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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.2 pp.39-45
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.2.039

Evaluation of Behavior Characteristics of Reinforced Concrete Beam Structures by Freeze-thawing

Sang-Woo Kim1, Dong-Joo Lee1, Kyeong-Min Kim1, Jin-Sup Kim2
1Master Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jin-Sup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea. Tel: +82-55-772-1791, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
February 26, 2020 March 12, 2020 March 12, 2020

Abstract


This study compared and analyzed the long-term behavior characteristics and final failure patterns of freeze-thawing of reinforced concrete beam structures through an experimental study. Reinforced concrete beam specimens and material specimens were prepared, and freezing and thawing were repeatedly performed using a freeze-thawing chamber. For freezing and thawing, the reinforced concrete structures were evaluated by referring to existing test methods. The effects of freeze-thawing were evaluated by examining the change of the material properties of concrete and the behavior of reinforced concrete beam structures. Through the proposed freeze-thawing test method, the compressive strength of the concrete specimens was reduced by about 19%. In the case of the reinforced concrete beam specimens, the surface strength of the concrete was reduced by freeze-thawing, causing sinusoidal cracking to decrease the performance of the structure because of the reduction of the material strength. Furthermore, the energy dissipation capacity of the freeze-thawing specimens with sinusoidal cracking occurred less than those of the freeze-thawing specimens.



동결융해에 따른 철근콘크리트 보 구조물의 거동 특성 평가

김 상우1, 이 동주1, 김 경민1, 김 진섭2
1경상대학교 토목공학과 석사과정
2경상대학교 토목공학과 조교수

초록


한본 연구에서는, 철근콘크리트 보 구조물의 동결융해에 따른 장기거동특성 및 최종 파괴형태를 비교 분석하고자 하 였다. 철근콘크리트 보 시험체와 재료 시험체를 제작하여, 동결융해 챔버를 이용하여 동결과 융해를 반복적으로 수행하였다. 동 결융해를 위하여 기존의 시험법을 참고하여 철근콘크리트 구조물에 대한 시험을 수행 하였다. 동결융해에 따른 콘크리트의 재 료특성 변화와 철근콘크리트 보 구조물의 거동특성 변화를 통하여 동결융해에 대한 영향을 평가하였다. 제안된 동결융해 시험 법을 통하여 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 19%감소하였다. 철근콘크리트 보 시험체의 경우, 콘크리트의 표면 강도가 동결 융해에 의하여 감소되어 사인장 균열이 발생하여, 재료적 강도 감소에 의한 구조물의 성능이 감소함을 확인하였다. 또한, 사인 장 균열이 발생한 동결융해 시험체의 에너지 소산능력이 동결융해를 거치지 않은 시험체와 비교하여 적게 발생하였다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20SCIPB146946-03

    1. 서 론

    철근콘크리트 구조물은 시공 후 재료의 상태변화에 따라 초기설계와 시공성능으로부터 변화된다. 이러 한 변화가 현재의 성능기준을 만족시키는지에 대한 평가를 위하여 관리대상 구조물의 경우 지속적인 재 료검토 및 안전성능평가가 이루어지고 있다. 즉, 철 근콘크리트 구조물은 공용기간에 따라 재료적 상태 의 변화로 인해 본래의 성능으로부터 변화가 되기 때문에 이러한 변화와 현재의 기준을 만족시킬 수 있는지 판단하기 위해 법적, 제도적 방법을 사용하 고 있다. 하지만 이러한 점검 및 진단은 현재의 상 태를 평가하고 점검하는 것으로 미래를 상태를 예측 하기에는 다소 어려움이 존재한다.

    철근 콘크리트 구조물의 재료적 노후화에 따른 성능감소에 대한 연구가 필요하다. 콘크리트 재료의 경우 일반적으로 동결융해에 따라 재료적 성능이 변 화한다(Jang et al., 2009;Choi et al., 2012;Lee and Lee 2018;Kim et al., 2017). 콘크리트 재료의 성능 변화에 따른 철근 콘크리트 구조물의 거동특성에 대 한 연구는 아직 충분히 연구되지 못하고 있다. 기존 의 동결융해시험법은 주로 재료적 성능에 대한 시험 으로, 철근콘크리트 부재와 같은 구조물에 대한 동 결융해 시험법은 제시되지 못하고 있다(Kwon et al., 2013). 구조물에 대한 동결융해에 따른 거동 결과는 구조물의 장기거동에 특성을 간접적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 구조물에 대한 동결융해 시 험법이 신뢰성을 가지게 된다면, 향후 철근콘크리트 구조물에 대한 장기사용성 검토에 유용한 간접적 평 가법이 될 수 있을 것으로 사료된다.

