鋼纖維 補强 모르타르 및 콘크리트의 變形性狀에 關한 硏究

정환욱 全南大學校 1988 국내석사

建築 構造物이 大規模化, 多樣化, 高層化됨에 따라 旣存콘크리트가 갖는 여러 가지 脆弱點을 各種 纖維類 系統의 複合材料를 使用하여 以를 改善하고자 하는 硏究가 最近 數年間에 걸쳐서 크게 伸長되었다. 以에 本 硏究는 鋼纖維 補强 鐵筋콘크리트 構造物의 設計를 爲한 硏究의 實驗的, 解析的 硏究의 一環으로서, 鋼纖維의 길이 및 添加比에 따른 모르타르와 콘크리트의 力學的 特性, 變形性狀에 對한 實驗的 硏究를 實施하였으며, 最適纖維類 補强에 對해서도 比較 考察하였다. 以의 硏究結果는 다음과 같이 要約할 수 있다. 1. 鋼纖維의 길이 및 添加比가 增大됨에 따라 콘크리트의 壓縮强度는 增大되나 모르타르의 壓縮强度는 影響을 받지 않는다. 2. 鋼纖維의 길이 및 添加比가 增大됨에 따라 콘크리트, 모르타르의 휨强度 및 引張强度는 크게 增大된다. 3. 鋼纖維의 길이 및 添加比가 增大됨에 따라 콘크리트, 모르타르의 荷重變位는 크게 增大된다. 4. 鋼纖維의 길이 및 添加比가 增大됨에 따라 콘크리트, 모르타르의 變形은 無筋콘크리트에 比해 크게 增大되며 壓縮彈性係數는 減少한다. 5. 鋼纖維 補强에 의해 龜裂發生後에도 耐力이 增大되며, 龜裂抵抗性은 鋼纖維의 混入量에 比例하여 增大된다. 6. 本 實驗에 使用한 鋼纖維의 諸般 變數中 施工上 가장 適合한 길이는 20mm로 判斷되며, 添加比를 增大시킴에 따라 높은 强度를 期待할 수 있다. The Purpose of this Paper is to Study the Deformational Behavior of Steel Fiber Reinforced Mortar and Concrete. The Experimental Program Includes the Tests on the Compressive Strength, Flexural Strength, Tensile Strength, Young's Modulus, Load-Displacement, Optimum Length and Contents, Cracking and Deformational Steel Fiber Reinforced Mortar(SFRM) and Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC). The Following Conclusions are drawn from the Results of this Experimental Investigation. : With the Addition of Steel Fiber Length and Contents, Compressive Strength, Flexural Strength and Tensile Strength of SFRC showed a Singnificant Increase Tendency, as Compared with Plain Concrete. : With the Addition of Steel Fiber Length and Contents, Flexural Strength and Tensile Strength of SFRM showed a Significant Increase Tendency. but Compressive Strength of SFRM showed a Invariability, as Compared with Plain Mortar. : With the Addition of Steel Fiber Length and Contents, Young's Modulus of SFRM and SFRC showed a Slight Decrease Tendency. but Strain of SFRM and SFRC showed a Significant Increasing Tendency as the Steel Fiber was Added, as Compared with Plain Mortar and Concrete. : With the Addition of Steel Fiber Length and Contents, Load-Displacement of SFRM and SFRC showed a Significant Increase Tendency, as Compared with Plain Mortar and Concrete,

