M. D. Kostovos, and S. H. Perry,
Behaviour of Concrete Subjected to Passive Confinement,
Materials and Structures, vol.19, 1986, pp.259-264
[초록]
이 논문은 구속된 콘크리트의 거동에 대한 실험적 고찰과 관련되어 있다. 수동구속을 받는 콘크리트의 거동이 강관에 의해 구속된 콘크리트 시험체를 실험함으로써 조사된다. 그리고나서 유압잭에 의해 능동구속을 받는 콘크리트에 대한 기존의 실험에 의한 결과들과 비교된다. 거동은 구속을 제공하는데 사용된 방법에 따라 상당히 다르고 이 논문은 이런 실험방법에 의해 달라지는 차이의 원인을 밝히려는 시도이다.
[소개]
콘크리트 부재를 서로 직각인 두 방향에서 구속함으로써 제3의 방향의 극한압축강도가 상당히 증가한다는 것은 익히 알려져있다. 실제로 구속은 보통 수동적이고 콘크리트의 부피팽창에 의해 철에 부과되는 인장변형도에 의해 콘크리트에 압축응력을 유발하는 철(예를 드면 나선근)에 의해 제공된다.
이런 경계조건 아래서 콘크리트의 거동은 하중판이나 유압을 통해서 유발되는 다양한 상태의 다축의 일정한 능동 압축응력이나 변형도를 받는 정방체나 원통형 시험체와 같은 무근 콘크리트 시험체를 실험함으로써 조사된다. 그러나 이런 정보는 철근에 의해 제공되는 수동구속을 모델링하기에 충분하지 않다. 어우기 철근이 일정한 구속압을 제공한다고 가정하는 경우에도 마찮가지이다.[1] 사실 대부분의 경우에서 이런 정보만으로는 철근의 다양한 배열상태에 의해 구속된 콘크리트의 강도와 변형특성을 분석적으로 기술하는 것이 불가능하다.[2-4]
철근이 잘 배근된 콘크리트의 거동을 조사함으로써 구속의 효과는 구속을 제공하기 위해서 사용된 실험방법에 따라 매우 다르다는 것을 알 수 있다. 이 논문에서는 구속효과의 실험방법에의 의존성이 어디에서 연유하는지를 조사한다. 왜냐하면 이런 원인에 대한 이해는 철근에 의해 구속된 콘크리트 거동의 실제적인 모델링에 필수적이기 때문이다.
다양한 두께를 가지는 강관에 의해 구속된 원통형 콘크리트 시험체가 압축하중을 받는 실험에서 실험적 증거를 얻을 수 있다. 이 실험에서 얻어진 결과들은 압축하중을 받는 원통형 시험체의 횡방향 부피팽창이 유압에 의해 제한되는 기존의 실험프로그램에서 얻어진 결과들과 비교된다.[5] 제시된 실험적 정보들은 접합부(joint)의 설계에 직접 실제적으로 적용될 수 있다. 왜냐하면 콘크리트를 구속하는 현재의 작업에서 기술된 방법이 이미 영국 공학건설회사에서 사용되었기 때문이다.[6,7] 예를 들면 건축물 시공에서 프리캐스트 H형 골조의 접합부를 들 수 있다.
[실험의 기술 Experimental Details]
이 프로젝트는 횡방향의 일정한 수동구속이 압축하중을 받는 콘크리트의 강도와 변형거동에 미치는 영향을 실험적으로 조사하기 위한 것이다. 구속은 시험체가 그 안에 타설된 강관에 의해 제공된다. 시험체의 단면, 강관의 두께와 콘크리트의 배합특성이 3000kN의 일축시험기계를 사용해 가능한 한 넓은 응력분포역을 조사하기 위해서 변수로 선택되었다.
시험체에 정의될 수 있는 응력상태를 적용하기 위해서는 부차적인 시험절차의 영향(secondary testing procedure effects)을 최소화하는 것이 필수적이다. 본 논문에서 기술된 실험에서 그런 영향들은 마찰에 의한 제한(frictional restraints)에 의해 유발될 수 있는데, 이는 (1) 원통형 시험체의 끝과 하중판 사이에 그리고 (2) 원통형 시험체의 굽은 측면과 강관의 내부면 사이에서 증가하는 하중에 의해 생길 수 있다. (1)이 시험체의 거동에 미치는 영향은 높이/직경비를 증가시키면 작아지는 반면에, (2)의 경우는 오히려 커지는데, 왜냐하면 주어진 시험체의 직경에 대해서 시험체의 높이가 커질수록 접촉면적은 더 넓어지기 때문이다. 따라서 주어진 직경에 대해서 이런 부정적인 마찰력을 최소화하기 위해서는 최적의 시험체 높이가 선택되어져야 한다.
