강섬유 보강 철근콘크리트 보의 최소 철근비 = Minimum reinforcement ratio of steel fiber reinforced concrete beam
최근 철근콘크리트(이하 RC) 구조물에 섬유보강콘크리트를 적용하여 내구성을 증진시키려는 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 최소철근비로 보강된 철근콘크리트 휨부재에 강섬유를 적용하는 연구를 수행하였다. 최소철근비는 외력에 의한 단면력이 매우 적어 인장보강이 극히 적거나 필요 없는 경우라 할지라도 급격한 취성파괴를 방지하기 위하여 반드시 배근해야하는 최소철근량을 콘크리트 단면으로 나눈 비를 의미한다. 지중과 지상에 설치되는 상당수의 철도구조물은 고정하중이 지배적인 구조로서, 인장성능 보강을 위한 소요철근량이 매우 적은 최소철근보강 구조에 해당되기 때문에 본 논문은 다양한 철근콘크리트 시설물에 적용될 수 있다.
본 연구의 목적은 구조설계기준에서 정의하고 있는 최소철근과 그 이하로 보강된 철근보강강섬유보강콘크리트(이하 R/SFRC) 휨부재의 성능을 검증하고, 강섬유가 성능에 미치는 영향을 분석하고, 그 결과를 토대로 R/SFRC 휨부재의 사용한계 및 극한한계상태에서의 최소철근모델을 제시하는 것이다. 이를 위하여 최소철근비와 그 이하의 철근비로 보강된 RC와 R/SFRC 보를 총 40개 설계, 제작하고 휨에 의하여 파괴시까지 실험하였다. 철근비는 국내 콘크리트구조기준의 최소철근비, 최소철근비의 78%, 66%, 44%로 하였으며, 강섬유 혼입비는 체적비 0.25%, 0.50%, 0.75%, 1.0%로 하였다. 최종파괴시 균열조사, 하중-변위 및 하중-인장철근 변형률과 연성도의 변화를 분석하였다.
RC 휨부재의 실험결과, 최소철근비로 보강된 보와 이의 78%로 보강된 보는 충분한 구조적 성능과 균열제어 성능을 가지고 있는 반면, 최소철근비의 66%, 44%만 보강된 보는 극한하중이 균열하중의 1.2~1.4배에 불과하고, 휨변형이 소수의 휨균열에 집중되는 등 취성적인 거동을 나타내었다.
일반 콘크리트 대신에 혼입비 0.25~1%의 강섬유보강콘크리트를 적용한 R/SFRC보의 실험결과, 강섬유는 변형수용능력의 향상과 균열제어에 매우 효과적인 것으로 확인되었다. 반면, R/SFRC 보의 항복 및 극한하중의 증가는 있었지만, 그 증가가 크지 않아 효율적인 측면에서 강섬유가 하중저항성능의 증진에 미치는 기여는 제한적인 것을 확인하였다.
R/SFRC의 실험결과 중 균열하중과 극한하중의 비를 최소철근지수, 항복변위와 극한변위의 비를 연성지수로 정의하여 분석한 결과를 선형회귀분석하였다. 이 결과를 토대로 R/SFRC 휨부재의 사용한계 및 극한한계의 최소철근비 모델을 제시하였다. 제시된 모델은 각각 기존의 타 연구자의 실험과 fib Model Code 2010의 설계식과 비교함으로서 적정하고 보수적인 모델임을 검증하였다.
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