강섬유 보강 콘크리트의 휨인성에 관한 실험적 연구

구도혁 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 2025 국내박사

본 연구는 아치형 및 후크형 강섬유를 보강한 콘크리트의 휨 특성과 에너지 흡수 성능을 체계적으로 평가하고, 강섬유 형상, 혼입량, 인장강도, 및 형상비와 같은 주요 변수들이 콘크리트의 역학적 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 EN 14651 및 RILEM TC 162-TDF 시험법에 따라 강섬유 보강 콘크리트를 제작하였으며, 초기 균열 발생 이후의 잔류 휨 응력과 에너지 흡수 성능을 정량적으로 측정하였다. 실험에서는 강섬유의 형상을 아치형과 후크형으로 구분하고, 각 형상에서 혼입량(12kg/m³, 20kg/m³, 30kg/m³, 40kg/m³)과 인장강도(1100MPa, 1300MPa, 1500MPa, 1800MPa)를 주요 변수로 설정하여 콘크리트 시편을 제작하였다. 또한, 아치형 강섬유의 곡률(R20, R27, R40, R51) 및 형상비(L/d: 65, 80)에 따른 성능 변화를 비교 분석하였다. 총 176개의 시편을 제작하여 실험을 수행하였으며, 실험 데이터는 하중-변위 곡선으로 정리되어 강섬유 보강 콘크리트의 구조적 거동을 명확히 분석하는 데 활용되었다. 실험 결과, 후크형 강섬유는 말단 고정 효과(Anchoring Effect)로 인해 잔류 휨 응력 및 에너지 흡수 성능에서 아치형 강섬유에 비해 우수한 성능을 나타냈다. 특히, 인장강도가 증가할수록 후크형 강섬유는 아치형 강섬유보다 높은 결속력을 발휘하며, 극한한계상태(CMOD 2.7mm)에서의 성능 향상이 두드러졌다. 후크형 강섬유는 고강도 및 고혼입량(40kg/m³) 조건에서 특히 높은 성능을 보였으며, 대규모 인프라 구조물에서 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 반면, 아치형 강섬유는 곡률과 혼입량 변화에 따라 더 유연한 설계 가능성을 제공하였다. R40 곡률의 아치형 강섬유는 혼입량 40kg/m³ 조건에서 사용한계상태(CMOD 0.7mm)와 극한한계상태(CMOD 2.7mm) 모두에서 최적의 성능을 보였으며, 중소규모 구조물 및 환경 지속 가능성을 중시하는 설계에서 유리한 대안을 제시하였다. 또한, 아치형 강섬유는 후크형 강섬유에 비해 혼입량 증가에 따른 워커빌리티(Workability)가 뛰어나 시공성 측면에서도 장점을 보였다. 혼입량 증가의 경우, 모든 강섬유에서 잔류 휨 응력과 에너지 흡수 성능이 선형적 혹은 비선형적으로 증가하였으며, 40kg/m³ 조건에서 최대 성능을 기록하였다. 아치형 강섬유의 경우, 곡률이 증가함에 따라 초기 균열 억제와 연성 거동에서 긍정적인 효과를 보였으나, 너무 큰 곡률(R51)은 섬유 배향성 저하로 인해 성능 향상이 제한적이었다. 본 연구는 강섬유 형상, 혼입량, 인장강도, 및 곡률 변화가 콘크리트의 휨 특성과 에너지 흡수 성능에 미치는 영향을 종합적으로 분석하였다. 이를 통해 강섬유 보강 콘크리트의 설계 최적화와 실용적 활용 가능성을 제시하였으며, 강섬유가 콘크리트 구조물의 내구성과 안정성을 향상시키는 데 효과적으로 기여할 수 있음을 입증하였다. 연구 결과는 강섬유 보강 콘크리트를 활용한 구조물 설계에서 내구성 증대, 비용 효율성 향상, 그리고 환경적 지속 가능성을 고려한 설계 지침 마련에 중요한 기초 데이터를 제공할 것이다. 본 연구는 강섬유를 활용한 콘크리트의 성능 향상을 위한 다양한 설계 조건과 적용 가능성을 실험적으로 검증함으로써, 향후 다양한 구조물 설계에 활용될 수 있는 실질적 자료를 제공한다는 점에서 학문적 및 실용적 의의가 크다. This study systematically evaluates the flexural characteristics and energy absorption performance of concrete reinforced with arched and hooked steel fibers, analyzing the effects of key variables such as fiber shape, dosage, tensile strength, and aspect ratio on concrete's mechanical properties. Concrete reinforced with steel fibers was manufactured following EN 14651 and RILEM TC 162-TDF standards, and residual flexural strength and energy absorption performance were quantitatively measured after initial crack propagation. The experiment categorized steel fibers into arched and hooked types and set dosage (12kg/m³, 20kg/m³, 30kg/m³, 40kg/m³) and tensile strength (1100MPa, 1300MPa, 1500MPa, 1800MPa) as primary variables. Additionally, the influence of curvature (R20, R27, R40, R51) and aspect ratio (L/d: 65, 80) of arched fibers on performance was analyzed. A total of 176 specimens were fabricated, and experimental data, expressed as load-displacement curves, were utilized to analyze the structural behavior of steel fiber-reinforced concrete comprehensively. The results showed that hooked fibers demonstrated superior residual flexural strength and energy absorption performance compared to arched fibers due to their anchoring effect. The performance improvement was particularly significant under high tensile strength and high dosage (40kg/m³), highlighting their effectiveness for large-scale infrastructure. In contrast, arched fibers offered greater design flexibility depending on curvature and dosage. R40-arched fibers exhibited optimal performance under 40kg/m³ dosage conditions for both the serviceability limit state (CMOD 0.7mm) and ultimate limit state (CMOD 2.7mm), making them a practical and environmentally sustainable alternative for small to medium-scale structures. Increasing fiber dosage led to linear or nonlinear improvements in residual flexural strength and energy absorption performance across all fibers, with maximum performance observed at 40kg/m³. For arched fibers, increased curvature positively influenced crack inhibition and ductile behavior; however, excessive curvature (R51) resulted in decreased performance due to reduced fiber orientation. This study provides a comprehensive analysis of how steel fiber shape, dosage, tensile strength, and curvature impact the flexural characteristics and energy absorption performance of concrete. The findings contribute to the optimization of steel fiber-reinforced concrete designs and their practical applications, demonstrating the effective role of steel fibers in enhancing the durability and stability of concrete structures. The results also provide essential data for structural design, emphasizing durability improvement, cost efficiency, and environmental sustainability in steel fiber-reinforced concrete applications. By experimentally verifying various design conditions and practical applicability of steel fibers in concrete, this study offers significant academic and practical value as foundational research for the future design of diverse structures.

