KIEAE Journal

철근콘크리트 구성 재료의 골재는 콘크리트 전체 용적 중 대부분을 차지하고 있는데 이러한 골재는 지금까지 끊임없는 건설산업의 발달과 함께 골재 사용량의 급격한 증가로 골재 부족현상을 더욱 가속화시키고 있다.

그리고 건설현장의 자원고갈 및 자연환경 파괴에 대한 문제점으로 인해 각종 산업폐기물들을 건설재료의 활용 일환으로서 많이 연구되고 있으며 그중 패각을 콘크리트의 골재로 사용하려는 연구^1~3)도 활발하게 진행되어 왔다.

또한 철근콘크리트 유공보의 특성은 건물의 층고를 줄이고 사장 공간(dead space)을 효율적으로 사용할 수 있어 현재 건축물 적용에 실용성이 높으나 유공으로 인해 보의 단면결손이 발생함으로서 보 구조부재의 내력 및 강성저하를 초래할 수 있으므로 구조안전성 측면에서 철근콘크리트 유공보에 관한 연구들^10~11)도 많이 이루어져 왔다.

이에 본 연구는 재료적 측면의 패각을 사용한 콘크리트와 구조적 측면의 철근콘크리트 유공보를 결합한 연구로서 우수한 패각 유공보 콘크리트 활용성을 위하여 이들과 관련된 기존 연구들^1~3)을 분석, 검토하여 높은 활용성을 만족시킬 수 있는 패각을 사용한 철근콘크리트 유공보의 공학적 특성을 실험적으로 규명하여 패각 유공보 철근콘크리트의 품질 실용성 제고와 생산폐기물인 패각 소모량 증대와 함께 환경적 측면과 자원 재활용 측면에 기여하고자 한다.

본 연구는 패각을 사용하여 철근콘크리트 유공보를 제작하여 실험을 통해 공학적 특성을 규명하고자 한다. 먼저, 여기서 사용된 물시멘트비는 패각콘크리트와 관련된 기존 논문들^2~3)을 조사하여 60%로 정하고 분쇄한 패각을 세골재 중량 대비로 30%로 하여 이를 세골재로 대체재로 사용하기로 한다.

유공보의 연구에 있어서는 유공 형태, 크기, 개수, 위치 및 보강방법 등 변수가 많이 있는데 기존 논문들을 참조하여 실용성을 고려한 유공 형태는 원형과 정방형으로 하고 유공 크기는 보 깊이의 0.2~0.4배로 변화시키며 유공의 수는 스팬 내에 하나로, 그리고 보강방법은 유공 주변에 보강철근을 설치하도록 한다.

유공보의 특성은 유공으로 인한 보의 단면손실로 보의 전단력과 휨모멘트에 큰 영향을 미치므로 기존의 유공보 연구처럼 휨에 대해 안전하게 설계하고 전단파괴가 일어나도록 계획한다.

이와같이 패각을 사용한 유공보의 성능을 검토하기 위하여 유공위치를 순수 전단력에 받는 곳에 두고 실험을 실시하여 유공보의 내력과 이에 대해 미치는 영향, 초기균열 및 변위관계, 철근 및 콘크리트의 변형특성, 균열현황 등을 분석하여 패각 철근콘크리트 유공보의 공학적 특성을 연구한다.

본 연구에서 패각을 사용한 철근콘크리트 유공보 설계는 극한강도설계법으로 하며 보크기에 대한 휨모멘트 및 전단력 크기를 계산하여 휨에 대해 안전하게 하고 전단력에 의해 파괴가 일어날 수 있도록 하여 패각 철근콘크리트 유공보의 구조적 거동과 공학적 특성을 연구한다.

본 연구의 주요 재료인 패각 크기는 기존 연구들^2~3)을 바탕으로 세골재 크기로 분쇄한 후 이들을 대체재로 혼입·사용하였으며 각종 실험체의 크기는 실험실의 후레임 시스템(Frame system)을 고려한 반실대형의 축소 모델로서 폭 120mm, 춤 200mm, 길이 1,400mm로 한다.

유공크기에 있어서 원형유공 직경은 40mm(0.2D), 60mm(0.3D), 80mm(0.4D)로, 정방형 유공크기는 40mm각, 60mm각, 80mm각으로 하며 보강에 대해서는 원형일 경우 링보강을, 정방형일 경우 유공 주변의 수직 및 수평보강철근을 설치한다.

