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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.4 pp.45-51
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.4.045

Experimental Study on the Performance of RC Beams with Corroded Main Reinforcements

Sang-Woo Kim1, Kyeong-Min Kim2, Dong-Ju Lee2, Kim Jin-Sup3
1Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Master’s Course, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Associate Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2021년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jin-Sup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 501, Jinju Daero, Jinju, Korea. Tel: +82-55-772-1791, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
July 19, 2021 August 5, 2021 August 11, 2021

Abstract


Reinforced concrete structures are considered semipermanent, but marine structures and structures adjacent to the sea are exposed to the risk of corrosion. In the case of inland structures, various corrosion factors such as neutralization and concrete cracking occur because of the use of snow removal agents. In addition, rebar is stored and exposed to the external environment for long durations during construction work, leading to corrosion. Therefore, the primary tensile reinforcement of concrete beams was corroded at 3% and 10% corrosion rates to signify the flexural behavior of reinforced concrete beams according to the corrosion rate. Material experiments were conducted by simultaneously manufacturing reinforced concrete beams and test pieces, and corrosion of reinforced concrete beams was promoted using the potential difference corrosion method. As a result, the initial stiffness of reinforced concrete beams increased due to corrosion. At a corrosion rate of 10%, the generation of shear destruction of reinforced concrete beams and the cumulative energy dissipation capacity was considerably reduced.



주철근의 부식에 따른 철근콘크리트 보의 성능 실험 연구

김상우1, 김경민2, 이동주2, 김진섭3
1경상국립대학교 토목공학과 박사과정
2경상국립대학교 토목공학과 석사과정
3경상국립대학교 토목공학과 부교수

초록


철근콘크리트 구조물은 반영구적인 구조물로 여겨지고 있으나 해상 구조물 및 해상에 인접한 구조물은 부식에 대한 위험에 노출이 되어 있다. 내륙 구조물의 경우에도 제설제 사용으로 인한 콘크리트의 중성화, 콘크리트 균열 등의 다양한 부식 요인이 발생한다. 또한 건설공사 시 철근은 외부환경에 장시간 노출된 상태로 보관이 되어 부식되기 쉽다. 따라서 본 연구에서 는 철근콘크리트 보의 인장 주철근을 3%와 10%의 부식률로 부식을 시켜 휨 실험을 통해 부식률에 따른 철근콘크리트 보의 휨 거동을 나타내었다. 철근콘크리트 보와 콘크리트 공시체를 동시에 제작하여 재료실험을 수행하였으며, 전위차 부식촉진법을 활 용하여 철근콘크리트 보의 부식을 촉진시켰다. 실험결과 부식으로 인해 철근콘크리트 보의 초기 강성이 증가하였으며, 10%의 부식률에서는 철근콘크리트 보의 전단파괴의 발생 및 누적에너지소산능력이 취약하게 나타났다.



    1. 서 론

    우리나라 철근콘크리트 구조물은 다양한 부식 환경 에 노출되어 부식이 발생한다(Park et al., 2017). 철근 콘크리트 구조물은 반영구적인 구조물로 여겨지고 있으나 해상 구조물 및 해상에 인접한 구조물은 부 식에 대한 위험에 노출이 되어 있다. 콘크리트의 균 열은 필연적으로 발생하며, 발생된 균열을 통해 수 분, 염분, 이산화탄소 등이 콘크리트 내부에 침투하 여 철근의 부식을 촉진시킨다(Kim et al., 2007). 내륙 구조물의 경우에도 제설제 사용으로 인한 콘크리트 의 중성화, 콘크리트 균열 등의 다양한 부식 요인이 발생한다. 또한 건설공사 시 철근은 외부환경에 장 시간 노출된 상태로 보관이 되어 부식되기 쉽다. 이 렇게 부식된 철근은 단면적이 감소되어 부재의 내력 을 저하시킬 뿐만 아니라 부식 산화물에 의한 부피 팽창으로 인해 피복 콘크리트의 박리를 유도한다 (Yeon et al., 2021). 부식 초기인 허용 부식 정도까지 의 부식은 부식 생성물에 의해 마찰력이 증가하여 철근과 콘크리트 사이의 부착력이 증가하지만, 부식 이 진행될수록 녹 팽창에 의한 콘크리트 균열과 철 근의 단면 손실 등에 의해 철근과 콘크리트 사이의 부착력이 감소하여 성능 저하를 유발한다(Cho et al., 2002;Han, 2020;Al-Sulaimani et al., 1990).

