강섬유를 보강한 순환골재 콘크리트충전 용접조립 각형강관 기둥의 전단성능에 관한 연구 = A Study on the Shear Performance of Built-up Square Welded Steel Columns Concrete with Steel Fiber Filled Recycled Aggregate

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 3
• 1. 연구배경 3
• 2. 연구목적 5
• 제2절 연구내용 및 방법 5
• 1. 연구내용 6
• 2. 연구방법 7
• 제2장 선행연구 동향 및 관련 규준 9
• 제1절 선행연구 분석 11
• 제2절 재료적 특성 13
• 1. 강섬유 보강 콘크리트 13
• 2. 순환골재 콘크리트 19
• 제3절 CFT 전단실험 27
• 1. Xu et al. 27
• 2. Xiao et al. 31
• 제4절 평가식 및 규준 33
• 1. 기존 연구 평가식 고찰 33
• 2. 국내·외 각형강관 전단 규준 35
• 제3장 전단성능 평가 실험 39
• 제1절 개요 41
• 제2절 실험계획 42
• 제3절 제작, 가력 및 측정 방법 45
• 제4절 실험결과 49
• 1. 재료시험 49
• 2. 하중–변위 관계 54
• 3. 초기강성 및 전단강도 58
• 4. 실험체 파괴모드 60
• 제5절 요약 64
• 제4장 분석 및 고찰 65
• 제1절 강섬유 보강효과 67
• 1. 강섬유 보강유무에 따른 영향 67
• 2. 엔드플레이트의 영향 68
• 3. 전단스팬비의 영향 71
• 제2절 전단강도 내력식 비교 73
• 제3절 합성단면의 응력-변형률 76
• 제5장 결론 83
• ◎ 참고문헌 89
• ◎ 부 록 95
• ◎ ABSTRACT 109
• ◎ 감사의 글 116