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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.6 pp.8-13
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.6.008

Finite Element Analysis on the Flexural Strengths of Textile-Reinforced Concrete Panels

Yang Jun-Mo1,Son Hong-Jun2,Han Jin-Joo3,Kim Dae-Jin4
1Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
2Ph.D. Student, Department of Architectural Engineering, Kyung Hee University, Yongin, Korea
3Master Student, Department of Architectural Engineering, Kyung Hee University, Yongin, Korea
4Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Kyung Hee University, Yongin, Korea
Corresponding author: Kim, Dae-Jin Department of Architectural Engineering, Kyung Hee University, Deugyoungdae-ro 1732, Giheung-gu, Yongin, Korea. Tel: +82-31-201-3329 Fax: +82-31-400-2268, E-mail: djkim@khu.ac.kr
October 22, 2019 October 25, 2019 October 25, 2019

Abstract


Textile-reinforced concrete (TRC) is a composite material, in which concrete matrix is reinforced with textile fabric, and retains high strength and excellent ductility. This paper evaluates the effective material properties of TRC members and predict their structural behavior by multiscale-based finite element simulations. For this purpose, we utilize the three-dimentional multiscale finite element method based on the reduced-order model. The load-displacement curves of several four-point bending specimens are obtained by performing a finite element analysis utilizing the obtained effective material properties and compared with the test data to verify the effectiveness of the proposed approach.



직물섬유 보강 콘크리트 복합패널의 휨성능에 대한 해석적 평가

양준모1,손홍준2,한진주3,김대진4
계명대학교 토목공학과 조교수1, 경희대학교 건축공학과 박사과정2, 경희대학교 건축공학과 석사과정3, 경희대학교 건축공학과 부교수4

초록


직물섬유 보강 콘크리트(textile reinforced concrete, TRC)는 콘크리트 매트릭스를 직물섬유로 보강한 복합재료로 높은 강도 및 우수한 연성을 발휘한다. 본 논문에서는 TRC로 보강된 구조 부재의 성능 평가를 위해 그 유효물성치를 멀티스케일에 기반한 해석적 방법을 통해 평가하였다. 유효물성치 산정을 위해 감소차수모델(reduced order model)에 기반한 3차원 유닛셀 유 한요소해석법을 이용하였다. 계산된 유효물성치를 TRC 보강 휨 부재의 유한요소해석에 활용하여 하중-변위 그래프를 도출하였 다. 계산된 유효물성치를 TRC 보강 휨 부재의 유한요소해석에 활용하여 하중-변위 그래프를 도출하였으며, 이의 정확성을 평가 하기 위해 TRC 복합패널의 4점 휨실험을 수행하고 그 결과를 유한요소 해석결과와 비교 및 분석하였다.



    1. 서 론

    최근 발생한 2015년의 경주 지진(Oh and Shin, 2016) 및 2016년의 포항 지진(Jee and Han, 2019)에서 많은 구조물의 피해가 발생하였는데, 특히, 빌라, 원룸, 다 세대 주택 등을 포함하는 중소규모 철근 콘크리트 필 로티 구조물의 피해가 상당하였다. 이에 철근 콘크리 트 필로티 기둥의 지진에 의한 피해를 줄이기 위한 방법으로 직물섬유 보강 콘크리트 패널을 거푸집으로 활용한 방안이 제시되었으며(Rhee et al., 2019;Park et al., 2019) 간편한 시공과 함께 기존 철근 콘크리 트 기둥 대비 우수한 성능을 지니는 것으로 평가되 었다.

    직물섬유 보강 콘크리트(textile-reinforced concrete, TRC)는 콘크리트 매트릭스를 직물섬유로 보강한 복 합재료로 높은 강도 및 우수한 연성을 발휘한다 (Peled et al., 2017). 그러나 두 가지 다른 재료가 사 용된 복합재료로 그 물성치의 평가가 기존의 건설재 료 대비 까다로운 편이다. 이에 본 연구는 TRC로 보강된 구조 부재의 성능 평가를 위해 그 유효물성 치를 멀티스케일에 기반한 해석적 방법을 통해 평가 하는 방법을 제시한다.

    TRC 재료의 유효물성치는 감소차수모델(reduced order model)에 기반한 3차원 유닛셀 유한요소해석법 (Yuan and Fish, 2009)을 이용하여 평가하였다. 계산 된 유효물성치를 TRC 보강 휨 부재의 유한요소해석 에 활용하여 하중-변위 그래프를 도출하였으며, 이의 정확성을 평가하기 위해 TRC 복합패널의 4점 휨실 험을 수행하고 그 결과를 유한요소 해석결과와 비교 및 분석하였다.