    철근콘크리트 구조물에서 철근은 콘크리트가 받 지 못하는 인장력을 부담하거나 압축부에서 콘크리 트의 장기변형을 방지하는 역할로, 철근과 콘크리트 의 일체거동이 구조물의 성능에 매우 중요하게 작용 한다. 부식이 발생하여 두 재료간의 부착력이 감소 하고, 이로 인해 일체성이 상실하게 되면 철근콘크 리트 구조물의 안전성에 치명적인 문제를 야기한다. 따라서 철근이 부식된 철근콘크리트 구조물의 구조 적 성능평가는 보수보강 여부 판정의 중요한 근거가 된다(Shin et al., 2005).

    본 연구에서는 인장 주철근이 부식된 철근 콘크 리트 보의 휨 거동을 성능실험을 통해 나타내고 비 교 분석하였다. 성능실험에서는 철근콘크리트 보 제 작에 사용된 콘크리트와 철근의 재료 물성을 도출하 기 위해 콘크리트의 압축실험과 철근의 인장실험을 실시하고, 철근콘크리트 보의 부식에 따른 휨 거동 을 분석하기 위해 인장 주철근의 부식 정도를 변수 로 설정하여 4절점 휨 실험을 실시하였다. 부식 정 도는 부식에 따른 주철근의 중량감소율로 표현하였 다. 실험 결과를 통해 인장 주철근이 부식된 철근콘 크리트 보의 휨 거동특성을 제시함으로써 부식된 구 조물의 지진취약도 평가기술 개발을 위한 기초 자료 를 제시하고자 한다.

    2. 실험 설계

    2.1 사용 재료

    철근콘크리트 보의 인장 주철근의 부식에 따른 휨 거동을 분석하기 위해 단면 300mm×300mm에 길이 2400mm의 직사각형 철근콘크리트 보를 Fig. 1과 같 이 제작하였다. 사용된 콘크리트의 설계강도는 24MPa의 Ready-Mixed Concrete를 사용하였다. 압축 및 인장 주철근을 동일하게 D19철근으로 배근하였 으며, 전단보강근 D10을 200mm간격으로 배근하여 전 구간 보강하였다. 사용한 철근의 설계항복강도는 모두 400MPa이며, 철근콘크리트 보 부재의 설계 휨 하중은 87.85kN이다. 철근콘크리트 보의 인장 주철근 에 작용하는 하중에 따른 변형률을 측정하기 위해 각 인장철근의 중앙부에 변형률 게이지(Strain gauge, st1 & st2)를 설치하였다. 전기부식을 위해 부식용 철 근을 인장 주철근에 용접하여 부착하였다.

    부식용 철근(Steel for Corrosion)이 보의 휨거동에 영향이 없도록 인장 주철근의 최 외단에 1cm 미만 의 길이로 부착하였다.

    2.2 실험 계획

    제작된 철근콘크리트 보는 Fig. 2와 같이 4절점 휨 실험(4point Bending Test)을 수행하였다. 힌지의 폭과 콘크리트 커버를 고려하여 휨 모멘트 거리를 850mm 으로, 가력부 간격은 400mm으로 설계하였다. 하중 재하 방법은 하중 작용점의 변위를 조절하는 변위제 어방식을 적용하였으며, Fig. 3과 같이 5mm, 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm, 60mm, 70mm, 80mm로 반복 하중 변위 사이클(Cyclic Loading Displacement) 을 계획하였다. 보 실험체의 실험 변수를 Table 1에 정리하였다.

    2.3 철근 부식 촉진

    콘크리트에 매립된 철근은 콘크리트의 알칼리성과 철근의 산성 조합으로 부동태 피막을 철근 표면에 화학적으로 생성시켜 부식으로부터 보호한다. 하지 만 콘크리트가 알칼리 성질을 잃고 점차 중성화가 되거나 염분이 규정치 이상 함유되면 부식이 발생한 다. 본 연구에서는 철근콘크리트 보의 인장 주철근 을 부식시키기 위해 전위차 부식 촉진 실험을 수행 하였다. 철근콘크리트 보에 매립된 부식용 철근에 Fig. 4(a)에서와 같이 직류 전원 공급 장치(DC Power Supply)에서 일정한 전류를 흘러내어 NaCl 5% 수용 액의 전해질과 상대전극인 구리판(Copper Plate)을 통 하여 철근의 부식을 촉진하였다. Fig. 4(b)에서와 같 이 복수 실험체에서의 부식 촉진 세팅이 가능하다. 부식률은 촉진 시간으로 제어하였으며, 휨 실험 후 철근콘크리트 보의 콘크리트를 제거하고 무게를 측 정하여 감소된 무게비를 통해 최종 부식률을 도출하 였다.