강섬유보강 콘크리트의 염소이온 투과성능에 대한 실험적 고찰

이상원 경성대학교 일반대학원 2015 국내석사

강섬유보강콘크리트는 일반콘크리트에 비하여 균열의 진전을 억제하고, 인성을 증가시키는 효과가 있다. 2000년대 초반까지 강섬유보강콘크리트에 대한 연구는 재료의 성능에 대한 연구에 국한되었던 것이 사실이다. 그러나, 최근 강섬유보강콘크리트의 정량적인 설계방법이 제시되면서, 토목 및 건축구조물, 공장제품 등에 사용이 늘어나고 있는 추세이다. 콘크리트 구조물의 수명을 결정짓는 중요한 영향인자 중 하나는 염소이온의 침투이다. 염소이온의 침투 깊이가 철근의 위치에 도달하게 되면 철근의 부식이 본격적으로 발생하게 되고 이후 구조물의 균열과 균열의 성장, 박리 및 박락이 발생하면서 급격한 노후화가 진행되기 때문이다. 따라서, 콘크리트 구조물의 내구성능의 평가를 위해서는 염소이온침투성에 대한 평가가 반드시 필요하다. 이 연구에서는 강섬유보강콘크리트의 염소이온침투성능을 고찰하였다. 시험기간의 단축을 위하여 NT Build 492에서 규정하고 있는 촉진염소이온침투시험을 수행하였다. 실험변수는 배합비과 강섬유의 혼입비로 하였다. 배합비는 물시멘트비 0.5와 0.4를 시험하였으며, 강섬유의 혼입비는 체적비에 대하여 0.25%, 0.5%, 1%를 시험하였다. 또한, 압축강도시험과 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험 및 굳은 콘크리트의 흡습시험을 수행하고 이 결과를 염소이온투과성능의 시험과 비교함으로서, 강섬유보강콘크리트의 내구성능을 종합적으로 평가하였다. 연구결과, 강섬유보강콘크리트의 염소이온투과 깊이와 확산계수는 강섬유의 혼입률 증가에 따라 증가하는 것으로 확인되었다. 또한, 배합의 물-시멘트비가 작을수록 염소이온투과 깊이와 확산계수는 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 종합할 때, 강섬유보강콘크리트는 강섬유가 포함되지 않은 일반콘크리트에 비하여 염소이온침투에 대한 저항성능이 낮다는 것으로 확인할 수 있으며, 강섬유량이 증가할수록 침투가 용이해 짐을 알 수 있다. 또한, 이와 같은 강섬유의 혼입으로 인한 염소이온투과저항성능의 저하를 보완하기 위해서는 낮은 물-시멘트비의 배합이 필요하다. When compared to normal concrete, steel fibers in mixed in steel fiber reinforced concrete (SFRC) prohibit progress of cracks and increase toughness. Until the early 2000’s, it is fact that studies on SFRC have mainly focused on evaluation of material properties. These do not contribute directly to the use of SFRC in actual structures. Recently, comprehensive design method to quantify the tensile strength of SFRC has been published and this makes the application of SFRC increased in civil, architectural and precast structures. Consequently, there is a need of studies on durability of SFRC structures. In this study, corrosion resistance of SFRC was investigated through accelerated chloride penetration tests. The detail of test method is specified in NT Build 492. Test variables were water/cement ratio(44% and 50%) and mix ratio of steel fibers(0.25%, 0.5% and 1% Vol.). Compressive strength, moisture absorption and air contents were measured to investigate the effect of mixing steel fibers on pore structure. In results, chloride penetration depth, diffusion coefficient, air content and moisture absorption increases as steel fiber and water/cement ratio increases. It is confirmed that adding steel fibers decrease fluidity then makes compaction difficult, which decrease corrosion resistance. But this problem could be solved by using lower water/cement ratio when mix design of SFRC.

