Evaluation of Flexural Capacity of Steel Fiber Reinforced Concrete Members by Volume Fraction of Steel Fiber

Inho Park; Daehee Kang; Sunhee Kim; Wonchang Choi

doi:10.14481/jkges.2025.26.9.13

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Journal of the Korean Geo-Environmental Society. 1 September 2025. 13-20
https://doi.org/10.14481/jkges.2025.26.9.13

Evaluation of Flexural Capacity of Steel Fiber Reinforced Concrete Members by Volume Fraction of Steel Fiber

강섬유 혼입률에 따른 강섬유보강콘크리트 부재 휨 성능 평가

Inho Park¹

Daehee Kang¹

Sunhee Kim²

Wonchang Choi³^*

박 인호¹

강 대희¹

김 선희²

최 원창³^*

¹Master’s Course, Department of Architectural Engineering, Gachon University

²Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University

³Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

It is identical to Creative Commons Non-Commercial Licence.

ABSTRACT

In this study, the flexural performance of steel fiber reinforced concrete(SFRC) beams incorporating hooked-end steel fiber was evaluated through flexural test, and the results were compared with existing flexural strength prediction models proposed in previous studies. The main variable was the fiber volume fraction, with mixing ratios of 0%, 0.5% and 1.0% by volume of concrete. Material test were conducted to assess the mechanical properties: although compressive strength decreased due to fiber ball effect, both flexural strength and splitting tensile strength improved. The flexural test of SFRC beams demonstrated that the maximum load, deflection, and ductility index increased with higher fiber volume fraction. As a result of comparing the results of this study with the existing flexural capacity prediction equation, it was confirmed that it is possible to increase the flexural capacity through the reinforcement effect of more than 57.59% of the tensile force caused by tensile reinforcement when reinforced with more than 0.5% of steel fiber.

Keywords

Hooked-end steel fiber

SFRC

Flexural performance

Ductile behavior

본 연구에서는 양단 후크형 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 통해 휨 성능을 평가하고, 기존 선행연구에서 제시한 휨 내력 예측식을 활용하여 본 연구의 실험 결과와 비교를 진행하였다. 변수는 강섬유의 혼입률이며, 콘크리트 체적비의 0%, 0.5%, 1.0%만큼 혼입하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 재료시험 결과, 압축강도의 향상은 나타나지 않았으나, 휨 강도와 쪼갬 인장강도는 모두 증가하였다. 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 통해 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 부재의 최대하중, 처짐량, 연성지수가 증가하는 것으로 나타났다. 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 통해 강섬유의 혼입으로 철근콘크리트 부재의 연성 거동을 유도하는 것에 있어 효과적인 방안임을 확인하였다. 기존의 휨 내력 예측식을 활용하여 본 연구의 결과와 비교한 결과, 강섬유 혼입률 0.5% 이상 혼입하여 보강하였을 경우 인장철근에 의한 인장력의 57.59% 수준 이상의 보강 효과를 통해 휨 내력을 제고시키는 것이 가능함을 확인하였다.

키워드

후크형 강섬유

강섬유 보강 콘크리트

휨 성능

연성 거동

MAIN

1. 서 론
2. 실험계획
2.1 사용재료 및 배합표
2.2 강섬유 보강 콘크리트 부재 제작
2.3 실험방법
3. 실험 결과
3.1 재료 시험
3.2 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험
4. 수치해석 예측식 적용 및 검증
5. 결 론

1. 서 론

콘크리트는 높은 압축강도에 비해 인장강도, 휨강도 등에 취약하고 취성적인 파괴를 보인다는 본질적인 문제를 보이며, 시간이 지나면서 균열이 발생하고 강도가 저하된다. 또한 복잡한 철근 배근으로 인한 시공성능 저하, 작업자의 시공 능력에 좌우되는 등에 의한 불완전한 시공성 등의 문제가 발생할 수 있다(Park et al., 2024). 강섬유의 혼입은 균열 저항성을 향상시키고 철근콘크리트 부재에 보강하면 내구성과 강도를 향상시킬 수 있다(Zhang et al., 2024). 따라서 배근 상세를 간단히 하고, 구조물의 내구성과 강도를 향상시키며, 취성 파괴를 연성 파괴로 유도하고자 강섬유 보강 콘크리트(Steel Fiber Reinforced Concrete, SFRC)에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다(Lee & Lee, 2004).

