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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.6 pp.63-70
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.6.063

Compression Behavior of Concrete Laterally Confined by Fe-Based Shape Memory Alloy Spiral Reinforcement

Sangwon Ji1, Yeongmo Yeon2, Kinam Hong3
1Master’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 01월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 02월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Yeon, Yeong-Mo Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 1, Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju-si, Korea. Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-261-2268 E-mail: yym235@cbnu.ac.kr
November 13, 2020 November 19, 2020 November 23, 2020

Abstract


This study evaluates the lateral confinement effect of a column using Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA) spiral reinforcement. For the experiment, 150 × 150 × 300-mm cylinder specimens confined by Fe-SMA spiral reinforcement of a 4% pre-deformed 5 × 5-mm section were fabricated. Two experimental variables were considered: the pitch (0, 80, 60, and 40mm) and activation/non-activation of the Fe-SMA spiral reinforcement. To activate the Fe-SMA spiral reinforcement, the specimen was heated to the target temperature of 140° using a kiln. After the specimen was cooled to room temperature, a uniaxial compression test was performed using a universal testing machine. The experimental results confirm that the maximum stress and corresponding strain of the specimen with Fe-SMA spiral reinforcement activation were significantly increased compared with that of the specimen without activation. Additionally, it was found that, due to the decreased pitch of the spiral reinforcement, the maximum stress and ductility index increased significantly as the active lateral confinement pressure increased. In particular, it was found that the specimens confined by activated 40-mm-pitch spiral reinforcement exhibited strain hardening, which maintained and increased the load after the maximum load was reached.



철계-형상기억합금 나선철근으로 횡구속된 콘크리트의 압축거동

지상원1, 연영모2, 홍기남3
1충북대학교 토목공학과 석사과정
2충북대학교 토목공학과 박사과정
3충북대학교 토목공학부 교수

초록


본 논문은 철계형상기억합금(Fe-SMA) 나선철근을 이용한 기둥의 횡구속 효과를 평가한 실험적 연구를 보고한다. 실 험을 위해 사전변형 4%의 5mm × 5mm의 Fe-SMA 나선철근으로 구속된 150mm × 150mm ×300mm의 원형 실험체가 제작되었다. 실험변수는 Fe-SMA 나선철근의 피치(0mm, 80mm, 60mm, 40mm), Fe-SMA 나선철근의 활성화 유무(활성화, 비활성화)를 고려하 였다. Fe-SMA 나선철근 활성화를 위해 소성로를 사용하여 목표온도 140℃까지 가열하였다. 실험체의 온도가 상온에 도달한 후 만능재료시험기를 이용하여 1축 압축실험을 실시하였다. 실험결과를 통해 Fe-SMA 나선철근을 활성화하여 능동적 횡구속압이 작용된 실험체의 최대응력과 최대응력 발현 시의 변형률은 활성화하지 않은 실험체에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또 한, 나선철근 피치의 감소로 인해 능동적 구속압이 증가함에 따라 최대응력과 연성지수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히 보강 간격이 40mm인 활성화된 나선철근으로 구속된 실험체는 최대하중 도달 후 하중이 유지 및 증가하는 변형경화가 발생하는 것으로 나타났다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT)
    20-CTAP-C151899-02

    1. 서 론

    철근콘크리트 기둥은 구조물의 고정하중, 활하중과 같은 축방향 하중뿐 아니라 풍하중, 지진하중과 같 은 횡방향 하중에도 저항하는 부재다. 다양한 하중 의 영향으로 인한 철근콘크리트 기둥의 파손은 구조 물 전체의 구조성능 및 안전성 저하를 야기한다 (Yoon and Lee, 2014).

    특히 2016, 2017년 경주 및 포항지역에 발생된 규모 5.8, 5.4의 지진은 내진설계가 부족한 철근콘크 리트 기둥에 심각한 파괴를 발생시켰다. 이러한 문 제를 해결하기 위해 띠철근, 나선철근과 같은 횡방 향 철근을 콘크리트 기둥 내부에 배근하는 방법을 통해 콘크리트의 강도 및 연성을 증가시키는 철근상 세 연구가 진행되고 있다(Park et al., 2019).

