KR100888385B1 - 콘크리트 이축 인장강도 시험방법 - Google Patents

콘크리트 이축 인장강도 시험방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래 고가의 장비에 의하여 측정할 수 있었던 콘크리트의 이축 인장강도를 간단하면서도 신뢰성을 확보할 수 있고 저렴한 비용으로 측정할 수 있는 콘크리트 이축 인장강도 시험방법에 관한 것으로서, 상기 콘크리트 이축 인장강도는 원형으로 제작되는 재하판, 콘크리트 시편, 지지판으로 구성된 간단한 콘크리트 이축 인장강도 시험장치로 측정할 수 있도록 하였다.
콘크리트, 시편, 인장강도, 일축, 이축

Description

콘크리트 이축 인장강도 시험방법{BIAXIAL TENSILE STRENGTH TEST METHOD FOR CONCRETE SPECIMEN}
도 1a는 종래 콘크리트 일축 인장강도 추정을 위한 휨인장시험 방법의 개략도이며,
도 1b는 종래 고가의 콘크리트 이축 인장강도 시험장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 콘크리트 이축 인장강도 시험장치를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 콘크리트 이축 인장강도 시험장치방법에 의한 개념도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 콘크리트 이축 인장강도와 관련된 유한요소해석법에 의한 응력도를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:재하판 110:몸통부(재하판)
120:재하부(재하판) 200:콘크리트 시편
300:지지판 400,500:축중심조정부재
본 발명은 콘크리트 이축 인장강도 시험방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 콘크리트의 이축 인장강도를 저비용으로 용이하게 측정할 수 있는 콘크리트 이축 인장강도 시험방법에 관한 것이다.
콘크리트는 시멘트, 물, 혼화재료 등이 일정비율로 믹싱(Mixing)한 후, 양생시킴으로서 경화시켜 구조용 부재로서 소정의 형상을 가지도록 제작되는데, 이러한 콘크리트는 그 제작비용이 상당히 저렴하고 성형성이 뛰어나 거의 모든 건축 및 토목구조물 재료로 사용되고 있다.
이에 이러한 콘크리트의 물리적 특성으로서 압축강도 및 인장강도를 측정하여 이를 기준으로 소요의 강도를 가지는 구조물이 시공할 수 있도록 한다.
따라서 제작되는 콘크리트의 압축강도 및 인장강도를 정확하게 측정할 수 있는 가 여부는 구조물 설계에 있어 매우 중요한 사항이 되는데,
통상 압축강도는 원주형 콘크리트 시험체를 제작하여 상기 콘크리트 시험체를 상하로 압축시키는 압축파괴시험을 통해 소요의 콘크리트 압축강도를 정하게 되며,
상기 인장강도 중 특히 일축방향 인장강도를 측정하기 위해서는 크게 직접인장시험범 또는 휨인장시험법을 종래 이용하고 있다.
이때 상기 직접인장시험법의 경우 콘크리트 인장시편을 제작하고, 콘크리트 인장시편을 직접 인장할 수 있는 인장시험기와 인장시편을 취부 할 수 있는 고정 장치가 필요하게 되는데 이러한 장치가 매우 고가이어서 실무에서는 통상 휨 인장 시험법이 주로 이용된다.
즉, 도 1a와 같이 직육면체 형태의 무근 콘크리트 빔(10)을 제작하고, 상기 무근 콘크리트 빔의 양 단부가 단순 지지되도록 한 상태에서,
상기 무근 콘크리트 빔(10)의 상부로부터 수직하중(P)을 이점(A,B) 재하 하여, 무근 콘크리트 빔에 휨 인장 균열이 발생할 때 무근 콘크리트 빔에 발생하는 휨 응력을 일축 인장강도로 추정하는 방식을 이용하였다.
하지만 콘크리트 부재는 일축방향으로 하중이 작용하기도 하지만, 대부분 이축 이상의 방향으로 하중이 작용하게 되므로 정밀한 콘크리트 부재의 인장강도를 측정하기 위해서는 이축 인장강도를 측정할 수 있는 장치가 필요하게 되었다.
도 1b는 이러한 종래 이축 인장강도 시험장치(20)의 예를 도시한 것이다.
즉, 십자형상의 시편(21,콘크리트 등)에 있어 고정취부(22)를 십자형상의 시편에 더 부착시킨 상태에서,
상기 고정취부(22)에 상, 하 프레임(23)에 장착된 연결축(24)을 고정시키고, 상기 프레임들(23)을 상, 하 방향으로 인장시킴으로서 시편의 이축 인장강도를 측정할 수 있도록 하고 있다.
하지만, 이러한 이축 인장강도 시험 장치는 매우 고가이기 때문에 실무에서는 거의 이용할 수 없다는 문제점이 있어 간편하면서도 신뢰성 있으며 저렴하게 이용할 수 있는 콘크리트 이축 인장강도를 측정할 수 있는 방법에 대한 기술개발의 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상기 기술적과제를 달성하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 제작비용이 저렴하고, 시험방법이 간단하면서도 측정값에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 콘크리트 이축 인장강도를 측정할 콘크리트 이축 인장강도 시험방법을 제공하는 것이라 할 수 있다.