    철근콘크리트 보의 인장 철근이 충분히 전해질용 액과 화학반응을 일으킬 수 있도록 철근콘크리트 보 의 인장부에 미세균열(Pre-Crack)을 생성시켰다. 미세 균열은 Fig. 2와 동일하게 세팅하여, 콘크리트의 균 열 발생 하중(P)의 약 2배인 6.5Ton 만큼의 하중을 각 철근콘크리트 보에 가력하여 미세균열을 생성하 였다. 콘크리트의 균열이 발생하는 하중(P)을 이론적 으로 계산하기 위해 다음과 같이 정리하였다.

    철근콘크리트 보에 휨이 발생하면서 콘크리트의 균열모멘트와 휨인장강도 사이의 관계를 활용하여 계산하였다. 콘크리트의 휨 인장강도는 식 (1)을 통 해 약산할 수 있다.

    f r = 0.69 Λ f c k
    (1)

    여기서

    • fr : 콘크리트 휨인장강도

    • Λ : 경량콘크리트 계수

    • fck : 콘크리트 압축강도

    식 (2)에서와 같이 균열모멘트에 관한 식을 휨인 장강도에 관한 식으로 변환하여 식 (1)과 연립하면 균열 발생에 필요한 하중(P)가 3.33Ton으로 계산된다.

    식 (3)은 직사각형 단면에서의 도심까지의 거리 와 단면 2차모멘트이다.

    M c r = P 2 × L f r = M c r I y
    (2)

    y = 1 2 h , I = b h 3 12
    (3)

    3. 실험 결과

    3.1 재료 성능 실험

    철근콘크리트 보 제작에 사용된 콘크리트와 철근의 재료성능을 간접적으로 측정하기 위해 콘크리트 압 축강도실험과 철근 인장실험을 수행하였다. 실험 장 비는 200Ton 용량의 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하였다. 압축에 따른 콘크리트 공시체의 종방향 변형률을 측정하기 위해 공시체 좌 우에 LVDT를 설치하여 측정하였다. KS F 2403 (2019)에 따라 단면 지름100mm에 높이 200mm의 원 주형 콘크리트공시체를 Fig. 5(a)와 같이 철근콘크리 트 보 타설 시 함께 제작하였다. 제작 후 약 28일간 습윤양생을 실시하였다. 실험은 KS F 2405 (2010)에 의거하여 Fig. 5(b)와 같이 실험하였으며, 양생에 의 한 콘크리트 강도 차이를 최소화하기 위해 철근콘크 리트 시편의 실험 당일에 함께 수행하였다. 실험 결 과를 Table 2에 정리하였다.

    철근콘크리트 보 제작에 사용한 철근과 동일한 철근을 KS B 0801(2007)에 의거하여 인장 실험하였 다. 총 3개의 시편을 실험하였으며, 평균 348.5MPa으 로 측정되었다. 실험 결과를 Table 3에 정리하였다.

    3.2 철근콘크리트 보의 휨 실험 결과 및 분석

    3.2.1 파괴 형태

    인장 주철근이 부식된 철근콘크리트 보의 휨실험에 따른 파괴형상은 Fig. 7과 같다. C0와 C3는 압축부에 서 콘크리트가 압축되어 파괴되었으며, 최종 파괴 형태는 휨 파괴로 나타났다. C10은 주인장 철근 부 근에 균열이 진행되면서 최종 파괴형태는 전단파괴 로 나타났다. 이는 Fig. 6과 같이 주 철근이 부식되 면서 부식생성물(Corrosion Product)에 의해 주 철근 주변의 콘크리트에 균열이 발생하고, 주 철근과 함 께 전단철근 또한 부식에 의해 단면이 감소됨에 의 해 발생한 것으로 판단된다.

    3.2.2 하중-변위 관계

    철근콘크리트 보의 하중-변위 관계는 Fig. 8과 같다. 항복강도와 최대 휨강도 모두 설계강도보다 크게 나 타났다. 부식률이 증가할수록 철근콘크리트 보의 항 복강도 및 항복강도 발생 변형률 모두 감소하는 경 향을 나타내었다. 최대강도 또한 감소하는 경향을 나타내었으며, 최대강도 발생 변위는 3%의 부식률에 선 증가하였지만 10%의 부식률은 감소하였다. 이는 철근이 항복 후 부식에 의해 부착력이 감소하면서 최대강도 발생 변형률이 증가하였다가 부식이 지속 적으로 진행되면서 철근콘크리트 보의 휨 성능이 급 격히 떨어져 다시 감소한 것으로 판단된다. 각 실험 체의 항복 및 최대 강도를 Table 4와 같다.