-시험체(Specimens)
프로그램에 사용된 실험체의 콘크리트 코어는 직경 76.2mm의 원통형이다. 시험체 단부와 강관 사이의 마찰구속력의 영향을 조사하기 위해서, 같은 벽두께(6.35mm)와 역학적 특성(항복강도 fy=542 N/mm2, 탄성계수 E=207 kN/mm2 그리고 포아송비 v=0.3) 그리고 높이가 각각 76.2, 152.4, 228.6 mm인 강관으로 구속된 같은 배합의 콘크리트 시험체가 같은 경계조건 아래서 실험되었다. 각각의 높이에 대해 세 개의 공시체가 실험되었다.
공시체의 측면과 강관 사이의 마찰을 줄이기 위해서 두 가지 방법이 제공되었다. (1) 얇은 층의 기름이 강관의 내부면에 입혀지고 (2) 폴리텐 쉬트가 강관 내부면에 칠해진 기름층과 공시체의 사이에 끼여졌다. 이런 두가지 방법 각각을 사용해서 세 가지 시험체가 실험되었다.
-콘크리트 배합(Concrete Mixes)
골재와 몰탈 매트릭스의 강도특성이 공시체의 거동에 미치는 영향을 골재와 몰탈 매트릭스의 공극을 변화시킴으로써 조사했다. 배합은 일반적인 포틀랜드 시멘트, 최대 10mm 크기의 골재와 약 0.55의 유효 물시멘트비를 사용했다. 세 유형의 골재, 석회와 두 가지의 자갈을 공극 0.5, 8, 20%로 하여 각각 실험에 사용되었다. 몰탈 매트릭스 공극의 영향을 조사하기 위해서 낮은 공극의 자갈의 것과 비슷한 콘크리트 배합이 공기제를 사용하여 6% 공기량을 갖는다. 배합의 자세한 사항은 표 1과 같다.
-강관(Steel Tube)
콘크리트를 구속하기 위해 사용된 강관은 또한 콘크리트 거푸집 역할도 하므로, 콘크리트 코어를 정확히 채운다. 강관의 두께는 1.6, 6.35, 12.7 mm이다. 이 두께를 사용해서 충분히 넓은 영역에 걸친 응력공간에서의 조사가 가능했다.
-시험(Testing)
압축하중이 3000kN 용량의 Amsler 시험기를 통해 분당 약 14N/mm2의 속도로 가해졌다. 사용된 하중판의 직경은 공시체의 직경보다 작다. 작용 하중은 압력 트랜스듀서를 통해 측정된 반면에 콘크리트의 축변형은 하중판과 하중판 사이의 측정된 변위에서 실험을 위한 골조와 보조판의 변형으로 인한 변위를 뺌으로서 측정되었다.
변위는 공시체 주위에 90도씩 떨어져 배치된 네 개의 LVDT를 사용해 측정된다.[그림1] 강관의 축변형과 횡변형은 반대편에 서로 설치된 전기저항 변형도게이지를 사용해서 측정된다. 하중, 변위, 그리고 변형도 측정은 HP-85 컴퓨터 자동기록계를 사용해서 초당 10 채널의 비율로 실험을 통해 계속 기록되었다. 자동기록계는 실험전에 미리 눈금이 매겨졌고 민감도 2 마이크로 변형도와 0.002 mm로 측정이 가능하도록 조절되었다.
[실험결과]
조사한 주요 결과는 [그림2]에서 [그림7]에 나타나있다. [그림2]는 압축력을 받는 여러 가지의 높이/직경비를 갖는 실험체의 6.35 mm 두께 강관의 외부면에 생긴 축압축응력과 원주방향의 인장탄성응력의 관계를 나타낸다. 탄성응력은 강관의 측정된 변형도와 강관의 탄성상수를 사용해서 후크의 법칙을 이용해 계산되었다. 높이/직경비가 두께 6.35 mm의 강관으로 구속된 공시체의 최대 하중지지능력에 미치는 영향이 [그림3]에 표시되었다. 여기에는 비구속된 공시체에 대한 실험결과도 포함한다.