본 실험에서 사용된 시멘트는 KS L 5201의 규격에 적합한 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며 사용 골재 중 조골재는 최대치수 19mm이하의 함안 석산의 화강암 쇄석을, 세골재는 하동 섬진강 모래로 각 골재로부터 불순물을 제거, 세척한 후 자연 건조시켜 사용하였다. 그리고 패각은 통영시 해안에서 폐기 패각을 채취하여 세척한 뒤 이물질을 제거하고 110±10℃ 건조로에서 건조시킨 후 분쇄하여 표준체 5.0mm, 3.0mm, 1.0mm를 각각 사용하여 입도크기별로 분류하였다.

Table 1과 Table 2는 사용 골재 및 패각의 물리적 성질을 나타낸 것이며 패각콘크리트의 28일 압축 및 인장강도^2-3)는 다음과 같다.

압축강도 f_ck=19.54Mpa, 인장강도 f_ct=2.03Mpa

또한 사용 철근은 SD300의 이형철근을 사용하였으며 이들의 재료적 성질은 Table 3과 같다.

본 실험의 배합설계는 기존 연구들^2~3)을 고찰하여 콘크리트 설계기준강도 18.0MPa을 기준으로 하였으며 Table 4와 같이 배합수와 시멘트, 조골재 사용량은 일정하게 하고 세골재 사용량을 패각으로 대체하여 배합설계를 실시하였다.

여기서의 물시멘트비에 있어서는 기존 연구들의 다양한 실험으로부터 물시멘트비가 60%에서 콘크리트 강도 및 변형도가 가장 이상적인 것으로 조사되어 본 실험도 물시멘트비를 60% 기준으로 정하였다.

패각 사용량도 세골재 중량대비로 다양하게 변화시킬 수 있으나 여기서는 유공보 변화를 명확하게 파악할 수 있도록 하기 위하여 30%로 정하였고 혼합한 패각크기는 기존 연구들을 고려하여 실험체들의 작업성과 강도면에서 아주 이상적인 것으로 판단되는 각 크기별로 동일하게 취하여 사용하였다. 여기서 기준보는 패각을 사용하지 않는 것으로 한다.

실험체의 사용 철근은 주근 상부에는 2-D10을, 하부는 2-D13을, 그리고 유공부분을 제외한 실험체 전길이에 걸쳐 늑근 ∅6을 80mm 간격으로 배근하였고 주근 양끝 부분에는 후크를 만들어 콘크리트와 철근간의 부착강도 증대와 철근의 정착길이를 확보할 수 있도록 하였으며 피복두께는 유공주위의 좌·우측 모두 15mm로 하였다.

본 실험체의 보강은 늑근과 같이 유공주위에 보강철근 ∅6을 사용하였는데 유공형태가 정방형인 경우 유공주위로 수평·수직근 보강을, 원형인 경우 링보강으로 하였으며 Fig 1은 유공 실험체의 크기 및 유공주위의 배근상태, 그리고 실험체에 작용하는 응력관계들을 나타낸 것이다.

Fig 1.  
Beam test size, steel situation around opening and relation of stresses

패각 철근콘크리트 유공보 실험체의 변형 분석을 위해서 최대 휨모멘트가 작용하는 위치의 주근과 유공 우측 늑근, 그리고 수평 및 수직 보강근 및 링보강 중앙부에 각각 1개소씩 스트레인게이지를 부착하였고 콘크리트를 타설, 양생한 후 콘크리트 표면을 평탄하게 정리한 뒤 Fig 2와 같이 유공상부의 콘크리트 중앙부와 유공좌측 콘크리트에 각각 1개소씩 스트레인게이지를 부착하여 변형을 측정하였다. 또한 실험체들의 변위 측정은 지지점 중앙부에 변위계를 설치하여 가력하중에 의한 변위를 측정하였다.

Fig 2.  
Position of straingages

본 실험에서의 실험체의 수는 기준보 1개, 원형 유공보 6개, 정방형 유공보 6개로 모두 13개를 제작하였으며, 유공의 위치는 세로의 경우 보 깊이의 중심에, 가로의 경우 순수 전단력이 작용하는 중심에 위치하였다.