    본 연구에서는, 철근콘크리트 보 구조물의 동결 융해에 따른 장기거동특성 및 최종 파괴형태를 비교 분석하고자 하였다. 철근콘크리트 보 시험체와 재료 시험체를 제작하여, 동결융해 챔버를 이용하여 동결 과 융해를 반복적으로 수행하였다. 동결융해를 위하 여 기존의 시험법을 참고하여 철근콘크리트 구조물 에 대한 시험법을 제안하였으며, 제안된 동결융해 시험에 따른 콘크리트의 재료특성 변화와 철근콘크 리트 보 구조물의 거동특성 변화를 통하여 동결융해 에 대한 영향을 평가하였다.

    2. 실험계획

    2.1 시험체 계획

    실험연구를 위하여 철근콘크리트 보 구조물 시험체 를 제작하였다. 시험체는 300mm×450mm×2440mm로 제작하였고, 콘크리트 구조기준에 따라 설계하였다. 동결융해에 따른 CFRP 복합재료 플레이트와 철근콘 크리트 보 시험체의 접착면의 거동특성을 검토하기 위하여 CFRP 복합재료 플레이트로 보강 후 동결융 해를 수행한 시험체(FFCB)과 동결융해를 수행 후 CFRP 복합재료 플레이트로 보강한 시험체(LFCB)로 설계하였다. 철근콘크리트 보 부재의 휨 거동을 검 토하기 위하여, 시험체 중앙부 철근에 스트레인게이 지(Straingage)를 부착하여 철근의 휨에 대한 변형률 을 측정하였다. 스트레인 게이지는 철근콘크리트 보 시험체의 중앙을 기준으로 200mm간격으로 스트럽간 격의 중앙에 부착하였다. 시험체의 상세와 스트레인 게이지의 부착위치는 Fig. 1과 같다.

    철근 콘크리트 시험체를 제작하기 위하여, 철근 조립, 스트레인게이지 부착, 거푸집 제작, 콘크리트 타설 및 양생의 과정을 수행하였다. 콘크리트는 플랜 트공장에서 제조된는 레디 믹스드 콘크리트(Ready- Mixed Concrete)를 사용하였다. 각 제작 공정에 대한 관련 사진은 Fig. 2와 같다.

    2.2 동결융해 실험

    철근콘크리트 보 시험체의 동결융해에 대한 장기사 용성을 검토하였다. 국내 및 해외의 콘크리트 재료 에 대한 동결융해 시험법(KS F 2456, ASTM C666) 은 대부분 콘크리트의 재료 수준에서의 시험법이 대 부분이다. 이들 콘크리트 재료에 대한 동결융해 시 험법에서는 영하 18℃와 영하 4℃ 사이를 1사이클 (Cycle)로 하여 시험법을 제안하고 있다. 본 연구에 서는 기존의 콘크리트 재료에 대한 시험법과 큰 규 모의 부재에 대한 실험 연구방법(Kwon et al., 2013) 을 참고하여 구조부재의 장기거동성에 대한 동결융 해 실험을 수행하였다. 동결융해 시험을 위한 온도 챔버는 Fig. 3과 같고, 철근콘크리트 보 시험체 온도 챔버에 거치한 사진은 Fig. 4에 나타나 있다.

    제안된 동결융해 실험법은 콘크리트의 표면에서 깊이 5cm아래의 온도를 기준으로 동결융해 온도가 영하 18℃와 영상 4℃를 반복적으로 발생하도록 하 였다. 콘크리트의 표면에서 깊이 5cm의 온도 센싱을 위하여, 직경 10cm이고 길이가 40cm인 콘크리트 공 시체를 제작하여 정중앙에 온도센서가 위치하도록 제작하였다. 제작된 온도센싱 공시체는 Fig. 5와 같 다. 온도챔버내에 동결와 융해를 반복적으로 수행하 였으며, 철근콘크리트 온도센싱 공시체로부터 측정 된 온도 사이클은 Fig. 6과 같다. 온도 측정결과로부 터, 동결융해 사이클은 1일 평균 3∼4회의 반복적 으로 진행되었다. 본 연구에서는 재료시험법을 참 고하여 철근콘크리트 보시험체의 동결융해 사이클를 300Cycle로 결정하였다.

    2.3 4절점 휨 실험

    철근콘크리트 보 시험체의 장기사용성능에 대한 거 동특성 시험을 분석하기 위하여 4절 휨 실험(4Point Bending Test)을 수행하였다. 철근콘크리트 보 시험 체의 길이는 2440mm이며, 힌지의 폭과 커버를 고려 하여, 순지간은 2100mm으로 결정하였다. 가력부의 간격은 440mm으로 가력부를 제외한 양쪽 길이는 830mm이 되도록 실험을 설계하였다. 전체적인 실험 가력 계획의 Fig. 7과 같다.