[그림4]와 [그림5]는 콘크리트 코어에 대한 축방향의 응력-변형도 관계를 나타낸다. 각각의 응력-변형도 곡선은 세 가지 실험의 평균치를 나타낸다; 그리고 축응력은 일축공시체 압축강도에 의해 정규화되었다. 축방향 응력은 처음의 콘크리트 코어 직경보다는 실제값을 바탕으로 계산되었다. 반면에 축방향 변형도는 처음의 시험체 높이에 의해 정규화된 단부표면 사이의 상대 변위를 나타낸다.
[그림6]은 실험체가 받는 응력 경로(stress path)를 나타낸다. 실험에서 얻어진 콘크리트의 전형적인 축응력-축변형도 관계가 [그림7]에 나타나있다. 또한 콘크리트의 횡방향으로의 부피팽창이 수압에 의해 제한되는 또다른 실험방법을 사용함으로써 부과되는 유사한 응력조건 아해서 콘크리트를 기술하는 위에 상응하는 관계도 포함되었다.[5]
[결과분석 Discussion of Results]
[그림2]를 보면 기름층이 오직 높이/직경비가 1인 시험체에만 콘크리트와 강관 사이의 마찰을 줄이는데 유효함을 알 수 있다. 이는 강관의 축방향으로 작은 압축응력이 생기는 것으로 알 수 있다. 주어진 원주방향의 인장응력에 대해서, 강관에 생기는 축방향압축응력은 높이/직경비가 커질수록 증가하는데 이는 마찰이 현저해짐을 의미한다. 그러나 비구속된 콘크리트 시험체와 마찬가지로 콘크리트와 하중판 사이의 마찰응력이 높이/직경비 1.0인 시험체의 거동에 미치는 영향은 내력성능의 상당한 증가를 일으키는 것이다.[그림3] 반면에, 2이상의 높이/직경비를 갖는 시험체에서는 마찰력의 영향이 미미한 듯하며, 내력성능에 거의 차이가 없는 것으로 알 수 있다. 더 나아가 기름칠이 된 강관과 콘크리트 사이에 폴리텐 쉬트를 넣음으로써 측벽의 마찰력은 무시할 수 있을 정도로 된다. 이는 [그림1]의 높이/직경비 2인 시험체에 대한 강관의 작은 압축응력에 의해 알 수 있다. 따라서 주된 결과치들은 높이/직경비 2인 시험체에서 얻어졌으며 폴리텐 쉬트가 기름칠된 강관 내부면과 콘크리트 사이에 끼여졌다.
[그림4]는 세가지 다른 두께의 강관으로 구속된 석회콘크리트의 축응력-축변형도의 관계를 나타낸 것이다. [그림6]처럼 서로 다른 두께는 서로 다른 응력 경로를 보인다. [그림4]에서 가장 얇은 두께의 강관의 경우 콘크리트의 거동은 계속해서 줄어드는 강성에 의해 특징지워지는 것을 주의할만하다. 나머지 다른 두께에 대해선 응력-변형도 관계가 다른 경향을 보이는데, 두꺼울수록 심하다. 이 경향이란 콘크리트 거동의 다음의 세가지 명확한 단계에 의해 특징지워질 수 있다 :
단계 A. 콘크리트의 강성이 점차적으로 줄어든다.
단계 B. 위 단계의 경향이 급작스럽게 반전되고 강성의 증가가 현격하다.
단계 C. 이 단계는 강관의 항복에 의해 시작된다. 이전 경향을 다시 역전시키고 내력성능의 감소로 이어진다. 강관의 파괴는 사실 B단계에 돌입하기 전에 가장 얇은 강관에 구속된 공시체가 파괴한 원인이다.
위에 언급된 거동상의 경향은 A단계에서 증가하는 하중을 받으면서 콘크리트가 겪는 급작스런 분열은 마침내 재료 공극구조의 붕괴로 이어지고 압밀의 긴 과정이 그 뒤를 따른다. 이 압밀과정은 시험체 강성의 증가를 유발하는 듯하며, B단계에서 생기는 현상이고 강관의 항복에 의해서만 그친다. [그림4]는 가장 두꺼운 강관에 의해 구속된 콘크리트의 축응력-축변형도 관계를 나타내는데, B단계에서의 콘크리트 강성의 증가가 [표1]의 A, B처럼 공극이 더 적은 콘크리트에 대해 더 현저하다. 기대되었듯이, 콘크리트의 변형성은 공극과 함께 증가하는 듯하며 골재보다는 몰탈의 공극이 재료의 변형에 더 큰 영향을 미친다. 이런 경향은 실험된 모든 시험체에 전형적인 현상이다.