본 실험체들의 시험방법은 Fig 3과 같이 프레임 시스템(frame system)에 가력장치를 사용하여 휨모멘트 값이 0이 되고 전단력만이 작용하는 위치에 유공 중심을 정확하게 두고 내민보 형태의 단순지지 상태에서 2점 집중 가력방법을 사용하였다.

Fig 3.  
Experimental setup

재하방법은 가력기(actuator)에 부착된 200kN 규모의 로드셀(load cell)로 재하속도를 일정하게 유지하면서 예상 최대하중까지 2.0kN 단위의 하중제어방식을, 예상 최대하중 이후에는 변위 2.0mm마다 데이터를 측정하는 변위제어방식을 취하여 실험체가 완전 파괴되는 극한하중 시까지 재하하여 정밀하게 측정하였다.

그리고 실험체의 파괴하중에 이르기까지 각 재하하중 단계마다 변위, 변형, 균열폭을 측정하고 균열발생 상태를 관찰하면서 유공보 측면에 직접 균열진행 과정을 그려 나갔다. 각 재하시의 실험 데이터는 컴퓨터에 연결하여 수집하며 이를 그림 및 표 작업을 할 수 있도록 처리하였다.

Table 5는 본 연구의 실험 결과를 정리한 것으로서 보강종류 및 보강유무에 대한 실험체의 초기 균열하중과 최대하중을, 그리고 Fig 4는 이를 유공종류별로 그림을 나타낸 것이다.

Fig 4.  
Kinds of loads

여기서 실험체의 초기 전단균열 하중 및 초기 휨균열 하중은 해당 실험체의 최대하중에 대해 각각 33.33~50.00%, 46.34~61.54%로 실험체의 초기 균열하중 크기가 유공종별 및 보강유무에 따라 군(群)을 형성하고 있으며 초기 전단균열 하중은 초기 휨균열 하중에 대해 원형 유공에 있어서는 62.50~90.32%, 정방형 유공에 있어서는 57.14~ 83.33%로 나타났는데 이로부터 본 연구의 실험계획 의도와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

보강한 실험체의 초기 전단균열과 휨균열 하중 크기는 보강하지 않는 실험체의 크기보다 원형 유공일 경우 각각 46.67~90.0%, 23.81~50.0%만큼, 그리고 정방형 유공일 경우 각각 46.15~75.0%, 20.0~36.36%만큼 크게 나타났다. 이로부터 실험체를 보강함으로서 초기 전단균열 하중 및 휨균열 하중에 대한 성능이 향상되었음을 알 수 있다.

기준보에 대해서는 초기 휨균열 크기는 원형 유공보다 정방형 유공이, 그리고 유공크기가 커질수록 감소하지만 유공크기가 제일 작은 0.2D의 경우는 기준보와 유사한 성능을 나타내고 있다.

Table 5로부터 기준보에 대한 0.2D 크기의 원형 유공 및 정방형 유공의 최대하중 능력은 각각 72.73%, 66.23%를 나타내고 이후 유공크기가 커질수록, 원형 유공보다 정방형 유공일수록, 보강을 하지 않을수록 최대하중 크기는 점점 감소한다.

그리고 보강한 원형 및 정방형 유공보의 최대하중 크기는 보강하지 않는 경우보다 각각 5.66~65.38%, 10.87~78.26%만큼 더 크게 나타났고 원형 유공보는 정방형 유공보보다 보강하지 않은 경우 7.69~15.22%, 보강한 경우 2.17~9.80%만큼 크게 나타났다. 이로부터 유공형태는 원형 유공이 정방형 유공보다 유리하며 보강형태도 있어서도 원형 유공의 보강보다 정방형 유공의 보강이 더욱더 많은 보강을 요구되고 있음을 알 수 있다.

Fig 5 및 Fig 6은 실험체들의 보강유무별, 그리고 유공종별 최대하중을 나타낸 것이다. Fig 5로부터 유공 크기변화에 있어서는 유공크기가 10%씩 커짐에 따라 보강에 의한 하중 증가는 무보강 유공보에 대해 원형일 경우 각각 5.66%, 11.90%, 65.38%씩, 정방형일 경우 각각 10.87%, 17.95%, 78.26%씩 증가하여 보강 효과는 유공크기가 클수록, 그리고 원형 유공의 보강보다 정방형 유공의 보강이 더욱더 효력을 발휘한다.