    횡방향 철근으로 구속된 철근콘크리트 기둥은 구 속효과에 의해 콘크리트의 횡방향 팽창을 억제하며, 최대응력에 도달한 이후 내력저하가 발생하여도 구 속 효과에 의해 내력이 회복되어 연성거동을 나타낸 다. 그중 나선철근은 띠철근에 비해 횡방향 구속효 과가 우수하여 더 큰 연성증가를 나타내는 것으로 보고되었다(Kim et al., 2017). 그러나 현재 사용되고 있는 횡방향 철근을 이용한 콘크리트 구속은 콘크리 트가 축방향 하중을 받은 이후 푸아송 효과에 의해 횡방향으로 팽창하며, 이후 횡방향 철근에 인장력이 발생하여 콘크리트 내부 구속력이 생성되는 수동적 인 구속방법이다. 수동구속은 강도 및 연성을 향상 시킬 수 있지만, 콘크리트 내부 구속력이 발현되기 위해 콘크리트의 팽창이 나타나야 하므로 콘크리트 내부 손상이 먼저 발생하는 단점이 있다(Suhail et al., 2020). 이러한 수동구속의 문제점을 해결하기 위 해 콘크리트의 팽창이 발생하기 전 구속력이 작용하 는 능동구속에 대한 연구가 진행되고 있다. Saatcioglu and Yalcin(2003)은 능동구속 효과를 적용하기 위해 프리스트레싱이 적용된 강재 밴드와 강연선을 이용 한 연구를 수행하여 능동구속이 내진성능을 증가시 킬 수 있음을 보고하였으며, 이후 Nesheli and Meguro (2006)은 프리스트레싱된 섬유보강폴리머(Fiber Reinforced Polymer, FRP)를 활용하여 능동구속 효과를 적용하 는 연구를 수행하였다. 하지만 강재 밴드, 강연선, FRP와 같은 일반적인 재료를 이용한 프리스트레싱은 많은 작업시간, 노동력, 기계장비 등이 필요하다는 문 제를 가지고 있다(Jung et al., 2018).

    이러한 문제를 해결하기 위해 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)을 이용하여 구조물에 능동구속 을 부여하는 방법에 대한 연구가 국내⋅외에서 일부 연구진에 의해 진행되고 있다(Yeon et al., 2020). SMA란 큰 하중에 의해 소성변형이 발생한 이후 일 정한 온도조건에 도달하게 되면 원래의 형상으로 돌 아가는 성질(Shape Memory Effect, SME)을 가진 합 금이다(Kim and Hu, 2019). 이러한 원리에 의해 사전 변형된 SMA 횡구속 철근을 콘크리트 기둥에 매립한 후 가열하면 회복응력이 발생하여 구조물에 능동구 속이 작용된다. Chen and Andrawes(2017)는 Ni-Ti- Nb-SMA 와이어를 기둥 외부에 보강하여 철근콘크 리트 기둥에 능동구속을 부여하기 위한 연구를 수행 하였다. 연구결과 Ni-Ti-Nb-SMA 와이어를 활성화한 실험체가 비활성화된 실험체에 비해 더 높은 강도 및 연성을 가지는 것으로 보고하였다. 그러나 본 연 구에서 사용된 SMA는 Nitinol이라 불리는 Ni-Ti계 합 금으로 고가의 원자재 가격으로 인해 건축 및 토목 구조물에 적용하기 어려운 실정이다. 이에 Ni-Ti보다 저렴한 철을 기반으로 한 철계-형상기억합금(Fe-SMA) 이 Sato et al.(1982)에 의해 개발되었다. Fe-SMA를 이용한 연구로는 Hong et al.(2018)의 Fe-SMA 스트립 을 콘크리트 내부 표면매립 공법을 통해 Fe-SMA의 보강 성능을 평가한 연구, Michels et al.(2017)등의 Fe-SMA 바를 콘크리트 프리스트레싱에 적용하기 위 한 연구 등이 수행되고 있다.

    그러나 전술한 바와 같이 SMA를 이용한 연구는 구조물 보수 보강에 관한 연구가 대부분이다. 그중 콘크리트 기둥에 능동구속을 가하는 연구는 Ni-Ti계 SMA 와이어를 이용한 외부보강에 국한되어 있으며 횡방향 철근 자체를 횡구속 철근으로 이용하려는 연 구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 사전 변형된 철계-형상기억합금 나선철근을 이용하여 콘 크리트 기둥의 능동구속 효과를 부여하기 위한 실험 적 연구를 수행하고자 한다.

    2. 실험 계획 및 방법

    2.1 실험체 제원 및 변수

    본 연구의 실험체 제원은 Fig. 1에 나타난 것과 같이 150mm×150mm의 원형 단면으로 높이는 300mm이 다. 나선철근 피치는 Fig. 1(a)(c)에 나타낸 것과 같 이 각각 80mm, 60mm, 40mm를 고려하였다. 실험체 타설에는 레디믹스트 콘크리트가 사용되었으며, 타 설 이후 28일간 습윤양생을 실시하였다.

