콘크리트는 우수하고 뛰어난 내구성에 의해 구조물 건설에 가장 많이 사용되는 재료 중 하나이다. 오늘날 급격한 경제의 발전 및 도시화 등에 의해 오늘날 구조물은 대형화 및 고층화되고 있다. 이에 따라 고강도, 고경량, 고내구 콘크리트 개발에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 나노소재가 첨 가된 콘크리트는 나노소재에 의해 미세공극이 충진되어 강도 및 내구성이 우수한 것으로 알려져있다. 그러나 기존 나노소재가 적용된 콘크리트는 단위중량이 높아 이를 구조물에 적용시 자중을 증가시키 는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 입자 직경이 10-100 μm이지만 입자 내부의 공극이 있어 단위 중량이 0.6t/m3인 Micro hollow sphere가 잔골재로 사용된 고경량, 고강도 콘크리트의 염화물 침투 특성을 평가하였다. 본 연구에서 사용된 실험변수로써 Micro hollow sphere의 잔골재 치환량(0%, 42%, 100%)가 고려되었으며, 이 시편의 단위중량은 각각 2.37 t/m3, 1.89 t/m3, 1.62 t/m3이다. Micro hollow sphere가 사용된 콘크리트의 염화물 침투 특성은 NT-Build 492 시험을 통해 평가되었다. 실 험결과 Micro hollow sphere 치환율이 0%, 42%, 100%인 실험체의 단위중량은 염화이온 확산계수는 각각 4.45 x10-13 m2/s, 2.57 x10-13 m2/s, 1.4x10-13 m2/s로 Micro hollow sphere 치환량이 증 가함에 따라 염화이온 침투 저항성이 증가하는 것으로 확인되었다. 따라서, Micro hollow sphere를 이용한다면 단위중량이 작으며 내구성이 큰 고경량, 고내구 콘크리트 배합이 가능할 것으로 판단된다.

Fiber reinforced polymer (FRP)는 섬유와 폴리머가 결합된 복합재료로써 중량 대비 강도가 높아 취급 및 운반이 용이할 뿐 아니라 인장강도 등의 역학 성능이 우수한 재료이다. 더욱이, FRP는 뛰어 난 내부식성에 의해 기존 철근과 달리 부식이 발생하지 않는 장점이 있다. 이 장점에 의해 FRP를 기 존 철근대체재로 활용하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 그러나 FRP는 탄소성 거동을 하는 철 근과 달리 완전탄성거동을 하는 취성적 재료로써 안전성 문제에 의해 철근대체재로의 사용은 한계가 명확한 실정이다. 최근 FRP의 취성파괴 문제를 해결하기 위해 연속섬유가 사용된 FRP가 아닌 단섬유 를 사용후 Stitched를 이용하여 파괴시 응력을 재분배하여 FRP의 단계적 파괴를 유도하기 위한 연구 가 국방, 항공 분야를 중심으로 연구되고 있으나, 이를 건설분야에 적용하기 위한 연구는 극히 제한적 으로 수행되고 있다. 이에 본 연구에서는 의사소성이 확보된 FRP를 철근대체재로 사용하기 위한 기초 연구로써 Stitched된 단섬유 FRP 보강재의 단계적 파괴여부를 실험적으로 확인하였다. 실험변수로써 Stitched 여부가 고려되었으며, 직접인장시험을 통해 FRP 보강재의 인장거동이 확인되었다. 실험결과 Stitched되지 않은 FRP 시편은 최대응력 도달 후 취성적으로 파괴되었다. 반면 Stitched된 FRP 시편은 최대 강도 도달 후 최대 강도 대비 66%~75%의 응력이 약 0.0071ε 구간동안 유지되는 것으로 나타 났다.