[표2]에서 석회골재가 가장 높은 일축압축강도를 갖는 사실에도 불구하고, 구속된 석회콘크리트 시험체는 1.6 mm 두께의 강관에 의해 구속된 배합 C의 경우를 예외로 하면, 구속된 석회콘크리트의 내력성능은 다른 시험체의 것보다 상당히 낮다는 것은 상당히 흥미롭다. 이런 거동은 더 높은 강도의 석회콘크리트가 주어진 하중 수준에서 다른 콘크리트보다 상당히 큰 횡방향 부피팽창을 겪는다는 것을 나타낸다. 그런 부피팽창이 낮은 하중수준에서 강관의 항복을 유발하는 강관의 원주방향의 큰 응력을 유발한다. 그리고 이것이 시험체의 이른 붕괴를 가져온다.
실험을 하는 동안 콘크리트 시험체가 겪는 응력 경로는 [그림6]에 제시되어 있는데, 극한강도의 하한치와 콘크리트 부피가 최소가 되는 수준이 표시되어 있다. 이런 경계선은 콘크리트 시험체가 본 논문의 실험에서 부과되는 수동응력보다는 넓은 범위의 능동응력을 받았던 이전의 실험[5]에서 결정되었다. [그림6]에 보여진 하중경로 1, 2, 3은 강관두께 1.6, 6.35, 12.7 mm 각각에 대응하는 실험에서 얻어진 실험결과에 상응한다. 실험된 모든 시험체의 응력 경로가 처음에는 극한강도 경계선으로 수렴하다가 최소부피가 된 이후에는 서로 흩어지기 시작한다. 모든 경우에 시험체의 최대 하중지지내력은 극한강도 경계선 내에서 얻어진다.
이런 거동의 원인을 확인하려는 시도에서 응력 경로 1을 받는 콘크리트 시험체 중 하나의 응력-변형도 관계는 다른 곳[8]에서 정의된 구성모델을 사용해서 추측된 것과 [그림7]에서 비교되었다. 수압에 의한 능동구속을 받는 콘크리트에 대한 이전 실험에서 얻어진 실험결과와 매우 잘 들어맞는다. [그림7]은 실험상의 거동이 최소부피 경계선과 시험체가 받는 응력의 경로가 일치하면서 교차하는 점까지의 응력수준까지는 잘 예측이 된다.([그림6]의 M) 이 수준을 넘어서면 측정된 거동이 예측된 거동과 상당히 달라진다.
거동을 예측하는데 사용되는 모델의 기본을 형성하는 실험 정보는 수압에 의해 제공되는 능동구속을 받는 콘크리트의 거동이 필연적으로 응력 경로-의존적임을 나타낸다.[8] 실험된 시험체의 대부분의 응력 경로가 예측치와 차이가 벌어진다는 사실은 재료의 거동이 응력 경로가 처음으로 최소부피 경계선과 교차하는 점을 넘어선 응력수준에서는 응력 경로-의존적임을 나타낸다. 재료의 거동상의 경로-비의존에서 경로-의존적으로의 변화는 최소부피가 되었을 때, 콘크리트의 물리적 상태의 심각한 변화를 반영하는 듯하며, 콘크리트는 필연적으로 아직까지 알려지지 않은 속성을 가진 다른 재료로 변환됨을 의미한다.
[결론]
강관에 의해 구속된 콘크리트 원통형 시험체가 압축하중을 받는 실험에서 얻어진 결과는 다음의 주요 사항을 알려준다.
1. 길이/직경비가 2인 시험체를 사용할 경우, 콘크리트 코어와 기름칠된 강관의 내부면 사이에 폴리텐을 끼워넣음으로써 마찰저항(frictional restraints)이 필연적으로 제거된다.
2. 수동구속을 받을 때의 콘크리트의 거동은 능동구속을 받을 때와 비교하면 단지 능동구속을 받는 콘크리트의 부피가 최소가 될 때의 응력수준까지만 유사하다.
3. "최소부피" 이상의 응력수준에서는 수동구속을 받는 콘크리트의 강도와 변형특성이 능동구속을 받는 것과는 상당히 달라진다.
4. 모든 경우에 시험체의 파괴는 강관의 항복으로 발생했다.