    2. TRC 복합패널 4점 휨실험

    본 장에서는 탄소섬유로 보강된 TRC 복합패널의 4 점 휨실험의 과정 및 결과에 대해 소개한다.

    2.1 재료

    TRC 복합패널의 제작에는 탄소 직물을 사용하였다 (Fig. 1). 탄소 직물은 48K 탄소섬유와 12K 탄소섬유 가 각각 경사(warp)와 위사(weft)를 형성하고, 경사와 위사가 직교하도록 직조되었다. 경사, 위사의 중심간 간격은 각각 10mm, 15mm이고, 제조사에서 제시한 직물의 역학적 특성은 Table 1과 같다. 또한, 탄소 직물은 스티렌부타디엔으로 코팅되었다.

    TRC 복합패널 제작을 위해 프리믹스 모르타르를 중량비 100 : 15.5 (모르타르 파우더 : 물)로 배합하여 콘크리트 매트릭스를 제작하였다. KS F 2405 (KS F 2405, 2010)와 KS F 2476 (KS F 2476, 2017) 두 가 지 방법으로 압축강도 공시체를 제작하여 TRC 복합 패널의 휨실험 당일 압축강도를 측정하였고, 그 결 과 압축강도는 각각 51.8MPa, 61.3MPa으로 나타났다. KS F 2438(KS F 2438, 2017)에 준하여 콘크리트 매트 릭스의 탄성계수를 측정하였고, 그 결과는 27,608MPa 이었다.

    2.2 시험체 종류 및 실험과정

    TRC 복합패널의 휨성능 평가를 위해 탄소 직물의 4 종류 배열수(1∼4열)를 변수로 설정하였고, 각 변수 당 3개씩 총 12개의 시험체를 제작하였다. 모든 탄 소 직물은 패널 높이에 대칭으로 등간격을 같도록 배열하였고, 그 배치 상세는 Table 2와 Fig. 2에 상세 히 나타내었다.

    시험체는 (가로×세로×높이)가 100mm × 400mm × 40mm의 크기로 제작하였다. 시험체 크기에 맞게 탄 소 직물을 재단하고 미리 제작한 나무 합판 몰드 사 이에 설치한 후 그라우트를 타설하여 시험체를 제작 하였다. 탄소 직물의 경사가 시험체 세로방향으로 되 게끔 설치하여 경사가 휨응력을 받도록 하였다.

    Fig. 3과 같이 4점 휨시험을 수행하였으며, 하부 지 점간 거리는 300mm, 상부 가력지점 거리는 100mm로 시험체를 셋팅하엿다. 500kN 용량의 UTM (Universial testing machine)으로 0.2mm/min의 속도로 하중을 재하 하였으며 UTM에서 재하하중 값을 측정하는 동시에 LVDT (Linear variable differential transformer)를 중앙 경간에 설치하여 수직 변위를 측정하였다.

    2.3 실험 결과

    TRC 패널 시험체의 4점 휨실험 결과 나타난 하중- 중앙처짐 관계 곡선을 Fig. 4에 도시하였다. 또한, 각 시험체에 대한 첫 균열강도 및 휨강도의 평균값을 산정하여 Table 2에 나타내었다.

    하중 재하가 시작되고 첫 휨균열이 발생할 때까 지 수직처짐의 증가에 따라 하중이 선형적으로 증가 하였다. 부재 내 콘크리트 매트릭스가 극한 인장변 형률에 도달할 때 2점 가력부 사이의 순수 휨응력 구간에서 첫 균열이 발생하였다. 첫 균열강도는 탄 소 직물 배열수와 상관관계를 나타내지 않았고, CL3 시험체를 제외하고 모두 유사한 결과를 보였다. 모 든 시험체에서 첫 균열의 발생 직후 갑작스런 하중 의 감소가 나타났다. 이러한 현상은 콘크리트 매트 릭스에서 탄소 직물로의 취성적인 응력 재분배 때문 에 나타나는 것으로 본 연구의 시험체에서는 콘크리 트 매트릭스와 탄소 직물과의 부착성능이 낮기 때문 으로 판단된다(Hartig et al., 2009). 또한, 이러한 현 상은 일반적으로 직물 보강비가 낮을수록 현저하게 나타나는데 본 연구에서는 탄소 직물의 배열수가 많 아질수록 그 현상의 정도가 낮게 나타났다.

