강섬유 콘크리트가 충전된 용접조립 각형강관 기둥의 구조성능 실험연구

1. 서 론

근래 건축구조 분야에서는 새로운 구조시스템의 개발과 함께 기존 재료를 적절히 조합하여 과거에는 얻을 수 없었던 성능을 건축구조에 부여하려고 하는 움직임이 활발하다. 이러한 구조방식 중 콘크리트충전 강관(Concrete filled steel tube, 이하 CFT)은 강관의 구속효과에 의해 충전 콘크리트의 압축내력 상승과, 충전 콘크리트에 의한 강관의 국부좌굴 보강효과에 의해 부재내력이 상승하고 뛰어난 변형성능을 발휘한다^[1],[2]. 하지만, 기둥단면이 커질 경우 합성효과를 발휘하기 위하여 스터드 볼트나 후 시공 앵커 볼트를 사용해야 하는 시공상의 문제점이 발생된다. 이를 극복함과 동시에 합성효과를 증대시키기 위한 방안으로 콘크리트 충전 용접조립 각형 기둥이 소개되었다^[3]. 내부 앵커형 용접조립 각형강관기둥은 Fig. 1의 과정을 통하여 제작된다. 절곡 성형한 'L‘자형 단위부재 4개를 서로 맞댐 용접하므로 각형 튜브형상은 철골부재로 별도의 보강장치나 특수용접 없이 제작할 수 있다. 강관내부의 절곡부(리브)를 통하여 동일한 단면크기의 일반 CFT에 비하여 좌굴내력을 향상시켜 콘크리트의 구속력을 증대시킬 수 있다.

콘크리트 충전형 강관기둥의 가장 큰 장점은 압축력이 작용 할 때 외부의 강관이 내부의 콘크리트를 3축 응력상태로 콘크리트를 구속하여 압축내력이 상승하며, 콘크리트는 강관의 국부좌굴을 지연하므로 뛰어난 연성능력을 발휘하는 것으로 알려져 왔다. 이때 내부 앵커형 용접조립 각형기둥의 리브는 콘크리트 내에서의 앵커역할로 인해 일반 각형강관 기둥에 비해 경제적인 단면설계가 가능하다는 장점을 갖고 있다.

하지만, 콘크리트와 맞물려 있는 리브에서 발생되는 변형은 콘크리트 균열을 촉진시킬 가능성을 염려할 필요가 있다. Fig. 2와 같이 순수 휨 상태(또는 편심비가 큰 기둥인 경우)인 경우 콘크리트와 리브의 상호 거동에는 보완점이 필요하다. 즉, 리브의 변형에 저항 될 콘크리트의 인성력 확대 방안이 모색되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 내에 소량의 강섬유만을 혼입하여 하중상태, 강섬유 혼입비율을 변수로 구조성능 실험을 수행하였다. 실험결과를 근거로 리브와 강섬유 콘크리트의 상호거동을 분석하고자 한다.

2. 선행연구 동향

강섬유 콘크리트(Steel-fibers Reinforced Concrete, SFRC)를 기둥부재로 사용한 선행연구는 균열을 방지하고 인성을 증대하고자 RC(Reinforced Concrete)기둥에 적용된 것이 대부분이었다. SFRC를 사용한 충전형 기둥의 선행연구는 합성기둥 대비 극 소수에 불가 했다. SFRC 기둥의 연구는 R.John Craig(1984)을 시작으로 충전형이 아닌 매입형 기둥으로 시작됐다. SFRC 충전형 기둥의 연구는 2000년부터 소개되고 있으며 Table 11(맨 마지막 페이지)과 같이 본 논문과 관련된 연구를 총 7편^{[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10]} 조사, 정리 하였다.