    철근 콘크리트 보 시험체의 변위별 에너지 소산 능력을 검토하기 위하여 반복가력 실험을 수행하였 다. 반복 가력 변위사이클은 Fig. 8과 같다. 주 철근 의 항복변형률인 0.002를 기준으로 항복변위에 대 한 변위하중을 일정하게 나누어 변위사이클을 결 정하였다. 변위를 5mm, 10mm로 증가시키고 난후 한 싸이클당 10mm씩 증가시켜 최종 80mm까지 증 가하는 반복사이클을 설계하였다. 변위하중 가력속 도는 5mm/min의 일정한 속도로 설계하였다.

    3. 실험결과

    3.1 콘크리트 재료의 압축강도 시험

    철근콘크리트 보 시험체 제작을 위한 콘크리트는 공 장에서 배합되는 레미콘(Ready Mixed Concrete)을 사 용하였다. 철근콘크리트 보 시험체 제작 시 동결융 해 전과 후의 콘크리트 품질 테스트를 위해 KS F2404에 명시된 직경 100mm, 높이 200mm의 실린더 용 몰드를 사용하여 콘크리트 공시체를 제작하였다. 동결융해 전과 후 각각 3개씩 실험하기 위해 총 6개 의 콘크리트 공시체를 제작하였으며, 1일 경과 후 몰드를 제거하고 28일간 양생시켰다. 그 중 3개는 FFCB의 시편과 동일하게 동결융해 실험을 수행하였 다. Fig. 9는 콘크리트 압축강도 시험전경이다.

    콘크리트 공시체의 압축강도 실험 결과를 Table 1에 요약하였다. Table 2에서와 같이, 양생된 콘크리 트 공시체의 압축강도는 설계강도인 24MPa보다 큰 30.76MPa로 측정되었고, 이후 동결융해 실험을 거친 콘크리트 공시체의 경우 압축강도가 평균 24.90MPa 로 측정되었다. 동결융해로 인한 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 6MPa(약 19%)감소하였다.

    3.2 철근콘크리트 보 시험체의 휨실험

    3.2.1 시험체의 파괴 형태

    철근콘크리트 보 시험체의 동결융해에 따른 휨거동 특성을 분석하기 위하여 4절점 휨 실험을 수행하였 다. Fig. 10은 철근콘크리트 보 시험체의 최종 파괴 형상이다. 비 동결융해 시험체의 경우 휨균열이 보 의 아래면의 전 부분에서 발생하고 있다. 반면, 동결 융해 시험체의 경우 사인장 균열이 지배적으로 발생 한 것을 알 수 있다.

    Fig. 11, 12는 변위하중 별 각 시험체의 균열 발 생사진이다. 비 동결융해 시험체의 경우 휨균열이 부재의 하부에 비교적 고른 분포로 발생하고 있다. 하지만 동결융해 시험체의 경우 좌측부의 전단균열 의 발생으로 휨균열이 많이 발생하지 않고 있다. 동 결융해 시험체의 경우 초기 거동에서는 비 동결융해 시험체와 거의 유사하게 거동하고 있으나, 변위 20mm에서 30mm 사이 구간에서 좌측 사인장 균열이 발생였다. 사인장균열의 발생으로 휨균열이 거의 발 생되지 않고 있으며, 휨 강도도 감소하였다.

    3.2.2 변위-하중 결과

    실험에서 보의 중앙지점(1220mm)의 상단부와 하단 부에 각각 변위계를 설치하였다. 상단부에 설치한 변위계로 Actuator에서 발생하는 변위값을, 하단부에 설치한 변위계로 철근콘크리트 보 시험체의 처짐량 를 산정하였다.

    Fig. 13a는 비 동결융해 시험체의 변위하중에 따 른 휨강도 그래프이다. 반복변위하중 약 15mm까지 하중이 증가하는 것을 알 수 있다. 이후 강도가 거 의 일정하게 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 변위 하중 약 40mm에서 강도가 일부 감소하는 거동이 발 생하였다. 이는 대 변형에 따른 휨철근의 미끄럼짐 에 의한 강도 감소로 판단된다. Fig. 13b는 동경융해 시험체의 변위하중에 따른 휨강도 그래프이다. 변위 하중 약 15mm까지 거의 일정하게 증가하는 경향을 보이다. 이후 강도 증가량이 다소 감소하여 휨강도 가 증가하고 있다. 이 후 변위하중 약 25mm에서 급 격한 강도 감소를 나타내고 있는데 이는 보 시험체 의 사인장 균열 발생에 의한 강도 감소로 판단된다.

