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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.2 pp.72-80
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.072

Compressive Performance of 50MPa Concrete Filled Square and Circular Steel Tubes(CFT) Columns Using Recycled Aggregate

Won-Ho Choi1, Jae-Hyun Lee1, Yong-Pil Park2, Sun-Hee Kim3, Sung-Mo Choi4
1Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Unversity Of Seoul, Seoul, Korea
2Progect Manager, Awon Structural Engineering, Seoul, Korea
3PhD., Department of Architectural Engineering, Unversity Of Seoul, Seoul, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, Unversity Of Seoul, Seoul, Korea
Corresponding author: Choi, Sung-Mo Department of Architectural Engineering, University Of Seoul, 90 Jennong-dong, Dondaemun-gu, Seoul 130-743, Korea. Tel: +82-2-649-2759, Fax: +82-2-6490-2749, E-mail: smc@uos.ac.kr
February 26, 2018 June 21, 2018 June 22, 2018

Abstract


Recycled aggregate is a solution to reduce construction waste and to be environmentally friendly, but concrete using it has various disadvantages in terms of structure. Therefore, the interaction effect of the two materials can be expected by filling the cyclic aggregate concrete in the CFT column. Eighteen specimens were constructed to confirm the compressive behavior of RCFT (Recylced Concrete Filled Tube) columns, which can be applied to real buildings by making high strength concrete with recycled aggregate. Variable is the shape and thickness of steel pipe, concrete strength and mixing ratio, and coarse aggregate and fine aggregate are all used as recycled aggregate. A total of three recycled aggregate concrete preformulations were used to find the optimal mixing ratio and the compressive behavior was analyzed through the load - displacement curves of RCFT columns.



순환골재를 사용한 50MPa 콘크리트충전 각형⋅원형 강관(CFT)기둥의 압축성능

최 원호1, 이 재현1, 박 용필2, 김 선희3, 최 성모4
1서울시립대학교 건축공학과 석사과정
2아원구조엔지니어링 소장
3서울시립대학교 건축학부 연구교수
4서울시립대학교 건축학부 교수

초록


    National Research Foundation of Korea
    201706232002

    1 서 론

    1.1 연구 배경 및 목적

    건설 산업에 있어 재개발, 재건축과 같은 사회적 요인 과 건물의 기능 저하 및 노후화에 따른 준공 30년 이 상 된 구조물의 철거 및 해체로 인해 Table 1과 같이 건설폐기물의 발생이 증가 하고 있는 실정이다(환경 부 2016). 또한 천연골재의 부족으로 골재 수급이 나 날이 심각해짐으로써 국가 자원의 절약 환경보전의 측면에서 재활용 재료에 대한 사회적 관심이 증가 되 고 있다. 하지만 국내에서는 선진 외국에 비하여 순환 골재의 연구 데이터 와 그에 대한 현장 적용실적이 매우 부족한 실정이다. 일본의 경우 1980년대부터 콘 크리트 폐기물로부터 생산된 순환골재의 적용에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 중국의 경우(Han (2006))에는 순환골재를 적용한 합성기둥의 연구까지 활발히 진행되었다. 순환골재를 활용하여 구조적인 부 재로 활용하는데 제한적인 이유로는 골재표면에 부착 되어있는 시멘트 페이스트이다. 이는 콘크리트의 낮은 초기재령 압축강도 및 높은 흡수율에 따른 유동성 저 하 및 Creep 및 Shrinkage 증가 등을 초래하며 순환 골재에 대한 부정적인 인식은 저조한 재활용율을 야 기한다. 그에 따라 CFT강관 안에 순환골재 콘크리트 를 충전 사용하여 약점을 보완하였다. 이는 순환골재 를 둘러싸고 있는 강관으로 인하여 초기강도를 강관 이 대신 받음으로써 내부 순환골재 콘크리트를 안정 적으로 발현시킬 수 있고, 외부영향이 저감됨으로써 장기적인 성능을 향상시킨다. 또한 순환골재의 부정적 인 인식을 CFT의 검증된 구조성능 을 통해 긍정적으 로 개선시킬 수 있다.

    따라서 본 논문에서는 국산 순환골재를 100% 치 환하여 압축강도 50MPa의 순환골재콘크리트의 배합 을 찾고, 충전강관 기둥에 적합한지 실험하여 검증하 고자 한다. 또한 각형/원형 강관에 충전하여 시공연도 확보와 강도발현을 확인하고 이를 통해 순환골재의 주요구조부재로서의 가능성을 확인하고자 한다.