상기 기술적과제를 달성하기 위하여 본 발명은
첫째, 콘크리트 이축 인장강도 시험할 수 있는 장치로서
원형판으로 제작된 콘크리트시편(200);
상기 콘크리트시편(200)의 상면에 원형인 가장자리 하면이 접하도록 형성되며 하중이 재하 되는 재하판(100); 및
상기 콘크리트시편의 저면에 상기 재하판의 직경보다 더 큰 직경을 가진 원형인 가장자리 상면이 접하도록 형성된 지지판(300);을 포함하되,
상기 재하판 및 지지판은 동일축(C)을 기준으로 축대칭이 되도록 배치하고,
상기 재하판에 재하되는 하중에 의하여 콘크리트 시편 중 재하판 내측 콘크리트 시편에 작용하는 휨 응력이 어느 방향이든지 동일한 값을 가지고 있음을 이용하여 상기 휨 응력이 콘크리트 이축 인장강도로 추정될 수 있도록 하였다.
본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명에 이용되는 콘크리트 이축 인장강도 시험장치를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 방법에 따른 개념도를 도시한 것이며,
도 4는 본 발명에 따른 이축 인장강도의 신뢰성을 유한요소 해석법에 의하여 확인할 수 있는 응력도를 도시한 것이다.
<이축 인장강도 시험장치>
본 발명에 따른 이축 인장강도 시험장치는 크게, 재하판(100), 콘크리트 시편(200) 및 지지판(300)으로 구성된다.
상기 재하판(100)은 도 2와 같이 원형판인 몸통부(110); 및 상기 몸통부 하면의 가장자리를 따라 원형으로 하방으로 돌출 연장되어 형성된 재하부(120);를 포함한다.
몸통부(110)는 시험하중이 직접 가해지는 부위이므로 강판을 소정의 두께로 하여 원형판으로 제작하게 된다.
이러한 몸통부(110)는 적어도 콘크리트 시편보다 강성이 큰 재질로 제작함으로서 시험하중 재하에 의한 파손을 방지할 수 있도록 한다.
이러한 몸통부(110)의 저면에는 그 가장자리를 따라 원형으로 형성되되, 하방으로 돌출 연장되는 재하부(120)가 형성되도록 한다.
이러한 재하부(120)는 후술되는 콘크리트 시편(200)의 상면에 접하여 시험하중을 콘크리트 시편에 전달하여 휨 응력이 발생하도록 하는 기능을 가지게 되며, 본 발명의 기술적 특징상 상기 재하부(120)는 반드시 원형으로 형성되도록 하며 이 에 대해서는 후술한다.
이때, 상기 재하판(100)에 의하여 시험하중에 의하여 휨 응력이 발생하는 대상이 바로 본 발명의 콘크리트시편(200)이다.
본 발명의 콘크리트시편(200)도 역시 반드시 원형판 형태로 제작하여야 하며, 그 두께는 시험성격 및 작업성에 따라 다양하게 변경가능 하지만 바람직하게는 재하판(100)을 통해 전달되는 시험하중에 의하여 펀칭 전단과 같은 취성 파괴를 방지할 수 있을 정도의 최소한의 두께를 확보하도록 함이 바람직하다.
이러한 콘크리트 시편(200)은 무근콘크리트 즉, 철근과 같은 콘크리트 보강재가 배근되지 않은 상태로 제작하게 되며, 시험목적에 따라 그 성분 및 조성 비율은 통상의 방법에 따라 정하면 된다.
또한 콘크리트 시편(200)의 직경은 후술되는 지지판(300) 및 재하판(100)의 직경보다 크도록 한다.
지지판(300)은 강재로 제작된 원형 링 형태로 제작하여 콘크리트 시편(200)의 저면에 접하도록 설치되며, 경우에 따라는 지지판(300)은 별도의 미 도시된 지지대에 고정 설치될 수 있다.
이때 상기 지지판(300)의 직경은 재하판(100)의 직경보다 큰 직경을 가지도록 한다.
이에 상기 재하판(100), 콘크리트 시편(200) 및 지지판(300)은 결국 모두 원형판으로 제작되도록 하고 있음을 알 수 있으며, 구체적으로는 재하판(100)의 재하부(120)는 콘크리트 시편(200)의 상면에 원형으로 접하여 설치되며, 지지판(300)도 콘크리트 시편(200)의 저면에 원형으로 접하도록 설치하고 있음을 알 수 있다.
이러한 원형 형태로 제작된 상기 재하판(100), 콘크리트 시편(200) 및 지지판(300)은 동일축(C)을 기준으로 축대칭이 되도록 세팅하게 된다.
즉, 상기 재하판(100), 콘크리트 시편(200) 및 지지판(300)은 동일한 중심축(C)을 가지도록 세팅시킨다.
이러한 세팅을 위한 수단이 본 발명의 축중심조정부재(400)이다.