    3.2.3 변위-변형율 결과

    Fig. 14는 시험체의 변위하중에 따른 보 중앙의 휨 철근의 변형율 관계 그래프이다. Fig. 14a에서 변위 하중이 약 12mm일 때 비 동결융해 시험체의 휨 변 형율이 최대를 나타내고 있다. 그 이후의 거동은 변 위하중의 증가에도 항복변형율 이상 증가하지 않다 가 변위하중 약 65mm 이상에서 항복을 나타내고 있 다. 이러한 현상은 철근이 변위하중에 따라 응력을 분산하여 부담하는 것으로 판단된다.

    Fig. 14b는 동결융해 시험체의 변위하중에 대한 휨 변형률 관계를 나타내고 있다. 변위한 중 약 10mm에서 항복변형율을 초과하고 있으며, 변위하중 약 25mm에서 급격한 변형율 증가를 나타내고 있다. 변위하중 약 30mm이후에는 변형율이 나타나지 않고 있으며, 이는 사인장 균열 발생으로 주철근에서 국 부좌굴이 발생하여 휨거동이 이뤄지지 않은 것으로 판단된다.

    4. 결과분석

    Fig. 15는 변위하중에 따른 휨강도 결과 그래프이다. 각 변위 사이클에 따른 최대휨강도 그래프를 이용하 여 보 시험체의 항복강도와 최대강도를 비교하고자 하였다.

    Table 2는 Fig. 15를 바탕으로 그래프의 각 지점 별 발생하중과 보의 중앙점 처짐량 나타내고 있다. 변위하중이 낮은 경우에서는 동결융해 시험체가 적 은 변위와 높은 강도를 나타내고 있다. 변위하중의 증가에 따라 변위하중 20mm까지는 하중이 거의 일 정하게 증가하고 있다. 변위하중 40mm에서 두 시험 체의 발생하중이 크게 차이를 나타내고 있다. 이는 동결융해 시험체의 경우 사인장균열 발생으로 강도 가 감소한 것을 반영하고 있기 때문이다. 최종적으 로 70mm 변위하중에서 약 100kN의 강도 차이를 나 타내고 있다.

    Table 3은 각 시험체의 항복강도와 최대강도 결과를 정리하고 있다. 비 동결융해 시험체의 경 우 항복강도는 약 352.8kN이며 이때의 처짐량은 약 18.9mm이며, 최대강도는 365.4kN이고 이때의 처 짐량은 약 37.7mm이다. 동결융해 시험체의 경우 항 복강도는 약 368.2kN이며 이때의 처짐량은 약 18.8mm이며, 최대강도는 387.5kN이고 이때의 처짐량 은 약 28.9mm이다. 항복강도 발생 시 처짐량은 거의 유사하게 발생하고 있으나, 최대강도의 경우 동결융 해 시험체의 강도가 작은 변위에서 더 크게 발생하 고 있다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 철근콘크리트 보 구조물의 동결융해 에 따른 장기거동특성 및 최종 파괴형태를 비교 분 석하고자, 철근콘크리트 보 시험체와 재료 시험체를 제작하였다. 구조물의 장기거동특성을 위하여 동결 융해 시험법을 제안하였으며, 제안된 동결융해 시험 에 따른 콘크리트의 재료특성 변화와 철근콘크리트 보 구조물의 거동특성 변화에 대한 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 분석결과, 제안된 동결융해 시험법을 통하여 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 19%감소하였다. 동결융해 시험법에 대하여 콘크리트 의 재료수준에서의 강도 감소가 발생하였다. 철근콘 크리트 보 시험체의 경우 동결융해를 받은 시험체에 서 사인장 균열이 발생하였다. 콘크리트의 표면 강 도가 동결융해에 의하여 감소되어 사인장 균열이 발 생한 것으로 판단되며, 재료적 강도 감소에 의한 구 조물의 성능이 감소함을 확인하였다. 향후 동결융해 의 반복횟수, 노출시간 등에 따른 재료적 강도의 변 화에 대한 상세한 연구가 수행되어야 할 것으로 판 단되며, 재료강도의 변화로 구조물의 거동이 변화되 었으며, 내진성능도 변화됨을 확인하였다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (20SCIPB146946- 03) from Construction technology research program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

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    Detail of Test Specimen
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    Construction Photos of Sprcimen
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    Freezing-Thawing Chamber
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    Test Specimen in Chamber
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    Temperature Sensing Method
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    Freeaing-thawing Cycle History
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    Test Setup
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    Displacement Loading Cycles
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    Compression Test Method
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    Final Failure Shape
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    Crack Distribution(Original)
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    Crack Distribution(Freezing-Thawing)
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    Load-displacement Relationship
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    Displacement-strain Relationship
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    Load-displacement Relationship at Peak

    Table

    Summary of Concrete Compressive Strength
    Results of Displacement and Load
    Strength Results of Specimen

    Reference

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