    Table 1은 Fe-SMA 나선철근을 이용하여 횡보강 된 콘크리트 기둥의 능동구속 효과를 평가하기 위한 실험변수를 나타낸다. Fe-SMA 나선철근의 사전변형 은 4%로 모두 일정하게 유지하였다. 실험체명은 나 선철근 유무, 나선철근 피치, 그리고 활성화 여부를 고려하여 명명하였다. 예를 들어 SMA-40A에서 SMA 는 Fe-SMA 나선철근 보강유무(CON: 무보강, SMA: Fe-SMA 나선철근보강), 40은 나선철근 피치(0: 0mm, 40: 40mm, 60: 60mm, 80: 80mm), A는 활성화 여부 (N: 비활성화, A: 활성화)를 의미한다.

    2.2 사용재료

    실험체 제작에 사용된 콘크리트의 배합은 Table 2와 같으며, 배합 시 사용된 물-결합재비는 47.2%, 잔골 재율은 51.6%, 콘크리트 슬럼프는 150mm로 설정하 였다. 재령 28일 후 측정된 압축강도는 평균 22.5MPa 로 나타났다.

    본 연구에 사용된 Fe-SMA의 조성비는 Fe-17Mn- 5Si-5Cr-0.3C-1T(weight %)이며, 진공유도용해를 통해 주괴를 생성한 후 열처리, 열간압연 작업에 의해 제 작되었다. 제작된 Fe-SMA plate는 5mm의 정사각형 단면을 갖도록 절단되었으며, Fig. 2와 같이 피치 40mm, 60mm, 80mm의 나선철근으로 제작되었다.

    Table 3은 직접 인장시험을 통해 얻어진 Fe-SMA 의 기계적 특성을 나타낸다. 이 합금의 탄성계수는 125GPa, 0.2% 옵셋법에 의해 결정된 항복강도와 변 형률은 각각 599MPa와 0.0067, 극한강도와 변형률은 각각 1134MPa와 0.2256으로 나타났다. 사전변형 4% 에서 이 합금의 회복응력을 확인하기 위해 가열온도 140℃에서 회복응력 실험을 실시하였다. Fig. 3에 회 복응력 실험 전경과 결과를 나타내었다. 시편은 Fig. 3(a)에 나타낸 바와 같이 전기저항 가열을 통해 목표 온도까지 가열하였다. 가열실험을 통해서 얻어진 회 복응력은 Fig. 3(b)에 나타낸 바와 같이 약 398MPa으 로 나선철근 제작에 사용된 합금의 회복응력과 동일 하다.

    2.3 실험방법

    콘크리트 타설 이전 횡구속 나선철근의 가열온도를 측정하기 위해 나선철근에 K-type 열전대를 부착하 였다. Fe-SMA 나선철근은 소성로를 이용하여 목표 온도인 140℃까지 가열하여 활성화하였다. 이때 나 선철근의 온도는 DAQ(Data Acquisition System)를 이 용하여 5초 간격으로 측정하였으며, Fig. 4에 소성로 내부온도와 Fe-SMA 나선철근의 표면온도를 나타내 었다. 소성로의 내부온도를 140℃로 3시간 40분 유 지하였을 때 콘크리트에 매립된 나선철근의 온도가 목표온도에 도달하였다. 활성화 작업이 완료된 실험 체는 압축시험 중 단부에서의 파괴를 방지하기 위해 상부 및 하부 50mm 구간을 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 쉬트로 보강하였다.

    일축 압축시험은 Fig. 5와 같이 2000kN 용량의 만능재료시험기(Universal Test Machine, UTM)를 이 용하여 수행되었다. 하중은 0.3mm/min의 변위제어 방식를 통해 가해졌으며, 압축변위를 측정하기 위해 25mm 용량의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 2개를 실험체 좌우에 설치하였다. 실험 중에는 DAQ를 이용하여 압축 하중 및 변위를 1초 간격으로 측정하였다.

    3. 실험 결과

    3.1 파괴모드

    Fig. 67은 각각 비활성화 및 활성화된 실험체의 일축 압축시험 후 파괴형상을 나타낸다. 모든 실험 체는 CFRP를 보강한 상단부 및 하단부에서 단부파 괴가 나타나지 않았으며, CFRP가 보강되지 않은 단 부에서 균열이 시작되어 기둥의 중앙부로 진전된 후 피복 콘크리트에 파괴가 발생하였다.