鋼纖維補强 高强度 鐵筋콘크리트 보의 剪斷擧動에 關한 硏究

오정근 漢陽大學校 1990 국내석사

강섬유로 보강된 프리캐스트 콘크리트 궤도의 구조성능 평가

이명석 서울과학기술대학교 대학원 2020 국내박사

본 연구는 국내에서 최초로 시도되는 연구로서 철근보강 없이 강섬유로만 보강된 프리캐스트 콘크리트 궤도 패널(Track panel)을 개발하는 것이 연구목적이다. 이를 위하여 첫 번째로 얇고 넓은 콘크리트 궤도 시공에 적합한 SFRC 배합을 제시하고 이에 대한 재료성능을 평가하였다. 두 번째로 고속철도용 콘크리트 궤도 패널에 대한 설계와 해석을 수행하여 구조적 요구성능을 설정하였다. 세 번째는 실물 크기의 시험체를 제작하고 파괴에 도달할 때 까지 휨성능시험을 수행하였다. 국내에는 SFRC 구조체에 대한 성능 평가 기준이 없으므로 유럽기준인 fib Model Code 2010에 의하여 그 성능을 평가하였다. 또한 본 논문을 통해 개발한 SFRC 콘크리트 궤도의 생산성과 경제성을 평가하기 위하여 Life Cycle Cost 분석을 수행하였으며, 이를 기존의 프리캐스트 콘크리트 궤도의 LCC 비용과 비교 분석하였다. 본 연구의 결과, 강섬유만으로 보강된 콘크리트 궤도 패널의 실험 휨강도는 극한한계상태의 휨 모멘트 보다 커서 구조적 안정성을 가지고 있음을 확인하였다. 한편, 구조시험결과에 따르면, 강섬유만으로 보강된 콘크리트 궤도 패널은 MC2010에서 규정하고 있는 2개의 Ductility requirements중에서 1개를 만족하는 것으로 확인되었다. 그러므로 사용한계상태에서 충분한 연성거동을 기대할 수 있다고 판단된다. 본 구조의 설계를 위해서 RILEM TC 162-TDF에서 제시하고 있는 SFRC의 인장강도를 수정 없이 그대로 사용하면 휨강도를 너무 과대평가하는 문제가 있음이 확인되었다. 이를 보완하기 위해서는 섬유방향계수 K를 적정하게 산정하고 이를 도입하여 인장강도를 감소시켜 주어야 안전한 설계가 가능하다. ACI 544와 NT Build 492에서 규정하고 있는 내충격성과 염소이온확산시험을 수행한 결과, 본 연구에서 사용하는 강섬유보강콘크리트 배합(5D-0.6%Vol.)의 내충격성능은 일반콘크리트의 두배, 염소이온확산계수는 일반콘크리트와 동일하다는 것을 확인하였다. 이와 같은 실험결과를 반영한 LCC 분석의 결과에 따르면, 강섬유보강 프리캐스트 콘크리트 궤도의 100년 동안의 총 비용이 일반 프리캐스트 콘크리트 궤도의 총 비용의 70%에 불과함을 확인하였다. This study is the first attempt in Korea, and the purpose of this study is to develop a precast slab track panel reinforced with steel fibers without steel reinforcing bars. To this end, the first Steel Fiber-Reinforced Concrete formulation suitable for track panel having with thin and wide shape was presented and the material performance was evaluated. Second, the structural performance requirements were established by designing and FE analyzing the slab track panel for high speed railway. Third, a full-size specimen was fabricated and the flexural performance test was performed until failure occurred. Since there is no performance evaluation standard for SFRC structures in Korea, the performance was evaluated according to the European standard fib Model Code 2010. In addition, life cycle cost analysis was performed to evaluate the productivity and economic feasibility of the SFRC slab track developed in this paper. As a result of this study, it was confirmed that the experimental flexural strength of the slab track panel reinforced only with steel fibers was higher than the required moment capacity for ultimate limit state, and thus it has structural stability. According to the structural test results, the slab track panel reinforced with only steel fibers satisfies one of the two ductility requirements specified in MC2010. Therefore, it is proved that sufficient ductile behavior can be expected in the service condition. For designing this slab panel, it was found that if the tensile strength model presented in RILEM TC 162-TDF was used without modification, the problem of overestimating the flexural strength was found. In order to compensate for this, a safe design is possible only if the fiber orientation coefficient K is properly calculated and introduced to reduce the tensile strength. According to the impact resistance and chlorine ion diffusion test specified in ACI 544 and NT Build 492, It was confirmed that the impact performance of steel fiber reinforced concrete formulation (5D-0.6% Vol.) is twice and chlorine ion diffusion coefficient is almost same as that of plain concrete. According to the results of the LCC analysis reflecting the experimental results, it was confirmed that the total cost for the 100 years of the steel fiber reinforced precast slab track was only 70% of the total cost of the general precast concrete slab track.

강섬유보강 철근콘크리트 구조체의 거동 평가

이재완 건국대학교 대학원 2012 국내석사

기존에 사용되고 있는 철근콘크리트 구조체는 콘크리트의 낮은 인장강도로 인해 철근만으로 인장영역을 담당하고 있다. 이로 인해 철근콘크리트 구조체내 철근량의 과대설계 및 자중증가의 우려가 있다. 이에 강섬유를 콘크리트의 보강재로 적용시키면 콘크리트의 인장저항 능력을 증대시키고 콘크리트의 전단강도와 연성능력을 증가시켜 철근의 사용량을 줄일 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 강섬유보강 콘크리트의 재료실험을 통해서 역학적 성능을 평가하고 이를 철근콘크리트 구조체에 적용함으로써 보강재로서의 강섬유보강 콘크리트의 적용성을 평가하였다. 강섬유보강 콘크리트의 역학적 성능 평가로 압축 및 휨성능 평가를 실시하였다. 압축강도 시험결과 강섬유의 혼입은 콘크리트의 압축강도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그리고 섬유의 혼입률이 높을수록 탄성계수가 증가하였고 포아송비는 탄성계수와 반비례하는 것으로 나타났다. 이는 콘크리트에 비하여 대단히 높은 탄성계수를 지니는 강섬유가 콘크리트 내에 포함되어 그 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 강섬유보강 콘크리트의 휨성능 평가결과 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 휨강도와 등가휨강도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 강섬유의 가교 작용으로 인해 균열발생에 대한 저항성을 증대시켰기 때문으로 판단된다. 또한 내화성능 확보를 위해 강섬유와 함께 PP섬유를 혼입한 경우의 휨성능 향상은 미비한 것으로 나타났다. 그 이유는 PP섬유가 초기균열 제어에는 효과적이지만 콘크리트의 구조적인 성능에는 큰 영향을 미치지 않았기 때문으로 판단된다. 강섬유보강 콘크리트의 재료적 성능평가 결과를 토대로 이를 철근콘크리트 구조체에 적용함으로써 소요의 전단보강근을 줄여 구조적인 거동을 평가하였다. 그 결과 강섬유를 보강함으로써 전단철근량을 줄여나감에도 불구하고 기존의 철근콘크리트 구조체와 동등한 성능을 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 철근콘크리트 구조체에 강섬유를 보강함으로써 철근의 사용량을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. Existing reinforced concrete structure that is used in the tensile strength of concrete is low. Therefore rebar is in charge of the tensile area. This causes oversizing of reinforced concrete structure and self-weight is of increasing concern. Reinforcement of concrete with steel fiber using tensile resistance of concrete increases capacity. Therefore, the ability of the concrete shear strength and ductility increases. Then will be able to reduce the amount of rebar. In this study, steel fiber reinforced concrete was the material conducted experiments. Through this evaluated the mechanical performance of concrete. By applying the reinforced concrete structures as reinforcement steel fiber reinforced concrete was applied evaluate. To evaluate mechanical performance of steel fiber reinforced concrete we conducted compression and flexural performance evaluation. Compressive strength test results showed that concrete that mixing steel fiber did not affect compressive strength of concrete. And the higher the rate of incorporation of the fibers increased elastic modulus and Poisson's ratio show inversely proportional to the modulus of elasticity. Because steel fiber that have higher modulus of elasticity than concrete affected Flexural performance evaluation of steel fiber reinforced concrete showed increased flexural and equivalent flexural strength according to increased mixing of steel fiber. Because bridge effect of steel fiber augment resistance to cracking. In addition, to ensure fire performance in case of mixing PP fiber with steel fiber flexural performance elevation showed incomplete improvement. Because PP fiber gave concrete good effect for initial crack control but did not have effect for structural performance of concrete. Based on materials performance evaluation of steel fiber reinforced concrete by appling to reinforced concrete structures we evaluated shear reinforcing bar that was reduced. As a result, Although we go out to reduce shear reinforcing bar by reinforcing steel fiber we get equivalent performance that is existing reinforced concrete structures. Based on these results, reinforced concrete structure, reinforced by steel fiber can reduce the amount of rebar.