    1.2 연구 내용 및 범위

    순환골재를 100% 치환한 순환골재콘크리트의 50MPa 발현을 목표로 배합비율을 찾는 과정에서 배합수의 양을 조정하였으며 충전강관 기둥에 적합한 배합을 찾기 위하여 플로우 슬럼프 500∼700mm를 목표로 하여 고성능 감수제의 양을 실험 중 조절하였다.

    공시체 압축강도 확인을 통해 얻은 순환골재 콘크 리트를 채운 강관기둥의 압축거동을 확인하기 위해 CFT 강관은 각형과 원형, 두 가지 형태를 사용하였 고 좌굴을 최소화하고 압축거동을 확인하기 위하여 단주실험(stub column test) 진행하였다. 실험체의 좌 굴형상과 하중-변위 그래프를 분석하고 CFT 압축강 도 내력식을 적용, 실험결과와 비교하여 구조적인 성 능을 확인하였다.

    2 선행 연구

    2.1 순환골재 콘크리트의 구조부재 적용

    국내의 경우, 2003년 건설폐기물의 재활용 촉진을 위 한 법률을 제정함으로써 재활용 용도별 순환골재의 품질기준을 마련하고자 하였다. 이로 인해 순환골재 KS규격화를 통해 KS F2573, 콘크리트 표준시방서에 순환골재 콘크리트(11장, 2009)가 추가로 삽입되어 순 환골재를 콘크리트용 재료로써 재활용하기 위한 다수 의 연구논문들이 있다.

    이성제는 1998년 실험에서 실리카퓸이 20% 혼입 되었을 때 압축강도가 현저히 증진되는 것을 알았다. (이성제, 1998년)

    이진용 등은 1999년 플라이 애쉬 함유량이 콘크리 트의 굳기 전 성질 및 역학적 특성에 미치는 영향 연 구에서 플라이 애쉬 콘크리트의 압축 및 인장강도는 재령 7일∼28일에는 보통콘크리트에 비하여 약간 감 소하였으나 재령 180일의 장기 압축강도에서는 월등 히 우수함을 나타냈다.(이진용 등, 1999)

    김규헌 등은 2013년 순환골재와 플라이 애쉬가 콘 크리트 유동성 및 강도에 미치는 영향 연구에서 순환 골재를 사용한 콘크리트의 압축강도, 쪼갬인장강도는 치환율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 또한 순환골재를 30% 치환하고, 플라이 애쉬를 사용한 콘 크리트는 장기강도 증진에 도움이 되는 것을 규명하 였다. (김규헌 등, 2013년)

    한편. 중국에서는 순환골재 콘크리트에 대한 집중 적인 연구가 있었고 순환골재 콘크리트로 제조 된 구 조 부재의 성능과 적합성을 밝히기 위한 많은 노력이 있었다. (Xiao et al., 2012; Nixon, 1978; Casuccio et al., 2008; Katz, 2003).

    Li et al. (2006)은 순환골재 콘크리트의 압축 강 도에 대한 실험을 수행했다. 그 결과 RCA 함량은 순 환골재 콘크리트의 압축 강도에 현저한 영향을 미쳤 다. 100% 순환굵을골재를 사용한 순환골재 콘크리트 의 압축 강도는 기존 콘크리트의 압축 강도보다 약 10% 낮았다.

    이를 바탕으로 플라이 애쉬와 실리카 퓸을 혼입한 순환골재 콘크리트의 장기 압축강도 개선에 도움을 준다는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 장기 강도 발현을 위하여 콘크리트 배합에서 플라이 애쉬 와 실리카 퓸을 사용하였다.

    2.2 순환골재 콘크리트의 강관충전 사용

    순환골재를 활용한 콘크리트를 강관 안에 타설한 순 환골재 콘크리트 충전 강관기둥(Recycled concrete filled tube)기둥에 대한 연구는 국내에서는 아직 진행 된 바 없고 중국에서 순환골재를 사용한 콘크리트 CFT강관 기둥에 대한 각종 역학 특성과 내진 성능 등 상당한 보고가 이루어지고 있다.

    Yang and Han (2006)은 기존 콘크리트의 궁극적 인 용량은 순환골재 콘크리트의 강도가 낮기 때문에 순환 굵은골재가 50% 포함 된 순환골재 콘크리트의 경우보다 1.7∼9.1% 높다는 것 을 확인했다.

