Dynamic Splitting and Uniaxial Tensile Test Methods to Obtain Dynamic Increase Factor of Concrete in Tension

Abstract

일반 설계 수명보다 현저히 긴 재현주기를 가지는 극단 상황에 의한 하중은 동적 하중으로 특정 지어진다. 이러한 동적 하중은 구조물에 높은 변형속도를 가하고, 극단 상황 하 구조적 거동은 정적 하중 조건과는 다르다. 따라서, 극단 상황 하 구조물의 정확한 분석과 경제적인 설계를 위해서는 동적 재료 특성을 선행적으로 조사해야 한다. 대표적인 건설자재 중 하나인 콘크리트는 변형률 의존 특성을 지닌 재료이다. 다시 말해 콘크리트의 재료 특성은 변형률 속도에 따라 달라진다. 중요 인자는 압축강도와 인장강도이며, 콘크리트의 각 강도는 변형률 속도가 증가할수록 증가한다. 동적증가계수는 이러한 변형 속도 효과를 기반으로 강도증진을 고려하는 데 사용되며, 정적 재료 특성에 대한 동적 재료 특성의 비로 표현된다. 특히, 인장 동적증가계수로 표현되는 콘크리트의 인장강도증진은 세 가지 이유로 매우 중요하다. 첫째로, 1~100 /s의 높은 변형률 속도 영역에서 인장강도는 정적 인장강도에 비해 약 2~6배 증진된다. 비슷한 변형률 속도 구간에서 약 1~2 배 증진되는 압축강도보다 상대적으로 증진비가 높기 때문에, 높은 변형률 속도에서 인장강도는 중요한 고려 사항이다. 둘째로, 동적 인장강도는 폭발과 충돌 하중을 받는 콘크리트와 같은 재료 구조물의 인장파괴를 제어하는데, 구조물의 파편화. 폭열과 배면 파쇄에 지배적인 영향을 미친다. 셋째, 서로 다른 인장 동적증가계수를 사용할 경우 실제 구조물의 수치해석적 시뮬레이션 결과에서 서로 다른 파괴 모드가 발생한다. 이러한 이유로, 동적 하중을 받는 구조적 거동을 이해하기 위해서는 정확한 인장 동적증가계수에 대한 조사가 필요하다. 많은 연구자들이 정적과 동적 인장 실험을 수행하여 콘크리트의 인장 동적증가계수를 제안했으며, 여러 설계 코드에도 다양하게 제시되었다. 하지만, 표준실험 방법이 제시된 정적 인장 실험과 달리 동적 인장 실험에서는 아직 표준실험 방법이 정립되지 않았다. 다양한 연구자들이 다양한 방식으로 동적 인장 실험을 수행했으며, 결과적으로 제안된 인장 동적증가계수가 서로 다르다. 따라서, 일관된 동적 인장 실험을 통해 정확한 인장 동적증가계수를 획득하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 일련의 예비 실험을 통해 동적 쪼갬과 일축인장 실험 방법을 제안하였다. 그리고 제안된 실험 방법을 적용하여 콘크리트의 쪼갬과 직접인장 동적증가계수를 획득하기 위한 본 실험을 수행하였다. 변형률 속도에 따른 동적증가계수 곡선을 나타내기 위해 동적증가계수를 1.0으로 하는 준정적 변형률 속도 값을 획득하기 위한 정적 인장 실험도 수행하였다. 이후 신뢰도 높은 데이터를 바탕으로 회귀분석을 수행하여 쪼갬과 직접인장 동적증가계수 모델을 각각 제안하였다. 제안된 쪼갬과 직접인장 동적증가계수는 변형률 속도가 증가함에 따라 증가하였으며, 두 콘크리트 인장 동적증가계수 모델 간의 관계를 파악하기 위한 인장 동적증가계수 비를 제안하였다. 본 연구에서 제안한 콘크리트의 동적 인장 실험 방법과 인장 동적증가계수 모델은 극단 상황 하 콘크리트 구조물의 분석과 설계에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Loading caused by extreme events that have a much longer return period than the normal design life is characterized as dynamic loading. Dynamic loading imposes a high deformation rate on a structure, and the structural behavior under extreme events is different from that of the static loading condition. Therefore, for the accurate analysis and economical design of structures under extreme events, the dynamic material properties should be investigated in advance. Concrete, one of the typical construction materials, has rate-dependent properties. In other words, the material properties of concrete vary depending on the strain rate. Important factors are compressive strength and tensile strength, and each strength of concrete becomes greater as the strain rate increases. Dynamic increase factor (DIF) is used to consider a strength enhancement based on this rate effect, and it is expressed as the ratio of the dynamic material property to the static material property. In particular, the tensile strength enhancement of concrete expressed by tensile DIF is very important for three reasons. Firstly, in the high strain rate region of 1 to 100 s-1, the tensile strength is increased by about 2 to 6 times compared to the static tensile strength. Since it has a relatively more enhancement ratio than the compressive strength that is increased by about 1 to 2 times in the similar strain rate region, the tensile strength at the high strain rate is an important consideration. Secondly, the dynamic tensile strength controls the tensile failure of structures made of concrete-like materials subjected to impact or blast loading, which means that it influences dominantly on fragmentation, spalling, and scabbing phenomena in the structures. Thirdly, the use of different tensile DIF models results in different failure modes in numerical simulations of an actual structure. For these reasons, it is necessary to investigate the exact tensile DIF to understand the structural behavior subjected to dynamic loading. Many researchers have proposed tensile DIF of concrete by performing the static and dynamic tensile tests, and various tensile DIF is also presented in several design codes. However, unlike the static tensile test in which a standard test method has been presented, any standard test method for the dynamic tensile test has not been established yet. Different researchers have performed the dynamic tensile tests in different ways, and consequently, proposed tensile DIF is different from each other. Therefore, it is necessary to obtain accurate tensile DIF through a consistent dynamic tensile test. In this study, through a series of the preliminary tests, test methods for the dynamic splitting and uniaxial tensile tests were proposed, respectively. And by applying the proposed test method, the main test was performed to obtain splitting and direct tensile DIFs of concrete. To develop tensile DIF versus strain rate curves, the static tensile test to obtain the quasi-static value of the strain rate where tensile DIF is taken as 1.0 was also performed. With the reliable data, splitting and direct tensile DIF models through a regression analysis were suggested, respectively. The difference between the suggested splitting and direct tensile DIFs increased as the strain rate increased, and tensile DIF ratio was suggested to investigate the relation between the two tensile DIF models of concrete. It is expected that proposed dynamic tensile test methods and suggested tensile DIF models of concrete in this study can be applied to the analysis and design of concrete structures under extreme events.