    무보강 실험체인 CON-0N, 0A는 최대하중 이후 급격하게 압축저항을 상실하는 취성거동을 나타내었 다. 반면 Fe-SMA 나선철근으로 횡보강된 실험체들 은 나선철근 간격이 감소함에 따라 심부 콘크리트 손상이 줄어드는 것으로 나타났다. 이는 Fe-SMA 나 선철근 피치의 감소로 인해 심부 콘크리트에 가해지 는 횡구속압이 증가했기 때문으로 판단된다.

    3.2 응력-변형률 관계

    Fig. 89는 각각 비활성화 및 활성화된 나선철근으 로 횡구속된 심부 콘크리트의 응력-변형률 관계를 나타낸다. 나선철근으로 구속된 심부 콘크리트의 응 력은 전체 축하중에서 피복 콘크리트가 부담하는 하 중을 변형률 단계별로 제거하고, 심부 콘크리트의 단면적으로 나누어서 결정하였다. 나선철근 피치가 감소함에 따라 최대응력 및 최대응력 이후 응력감소 기울기가 감소되는 경향이 나타났다. 무보강 실험체 와 나선철근 피치가 80mm인 실험체는 최대응력 발 현 이후 급격하게 응력이 감소하는 변형연화 거동을 보였으나, 피치가 60mm, 40mm인 실험체는 큰 횡구 속압의 작용으로 인해 최대응력 발현 이후 응력이 유지되거나 증가하는 변형경화 거동을 보였다. 무보 강 실험체인 CON-0N의 최대응력은 22.5MPa로 나타 났으며, 비활성화 나선철근 피치가 80mm, 60mm, 40mm인 SMA-80N, SMA-60N, SMA-40N의 최대응력 은 Fig. 8을 통해서 확인할 수 있는 것과 같이 각각 37.0MPa, 41.0MPa, 42.0MPa로 무보강 실험체와 비교 하여 최대 77.8%까지 개선되었다. 실험체를 소성로 에서 가열한 CON-0A의 최대응력은 22.2MPa이었으 며, 활성화된 나선철근 피치가 80mm, 60mm, 40mm 인 SMA-80A, SMA-60A, SMA-40A 실험체의 최대응 력은 Fig. 9에서 알 수 있는 것과 같이 각각 36.6MPa, 40.8MPa, 48.6MPa로 무보강 실험체에 비해 최대 89.2%까지 증가하였다.

    Table 4에 나선철근 활성화 유무에 따른 최대응 력(σcc) 및 최대응력 발현 시의 변형률(εcc)을 나타내 었다. 나선철근 피치가 가장 작은 SMA-40 실험체들 에서 활성화된 나선철근을 갖는 실험체의 최대응력 이 48.6MPa로 비활성된 나선철근을 갖는 실험체의 최대응력 42.0MPa보다 약 16% 크게 발현되는 것으 로 나타났다. 이는 충분한 크기의 구속압이 작용하 는 경우 능동적 구속압이 수동적 구속압에 비해 심 부 콘크리트를 구속하는 효과가 우수하다는 것을 나 타내는 결과이다. 또한, 최대응력 발현 시의 변형률 (εcc)은 나선철근 피치가 60mm 이상의 실험체에서는 비활성화 실험체와 큰 차이가 없었다. 그러나 내부 손상이 발생하였음에도 불구하고 나선철근 피치가 40mm인 SMA-40A의 최대응력 발현 시 변형률(εcc)은 0.0324로 SMA-40N의 0.0218에 비해 약 48.6%로 개 선되어 능동적 구속압이 더욱 효과적으로 심부 콘크 리트의 연성을 증진시키는데 효과적임을 확인할 수 있었다.

    3.3 연성특성

    본 연구에서 압축시험이 수행된 실험체의 연성을 Jang et al.(1999)이 제안한 축변형에 대한 연성비로 나타내었다. Fig. 10은 연성지수를 정의하기 위한 그 림이다. 그림에서 최대하중 Pmax의 수평직선을 A라 하고, 원점으로부터 최대하중의 60%지점 0.6Pmax을 연결한 직선을 B라고 할 때 두 직선이 만나는 교점 의 하중 및 변형률은 각각 항복하중(Py), 항복변형률 (εy), 하강구간에서 최대하중의 85% 시 하중 및 변형 률은 각각 85%하중(0.85Pmax), 85%변형률(ε0.85)로 정 의된다.

    식 (1)은 항복변형률(εy)과 최대하중의 85%까지 하중이 감소한 변형률인 ε0.85사이의 그래프 면적의 비로 표현되는 연성지수를 나타낸다.