    Chen et al. (2014)는 순환골재 콘크리트충전 강관 기둥의 강도가 RCA 대체율의 증가와 함께 증가 추세 를 보인다고 보고했다.

    대부분의 순환골재 콘크리트충전 강관 기둥의 내 력이 순환골재의 치환율이 증가함에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 순환골재만 100% 사용한 콘 크리르를 채운 강관(CFT)기둥을 제작하여 실험을 진 행하였다.

    3 순환골재 CFT기둥의 내력식

    2가지 이상의 다른 재료를 사용하여 각각의 재료가 가지고 있는 특성을 살려 전체적인 성능을 향상시키 는 합성구조는 각 나라의 규정을 따라 설계지침을 제 시하고 있다. Table 2에 국내외(KBC, AISC, Eurocode)의 합성부재의 적용범위를 정리하였다.

    또한, 국내외 합성부재 설계의 적용범위는 모두 일반콘크리트를 대상으로 하고 있으며, 아직까지 순환 골재 콘크리트의 합성구조에 대한 설계규정은 존재하 지 않는다.

    3.1 KBC(Korea Building Code) 2016

    한국에서 현재 본 실험의 실험체로 사용되는 원형강 관과 각형강관은 모두 조밀단면으로 통일하였다. 하지 만 앞서 말했듯이 국내에는 순환골재 콘크리트를 채 운 CFT에 대한 내력식이 따로 존재하지 않는다. 따 라서 내력평가는 일반 콘크리트가 채워진 CFT기둥의 내력식을 사용하여 다음과 같이 P n o (압축강도)는 식 (1)과 같다. 실험결과 분석을 통해 순환골재 콘크리트 충전 CFT기둥의 압축내력을 평가하고, 일반콘크리트 내력식 사용이 적절한 지 판단하고자 한다.

    P n o = P p P p = F y A s + F y r A s r + C 2 f c k A c
    (1)

    • C 2 : (각형단면) 0.85

    • (원형단면) 0.85 ( 1 + 1.56 f y t D c f c k ) D c = D 2 t

    3.2 AISC (American Institute of Steel Construction) 360-10

    KBC2016과 마찬가지로 AISC 360-10 또한 압축재의 폭두께비를 조밀/비조밀/세장으로 나누어 내력식을 세 가지로 구분하고 있다. 이때 콘크리트 강도저감계수를 각형은 0.85, 원형은 0.95를 적용하고 있다. 본 연구의 모든 실험체는 조밀에 해당하며 그에 대한 내력식은 식(2)와 같고 이와 비교하여 국외 설계식 값과의 차이 점을 분석하여 검증하고자 한다.

    P n o = F y A s + C 2 f c ( A c + A s r E s E c )

    • C 2 : (각형단면) 0.85 (원형단면) 0.95

    4 충전강관용 순환골재콘크리트 배합비 추출

    4.1 실험 계획

    CFT 충전강관용으로 적합한 순환골재 콘크리트의 배 합비율을 찾기 위한 실험으로 3차의 예비실험결과를 바탕으로 Table 3과 같이 실험계획을 수립하였다. 실 험변수로는 순환골재 콘크리트의 압축강도를 30, 40, 50의 각 3단계로 하였다. 또한 분체의 비율에 따라 2 단계로 나누어 실험하였다. Table 4는 본 실험에 사 용한 배합설계를 나타낸다.

    Fig 1은 순환골재 콘크리트 제작 과정을 정리한 플로 우 차트이다. 순환골재 콘크리트의 강도발현을 위하여 순환골재와 내부에 포함되어 있는 불순물들을 2∼3번 의 세척작업을 거쳐 제거하고 골재를 실험 전에 충분 히 물을 흡수할 수 있도록 물에 담가 두고 실험 12시 간 전에 물에서 빼내어 흡수율을 측정하였다. 다음과 같은 과정을 거쳐 3번의 예비배합을 통해 순환골재 콘크리트의 목표 강도 발현이 가능한 배합비율을 찾 았다. 또한 CFT강관 내부에 밀실하게 채워질 수 있 도록 적정한 유동성을 찾기 위하여 고성능 감수제의 양을 관찰 기록하였고 KS F 2402를 바탕으로 플로우 슬럼프 500∼700㎜를 목표 슬럼프로 하여 배합을 실 시하였다. 순환골재 콘크리트 공시체는 지름100㎜, 높 이 200㎜ 크기로 KS F 2403에 따라 Fig. 2와 같이 배합실험을 진행하여 공시체를 제작하고 수중 양생하 였다. 압축강도 측정은 3일, 7일, 14일, 28일에 각각 3 개씩 압축실험을 통해 평균값을 계산하였고 Fig. 3과 같이 KS F 2405(콘크리트 압축강도 시험방법)에 따 라 매초 (0.6±0.4)MPa의 압축응력 증가 속도로 가력 하여 압축강도를 확인하였다.