    철근콘크리트 보의 부식이 진행될수록 Fig. 9와 같이 초기 강성이 증가하는 것을 확인하였다. 각 시 편의 항복점까지의 기울기를 초기 강성으로 나타내 어 Table 5에 정리하였다. 이는 철근이 부식됨에 따 라 부산물 생성에 의해 철근의 항복점까지는 부착력 이 증가됨으로 판단된다.

    3.2.3 에너지소산능력 및 누적에너지소산능력

    구조물이 파괴될 때까지의 흡수할 수 있는 능력을 에너지소산능력이라고 한다. 주기거동에 의한 에너 지소산은 지진에 의한 구조물의 손상을 줄이므로, 구조물의 에너지소산능력을 정확히 평가하는 것은 중요하다(Eom and Park, 2004;Lim et al., 2003).

    철근콘크리트 보의 에너지 소산능력은 Fig. 8에 나타낸 하중-변위 관계 그래프에서 선 아래 면적을 합한 것이다. 각 보 실험체의 에너지소산능력을 Fig. 10에 나타내었으며, 누적에너지소산능력을 Fig. 11에 나타내었다.

    Fig. 10을 통해 부식이 발생함에 따라 초기 발생 변위에서는 에너지 소산능력이 증가하는 것을 확인 할 수 있었으며, 10%까지 부식이 진행됨에 따라 발 생변위가 증가할수록 에너지 소산능력이 낮게 나타 나는 것을 확인하였다.

    Fig. 11을 통해 초기 발생변위에서는 C10이 가장 크게 나타났으나 변위가 증가함에 따라 C3의 누적에 너지소산능력이 가장 크게 나타났으며, C10이 가장 낮게 나타났다. 각 시험체의 반복하중 별 에너지소산 능력과 누적에너지소산능력을 Table 6에 정리하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 철근콘크리트 보의 주철근의 부식에 따른 휨 성능을 실험을 통해 평가하였다. 실험결과 를 통해 부식률에 따른 철근콘크리트 보의 파괴 형 상, 하중-변위 관계, 초기강성, 에너지소산능력 및 누 적에너지소산능력을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • (1) 부식 부산물에 의해 철근과 콘크리트의 초기 부착력은 증가하나 부식이 진행될수록 인장 주철근 주변 콘크리트에 균열이 진행되어 휨 실험 시 인장 철근 주변 콘크리트의 탈락과 전 단철근의 부식에 따른 전단 파괴가 나타난다.

    • (2) 부식이 진행될수록 철근콘크리트 보의 항복 강도 및 항복강도 발생 변형률은 감소하는 경향을 보인다. 최대강도는 감소하는 경향을 보였으며, 최대강도 발생 변형률은 3% 부식 된 실험체에서는 증가하였으며 10% 부식된 실험체에서 다시 감소하였다. 이는 철근이 항 복 후 부식에 의해 부착력이 감소하면서 최 대강도 발생 변형률이 증가하였다가 부식이 지속적으로 진행되면서 철근콘크리트 보의 휨 성능이 급격히 떨어져 다시 감소한 것으 로 판단된다.

    • (3) 3%로 부식된 철근콘크리트 보의 강성은 부식 되지 않은 시편 대비 2.1 만큼 증가하였으며, 10%로 부식된 철근콘크리트 보의 초기 강성 은 3.5 만큼 증가하였다. 따라서 10mm 정도 의 초기 변위에서 C0 대비 C3은 184, C10은 189 만큼 더 크게 나타났다.

    • (4) 0%와 3%로 부식된 철근콘크리트 보의 누적 에너지소산능력은 거의 유사한 경향을 나타 내었으며, 10%로 부식된 철근콘크리트 보는 0%와 3%에 비해 지진에 취약하게 나타났다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (21SCIPB146946- 04) from Construction technology research program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

    KOSACS-12-4-45_F1.gif
    Details of RC Beam Specimen
    KOSACS-12-4-45_F2.gif
    Test Setting of 4 Point Bending Test
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    Cyclic Loading Displacement
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    Set-up for the Corrosion Experiment
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    Concrete Material Test
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    Crack Generation Mechanism due to Corrosion
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    Final Failure Mode of RC Beam Specimen
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    Relation of Load-Displacement of RC Beam
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    Initial Stiffness of RC Beams
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    Energy Dissipation Capacity
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    Accumulated Energy Dissipation Capacity

    Table

    Parameter and Name of Specimen
    Summary of Concrete’s Compressive Test Results
    Summary of Main Rebar’s Tension Test Results
    Summary of RC Beam Test Result
    Initial Stiffness of RC Beam Specimens
    Summary of EDC & AEDC of RC Beams

    Reference

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