본 논문은 CFRP Grid를 철근 대체재로 사용하기 위해 수행된 실험적 및 해석적 연구를 보고한다. CFRP Grid가 철근 대신 적용된 콘크리트 보의 휨거동을 평가하기 위해 총 5개의 콘크리트 실험체가 제작되었다. 실험변수로 CFRP Grid의 보강 겹 수, 피복두께가 고려되었다. 3점 휨실험을 통해 모든 실험체는 휨파괴됨을 확인하였다. 특히, 2겹과 3겹의 CFRP 그리드를 갖는 실험체는 CFRP Grid의 급작스런 파단으로 파괴되었다. 초기 균열하중은 CFRP Grid 보강 겹 수가 증가할수록 증가하였다. 반면 초기균열하중에 대한 피복두께의 영향은 명확하게 나타나지 않았다. 극한하중은 CFRP Grid의 보강 겹수 및 피복두께의 영향이 명확하게 나타났다. CFRP Grid로 보강된 콘크리트 보의 휨거동을 예측하기 위한 유한요소해석 결과는 실험체들의 균열양상 및 파괴모드를 유사하게 예측하였다. 특히, 극한하중, 극한하중에 대응하는 처짐, CFRP Grid의 변형률을 매우 유사하게 예측하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제안된 해석모델은 CFRP Grid가 철근 대체제로 사용된 콘크리트 보의 휨거동을 예측하기 위해 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 논문은 철근을 대체재로 CFRP 그리드의 적용 가능성을 평가하기 위한 해석적 연구 결과를 보고한다. CFRP 그리 드로 보강된 콘크리트 보의 휨거동 예측을 위한 유한요소해석은 상용 구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 수행되었다. 제안된 유한요소해석 모델은 Kwak et al.(2022)에 의해 수행된 실험 결과에 대한 재현해석을 통해 검증되었다. 해석에서 도출된 파괴양상은 실험 결과와 비교적 정확히 예측되었다. 또한 유한요소해석에서 예측된 극한하중 및 극한하중에서의 처짐은 실험 결과와 각각 9%, 12%의 미미한 오차를 보였으며, 제안된 유한요소해석모델의 정확성은 검증되었다. 제안된 해석모델을 FE해석 모델을 이용하여 CFRP 그리드로 보강된 콘크리트 부재의 휨강도에 영향을 미치는 인자를 확인하기 위해 매개변수해석이 수행 되었다. 매개변수해석 결과, CFRP 그리드의 단면적이 CFRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨성능에 상당한 영향을 끼치는 인 자로 확인되었다.

본 논문은 철계형상기억합금(Fe-SMA) stirrup으로 전단보강된 철근콘크리트 보의 전단거동을 예측하기 위한 해석적 연구이다. 전단거동 예측을 위해 변형률 적합조건 및 하중 평형조건을 만족하는 휨해석이 수행되었으며, 이후 수정압축장이론 (MCFT)에 기반한 전단해석이 수행되었다. 부재의 처짐을 계산하기 위해 휨 및 전단에 의해 발생된 처짐이 모두 고려되었다. 제 안된 해석모델의 검증은 Ji et al.(2022)의 실험결과를 비교하여 수행되었다. 비교결과 제안된 해석모델과 실험결과의 극한하중, 극한하중 시 처짐의 오차는 평균 4.77%, 6.62%로 Fe-SMA Stirrup으로 전단보강된 철근콘크리트 보의 전단 거동을 비교적 정확 하게 예측하는 것으로 나타났다.

본 논문은 철근대체재로 Carbon fiber reinforced polymer(CFRP) 그리드가 사용된 콘크리트 부재의 휨성능을 평가하기 위한 실험적 연구결과를 보고한다. 실험에 사용된 CFRP grid의 탄성계수와 인장강도는 각각 240GPa, 3964MPa이다. CFRP 그리 드가 인장 보강재로 사용된 콘크리트 부재의 휨거동 평가를 위해 총 7개의 1방향 슬래브 콘크리트 실험체가 제작되었다. 실험 변수로 피복두께, CFRP 그리드의 보강 겹 수, CFRP 그리드의 겹침 여부가 고려되었다. 실험체의 휨거동 평가는 3점 휨실험을 통해 수행되었으며, 각 실험변수가 초기균열하중에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 실험체에 초기균열이 발생된 이후 응력 재분배에 의해 하중 증가 없이 CFRP grid의 변형률이 증가하는 현상이 관측되었다. CFRP 그리드 보강 겹 수가 1겹 증가 함에 따라 실험체의 극한하중은 약 8.5kN씩 선형적으로 증가하였다. 또한, 피복두께가 증가함에 따라 실험체의 극한하중 및 강 성이 감소하였으며, 그리드 겹침 여부가 실험체 극한하중에 미치는 영향은 미미하다는 것이 확인되었다. 추가적으로 실험결과와 ACI 440.1R-15를 통해 계산된 공칭 휨강도를 비교하였다. 그 결과 실험을 통해 확보된 극한강도는 ACI 440.1R-15 대비 13%∼ 24% 큰 것으로 나타났다. 따라서, ACI 440.1R-15는 CFRP grid로 보강된 콘크리트 보의 휨강도를 보수적으로 평가하고 있음이 확인되었다.