    4.3 실험 결과

    Fig. 4는 순환골재 콘크리트배합에서의 압축강도 비교 그래프를 나타낸다. 설계강도 30MPa의 2가지 타입의 콘크리트 각각 30.4MPa, 27MPa, 설계강도 40MPa 의 콘크리트는 40.9MPa, 설계강도 50MPa의 콘크리트는 54.9MPa를 발휘했다.

    5 순환골재 콘크리트충전강관 강관 기둥 실험

    5.1 실험계획

    순환골재를 채운 CFT 기둥의 구조적인 성능을 파악 하기 위하여 총 18개의 실험체를 계획하였다. 주요 변 수는 강관의 형태와 내부에 채워지는 순환골재 콘크 리트의 배합이다. 강관은 각형과 원형 두 가지를 변수 로 하였는데 SPSR400 강종의 4㎜의 강판을, 원형강 관은 SPS260 강종의 2.7㎜의 강판을 용접하여 Fig. 5와 같이 제작하였다. 각형 강관은 부재치수는 □-150×150×4 이며 원형은 ○-139.8×2.7이며 부재 길이는 각형, 원 형 모두 450㎜로 하였다.

    모든 실험체에 대한 요약은 Table 5에 나와 있으 며 실험변수는 강관의 형태, 콘크리트 압축강도, 콘크 리트 분체의 비율에 따라 분류되었다. Fig. 6은 강관 내부에 콘크리트를 타설한 이후 양생하는 사진이다.

    5.2 강재 재료시험결과

    강재의 인장시편 제작은 KS B 0802에 따라 KS B0801에 따라 각형강관은 5호, 원형강관은 14B호로 제작하였다. 각 시험편의 결과 값을 평균값으로 계산 하여 항복강도( F y ), 인장강도( F u ), 항복비( F y / F u ), 연 신율(%)을 Table 6에 나타내었다.

    5.3 순환골재 콘크리트 충전 강관기둥 기둥 압축 실험 방법

    실험체의 최대 하중 용량을 확인하고 항복패턴을 조 사하여 압축거동을 분석하였다. 모든 순환골재 콘크리 트 충전 강관 기둥은 계명대학교 첨단건설재료실험센 터에서 진행되었다. 5,000kN 용량의 UTM을 사용하 여 Fig 7과 같이 실험을 진행하였다. 하중-축 변위 측정은 기둥의 최대내력의 80%까지 수행하였다.

    5.4 실험결과

    5.4.1 최대내력과 초기강성

    Table 7에서는 각 실험체의 최대내력과 파괴시점의 변위, 초기강성을 정리하였다. 여기서 초기강성은 최대 내력의 45% 점과 원점을 잇는 할선으로 정의하였다.

    5.4.2 하중-변위 그래프

    압축하중과 기둥의 변위 관계를 Fig. 89에 나타내 었다. 파란 선은 공칭강도에서의 예상내력(Table 8,9 의 A)이고 빨간 선은 재료시험 값을 적용한 예상내력 (Table 8,9의 B)이다. 원형강관과 각형강관의 실험체 대부분 예상내력을 넘는 최대하중에 도달한 것을 확 인할 수 있다. Fig. 8는 무충전 강관일 경우 각형 및 원형 강관의 하중-변위 그래프이다.

    5.4.3 실험체 파괴양상

    Fig. 10은 시험 후 모든 실험체의 파괴양상을 비교하 기 위한 그림이다. 대부분의 실험체가 압축하중 가력 후 최대하중에 도달한 후 좌굴이 발생하였다.

    최대하중 도달 후 최대하중의 80%의 하중까지 실 험을 진행하였다. 충전 강관 기둥 모든 실험체가 상부 에서 좌굴이 발생한 것을 확인할 수 있다. 여러번의 좌굴이 일어난 실험체는 최대하중 도달 후 하중이 떨 어지는 양상을 보이다 다시 상승하면서 내력을 받고 다시 떨어지는 과정을 반복하면서 좌굴이 수차례 발 생한 것을 확인하였다.