각 연구에서 사용된 강섬유 형태는 양단 후크형 타입이 대부분 차지하고 있으며, 주요 변수는 강섬유 혼입율, 세장비 그리고 하중조건으로 구분할 수 있다. 이때 강섬유의 최대, 최소 혼입율은 0.6∼2.0% 사이에 있다. 주목할 사항은 실험체 외부강관 형태는 각형보다는 원형기둥에 치중되어 있다. 이러한 원인은 SFRC로 인한 압축 변형률 향상에 초점이 맞춰져 있다. 원형강관에 충전된 콘크리트는 구속효과에 의하여 비 구속 콘크리트에 비해 압축 변형율를 확대시킬 수 있다. 이때 강섬유를 보강함으로써 더 큰 변형성능을 기대하기 위한 노력으로 보인다. 실험변수는 강섬유 혼입여부, 세장비, 강섬유 보강지수(Steel-fiber Reinforced Incex, 이하 RI) 등 으로 실험이 수행되었다. 선행연구 분석을 통해 결과를 요약하면, 강섬유 혼입에 따라 약간의 내력증가는 있지만 그 보다 연성력 확보에 매우 효과적인 결과를 가질 수 있었다. 또한 강섬유 혼입율과 내력 증가율은 정 비례적이지 않다. 그 이유는 섬유가 콘크리트와 뭉침효과(Fiber Balling)를 보이며 오히려 내력을 저하시키는 요인이 되기도 한다^[11]. 마지막으로 강관 내에 충전된 강섬유 콘크리트의 인장력은 일반 콘크리트에 비해 무시할 정도가 아니므로 이에 대한 적절한 효과를 반영하여 설계하는 것이 경제적이 다고 요약할 수 있다. 하지만. 선행연구 결과를 보면 매우 아쉬운 점이 남아 있다. 첫 번째로 소량의 혼입율을 변수로 한 분석결과가 없다는 점이다. 두 번째로 실험체 크기는 실대 크기가 아닌 모두 축소모형으로 제작되어 그 결과는 비교적 과대평가 될 우려가 있다. 세 번째로 기둥 강관두께 역시 실제 주요 구조부재에 사용되지 않는 얇은 강재를 사용하였다.

선행연구를 통해 강섬유는 양단 후크형으로 혼입율은 경제성을 감안하여 소량의 혼입을 유도하고자 한다. 또한 실대 크기의 실험체를 제작하여 강섬유의 방향성을 고려한 실험계획을 진행하였다.

3. 구조성능 평가 실험

3.1 실험개요

리브와 강섬유 콘크리트의 상호작용을 평가하기 위해 전체 좌굴발생 가능성이 없는 단주(기둥 폭의 3.5배)로 계획하였으며, 주요 변수는 강섬유 혼입량과 하중조건으로 크게 구분된다. 강섬유 혼입율(mixing ratio)과 형상비(aspect ratio)에 따라 내력 차이가 상당히 크며, 선행연구 결과에 의하면 혼입율이 전체 체적에 1%이상일 경우 비경제적이고, 강섬유 뭉침현상이 발생되어 시공성이 떨어지는 문제가 제기 되었다. 따라서 0.5%미만의 강섬유를 혼입하여 변형성능과 최대 내력이후 거동을 분석해 보고자 한다. 실험체는 Fig. 3과 같이 SM490 (Fy=325MPa, Fu=490MPa) 6mm 강판을 사용하여 제작되었으며 강섬유와 혼입되기 전 콘크리트 압축강도는 40MPa이다. 이때 강섬유 혼입율과 편심비를 변수를 하여 총 10개의 단주 실험을 수행하였다. 실험 편의상 편심축력을 가하여 이축응력상태를 설정하였다. 실험체는 강관과 단부 엔드플레이트가 만나는 위치의 국부좌굴방지를 위해 길이 200mm의 스티프너를 설치하였다. 사용된 강섬유의 형태는 양 단부가 구부려진 후크형 타입의 강섬유를 적용하였다. 강섬유 길이(Lf)는 60mm, 직경(Df)은 0.75mm이며, 형상비는 80이다. 강섬유 혼입량은 0, 0.1, 0.25, 0.375% 총 4가지 경우를 갖고 있으며, 강섬유의 형상비( )을 곱한 섬유보강지수(RI)는 00, 08, 20, 30으로 표현될 수 있다. 사용된 강섬유의 형상과 재원은 Table 1과 같다.

실험체의 강재량(As/(As+Ac))은 모두 약 1% 범위내로 계획 되었다. 또한 현행규준에서 제시하고 있는 폭두께비 한계치는 56이며 모든 실험체 폭두께비는 범위 내 만족하고 있다. 실험체의 일람은 Table 2에 정리하고 있다.

측정 장치는 1000ton UTM(Universal Test Machine)을 사용하였다. 0.05(mm/s)의 가력속도로 압축단조가력 하였으며, 하중-축 변위 측정은 기둥의 내력의 최대내력의 80%로 떨어질 때 까지 수행하였다. 양단단순 지지조건에서 압축 재하실험을 하는 경우에는 가력 시 편심 및 단부의 회전에 대한 구속을 최소화할 필요가 있다. 따라서 편심 실험체인 경우 한 방향을 구속하고 구속방향에 대해 직각으로만 회전이 가능한 단부구조로, 좌굴 축을 미리 결정하며 단부 구속을 최소화 할 수 있도록 Knife Edge 지그를 사용했다. 또한 Knife Edge와 시험체를 확실하게 부착시키기 위하여 시험체의 단부에 End plate를 씌워 Bolt에 250kN의 유압을 가하여 체결하였다. 편심 가력 시에는 Knife Edge를 계획된 편심거리 만큼 이동하여 가력 한다.