Jang et al.(2015)의 경우 골재 크기와 강섬유 혼입률을 변수로 휨 성능을 파악하였다. 혼입률이 2.0%인 강섬유 보강 콘크리트 실험체는 굵은 골재의 크기가 20mm에서 과도한 섬유 뭉침(Fiber Ball) 현상으로 인해 강도 저하가 발생하여 1.5%의 실험체보다 휨 강도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 혼입률 1.5% 이하의 실험체에서 골재 크기 조절이 섬유 분산에 미치는 영향은 미소한 것으로 판단하여 혼입률 1.5% 이하로 보강하는 것이 가장 효율적이라고 언급하였다. Tiberti et al.(2017)에 따르면 강섬유 보강 콘크리트에서 섬유의 형상비와 혼입률이 증가할수록 잔류 인장강도는 증가하지만 워커빌리티는 감소하였다. 이와 비슷하게 Choi et al.(2019)는 강섬유를 혼입한 콘크리트의 성능을 좌우하는 요소는 강섬유의 형상비, 혼입률, 인장강도임을 명시하였고 CMOD(Crack Mouth Opening Displacement) 방식을 통한 휨 실험을 진행하여 높은 인장강도를 갖는 강섬유가 혼입된 콘크리트의 잔류 인장강도가 높은 수준에 있음을 확인하였다. 또한 높은 형상비의 강섬유를 혼입한 콘크리트의 에너지 흡수 성능이 개선되는 것으로 나타났으며, 최대하중 이후 하중의 감소 없이 변위가 증가하는 것을 확인하였다. Wang et al.(2021)은 후크형 강섬유의 혼입률과 형상비를 변수로 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 휨 성능을 파악하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수는 강섬유를 혼입하지 않은 일반 콘크리트와 큰 차이를 보이지 않았으며, 강섬유의 혼입률 및 형상비는 압축강도 및 탄성계수에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 강섬유 보강 콘크리트에서 강섬유의 혼입률과 형상비는 초기 휨 거동의 특성 값인 비례한도 휨 강도에 영향을 미치는 것으로 나타났고, 형상비가 80인 후크형 강섬유를 사용하였을 때 휨 강도가 가장 크게 향상되는 것으로 나타났다. 또한 Zhang et al.(2023)에 따르면 강섬유의 혼입에 의한 가교역할(Bridge Effect)를 통해 균열에 대한 저항 성능이 향상되고, CMOD 방식을 활용한 휨 실험을 통해 혼입률 증가에 따른 하중의 완만한 감소가 나타났다.

이렇듯 강섬유 보강 콘크리트에 대한 재료적 특성을 파악하는 연구가 진행된 바 있으며, 강섬유를 구조 부재에 활용하고자 구조적 거동을 파악하는 연구들 또한 진행되고 있다.