    6 분석 및 고찰

    6.1 충전강관용 50MPa 순환골재콘크리트 확보

    본 실험에서는 CFT충전을 목적으로 하는 순환골재 100% 사용 콘크리트 배합을 시도하였다. 목표강도와 CFT내부에 사용가능한 유동성을 찾기 위하여 고성능 감수제를 사용하였다. 3번의 예비배합과 본 배합을 통 해 4가지타입의 배합을 얻었고 공시체를 통해 압축강 도를 확인하여 Table 8에 정리하여 나타내었다. 연구 목표로 잡았던 충전강관용 순환골재를 100% 사용한 콘크리트의 압축강도 50MPa 발현이 가능하다는 것을 확인하였다.

    6.2 Compact단면을 가진 순환골재 콘크리트충전 강관기둥의 압축내력 분석

    Table 9는 KBC2016에 따라 식 (1)을 사용하여 실험 체의 공칭강도에 인한 예상최대내력과 재료시험 후 예상최대내력, 그리고 최대하중을 비교할 수 있도록 표로 정리하였다. 또한 내력과 하중별 비율을 비교할 수 있도록 함께 정리하였다. 대부분의 실험체가 예상 내력과 비교하여 0.81∼1.16%의 범위를 보인 것을 A/C를 통해서 확인할 수 있다.

    6.3 현행 설계식과 내력검토

    실험체의 실험결과와 현행 설계식을 비교하여 구조성 능을 검증하고자 한다. Table 10에 현행 설계식 (KBC2016)과 AISC360-10, Eurocode 4에 축 하중을 받는 합성기둥의 설계압축강도와 비교하고자 한다. KBC 2016에 있는 설계식과 실험값을 비교하였을 경 우 각형강관의 경우 0.88∼1.10%의 범위를 보였고 원 형강관의 경우 0.83∼1.16의 비율을 나타냈다. ASIC360-10의 설계식과 비교하였을 경우각형강관의 경우 0.81∼1.09%의 범위를 보였고 원형강관의 경우 0.87∼1.26의 비율을, Eurocode 4의 설계식과 비교했 을 때 각형강관의 경우 0.8∼1.02%의 범위를 보였고 원형강관의 경우 0.84∼1.23의 비율을 보였다.

    7 결 론

    순환골재 콘크리트의 성능과 순환골재를 사용한 콘크 리트를 채운 순환골재 콘크리트 충전 강관기둥의 압 축내력을 평가하기 위해서 4번의 콘크리트 배합과 18 개의 단주 압축 실험을 수행하였으며, 다음의 결론을 도출하게 되었다.

    1. 순환골재 콘크리트의 배합실험 결과 우리나라 순환골재만 100% 사용하여 CFT 강관 충전을 목적으 로 압축강도 50MPa까지 강도발현이 가능하다는 것을 확인하였다.

    2. Compact 단면을 가진 순환골재 콘크리트충전 강관기둥의 압축 성능을 평가한 결과, 최대 하중과 기 존 내력식을 통해 계산된 예상내력의 비율이 81%∼ 116%의 범위에 있는 것을 확인하였다.

    3. 실험체의 실험값과 국외 설계식을 비교하여 비 율로 나타낸 결과 순환골재 콘크리트의 강도가 30MPa에서는 100%의 비율을 나타내 설계식을 그대 로 이용할 수 있으나, 40MPa, 50MPa에서는 100%이 하의 비율을 나타내어 강도저감계수의 사용이 필요한 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 2017년도 한국연구재단 이공학개인기초연 구지원사업의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립 니다. (과제번호 : 201706232002)

    Figure

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    Flow Chart of Recycled Aggregate Concrete Experiment

    KOSACS-9-72_F2.gif

    Specimen curing

    KOSACS-9-72_F3.gif

    Experiments of compressive strength of specimens

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    Concrete mixture results

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    Steel pipe material

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    Recycled aggregate concrete filling CFT column curing

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    Column compression test

    KOSACS-9-72_F8.gif

    Unfilled steel pipe load-displacement curve graph

    KOSACS-9-72_F9.gif

    CFT column load-displacement curve graph

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    Compressive failure mode of CFT column

    Table

    Construction waste status (ton/d)

    Application range of composite columns in Korea and abroad

    Mix propotions and properties of recycled aggregate concrete

    Parameter of specimens

    *OPC = Ordinary Portland Cement
    *SP = Silica fume
    *FA = Fly Ash

    Specimen list

    Results of coupon test

    Expermiental result

    Strength properties of recycled aggregate concrete

    Experiment result

    Compared with design value (KBC2016, AISC 2010, Eurocode 4)

    Reference

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