    균열이 탄소 직물의 위치까지 도달하면 직물과 균열이 나지 않은 매트릭스 부분이 동시에 휨모멘트 에 저항한다(Lee et al., 2018). 첫 균열 이후 감소된 휨강성으로 하중의 증가가 나타났고, Fig. 4와 같이 탄소 직물의 배열수가 많을수록 휨강성의 감소는 더 작게 나타났다. 하중의 증가에 따라 응력의 고른 분 산이 이루어지지 않고 첫 균열에 응력이 집중되면서 균열폭의 큰 증가가 나타나고 새로운 다중 균열은 발생되지 않았다. 탄소 직물 보강비가 낮은 CL1 시 험체는 시험 종료시까지 단 하나의 균열만 발생하였 고, CL2 시험체는 2개의 균열이, CL3, CL4 시험체는 2개 혹은 3개의 균열이 발생하였다. 이러한 현상은 콘크리트 매트릭스와 탄소 직물과의 부착성능이 낮 기 때문이다(Mechtcherine et al., 2016).

    새로운 균열의 발생으로 갑작스런 휨강도의 감 소, 휨강도의 회복을 몇 차례 보였으며, 휨강성이 계 속 감소하다가 하중의 증가가 더 이상 나타나지 않 았다. 탄소 직물에 가해지는 응력이 부착강도보다 커지면서 인장성능을 다 발휘하지 못한 탄소 직물은 콘크리트 매트릭스와 분리되어 활동하고, 정착부도 파괴되어 탄소 직물의 양 끝부분이 시험체 중심 방 향으로 점차 빨려들어가는 결과를 보였다. 이와 같 은 부착파괴 결과는 특히 코팅된 직물, 탄소섬유로 재직된 직물에서 더 잘 나타나고, 부착파괴를 방지 하기 위해서는 충분한 정착길이 확보, 충분한 콘크 리트 매트릭스 두께의 확보, 직물의 표면 처리 등의 방법이 필요하다(Ortlepp., 2018). 탄소 직물의 배열수 가 증가할수록 휨강도의 증가 경향이 나타났고, 탄 소 직물 4열이 보강된 CL4 시험체는 3열 보강된 CL3 시험체와 유사한 휨강도를 나타내었다.

    3. TRC 복합패널의 유한요소 해석모델

    3.1 요소망 및 경계조건

    2장에 논의된 실험결과를 해석적으로 예측하기 위해 널리 알려진 상용 유한요소 해석프로그램인 Abaqus CAE 2018 (Abaqus, 2018)을 이용하였다. 해석에 이 용된 요소는 선형 육면체 요소(C3D8)이며 Fig. 5에 나타난 것과 같은 하중 및 지점 조건을 적용시켜 해 석하였다. 가력에 의한 변위는 스팬 중앙에서 측정 하였다. 4점 휨시험의 비선형 하중-변위 그래프를 얻 기 위해 호장법(arch-length method)을 사용하였으며 해석에 이용된 TRC의 복합재료의 물성은 3.2장에서 논의한다.

    3.2 TRC 복합재료 유효물성치 산정

    TRC 복합재료의 유효물성치 산정을 위해 미국 Altair사에서 개발한 Multiscale Designer (MD)를 사용 하였다 (Multiscale Designer, 2018). MD의 복합재료의 유효물성치 산정 개념도가 Fig. 6에 제시되어 있으 며, 콘크리트 매트릭스와 직물섬유는 일체화되어 두 재료 사이에 완전 부착 거동을 가정한다. 이 프로그 램은 재료의 단위모델 정의, 재료별 선형거동 정의, 해석의 간소화 수행, 재료별 비선형 거동 정의 총 네 개의 단계를 거쳐 복합재료 물성을 비선형 유한 요소해석을 수행함으로써 계산한다. 세 번째 단계인 해석의 간소화 수행을 위해 Yuan과 Fish (Yuan and Fish, 2009)에 의해 제안된 감소차수모델(reduced-order model)이 활용되며 이는 균질화(homogenization) 과정 에 의해 복합재료 물성을 산정하는데 필요한 계산량 을 크게 감소시켜 준다.

    Fig. 7 및 Fig. 8은 각각 2장에 제시된 재료물성 치를 MD에 입력하여 산정한 세 개의 섬유층을 지닌 시험체 CL3에 대한 TRC 복합재료의 인장 및 압축 에 대한 응력-변형률 그래프이다. 인장 거동의 경우 모든 시험체에서 Fig. 7과 같이 약 6MPa의 응력에서 초기 기울기의 선형적인 꺾임 현상이 나타났으며 최 대 인장응력 도달 후 감소하는 형상을 보여주었다. 섬유층의 개수가 증가해도 Fig. 7에 나타난 인장 그 래프의 최대응력값만 증가할 뿐 전반적인 그래프 형 상은 거의 동일하였다. Fig. 8의 압축 거동 그래프는 네 개 시험체 모두에서 형상 뿐 아니라 최대 강도도 큰 차이가 없이 거의 유사하였다. 각 시험체 별 인장 및 압축 거동의 최대응력값을 Table 3에 나타내었다.