3.2 소재시험 개요 및 결과

3.2.1 강재 인장강도

시험체 제작에 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위하여 KS B0801의 금속재료 인장시험편 규정에 따라 기둥 실험에 사용되는 강관과 동일한 시편을 절취하여 행하였다. KS B 0801^[12]의 금속재료 인장 시험편 규정에 따라 제작한 시험편에 대하여 12 C호의 금속재료 인장편 시험 방법에 의해 실시하며, 각 시험편 양면에 W.S.G를 부착하여 이들의 평균값으로 응력-변형도 관계를 파악하였다. 각 시험편을 평균하여 항복강도( ), 연신율(%), 탄성계수(GPa)를 Table 3에 나타내었다. 강재 두께 6mm인 경우 SM490의 설계항복강도 325MPa보다 높은 평균 414MPa의 항복강도로 평가 되었다.

3.2.2 SFRC 압축강도 시험

혼입율( = 0, 0.1, 0.25, 0.375)과 콘크리트 재령일(7, 21, 28)을 변수로 강섬유 콘크리트의 역학적 특성을 알아보기 위하여 소재시험 수행하였다. 콘크리트 현장배합 설계는 Table 4와 같다. 사용된 강섬유의 형상은 앞서 언급된 바와 같이 강섬유의 길이가 60mm이다. KS(한국표준원)에서는 강섬유 길이가 35mm이상인 경우 원형 공시체 크기는 Ø150 × 300으로 계획하도록 권장하고 있다. 권장 근거에 대해서는 작성되어 있지 않지만, 섬유의 방향성을 고려하여 공시체 크기를 제안하고 있는 것으로 예측된다. 섬유시험은 KS F 2403에 따라 제작하고, 시험방법은 KS F 2405(압축)^[13]에 따라 수행하였다. 가력 장비는 2000kN 압축 시험기를 사용하였다.

압축 소재실험 결과를 요약하면 Table 5와 같이 SFRC에 의한 압축강도 증가율은 일정한 경향을 갖고 있지 않지만, 혼입율이 증가함에 따라 강도증진 추세를 볼 수 있다. 강섬유 0.375% 보강될 때 미 혼입된 압축강도에 비해 약10% 압축 강도가 증가되는 것으로 평가되었다. 이는 콘크리트의 미세균열 제어작용에 의해 강도증진에 영향을 준 결과로 보인다.

 3.3 구조성능 실험결과

전체 실험체의 초기강성, 최대내력은 Table 6과 같으며, 실험체의 하중-축 변위 관계를 Fig. 4에 나타냈다.

이때 항복강도(Py ,○), 최대내력(Pu ,△) 그리고 최대내력 이후 80%까지 떨어진 내력(0.8P_max , ◇)을 표기하였다. 항복강도 산정은 하중-변위관계에서 초기기울기의 직선과 초기강성의 1/3기울기 직선교점에 해당하는 점을 항복하중으로 정의하였다. 편심축력 실험체는 초기 강성이 낮아 항복강도가 비교적 낮게 평가되는 경향을 보이고 있다. 중심축력 시험체의 최대내력은 편심 시험체보다 크게 증진되고, 초기강성 또한 우수한 것으로 나타났다. 하지만 최대내력 이후의 내력 양상을 살펴보면 급격하게 내력이 감소되는 것을 알 수 있다.

편심실험체의 경우 완만한 내력 감소를 보이며 매우 연성적으로 발휘된 것을 알 수 있다. 또한 편심비가 커질수록 연성적인 효과는 더 증대 된 것으로 나타나고 있다. 이는 편심거리가 증가함에 따라 휨 거동의 영향이 커지므로 최대내력 이후의 내력감소율이 저감되는 것으로 평가된다. 한편 강섬유 혼입율에 따른 내력을 비교할 때, 중심 축력과 편심축력 모두 혼입율 증가에 따라 내력상승 변화를 갖고 있는 것으로 평가되었다. 실험종료 후 강관 좌굴모드 양상은 Fig. 5에 나열하였다.