강섬유보강 콘크리트의 전단강도에 관한 실험적 연구

곽규영 明知大學校 大學院 2002 국내석사

강섬유보강 콘크리트는 콘크리트의 인장강도와 균열에 대한 저항성을 높이거나, 인성을 대폭 개선하는 등의 목적으로 짧은 섬유상태의 재료를 일정하게 분산시키는 복합재료이다. 일반 콘크리트에 비해 여러 재료특성의 우수함이 많은 실험을 통해 증명되었다. 강섬유보강 콘크리트의 용도 개발이 활발히 진행되고 있고, 도로와 공항의 포장, 터널 라이닝, 콘크리트 2차제품, 굴착 사면의 보호공 등에 적용되고 있다. 본 논문에서는 강섬유보강 콘크리트의 설계시 재료특성인 전단강도의 고려를 위하여 강섬유의 함량과 형상비를 실험 변수로 한 직접전단 실험을 실시하여 강섬유보강 콘크리트의 전단강도에 대해 검토하였다. 직접 전단시험체 162개와 휨인장강도 공시체 90개, 압축강도 공시체 90개, 총 252개의 빔공시체와 90개 압축공시체를 제작하였으며, 강섬유함량 - 휨인장강도, 휨인장강도 - 전단강도, 강섬유길이 - 전단강도, 강섬유함량 - 전단강도의 관계를 검토하여 각각의 재료특성의 변화에 따른 전단강도의 변화를 검토하였다. 기존의 설계를 위한 전단강도의 예측에 관한 공식을 검토하고, 직접전단 강도의 실험을 통한 직접전단강도의 값을 비교하여 강섬유 함량에 따른 예측식을 제안하였다. 또한 기존의 설계 펀칭전단강도의 추정식과 직접전단강도의 관계를 검토하여, 직접전단강도를 고려한 설계펀칭 전단강도 예측식을 제안하였다. This experimental study were carried out in order to investigate the shear strength of steel fiber reinforced concrete. 96 specimen were tested for shear strength and 32 specimen for flexural. Test parameters were the volume fraction of steel fiber and aspect ratio. Test results show that shear strength are increased as fiber content and aspect ratio increase. The procedure proposed in this study is the simple method for calculating the shear strength in terms of steel-fiber volume fraction and concrete compressive strength. To verify the proposed equations the experimental result were compared with those from other researches such as equations of ACI code 318-95, Narayanan, Iman, Sharma, and Ashour. For the proposed equation, the mean value of the ratio of the measured to calculated shear strength was 93%.