    KOSACS-11-6-63_EQ1.gif
    (1)

    Table 5는 실험을 통해 얻은 하중 및 변형률과 식 (1)을 이용하여 얻은 연성지수 결과를 나타내었 다. Fe-SMA 나선철근의 피치가 80mm, 60mm, 40mm 일 때 평균 연성지수는 각각 3.13, 10.81, 17.81로 나 타나 나선철근의 피치가 기둥부재의 압축연성에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 활성화된 나선철 근으로 횡구속된 SMA-80A, SMA-60A, SMA-40A의 연성지수는 비활성화된 나선철근으로 구속된 SMA-80N, SMA-60N, SMA-40N과 비교하여 각각 6%, 21%, 27% 향상된 것으로 나타났다. 이러한 연성지수의 증가는 Fe-SMA 나선철근 피치의 감소 및 활성화에 따라 보 다 큰 능동구속압이 심부콘크리트에 작용하여 나타 난 결과로 판단된다. 연성지수 평가에 적용되는 최 대하중의 85% 발현 시의 변형률(ε0.85)은 나선철근 피 치 60mm와 40mm를 갖는 비활성화된 실험체에 비해 활성화된 실험체에서 각각 37.14%, 20.22% 크게 나 타났다. 특히, 활성화 나선철근으로 구속된 SMA-40A 실험체의 0.85PmaxPy보다 6.89kN 감소하였으나, 비활성화 나선철근으로 구속된 SMA-40N의 하중은 49.12kN 감소하는 것으로 나타나 나선철근 활성화로 인한 능동구속압이 응력감소 구간에서의 연성을 개 선하는 데에도 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 한국형 Fe-SMA 나선철근의 횡구속 효과를 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하여 다음 과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) Fe-SMA 나선철근 피치가 줄어듦에 따라 심부콘 크리트의 손상이 감소하는 파괴형상이 나타났다.

    • 2) 무보강 실험체와 나선철근 피치가 80mm인 실 험체는 최대응력 발현 이후 급격하게 응력이 감소하는 변형연화 거동을 보였으나, 피치가 60mm, 40mm인 실험체는 큰 횡구속압의 작용 으로 인해 최대응력 발현 이후 응력이 유지되 거나 증가하는 변형경화 거동을 보였다.

    • 3) 비활성화 나선철근 피치가 40mm인 SMA-40N 의 최대응력은 무보강 실험체와 비교하여 77.8% 증가하였으나 활성화된 나선철근 피치 40mm 인 SMA-40A의 최대응력은 89.2% 증가하여 능동구속압이 심부콘크리트의 압축강도를 보 다 효과적으로 향상시킴을 확인하였다.

    • 4) 활성화 나선철근으로 구속된 SMA-40A 실험체 의 0.85PmaxPy보다 6.89kN 감소하였으나 비 활성화 나선철근으로 구속된 SMA-40A의 하중 은 49.12kN 감소하는 것으로 나타나 나선철근 활성화로 인한 능동구속압이 응력감소 구간에 서의 연성을 개선하는데에도 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

    • 5) 본 연구에서는 Fe-SMA의 횡구속 효과를 평가 하기 위하여 표준공시체 크기의 실험체에 대 한 실험적 연구를 수행하였으나 Fe-SMA에 의 한 능동적 구속압을 보다 정량적으로 평가하 기 위해서는 보다 큰 기둥 실험체에 대한 후 속 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(20-CTAP-C151899-02)에 의해 수행되었습 니다.

    Figure

    KOSACS-11-6-63_F1.gif
    Concrete Column Specimen according to Fe-SMA Spiral Reinforcement Pitch
    KOSACS-11-6-63_F2.gif
    Fe-SMA Spiral Reinforcement with Various Pitch
    KOSACS-11-6-63_F3.gif
    Activation Test o f Fe-SMA
    KOSACS-11-6-63_F4.gif
    Temperature History Curves for Fe-SMA Spiral
    KOSACS-11-6-63_F5.gif
    Setup of Axial Compressiv e Test
    KOSACS-11-6-63_F6.gif
    Failure Mode of Non-activated Specimens
    KOSACS-11-6-63_F7.gif
    Failure Mode of Activated Specimens
    KOSACS-11-6-63_F8.gif
    Stress-strain Curves of Non-activated Specimen
    KOSACS-11-6-63_F9.gif
    Stress-strain Curves of Activated Specimen
    KOSACS-11-6-63_F10.gif
    Conceptual Diagram of Ductility Index

    Table

    Test Variables
    Mixture Design of Used Concrete
    Mechanical Properties of Fe-SMA
    Maximum Stress and Strain of Specimen with or without Activation
    Comparison of Ductility Index

    Reference

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