Kim et al.(2006)은 인장 철근비와 강섬유 혼입률을 변수로 강섬유 보강 콘크리트 보를 제작하고, 4점 재하 실험을 수행하여 강섬유 보강 콘크리트 보의 구조적 거동에 대해 파악하였다. 강섬유 보강 콘크리트 보는 일반 철근콘크리트 보에 비해 균열의 폭과 간격이 줄어들고, 균열이 부재에 전체적으로 분산되는 것으로 나타났다. 강섬유의 보강으로 연성 파괴의 경향이 뚜렷해졌으며, 특히 인장철근의 항복 이후 부재의 성능이 향상되어 파괴 후에도 상당한 처짐량을 보였다. 또한 이러한 실험 결과를 토대로 강섬유 보강 콘크리트의 휨 내력 예측식을 제안한 바 있다. Kang et al.(2017)은 국내 콘크리트구조기준(2012)에서 규정하는 최소 철근비 이하로 보강된 보에 강섬유를 혼입하여 휨 부재를 제작하고, 4점 재하 실험을 수행하여 휨 거동의 변화를 고찰하였다. 최소 철근비 이하로 보강된 보에서는 국부적인 소수의 균열이 성장하여 휨 파괴가 발생한 반면, 강섬유 보강 콘크리트는 강섬유의 혼입에 의해 전경간에 균열이 분산되는 것을 확인하였다. 또한 동일한 철근비의 보에 강섬유를 보강하였을 경우, 강섬유 혼입률에 따라 항복하중이 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 최소 철근비에 비해 0.14% 적게 보강된 보의 항복하중이 최소 철근비로 보강된 보의 항복하중과 동일한 하중 수준을 확보하기 위해서는 최소 0.5% 이상의 강섬유를 보강해야 한다고 밝혔다. Zhang et al.(2024)은 일반 철근콘크리트와 강섬유 보강 콘크리트는 부착한 보 부재를 제작하여 휨 실험을 수행하였다. 강섬유 혼입률이 증가하고, 강섬유 보강 콘크리트의 층이 두꺼울수록 강도와 연성이 증가하는 것으로 나타났으나 1.5%를 혼입한 경우 연성이 오히려 감소하는 결과를 보였다. Tang et al.(2025)는 강섬유 길이와 혼입률을 변수로 경량 콘크리트에 강섬유를 보강하여 강섬유 보강 콘크리트의 휨 실험을 통해 구조적 거동을 파악하였다. Tang et al.(2025)의 연구에서도 다른 선행연구와 마찬가지로 강섬유의 혼입에 의해 균열의 폭과 간격이 줄어들고, 하중-변위 관계에서 연성거동을 유도하는 것으로 나타났다. 또한 강섬유 보강 콘크리트 휨 실험을 통해 극한하중이 최대 34.2%, 연성지수는 223.6% 증가하는 것을 확인하였으며, 실험 결과를 토대로 강섬유 보강 콘크리트의 휨 내력 예측식을 제시하여 기존 코드와의 비교를 통해 높은 정확도를 입증하였다.

본 연구에서는 양단 후크형 강섬유의 최대 혼입률을 1.0%로 설정하여 혼입률에 따른 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 통해 휨 성능을 파악하고, 기존 휨 내력 예측식을 활용하여 실험 결과와 비교하였다.

2. 실험계획

2.1 사용재료 및 배합표

강섬유 보강 콘크리트의 휨 성능을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같은 양단 후크형 강섬유(Hooked-end Steel Fiber)를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 양단 후크형 강섬유의 제원은 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서 사용한 콘크리트는 설계강도 24MPa의 레디믹스드 콘크리트를 사용하였으며, Table 2에 그 배합표를 나타내었다. 또한 본 연구의 유일한 변수인 강섬유 혼입률은 콘크리트 체적비의 0%, 0.5%, 1.0%만큼 혼입하였다.

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Fig. 1

Hooked-end steel fiber

Table 1.

Mechanical properties of steel fiber

Fiber Type	Length (L, mm)	Diameter (D, mm)	Aspect Ratio (L/D)	Tensile Strength (MPa)
Hooked-end	60	0.75	80	1,100

Table 2.

Mix proportion of concrete

W/B (%)	S/a (%)	Unit Weight (kg/m³)
		W	C	FA	S	CS	G	SP	S.F
48.4	48.3	176	328	36	427	427	917	3.28	0
									39.3
									78.5

* W/B: Water-Binder Ratio, S/a: Absolute Fine Aggregate Ratio, W: Water, C: Cement, FA :Fly Ash, S: Fine Aggregates, Cs: Crushed Sand, G: Coarse Aggregates, SP: Superplasticizer

2.2 강섬유 보강 콘크리트 부재 제작

Fig. 2와 같이 복철근 보의 형태로 배근하였으며, 실험체는 단면 및 길이 200×200×1,400mm, 피복두께 25mm로 설정하였다. 인장부와 압축부의 길이방향 주철근은 항복강도 400MPa의 D13 철근을 사용하였으며, 횡방향 보강근은 항복강도 400MPa의 D10 철근을 사용하여 보강하였다. 강섬유 보강 콘크리트 보는 전단스팬(a)과 보 유효깊이(d)의 비율이 2.51인 일반 보로, 사인장 균열 및 휨 균열이 동시에 발생하도록 설계하였다.