강섬유를 보강한 순환골재 콘크리트충전 용접조립 각형강관 기둥의 전단성능에 관한 연구

김태현 서울시립대학교 도시과학대학원 2021 국내석사

최근 주거환경 개선을 위한 재건축과 도시 인프라 구축을 위한 노후 시설물의 철거 및 해체로 인한 건설폐기물의 발생량은 해 마다 점진적으로 증가하고 있다. 환경부의 2019년 연도별 폐기물 발생 현황에 따르면 ‘19년도 총 폐기물 발생량(497,238톤/일)은 전년도 대비 약 11.5% 증가하고 있으며, 그중 건설폐기물(221,102톤/일)은 약 44%를 차지하고 있다. 또한 천연골재의 무분별한 채취와 수도권 매립지의 사용종료 예정으로 인해 매립시설의 부족이 예상됨에 따라 환경오염 및 자원고갈 문제의 대체자원으로 순환골재의 활용에 대한 사회적 관심이 증가하고 있다. 정부는 순환골재를 건축물의 신축공사를 위한 골조 공사에 활용하면 용적률 및 높이 완화 등 순환골재 활성화를 위한 다양한 정책을 내세우고 있다. 그러나 순환골재를 구조부재로 활용하기에는 품질에 대한 사회적 인식이 좋지 않으며, 불안정한 구조성능으로 인해 콘크리트용이 아닌 주로 부가가치가 낮은 도로공사용이나 성·복토용 등의 용도에만 국한되어 사용되고 있는 실정이다. 콘크리트용 순환골재의 활용성이 제한적인 이유는 기존 구조물의 철거 및 파·분쇄 과정에서 남아있는 순환골재 표면의 시멘트 페이스트가 원인이며, 이로 인해 골재의 흡수율이 높아지고 밀도가 낮아짐에 따라 천연골재 대비 내력 및 내구성이 저하된다. 또한 Shrinkage 및 Creep 현상 등이 증대되어 콘크리트 골재로 사용시 취성적인 성질 등에 취약해지는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 순환골재 콘크리트의 구조적 성능 개선과 동시에 합성효과를 증대시키기 위한 방안으로 순환골재 콘크리트에 강섬유를 혼입하여, 강섬유가 가진 재료적 특성에 따라 순환골재 콘크리트의 구조적 단점과 역학적 특성을 개선하고자 한다. 또한, 용접조립 각형강관에 충전하여 강관 구속효과에 따른 순환골재 콘크리트의 구조적 성능을 개선하고자 한다. 이와 같이 강섬유 보강 용접조립 각형강관 기둥의 전단성능 검토를 위한 실험을 수행하여 탄성 및 비탄성 영역에서의 전단성능과 거동을 평가하고 각 변수(강섬유 혼입, 골재종류, 전단스팬비, 엔드플레이트 장착)들이 전단성능에 미치는 영향에 대해서 분석하여 구조부재 사용에 대한 적합성을 검토하였다. 강섬유 보강 순환골재 콘크리트충전 용접조립 각형강관의 전단성능 실험 및 분석 결과를 통해 얻은 결론은 다음과 같다. (1) 콘크리트의 재료별 압축강도는 재령일 7일, 14일, 28일의 양생기간에 비례하여 증가하는 일반적인 거동을 나타내었으며, 재령일 28일 기준 강섬유 순환골재 콘크리트의 압축강도가 무보강 순환골재 콘크리트의 압축강도 보다 미비하지만 약 9% 개선됨을 확인하였다. 이는 순환골재 콘크리트에 강섬유를 보강함에 따라 압축응력에 의해 발생되는 미세균열의 진전 억제가 작용되어 무보강 순환골재 콘크리트보다 압축성능이 개선되었다고 판단된다. (2) 모든 실험체의 하중-변위 관계는 하중과 변위가 비례하게 증가하는 탄성거동을 나타내었으며, 항복 이후에도 완만한 소성거동을 나타내었다. 실험값과 국내 건축물 강구조 설계기준인 KDS 41 31 00의 전단설계식 및 평가식의 예측값을 무차원화 하여 비교한 결과, 실험값이 설계식보다 2.27배~2.66배 높은 값이 나타났으며, 실험값과 평가식의 비교에서는 1.37배~1.54배 높은 값을 나타내었다. 이는 강관과 콘크리트의 전단강도를 모두 고려한 평가식에서 실험값과 더 가까운 값을 보여 각형CFT의 전단강도 산정 시 콘크리트의 전단강도를 반영함이 합리적인 설계가 가능할 것으로 판단된다. (3) 순환골재 콘크리트충전 실험체에 강섬유보강 시 실험값에 의해 1.03~1.07배 전단강도가 증진되는 것을 알수 있다. 또한, 실험값과 평가식의 예측값을 비교하여 순환골재 콘크리트 충전 실험체는 실험값이 설계식보다 1.37~1.47배 전단강도가 높게 나타났으며, 강섬유보강 순환골재 콘크리트 충전 실험체는 1.46~1.52배 높은 전단강도를 나타내었다. 이는 콘크리트 내부의 강섬유의 가교작용으로 전단에 의한 사인장균열을 억제하고 응력을 재분배하기 때문에 전단성능이 증진되는 것으로 판단된다. (4) 실험체 양 끝단의 엔드플레이트 부착 시 전단강도에 미치는 영향을 검토하고자 엔드플레이트 부착 유무를 변수로 설정하여 비교하였을 때, 유사한 결과를 나타내었다. 또한, 실험값과 평가식 예측값을 비교 시 천연골재 콘크리트 충전 실험체에서 1.52배~1.54배, 순환골재 콘크리트 충전 실험체에서 1.47배로 나타났으며, 강섬유보강 순환골재 콘크리트 충전 실험체는 1.50~1.52배로 나타났다. 이와 같이 엔드플레이트의 부착 유무가 전단강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 판단된다. (5) 순환골재 콘크리트 충전 실험체는 천연골재 콘크리트 충전 실험체와 동일하게 전단스팬비가 증가할수록 전단 강도가 낮아짐을 확인하였다. 실험값과 평가식 예측값 비교 시 전단스팬비가 증가할수록 천연골재 콘크리트 충전 실험체는 0.93배 감소하였으며, 순환골재 콘크리트 충전 실험체는 0.90배 감소, 강섬유보강 순환골재 콘크리트 충전 실험체는 0.96배 감소하여 강섬유보강 시 전단성능의 감소율은 현저히 줄어드는 것을 알 수 있다. 이는 전단스팬비가 증가할 때 전단파괴를 휨파괴에서 전단파괴로 유도함에 따라 강섬유보강 시 전단강도 증진효과가 향상되는 것으로 판단된다. (6) 실험체의 응력-변형률은 순환골재 콘크리트 충전 실험체의 변형률이 커지는 경향을 나타내었지만, 실험체가 전단응력 150MPa 받을 때 까지 각 실험체의 변형률 차이는 0.0001미만으로 나타났다. 실험체의 전단응력이 증가할수록 콘크리트의 재료 구성 변화보다는 전단스팬비의 증가에 의해 변형률이 증가하는 영향을 나타내었다. (7) 강관 내부 콘크리트의 파괴시의 변형률을 0.003을 기준으로 하였을 때, 순환골재 콘크리트 충전 실험체의 경우 전단응력이 저하하였지만, 강섬유를 보강함에 따라 전단응력이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 강섬유보강 효과에 따라 응력을 받을 때 다공층에서 콘크리트와 강섬유간의 풀림 현상으로 인하여 사균열전단응력이 증가되는 것으로 판단된다. Recently, the amount of construction waste generated by the demolition and dismantling of old facilities for reconstruction and urban infrastructure construction for improving the residential environment is gradually increasing every year. According to the current status of waste generation by the Ministry of Environment in 2019, the total amount of waste generated in 2019 (497,238 tons/day) increased by about 11.5% compared to the previous year, and construction waste (221,102 tons/day) accounts for about 44%. In addition, as the shortage of reclamation facilities is expected due to the reckless collection of natural aggregates and the planned termination of landfills in the metropolitan area, social interest in using recycled aggregates as an alternative resource for envirnmental pollution and resource depletion is increasing The government is proposing various policies to revitalize recycled aggregate, such as reducing floor area ratio and height, when recycled aggregate is used for frame work for new construction. However, the social awareness of quality is not good for using recycled aggregate as a structural member, and due to unstable structural performance, it is mainly used for road construction with low added value, and is limited to uses such as construction and covering, not for concrete. The limited usability of recycled aggregate for concrete is due to the cement paste on the surface of the recycled aggregate remaining in the process of demolishing and crushing existing structures. and durability is reduced. In addition, shrinkage and creep phenomena are increased, so it has the disadvantage of being vulnerable to brittle properties when used as a concrete aggregate. In this study, as a method to improve the structural performance of recycled aggregate concrete and increase the synthesis effect at the same time, steel fibers were incorporated into recycled aggregate concrete to improve the structural disadvantages and mechanical properties of recycled aggregate concrete according to the material properties of the steel fibers. In addition, it is intended to improve the structural performance of recycled aggregate concrete according to the steel columns restraint effect by filling the welded-assembled rectangular