    4. 해석 및 실험 결과의 비교 및 분석

    3장에 제시된 3차원 비선형 유한요소 해석모델을 이 용해 계산된 네 개의 복합패널 시험체의 4점 휨시험 의 하중-변위 그래프를 Fig. 9 (CL1 시험체)부터 Fig. 12 (CL4 시험체)에 나타내었다. 제시된 그래프에서 해석 결과(실선)는 각각의 실험 결과(점선)와 함께 나타내고 비교되었다. 이들 그래프로부터 유한요소 해석 및 실험결과를 비교하고 다음과 같은 결론을 얻었다. Fig. 10, Fig. 11

    첫째, 네 개 시험체 그래프 모두에서 세 개 및 네 개 섬유층 시험체에서의 일부 예외적인 경우를 제외하고 해석결과의 초기 강성이 실험결과와 매우 유사하다. 따라서 TRC 복합패널의 최소 선형탄성범 위 유효물성이 MD 및 3장에서 제안된 유한요소 해 석모델에 의해 정확하게 평가되었음을 알 수 있다.

    둘째, 콘크리트 매트릭스의 인장 항복에 의해 약 6kN 정도의 하중에서 강성이 감소하기는 하지만 지 속적으로 하중이 증가하는 해석결과와 달리 실험에 서는 콘크리트 매트릭스의 균열 발생 이후 하중의 급격한 감소가 나타나고 이후 하중이 점진적으로 증 가하는 경항을 보인다. 이는 2장에서 이미 논의된 바와 같이 콘크리트 매트릭스와 직물 섬유 사이의 부착성능이 충분히 확보되지 못했기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.

    셋째, 섬유층의 개수가 증가함에 따라 콘크리트 매트릭스 인장 항복 이후 비선형 거동 범위에서 해 석 및 실험에 의한 하중-변위 그래프의 차이가 전반 적으로 감소함을 알 수 있다. 이는 섬유층의 개수가 증가함에 따라 실제 TRC 복합패널 시험체의 재료적 특성이 해석모델에서 가정된 것과 같은 균질한 거동 에 점점 더 근접하기 때문으로 판단된다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 TRC 복합재료의 성능 평가를 위해 그 유효물성치를 멀티스케일 기반 감소차수모델에 의한 해석적 방법을 통해 산정하고, 이를 TRC 보강 휨 부재의 3차원 비선형 유한요소해석에 활용하여 하중-변위 그래프를 도출하였다. 이는 서로 다른 섬 유층의 개수를 지닌 네 종류의 시험체에 대해 수행 된 TRC 복합패널 4점 휨실험 결과와 비교되었다. 비교 결과 제안된 TRC 복합패널에 대한 유한요소 해석모델이 실제 실험결과를 비교적 정확하게 예측 함을 알 수 있었다. 시험체 제작 시 콘크리트 매트 릭스와 직물섬유 사이의 부착성능을 충분히 확보할 경우 해석 및 실험에 의한 콘크리트 매트릭스의 균 열 발생 이후의 거동이 더 유사하게 나타날 것으로 예상된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업 의 연구비지원(19RDRP-B076268-06)에 의해 수행되었 습니다.

    Figure

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    48K×12K Carbon Fabric
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    Details of TRC Panel Specimens
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    Four-point Bending Test Setup
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    Four-point Bending Test Result
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    Four-point Bending Test Setup
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    Homogenization Concept of Multiscale Designer
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    Tensile Stress-Strain Curve of the Three Layer Specimen (CL3)
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    Compressive Stress-Strain Curve of the Three Layer specimen (CL3)
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    Load-Displacement Curves of the Single Layer Specimen (CL1)
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    Load-Displacement Curves of the Double Layer Specimen (CL2)
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    Load-Displacement Curves of the Three Layer Specimen (CL3)
    KOSACS-10-6-8_F12.gif
    Load-Displacement Curves of the Four Layer Specimen (CL4)

    Table

    Mechanical Properties of Textile Fabric
    List of TRC Panel Specimens and Test Result
    Maximum Tensile and Compressive Stresses Shown in the Stress-Strain Curves of Each Specimen

    Reference

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