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Fig. 2

Detale of SFRC beam

휨 변형에 따른 철근의 변형률을 측정하기 위하여 철근 게이지(Steel Gauge)를 부착하였고, Fig. 3(a)에 철근 게이지 부착 전경을 나타내었다. 콘크리트의 변형률을 측정하기 위해서 콘크리트 게이지(Concrete Gauge)와 매립형 게이지(Embedded Gauge)를 사용하였다. 휨 실험 중 하중 증가에 따른 표면의 균열 발생으로 부착된 콘크리트 게이지의 분리 및 계측 불능이 예상되어, 매립형 게이지를 삽입하여 변형률을 추가적으로 측정하였으며, 게이지 부착 전경을 Fig. 3(b)와 Fig. 3(c)에 나타내었다. 또한 강섬유 보강 콘크리트 부재의 처짐을 측정하기 위해 부재 중앙부와 양옆으로 200mm 떨어진 지점에 와이어 게이지(Wire Gauge)를 설치하여 실험 진행 시 처짐을 측정하였다.

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Fig. 3

Strain gauge set-up

본 연구에서 사용한 강섬유 보강 콘크리트 실험체의 명칭은 강섬유의 형상(HSF) 및 혼입률(0, 0.5, 1.0)으로 구분하였다.

2.3 실험방법

2.3.1 재료시험

강섬유 보강 콘크리트의 역학적 특성을 파악하기 위해 압축강도 시험, 휨 인장 및 쪼갬 인장시험을 수행하였다. 압축강도 시험과 쪼갬 인장 시험은 지름 100mm, 높이 200mm의 실린더형 콘크리트 공시체를 제작하여 수행하였고, 휨 인장 시험은 단면 및 길이 100X100X400mm의 각주형 콘크리트 공시체를 제작하여 수행하였다. 압축강도 시험은 ASTM C39/C39M-21에 따라 0.25±0.05MPa/s의 속도로 하중을 재하하였다. 휨 인장 시험은 ASTM C1609/C1609M-19a에 따라 0.05~0.075mm/min의 속도로 하중을 재하하였으며, 각주형 콘크리트 공시체 중앙부에 선형 변위계(Linear Variable Dispalcement Transformer, LVDT)를 장착하여 처짐을 측정하였다. 쪼갬 인장 시험은 ASTM C496/C496M-17에 따라 0.7~1.4MPa/min의 속도로 하중을 재하하였다. 시험방법에 따라 압축강도(MPa), 휨 인장강도(MPa), L/600 및 L/150 구간의 잔류 휨 강도(MPa), L/150 구간까지의 휨 인성(J), 쪼갬 인장강도(MPa)를 산정하였다.

2.3.2 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험

Fig. 4에 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험 전경을 나타내었다. Fig. 2에 나타난 바와 같이 휨 가력부는 실험체의 중앙부 400mm 지점이며, 지점 간 사이는 1,200mm이다. 휨 모멘트의 가력은 50tonf 용량의 스크류 잭을 사용하여 4점 재하 방식으로 진행하였으며, 하중 재하 속도는 변위제어를 통해 2mm/min의 속도로 가력하였다. 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험은 파괴 발생 위험이 나타나는 시점에서 종료하였으며, 실험을 통한 모든 데이터는 데이터 로거를 통해 기록하였다.

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Fig. 4

Flexural test set-up of SFRC beam

3. 실험 결과

3.1 재료 시험

강섬유 보강 콘크리트의 역학적 특성 파악을 위한 재료시험은 28일간의 양생을 거쳐 재령 28일에 수행하였으며, 시편의 개수는 각 변수마다 3개씩 제작하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 재료시험 결과는 Table 3에 나타내었다.

Table 3.