본 논문은 FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 예측하기 위한 해석적 연구결과를 제시한다. FRP 그리드 로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능 예측을 위해 상용구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석이 수행되었다. 유 한요소해석 시 콘크리트와 FRP 그리드 간의 본드-슬립을 고려하였으며, 콘크리트와 FRP 그리드의 구속조건은 BEAM_IN_SOLID 모델이 적용되었다. 이후, 국내 여러 연구자들에 의해 수행된 실험 결과의 재현해석을 통해 제안된 유한요소해석 모델의 정확성 이 검증되었다. 최대하중, 최대하중 시의 변위 실험값에 대한 해석값의 비는 각각 0.990, 0.924, 표준편차 각각 0.056, 0.087로 제 안된 해석모델은 FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 제안된 유한해석모델을 이용하여 콘크리트 보의 인장재로 철근이 아닌 CFRP그리드를 적용하기 위한 매개변수해석이 수행되었으며, 콘크리트 압축강도, FRP그리드의 겹 수, FRP그리드의 유효깊이는 CFRP그리드로 보강된 콘크리트 부재의 휨성능에 중요한 인자임을 확인하였다.

본 논문은 FRCM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 성능을 예측하기 위한 해석적 연구결과를 제시한다. FRCM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 성능 예측을 위해 상용구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석이 수행되었다. 유한요소해석시 콘크리트와 모르타르는 Solid 요소로 모델링 되었으며, 철근과 FRP 그리드는 각각 Beam 요소 및 Shell 요소로 모델링되었다. 또한, 콘크리트와 철근은 완전부착하는 것으로 가정되었으며, 콘크리트와 모르타르 경계면의 부착파괴를 모사하기 위하여 Contact_Tiebreak_Surface_to_Surface 요소가 사용되었다. 이후, 국내⋅외 여러 연구자들에 의해 수행된 실험의 재현해석을 통해 제안된 유한요소해석 모델의 신뢰성이 검증되었다. 실험결과와 해석결과의 파괴양상을 분석하였을 때, 본 연구에서 제안된 유한요소해석 모델은 실험체의 부착파괴를 적절히 모사할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 해석을 통해 예측된 극한 강도에 대한 실험결과의 비는 평균 1.04, 표준편차 0.064로 제안된 해석모델은 FRCM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 성능을 비교적 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다.

This study is an experimental study to evaluate the vehicle-protection performance of the reinforced F section of a concrete median barrier. To reinforce the strength performance and durability of the F section, the design strength of concrete was increased and a wire mesh was added. The reinforced F section was tested in an actual collision to verify the protection performance of the SB4 class(Impact Severity: 160kJ) concrete barrier. In the truck-crash test for strengthperformance evaluation, no damage or no sufficient scattering occurred to cause damage to a third party. In addition, the truck smoothly moved through an escape box after the collision. THIV and PHD, which are criteria for evaluating the occupant-protection performance, were measured at 75% and 64% of the limit, respectively, and were confirmed to provide good occupant-protection performance. The vehicle rotations after the collision were 12%–19% of the allowed limits.

본 논문은 철계-형상기억합금(Fe-SMA)의 부식특성을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 연구를 수행하기 위해 동전위 분극실험을 통해 Fe-SMA의 부식성능을 평가하였다. 시편을 3전극 플렛셀에 설치 후 전위차계를 이용하여 –200mV∼1000mV 구간의 전위를 2mV/s으 속도로 측정하였다. 기준전극 및 상대전극으로 각각 SCE 기준전극과 백금 와이어를 이용하였다. 동전위 분극곡선 및 타펠 피팅을 이용하여 부식전위 및 부식전류밀도를 측정하였다. Fe-SMA의 부식특성을 직관적으로 확인하기 위해 SD400 철근을 비교군으로 설정하였다. 염화물 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 3.5wt% 농도의 NaCl 용액에서 실험을 실시하였으며, 콘크리트 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 CaO를 이용하여 수용액의 pH를 13으로 조절하였다. 실험결과 Fe-SMA는 SD400 대비 모든 조건에서 우수한 내부식성이 나타났다. Fe-SMA의 콘크리트 환경에서 내부식성은 우수한 것으로 나타났다. 하지만 Fe-SMA가 염화물에 노출되면 부식저항이 급격히 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 염화물에 직접적으로 노출되는 환경에서 Fe-SMA를 사용할 경우 부식을 방지하기 위한 적절한 조치가 필요할 것으로 사료된다.