steel columns. In this way, an experiment was conducted to review the shear performance of the steel fiber reinforced welded-assembled rectangular steel pipe column to evaluate the shear performance and behavior in the elastic and inelastic regions, and each variable (steel fiber mixing, aggregate type, shear span ratio, and end plate installation) was The suitability for use of structural members was reviewed by analyzing the effect on shear performance. The conclusions obtained through the shear performance test and analysis results of the steel fiber reinforced recycled aggregate concrete filled welded-assembled rectangular steel columns are as follows. (1) The compressive strength of concrete by material showed a general behavior that increased in proportion to the curing period of 7 days, 14 days, and 28 days of age. It was confirmed that the compressive strength was less than that of the compressive strength, but improved by about 9%. It is judged that the compression performance is improved compared to that of non-reinforced recycled aggregate concrete as steel fibers are reinforced in recycled aggregate concrete to suppress the progress of micro cracks caused by compressive stress. (2) The load-displacement relationship of all specimens showed elastic behavior with proportionally increased load and displacement, and showed gentle plastic behavior even after yielding. As a result of dimensionless comparison of the experimental value and the predicted values ​​of the shear design equation and evaluation equation of KDS 41 31 00, the domestic building steel structure design standard, the experimental value was 2.27 to 2.66 times higher than the design equation, and the experimental value and the evaluation equation In the comparison of , the values ​​were 1.37 to 1.54 times higher. This is closer to the experimental value in the evaluation formula that considers both the shear strength of steel pipe and concrete, so it is judged that a reasonable design is possible by reflecting the shear strength of concrete when calculating the shear strength of prismatic CFT. (3) It can be seen that the shear strength is increased by 1.03 to 1.07 times according to the experimental value when the steel fiber is reinforced in the recycled aggregate concrete filling specimen. In addition, by comparing the experimental value and the predicted value of the evaluation formula, the specimen filled with recycled aggregate concrete showed 1.37 to 1.47 times higher shear strength than the design formula, and the specimen filled with steel fiber reinforced recycled aggregate concrete showed a shear strength that was 1.46 to 1.52 times higher. indicated. It is judged that the shear performance is improved because the crosslinking action of the steel fibers inside the concrete suppresses sinusoidal cracking caused by shear and redistributes the stress. (4) In order to examine the effect on shear strength when attaching the end plates to both ends of the specimen, similar results were obtained when comparing whether or not the end plates were attached as a variable. Also, when comparing the experimental value and the predicted value of the evaluation formula, it was found to be 1.52 to 1.54 times higher in the natural aggregate concrete filling test sample, 1.47 times higher in the recycled aggregate concrete filling test sample, and 1.50 to 1.52 times higher in the steel fiber reinforced recycled aggregate concrete filling test sample. As such, it is judged that the effect of the attachment of the end plate on the shear strength is insignificant. (5) It was confirmed that the shear strength of the recycled aggregate concrete filled specimen decreased as the shear span ratio increased in the same way as the natural aggregate concrete filled specimen. When the experimental value and the evaluation formula predicted value were compared, as the shear span ratio increased, the natural aggregate concrete filled specimen decreased 0.93 times, the recycled aggregate concrete filled specimen decreased 0.90 times, and the steel fiber reinforced recycled aggregate concrete filled specimen decreased 0.96 times. It can be seen that the rate of decrease is significantly reduced. It is judged that when the shear span ratio is increased, the shear strength enhancement effect is improved when the steel fiber is reinforced as the shear failure is induced from the flexural failure to the shear failure. (6) The stress-strain of the specimen showed a tendency to increase in the strain rate of the specimen filled with recycled aggregate concrete, but the difference in strain of each specimen was less than 0.0001 until the specimen received a shear stress of 150 MPa. As the shear stress of the specimen increased, it was shown that the strain increased by the increase of the shear span ratio rather than the change in the material composition of concrete. (7) When the strain rate at the time of destruction of the concrete inside the steel pipe was set as 0.003, the shear stress decreased in the case of the recycled aggregate concrete filled specimen, but it was found that the shear stress increased as the steel fiber was reinforced. It is judged that the dead crack shear stress increases due to the annealing phenomenon between the concrete and the steel fiber in the porous layer when subjected to stress according to the steel fiber reinforcement effect.