Results of material test for HSF

Specimen	$f_{c k}$ (MPa)	$f_{p}$ (MPa)	$f_{D 600}$ (MPa)	$f_{D 150}$ (MPa)	$T_{D 150}$ (J)	$f_{s p}$ (MPa)	Slump (mm)
HSF_0	21.23±1.33	3.3±0.01	-	-	-	3.62±0.06	200
HSF_0.5	18.32±0.57	6.20±0.66	4.74±0.88	6.07±0.63	32.48±4.81	4.00±0.19	170
HSF_1.0	18.87±0.63	9.15±0.78	7.25±0.88	8.53±1.12	49.42±4.91	4.66±0.01	160

압축강도 시험의 경우 강섬유 혼입률에 따라 평균 21.23MPa, 18.32MPa, 18.87MPa로 측정되었고, 강섬유가 혼입되지 않은 실험체가 가장 높은 압축강도를 갖는 것으로 나타났다. 이는 강섬유의 혼입으로 슬럼프와 압축강도의 저하가 일어난 Jang et al.(2015)의 연구와 유사한 결과를 보였으며, 섬유의 뭉침(Fiber Ball) 현상에 의한 것으로 판단된다.

휨 인장 시험 결과, 강섬유 혼입률에 따른 후미 인장 강도의 월등한 향상을 보였다. 휨 인장강도는 강섬유 혼입률에 따라 평균 3.3MPa, 6.20MPa, 9.15MPa로 나타났다. 잔류 인장강도에 대한 측정으로 순처짐량이 시편길이의 L/600 및 L/150일 때, HSF_0.5 실험체가 각각 4.74MPa, 8.53MPa로 나타났으며, HSF_1.0 실험체는 7.25MPa, 8.53MPa로 나타났다. 휨 인성 의 경우 HSF_0.5 실험체는 32.48J, HSF_1.0 실험체는 49.42J로 강섬유 혼입률에 따라 향상된 에너지 흡수 성능을 보였다.

쪼갬 인장 시험 결과도 휨 인장 시험과 마찬가지로 강섬유의 혼입률에 비례하여 강도가 증가하였고 각각 3.62MPa, 4.00MPa, 4.66MPa로 측정되었다.

3.2 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험

3.2.1 하중-처짐 관계

강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 통해 하중-처짐 관계를 파악하였고 Fig. 5에 하중-처짐 곡선을 나타내었다. 또한 Table 4에 휨 실험 결과를 나타내었다.

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Fig. 5

Load-deflection curve

Table 4.

Flexural test results of SFRC beam

Specimen	at Peak			at ε₀ = 0.002		at 0.9Peak after peak			at ε₀ = 0.005
Specimen	Load (kN)	Deflection (mm)	$μ_{p}$	Load (kN)	Deflection (mm)	Load (kN)	Deflection (mm)	$μ_{u}$	Load (kN)	Deflection (mm)
HSF_0	87.44	14.35	2.83	75.31	5.07	78.72	18.79	3.71	79.65	6.87
HSF_0.5	97.90	25.75	4.80	78.35	5.37	-	-	-	92.76	19.21
HSF_1.0	110.54	24.68	4.31	95.65	5.73	-	-	-	107.31	22.64

강섬유 혼입률에 따라 최대하중은 각각 87.44kN, 97.90kN, 110.54kN로 나타났고, 강섬유 혼입률에 비례하여 최대하중이 증가하였다. 최대하중 이후 하중이 최대하중의 90% 수준까지 떨어졌을 때, 강섬유가 혼입되지 않은 HSF_0 실험체의 경우 급격한 하중의 감소를 보였으나 HSF_0.5 실험체와 HSF_1.0 실험체는 최대하중 이후에도 하중의 감소 없이 처짐이 증가하였다. 또한 강섬유 혼입률에 비례하여 인장부 주철근의 항복 및 극한시점에서의 하중과 처짐이 증가하는 것을 확인하였다.