본 논문은 철계형상기억합금(Fe-SMA) 나선철근을 이용한 기둥의 횡구속 효과를 평가한 실험적 연구를 보고한다. 실험을 위해 사전변형 4%의 5mm × 5mm의 Fe-SMA 나선철근으로 구속된 150mm × 150mm ×300mm의 원형 실험체가 제작되었다. 실험변수는 Fe-SMA 나선철근의 피치(0mm, 80mm, 60mm, 40mm), Fe-SMA 나선철근의 활성화 유무(활성화, 비활성화)를 고려하였다. Fe-SMA 나선철근 활성화를 위해 소성로를 사용하여 목표온도 140℃까지 가열하였다. 실험체의 온도가 상온에 도달한 후 만능재료시험기를 이용하여 1축 압축실험을 실시하였다. 실험결과를 통해 Fe-SMA 나선철근을 활성화하여 능동적 횡구속압이 작용된 실험체의 최대응력과 최대응력 발현 시의 변형률은 활성화하지 않은 실험체에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 나선철근 피치의 감소로 인해 능동적 구속압이 증가함에 따라 최대응력과 연성지수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히 보강 간격이 40mm인 활성화된 나선철근으로 구속된 실험체는 최대하중 도달 후 하중이 유지 및 증가하는 변형경화가 발생하는 것으로 나타났다.

본 논문은 CFRP 쉬트로 휨 보강된 철근콘크리트 보에서 보강재의 탈락이 구조물에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험적 그리고 해석적 연구결과를 보고한다. 실험적 연구로 CFRP 시트의 비부착 수준 및 위치를 실험변수로 고려한 실험체들에 대한 휨파괴 실험이 수행되었다. 중앙부에 비부착구간을 갖는 실험체의 경우 비부착구간의 증가에도 불구하고 최대하중 및 강성의 변화는 크게 감소하지 않았다. 단부에 비부착 구간을 갖는 실험체의 경우 비부착 구간이 증가할수록 최대하중 및 강성이 크게 감소하였다. 이것은 보강재의 작은 보강길이로 인한 정착력의 부족으로 인해 철근의 항복 이후 보강재가 조기 박리되었기 때문으로 판단된다. 본 연구의 결과와 기존 제안된 부착강도 모델을 이용한 예측 결과의 비교를 통해 기존 부착강도 모델들은 단부 비부착 실험체들보다 중앙 비부착 실험체들의 내하력을 더 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.

본 논문은 지속하중을 받은 철계-형상기억합금 표면매립보강 철근콘크리트 보의 휨 거동에 대한 실험적 연구이다. 연구를 위하여 철계-형상기억합금 보강 유ㆍ무 및 철계-형상기억합금 활성화 유ㆍ무를 변수로 하여 3개의 실험체를 제작하였다. 장기거동을 측정하기 위해 약 1 ton 중량의 콘크리트 추를 시험체 중앙에 거치하였다. 상재하중 재하 후 철계-형상기억합금을 15kW용량의 전력공급장치를 통해 활성화하였다. 이 후 다이얼게이지를 이용하여 실험체 중앙의 처짐을 528일동안 측정하였다. 528일 후 실험체의 잔존강도를 확인하기 위해 휨 파괴 실험을 실시하였다. 실험결과, 콘크리트 추를 거치한 후 철계-형상기억합금으로 보강된 실험체는 무보강 실험체 대비 50%이상 감소된 즉시처짐을 나타냈다. 또한 철계-형상기억합금을 활성화 시킨 실험체가 활성화 시키지 않은 실험체에 비해 약 35.3% 감소된 추가처짐을 나타냈다. 잔존강도 실험결과 철계-형상기억합금으로 보강한 실험체는 무보강 실험체대비 26% 이상의 극한강도 증가를 나타냈다. 또한 철계-형상기억합금 활성화는 초기 강성을 증가시키며 극한 강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

현대사회의 급격한 도시화 및 인구밀도 증가로 인하여 고성능 재료를 사용한 고강도 콘크리트의 수요가 증가하고 있으며 고강도 콘크리트가 갖는 자기수축 특성은 콘크리트 내구성에 심각한 문제를 초래할 가능성이 크다. 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 자기수축 특성 저감을 위하여 고흡수성 폴리머(SAP: Super absorbent polymer)를 사용하였으며 바인더 대비 0%, 0.3%, 0.5% 첨가한 시험체를 각각 제작하여 매립형 스트레인게이지를 이용하여 수축량을 계측 및 비교하였다. 실험결과 SAP를 0.3%, 0.5% 첨가한 실험체는 SAP를 첨가하지 않은 실험체 보다 수축량이 각각 약 11% 와 34% 감소 하였으며 이에따라 SAP의 첨가는 고강도 콘크리트의 자기수축 저감에 효과가 있는 것으로 나타났다.