Fig 5.  
Maximum load of beam tests I (type of reinforcement steel)

Fig 6.  
Maximum load of beam tests II (type of opening)

또한 유공 형태별 최대하중 차이는 보강을 하지 않는 경우 7.69~15.22%정도, 보강을 한 경우 2.17~9.8%정도 원형 유공이 정방형 유공보다 더 높게 나타났는데 이것은 두 유공사이의 0.215배의 단면결손과 정방형 유공의 코너 부분의 응력집중현상, 그리고 패각 물성에 따른 결합력 저하로부터 야기된 것으로 판단된다.

그리고 Fig 6으로부터 유공크기별 최대하중 크기를 회귀분석한 결과를 정리하면 다음과 같다.

• 원형유공, 보강유 P_max = - 6.5x + 61.667
• 원형유공, 보강무 P_max = -13.5x + 67.333
• 정방형유공, 보강유 P_max = -5.0x + 56
• 정방형유공, 보강무 P_max = - 11.5x + 59

여기서, Pmax는 최대하중(kN), x는 유공크기(mm)

본 관계식들로부터 유공종별과 관계없이 보강을 한 경우의 기울기는 보강을 하지 않은 경우보다 완만하며 보강유무에 따라 관계식들의 절편값은 거의 비슷한 값을 가지며 보강을 한 경우가 하지 않은 경우보다 절편값이 높게 나타나므로 유공크기가 커질수록 보강의 중요성을 나타내고 있다.

Fig 7은 본 실험에서 실시한 실험체들의 파괴균열도를, 그리고 Picture 1은 유공형태별 전형적인 균열 및 파괴현상을 나타낸 것이다.

Fig 7.  
Crack pattern of beam tests

기준보의 파괴양상은 최대 부모멘트가 생기는 지점에서 균열이 발생하여 파괴되었다. 기준보에 작용하중은 최대 정모멘트 및 부모멘트 크기가 동일하게 나타나므로 이들 작용 구간 내에서 균열이 발생하여 파괴될 것으로 예상하였는데 최대 정모멘트의 부분이 최대 부모멘트 부분보다 강하게 작용하여 지점에서 균열이 발생하여 보 상부로 균열폭이 점차 확장되면서 파괴에 이르게 된다.

또한 유공보 실험체들은 유공주위 균열이 휨균열보다 먼저 발생하며 하중이 증가함에 따라 유공 주위의 균열이 지점과 하중점 방향으로 진전해 나가면서 균열폭이 커지다가 보의 상‧하단으로 파괴되는 전형적인 전단파괴 양상을 보인다.

본 실험체에서 유공형태가 원형인 경우에는 균열양상이 먼저 유공주변으로 고루 분포되어 파괴되지만 유공형태가 정방형인 경우 균열양상이 유공 코너 부분에 집중되어 개구부에 응력집중현상이 작용하여 파괴되는데 정방형 유공형태가 크면 클수록 균열은 분산되지 않고 집중되며 하중 작용점 주위와 유공하부에 가력하중으로 인해 콘크리트 부분이 압괴되거나 박리되면서 균열폭도 크게 나타나고 최대하중도 많이 떨어진다.

Picture 1. 
Failure phenomena of beam tests

Fig 8은 각 실험체들의 중앙부의 변위를 측정한 데이터로 그림을 그린 것으로 Fig 8로부터 각 실험체들의 변위곡선은 대체로 전형적인 모양으로 항복 변위까지 거의 유사한 형태를 나타내고 있는데 대부분 초기인장균열 발생 전까지 거의 직선으로 변화하여 변위는 유사하게 나타나지만 하중이 증가함에 따라 변위곡선의 기울기는 감소하는 반면 변위크기는 증가하며 최대하중 도달 이후에도 실험체들 모두 유사한 기울기로 파괴하중에 도달한다.

Fig 8.  
Load-deflection curve

여기서 기준보(ORI)의 하중-변위곡선은 일반 유공보 실험체들과 달리하고 있는데 이것은 Fig 7 j)에서와 같이 파괴양상이 지점파괴의 영향으로 나타난 것으로 판단된다.