3.2.2 균열 및 파괴양상

강섬유 혼입률에 따른 강섬유 보강 콘크리트 보의 균열 및 파괴양상을 확인하기 위해 최종 파괴양상을 Fig. 6에 나타냈다. 강섬유가 혼입되지 않은 HSF_0 실험체는 Fig. 6(a)와 같이 사인장 균열과 휨 균열이 모두 발생하였다. 사인장 균열이 최초로 발생한 후 휨 균열 양상이 나타났고 하중이 증가함에 따라 사인장 균열이 진화되어 사인장 파괴, 즉 전단파괴의 양상을 보였다. HSF_0.5 실험체는 휨 가력부 400mm 지점 내에서 최초로 균열이 발생하였고, 이후 하중의 증가에 따라 실험체에 전체적으로 균열이 진화되며, 휨 파괴까지 이어졌다. 이러한 파괴 양상의 결과, 강섬유가 콘크리트 내부 횡보강근을 일부 대체하여 구조부재의 전단 파괴에 대한 보강이 가능하며, HSF_1.0 실험체와 같이 혼입률이 1.0%일 경우, 부재의 중앙부로 균열을 유도시킬 수 있는 것으로 판단된다.

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Fig. 6

Final failure mode of SFRC beam

3.2.3 연성능력

본 연구에서는 강섬유 보강 콘크리트 보의 처짐을 측정하기 위해 와이어 게이지를 설치하였고, 부재 중앙에 설치된 와이어 게이지를 통해 측정된 처짐데이터를 사용하였다. 또한 본 연구에서는 처짐을 기반으로 한 연성지수를 비교하기 위해 Eq. (1)과 Eq. (2)로 부재의 연성을 정량화하여 비교하였으며, 이를 Table 4에 나타냈다(Kim et al., 2024).

(1)

μ_{u} = \frac{∆_{u}}{∆_{y}}

여기서, $∆_{u}$ : 최대하중 이후 최대하중의 90%일 때 부재의 처짐

$∆_{y}$ : 인장철근 변형률 0.002일 때 부재의 처짐

(2)

μ_{p} = \frac{∆_{p}}{∆_{y}}

여기서, $∆_{p}$ : 최대하중에서 부재의 처짐

$∆_{y}$ : 인장철근 변형률 0.002일 때 부재의 처짐

휨 실험을 통해 강섬유 보강 콘크리트 부재는 최대하중 이후 하중의 감소 없이 실험이 종료된 점을 감안하여 최대하중에서의 처짐을 통해 연성능력을 고찰하였다. 연성지수를 산정하여 비교한 결과, HSF_0.5의 연성지수가 HSF_0에 비해 최대 69.61% 향상된 연성 능력을 보였으며, 강섬유의 혼입이 부재의 연성을 제고시키는 데에 있어 효과적임을 확인하였다.

4. 수치해석 예측식 적용 및 검증

본 연구에서는 강섬유 혼입률을 변수로 하고 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 통해 휨 성능을 파악하였다. 강섬유 혼입률에 비례하여 휨 내력이 증가하는 것을 확인하였고, 이를 Kim et al.(2006)과 Tang et al.(2025)의 연구에서 제시한 예측식을 활용하여 강섬유의 보강 효과를 파악하고자 한다.

Kim et al.(2006)은 강섬유 보강 콘크리트의 쪼갬 인장강도와 인장단면에서 강섬유 보강 콘크리트의 잔류 인장강도의 관계를 회귀분석을 통해 Q₁ 상수로 제시하였다. 또한 강섬유 보강 콘크리트 응력블럭 상단까지의 깊이를 산정하여 강섬유 보강 콘크리트의 인장력을 산정한다. Tang et al.(2025)의 경우 강섬유 보강 콘크리트의 쪼갬 인장강도를 통해 강섬유와 콘크리트 매트릭스 간의 전단강도를 산정하고 이로써 강섬유 보강 콘크리트의 인장력을 산정하도록 제시하고 있다. Kim et al.(2006)과 Tang et al.(2025)의 휨 내력 예측식은 Eq. (3)과 Eq. (4)에 나타내었으며, 각 휨 내력 예측식에 해당하는 응력-변형률 선도를 Fig. 7에 나타내었다.