4. 분석 및 고찰

4.1 현행 설계식과의 비교 검토

현행 설계식(KBC2009)^[14],[15]과 실험결과를 비교하여 설계식 적용에 대한 적합성을 비교해 보고자 한다. 현행규준에 의해 작도된 P-M상관관계에 각 편심기울기를 통해 편심축력 상태의 축력과 모멘트 강도를 예측할 수 있다. 이때 콘크리트 압축강도와 강재 항복강도는 모두 소재시험을 통해 얻을 결과를 반영하였다. 전체 실험결과와 규준식을 통해 얻은 설계값을 Table 7에 정리하였다. 설계식에 의해 예측된 내력을 각 실험값으로 나누어 무차원 한 결과 전반적으로 실험결과가 상회한 것으로 나타나고 있다. Fig. 6은 각 P-M 상관관계를 나타내고 있다.

실험결과와 비교했을 때 설계강도 값은 대체로 보수적인 관계에 있다. 순수 축력상태의 경우 약 1.12~1.15배 차이를 갖는다. 편심을 받는 부재의 경우 축 강도는 미비한 차이를 갖는 반면, 휨 강도의 경우 약 1.3~1.4배 이상 설계 강도보다 상회한 결과를 나타내고 있다. 콘크리트의 취성적인 거동을 강섬유로 인해 보완되고 인성적인 거동이 전체 내력과 거동에 향상되었음을 알 수 있다. 정리하면, 일반적으로 모멘트는 강재에서 저항 되었지만, SFRC가 충전됨에 따라 일정 모멘트를 콘크리트에서도 분담한 것으로 보인다. 즉, 강섬유 보강으로 인해 기둥자체의 인성과 변형성능이 개선된 결과로 판단된다.

4.2 강섬유 혼입율에 따른 내력 증가율

연구 주요변수 중 하나는 강섬유 혼입율이다. 경제적 측면을 고려한다면 최적의 강섬유 혼혼입량 파악하는 것은 매우 중요하다. 따라서 강섬유 혼입율에 의해 압축 및 휨 내력에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 중심축력의 경우 혼입률이 0%일 때를 기준으로 비교 하였고, 편심축력의 경우 혼입율 0.25%(RI:20)을 기준으로 하였다. 혼입율에 따른 부재의 내력 증가율을 Table 8에 나타냈다. 비교대상의 실험체는 동일한 단면적과 길이를 갖고 있다. 중심축력의 경우 0.375% 강섬유 혼입될 경우 약 8%의 내력 향상되었다. 편심축력의 경우 0.25% 혼입에서 0.375%로 증가될 때 축력과 휨 모멘트가 약 1.02~1.05배 증가되는 것을 알 수 있다. 섬유보강지수(RI)에 따른 내력 증가율을 강섬유 배합 질량과 비교해 보면, 실험체 당 콘크리트는 195kg의 질량을 갖고 있다. 이때 강섬유 0.375%(RI:30) 혼입될 경우 약 0.73kg의 섬유가 추가 배합된다. 비교적 적은 강섬유 혼입으로도 내력과 거동이 향상될 수 있다는 결과를 말하고 있다. 위와 같은 분석결과는 매우 합리적인 단면설계를 기대할 수 있으며 휨모멘트가 집중되는 기둥부재의 경우 경제적인 구조설계를 기대할 수 있다. 따라서 강섬유와 콘크리트와의 합성작용에 대한 내력향상을 설계에 적극적으로 반영할 필요가 있다.

4.3 편심비에 따른 내력영향

기둥의 거동에 영향을 미치는 중요한 요인으로서 편심의 영향을 알아보기 위해 다음 중심 축력과 0.25B, 0.5B 편심축력 실험 결과를 비교해 볼 때, 다음 Table 9와 같다. 전체적으로 모든 실험체의 편심율에 따른 축력 저감비율은 유사성을 갖고 있다. 중심 축력 실험체를 기준(100%)으로 각 편심비에 따른 축력을 무차원한 결과, 편심비 0.25일 때 축력은 약50~58% 수준이며, 0.5편심비인 경우 약 38~40% 축력이 저항되었음을 알 수 있다.

4.4 연성도 평가

일반적으로 변위 연성도는 극한 변위( )로 나타낸다. 변위 연성도를 이용하여 각 시험체의 연성도를 분석하고자 한다. 항복과 최대강도와 그 시점의 변위에 대한 수치를 실험체 별로 정리하여 Table 10에 나타냈다. 모든 강도와 변위는 앞서 3.2절(Table 3)에 정리된 하중-변위관계에서 도출됐다. 변위 연성비(δ0.8Pmax/δy)를 비교했을 때, 중심축력의 경우 평균 1.78로 약 2배 가까운 연성비를 보이고 있다. 하지만, 강섬유 혼입율과는 크게 영향을 미치고 있지 않는 것으로 평가되었다. 반면에 0.25B편심 부재의 경우 평균 약 3.53, 0.5B편심은 4.00으로 매우 높은 연성도를 갖는 것으로 평가 되었다. 또한 강섬유 혼입량이 증가할수록 그 추세도 우세하는 것으로 나타났다. 즉, 강섬유 콘크리트는 인장응력을 받을 경우 향상범위가 극대화 되는 것으로 판단된다.

