 44개 데이터를 비교하여 검증하였으며, 현행 전단강도식에 비해 전단경간비, 유효깊이 등의 변수에 대해 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.