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Fig. 7

Stress and strain diagram

(3)

M_{n} = T_{s} (d - \frac{a}{2}) + T_{f} (\frac{D}{2} + \frac{e}{2} - \frac{a}{2}) + C_{s} (\frac{a}{2} - d')

여기서, $T_{s}$ : 인장철근의 인장력(N), $A_{s} f_{y}$

$T_{f}$ : 강섬유 보강 콘크리트의 인장력(N), $f_{t u} b (D - e)$

$f_{t u}$ : 잔류 인장강도(N), $Q_{1} ρ_{f} f_{s p f c}$

$Q_{1}$ : 회귀분석에 의한 상수, 0.15

$ρ_{f}$ : 강섬유 혼입률(%)

$f_{s p f c}$ : 쪼갬 인장강도(MPa)

$e$ : 강섬유 보강 콘크리트 응력블럭 상단까지의 깊이(mm), $(ε_{s f} + ε_{c u}) c / ε_{c u}$

(4)

M_{n} = T_{r b} (h - a_{s} - a'_{s}) + T_{f c} (\frac{h}{2} + \frac{e}{2} - a'_{s}) + C_{c} (a'_{s} - \frac{a}{2})

여기서, $T_{r b}$ : 인장철근의 인장력(N), $A_{s} f_{y}$

$T_{f c}$ : 강섬유 보강 콘크리트의 인장력(N), $σ_{f} b (h - e)$

$σ_{f}$ : 강섬유 보강 콘크리트의 인장응력(MPa), $\frac{1}{2} τ_{f, s t} λ_{s t} ρ_{f} F_{b e} (1 + f_{1}) (1 + f_{2})$

$τ_{f, s t}$ : 강섬유와 콘크리트 간 전단강도(MPa), $2.5 f_{t}$

$f_{t}$ : 강섬유 보강 콘크리트의 인장응력(MPa), $0.9 f_{s t}$

$f_{s t}$ : 쪼갬 인장강도(MPa)

$λ_{s t}$ : 강섬유 형상비

$F_{b e}$ : 강섬유 유효 부착계수

$f_{1}$ : 유효 마찰계수, 1/3

$f_{2}$ : 휨 특성 계수, $(h - c) / L_{o}$

$L_{o}$ : 지점 간 사이길이(mm)

휨 실험 결과로 나타난 본 연구의 휨 내력은 강섬유 혼입률에 따라 각각 17.49kN-m, 19.58kN-m, 22.11kN-m로 나타났다. Eq. (3)과 Eq. (4)를 활용한 예측값과 실험값의 비교를 Table 5에 정리하였다.

Table 5.

Comparison experimental values with predicted values

Eq.	$V_{f}$ (%)	$T_{f}$ or $T_{f c}$ (kN)	$M_{p r e .}$ (kN-m)	$M_{e x p .}$ (kN-m)	$M_{p r e .} / M_{e x p .}$
Kim et al. (2006)	0.5	8.18	15.28	19.58	0.78
Kim et al. (2006)	1.0	18.84	16.35	22.11	0.74
Tang et al. (2025)	0.5	58.39	21.25	19.58	1.09
Tang et al. (2025)	1.0	95.93	26.78	22.11	1.21

Kim et al.(2006)의 예측식은 전체적으로 강섬유의 보강 효과를 과소평가하는 것으로 나타났으며, 22% ~ 26%의 오차가 존재했다. 반면 Tang et al.(2025)의 예측식은 실험값과 비교적 유사한 것으로 나타났으나 다소 과대평가하는 경향을 보였다. 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 9%-21%의 오차가 나타났다. 비교적 적은 오차를 보인 Tang et al.(2025)의 예측식을 통해 강섬유의 보강 효과를 확인한 결과, 강섬유 보강 콘크리트의 인장력( $T_{f c}$ )은 강섬유 혼입률이 0.5%인 경우 인장철근에 의한 인장력( $T_{r b}$ )의 57.59%, 강섬유 혼입률이 1.0%인 경우 인장철근에 의한 인장력( $T_{r b}$ )의 94.60% 수준의 보강 효과로 인해 휨 내력의 향상을 나타내고 있는 것을 확인하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 양단 후크형 강섬유를 혼입하여 강섬유 혼입률에 따른 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 성능을 파악하고, 기존 휨 내력 예측식을 활용하여 실험 결과와 비교하였다. 결론은 다음과 같다.