앞서 선행연구 분석에서는 강섬유 보강 콘크리트 충전강관기둥의 실험적 연구를 소개하였다. 그 중 Zhong Tao(2007)연구에는 본 실험과 사용된 강섬유의 형상과 강재 및 콘크리트의 재료강도가 가장 유사하여 실험결과를 비교해 보고자 한다. 비교대상((UCFT: 일반 각형 강관 + 일반 콘크리트), (UFRC: 일반 각형 강관 + 강섬유 보강 콘크리트))들은 중심가력 실험으로 하중-변위관계를 통한 축강도와 연성도를 비교하고자 한다. Fig. 7은 항복시점의 변위를 최대내력이후 80%까지 떨어진 파괴까지의 변위로 나누어 무차원 하였다. 강섬유가 2% 혼입된 UFRC 실험체는 2배 이상의 연성비를 나타내고 있어 비교 대상 중 확연하게 차이를 보여주고 있다. 그럼에도 본 실험체의 경우 강섬유 혼입량이 0.01~0.375%의 소량임을 감안했을 때 1.67~1.89배의 연성비 확보는 매우 경쟁력있는 부재로 보여진다. 이런 결과는 강섬유 혼입만에 의한 평가가 아닌, 강관 형상 자체인 내부 앵커와 강섬유 보강 콘크리트가 서로 상호작용 하에 합성작용에 의한 결과로 분석된다.

5. 결 론

내부 앵커형 용접조립 각형 합성기둥 강섬유 보강 콘크리트를 충전하여 구조 거동을 고찰하였다. 강섬유 혼입량과 가력조건을 변수로 하여 총 10개의 단주를 제작하여 압축재하 실험을 수행하였다. 각 변수에 따른 분석을 통해 아래와 같은 결과를 도출할 수 있었다.

(1)강섬유 콘크리트의 소재시험 결과 혼입율이 증가함에 따라 강도증진 추세를 볼 수 있으며, 강섬유 0.375% 보강될 때 미 혼입된 압축강도에 비해 약10% 압축 강도가 증가되었다. 이는 콘크리트의 미세균열 제어작용에 의해 강도증진에 영향을 준 결과로 보이며, 콘크리트가 삼축응력을 받는 충전형 기둥의 경우에는 구속효과와 강섬유의 합성효과까지 더해져 콘크리트 압축강도가 극대화될 것으로 평가된다.

(2)현행규준 설계식(KBC2009)과 실험결과를 비교한 결과, 규준식은 매우 보수적으로 평가하고 있었다. 순수 축력의 경우 약 1.12~1.15배, 편심 부재의 경우 설계 휨강도보다 평균 1.5배 이상 내력차를 갖고 있었다. 따라서 강섬유 보강 합성기둥 설계 시 국내 건축구조 규준을 그대로 적용하기에는 비효율적인 설계가 될 우려가 있다.

(3)강섬유 혼입율에 따른 내력증가율을 분석한 결과 중심 축력의 경우 일반 콘크리트 대비 강섬유 0.375% 보강 시 약 8% 내력 향상되며, 편심축력의 경우 0.25% 혼입에서 0.375%로 증가될 때 휨모멘트가 약 1.02~1.05배 증가되었다. 미소 분량의 강섬유 혼입으로 축력과 휨 내력이 향상 가능한 것은 매우 합리적인 단면설계가 가능하며 이를 적극적으로 설계에 반영될 필요가 있다.

(4)하중-변위 관계를 통해 연성비를 분석한 결과, 편심실험체의 경우에는 강섬유 혼입량과 비례적인 관계에 있으며 0.375% 강섬유 혼입된 실험체는 3.5~4.0으로 매우 높은 연성비를 갖는 것으로 평가 되었다. 한편, 중심축력을 받은 경우 강섬유 혼입율과는 크게 영향을 미치고 있지 않는 것으로 평가되었다.

(5)선행연구 결과와 연성비를 비교 했을 때 상대적으로 수치는 낮게 평가되었지만, 강섬유 혼입량이 1/4수준임을 감안했을 때 매우 효과적인 결과로 추정된다. 이러한 결과는 강섬유 콘크리트와 강관 리브 상호작용에 의해 합성효과가 더해진 결과로 분석된다.

Acknowledgments

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