강섬유 보강 철근콘크리트의 구조 해석을 위한 재료 모델

이병호 서울대학교 대학원 2013 국내석사

강섬유의 보강은 콘크리트 구조물의 균열 발생 이후에도 균열면의 강섬유가 균열폭이 확대되는 것을 방지하고 구조물의 연성도를 충분히 확보해주는 기능이 있다. 이러한 장점을 가진 강섬유를 구조적인 재료로써 활용하기 위해서는 강섬유 보강 콘크리트의 거동을 규명하고, 해석 및 설계를 위한 재료 모델의 확립을 위한 연구가 필요하다. 재료 모델의 확립을 위한 일련의 연구 진행과정 중에 최근 철근이 없는 강섬유 보강 콘크리트의 일축거동에 대한 연구를 통해 재료 모델을 개발하였다. 하지만 강섬유 보강 콘크리트의 구조적 거동을 규명하기 위해서는 철근이 강섬유와 함께 보강될 경우에 대한 일축거동 재료 모델에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 단조 및 반복 일축 하중 하에서 철근이 보강된 강섬유 콘크리트 인장증강 실험과 단조 일축 하중 하에서 횡구속된 강섬유 보강 콘크리트의 압축 실험을 수행하였다. 실험 결과와 기존 연구와의 비교를 통해 강섬유 보강 철근콘크리트의 인장거동모델을 검증하고, 횡구속된 강섬유 보강 콘크리트의 압축거동 모델을 제안하였다. 본 연구를 포함한 강섬유 보강 콘크리트의 일련의 재료모델 연구를 토대로 개발된 해석 모델들을 사용하여 보와 기둥 부재의 구조해석을 수행하였고, 그에 따른 결과를 분석하여 강섬유 보강 철근콘크리트의 재료모델의 부재 단위에의 적용 가능성과 타당성을 검토하였다.

반복인장하중을 받는 강섬유보강 콘크리트의 거동

민다혜 서울대학교 대학원 2012 국내석사

최근 구조물들이 장대화, 고층화, 대형화 됨에 따라 압축력에 대한 저항성은 크지만, 인장력에 취약하여 바람과 지진과 같은 하중에 노출 시, 취성적으로 거동하는 콘크리트 취약점을 보완하려는 연구가 활발하다. 그 중에서도 강섬유 보강 콘크리트는 균열 발생 시 섬유의 저항에 의해 균열폭이 증가하는 것을 방지하여 사용성을 증대하고, 균열 이후 연성을 증가하여 내진성 강화에 효과적인 방안으로 제시되고 있다. 하지만 강섬유는 숏크리트 등 단순 보강재로 이용되어 왔고, 기존 강섬유 보강 콘크리트의 거동 모델이 실제 실험과는 많은 차이를 보여 현재 강섬유를 구조재로 이용하기에는 한계가 있다. 그러므로 강섬유를 구조재로 이용하기 위해서는 강섬유 보강 콘크리트의 거동을 규명하고, 해석 모델을 개발하여, 해석 모델의 실제 철근콘크리트 부재에 대한 적용 가능성, 타당성 검증이 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 강섬유의 형상비, 혼입률, 콘크리트의 설계 강도를 변수로 하여 반복 일축 인장 하중을 받는 강섬유 보강 콘크리트의 실험을 통해 인장 거동을 분석하고, 기존 연구와 비교하였다. 또한 기존 모델과 제안 모델을 바탕으로 반복 하중을 받는 철근콘크리트 부재의 휨 거동을 해석하고, 그에 따른 결과를 분석하여 철근 콘크리트 부재에 적용 가능성과 타당성을 검토하였다.