(1) 강섬유 보강 콘크리트의 재료시험 결과, 강섬유 혼입에 의한 압축강도 향상은 없었다. 그러나 휨 인장 및 쪼갬 인장 시험을 통해 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 휨 강도, 잔류 휨 강도, 휨 인성, 쪼갬 인장강도가 증가하는 것을 확인하였다.

(2) 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험 결과, 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 최대 26% 향상된 최대내력을 보였다. 또한 강섬유의 혼입에 의해 철근의 항복 및 철근의 극한시점에서 하중과 처짐이 증가하였고, 강섬유 혼입률이 증가할수록 철근의 항복 및 극한시점을 지연시킬 수 있음을 확인하였다.

(3) 강섬유가 혼입되지 않은 일반 철근콘크리트 보의 경우 사인장 파괴(전단 파괴)의 양상을 보인 반면, 강섬유 보강 콘크리트 보의 경우 모두 휨 파괴의 양상을 보였다. 휨 실험을 통한 파괴 양상을 고찰하였을 때, 강섬유 혼입률 0.5% 이상 혼입하여 전단스팬에 배근된 횡방향 보강근의 기능을 일부 대체하여 부재를 휨 파괴로 유도하는 것이 가능한 것으로 판단된다.

(4) 강섬유 보강 콘크리트 보의 처짐 데이터를 기반으로 연성지수를 산정하여 비교한 결과, 강섬유의 혼입으로 인해 강섬유가 혼입되지 않은 실험체에 비해 최대 69.42% 향상된 연정수가 나타났다. 또한 강섬유가 혼입되지 않은 실험체는 최대하중 이후 급격한 하중의 감소를 보였으나 강섬유 보강 콘크리트 실험모두 최대하중 이후 하중의 감소가 발생하지 않고 실험이 종료된 것으로 보아 부재의 극한하중을 지연시키는 데 있어 강섬유의 혼입이 매우 효과적이며, 철근콘크리트 부재의 연성거동을 유도하는 데에 있어 강섬유의 혼입이 효과적임을 확인하였다.

(5) 기존 선행연구에서 제시한 휨 내력 예측식을 활용하여 본 연구의 실험 결과와 비교한 결과, 강섬유 혼입률 0.5% 이상 혼입하여 보강하였을 경우 인장철근에 의한 인장력의 57.59% 수준 이상의 보강 효과를 통해 휨 내력을 제고시키는 것이 가능함을 확인하였다.그러나 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 오차가 증가하는 것으로 나타났으며, 추후 강섬유 혼입률에 따른 보강 효과를 반영한 휨 내력 예측식을 개발하여 선행연구와의 비교를 진행하고자 한다.

Acknowledgements

이 논문은 2024학년도 가천대학교의 재정적 지원을 받아 작성되었습니다. 이에 감사드립니다(과제번호: GCU-202404350001).

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Journal of the Korean Geo-Environmental Society ISSN:1598-0820(Print) 2714-1233(Online) 한국지반환경공학회 논문집

Preview

Evaluation of Flexural Capacity of Steel Fiber Reinforced Concrete Members by Volume Fraction of Steel Fiber

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1

Hooked-end steel fiber

Table 1.

Mechanical properties of steel fiber

Table 2.

Mix proportion of concrete

Fig. 2

Detale of SFRC beam

Fig. 3

Strain gauge set-up

Fig. 4

Flexural test set-up of SFRC beam

Table 3.

Results of material test for HSF

Fig. 5

Load-deflection curve

Table 4.

Flexural test results of SFRC beam

Fig. 6

Final failure mode of SFRC beam

(1)

(2)

Fig. 7

Stress and strain diagram

(3)

(4)

Table 5.

Comparison experimental values with predicted values

Acknowledgements

References