즉 사람의 인지능력으로는 상기 재하판(100), 콘크리트 시편(200) 및 지지판(300)이 동일한 중심축을 가지면서 축대칭 되도록 하는 것에는 한계가 있을 뿐만 아니라, 정밀한 계측을 위해서는 고가의 장비가 필요할 수 있으므로 본 발명에서는 최대한 간편하면서도 저렴하게 제작할 수 있는 수단을 제시하고자 한다.
이를 구체적으로 살펴보면, 도 2와 같이 원형판인 콘크리트시편(200)을 제작할 때, 미리 그 중앙점(D)이 상면 및 하면에 표시되도록 하여 중앙점(D)을 기준으로 재하판(100) 및 지지판(300)의 중앙부가 서로 수직선상(동일 중심축(C)선상)에 형성되도록 한다.
이를 위한 수단이 본 발명의 축중심조정부재(400)인데,
상기 재하판(100)을 기준으로 하면, 그 내측면에 접하는 밴드 형태의 원형링(410)을 배치한다.
이러한 원형링(410)으로부터는 원 내측 중심을 향하여 방사형으로 수평 연장된 수평재(420)가 형성되도록 하며, 상기 수평재(420) 내측 선단에 수직으로 형성된 중앙수직재(430)가 형성되도록 한다.
이로서 상기 중앙수직재(430)의 하면이 상기 콘크리트 시편(200)에 미리 표시된 중앙점(D)과 일치하도록 하면 자연스럽게 재하판(100)과 콘크리트 시편(200)은 서로 축 대칭되도록 세팅할 수 있게 된다.
이에 본 발명에 의한 재하판(100) 및 콘크리트 시편(200)의 크기를 시험에 따라 규격화시키고, 그 규격화된 크기에 따라 축중심조정부재(400)를 제작하게 되면 본 발명에 의한 콘크리트 이축강도는 항상 일관성 있는 측정값이 도출될 수 있게 된다.
나아가, 상기 지지판(300)도 동일한 축중심조정부재(500)를 사용하게 된다.
즉, 도 2와 같이 지지판(300) 내측면에 접하는 밴드형태의 원형링(510), 원형링(510)으로부터는 원 내측중심을 향하여 방사형으로 수평 연장된 수평재(520),상기 수평재(520) 내측 선단에 수직으로 형성된 중앙수직재(530)로 구성된 지지판(300)용 축중심조정부재(500)를 이용하되, 상기 중앙수직재(530)의 상면이 콘크리트 시편(200)의 저면에 형성된 중앙점(D)과 일치하도록 세팅하게 된다.
단지, 이러한 축중심조정부재(400)를 사용하는가 여부는 선택적인 사항이라고 할 것이다.
이에 본 발명에 따른 상기 콘크리트 이축 인장강도 시험장치를 이용하여 콘크리트 이축 인장강도를 추정할 수 있는 작용메커니즘을 아래에서 살펴보도록 한다.
<콘크리트 이축 인장강도 시험에 따른 작용 메커니즘>
도 2와 같이 세팅된 콘크리트 이축 인장강도 시험장치에 의하면, 콘크리트 시편(200)의 상면에는 원형인 재하판(100)의 재하부(120)가 접하게 되며, 콘크리트 시편(200)의 저면에도 원형인 지지판(100)의 상면이 접하게 된다.
이에 도 3과 같이 미리 크기가 정해진 재하판(100)의 재하부(120)로부터 지지판(300)까지의 거리는 항상 일정한 거리를 유지할 수 있어 만약 재하판(100)에 시험하중이 재하 되면 상기 재하부(120)에 바로 접하는 부위의 콘크리트 시편(200)에 발생하는 휨 모멘트(+)는 동일한 값을 가지게 된다.
이는 도 1a에 있어 직육면체 형태의 무근 콘크리트 빔(10)에 재하되는 수직하중(P)에 의하여 이점(A,B) 사이에 발생하는 휨 모멘트(+)가 동일한 값을 가지는 것과 동일한 원리 할 수 있다.
즉, 도 1a에 있어 수직하중(P) 사이에 하중이 재하 되지 않을 경우 수직하중(P) 사이에 발생하는 휨 모멘트가 동일한 값을 가지는 것처럼,
본 발명에서는 원형으로 형성된 재하부(120)가 콘크리트 시편(200)의 상면에 접하더라도 재하부 내측부위는 콘크리트 시편(200)과 접하지 않게 되므로
결국, 상기 재하부(120) 내측에 발생하는 휨 모멘트는 재하부(120)와 콘크리트 시편(200)이 접하는 부위에 발생하는 휨 모멘트와 차이가 없게 된다.
이때 중요한 것은 본 발명의 상기 휨 모멘트는 어떠한 방향으로도 그 값이 동일하다는 것이다.
즉, 재하부(120) 내측부위에 있어서는 발생하는 휨 모멘트의 방향과 전혀 상관없이 항상 일정한 값의 휨 모멘트가 발생하게 되는데,
이에 본 발명은 재하판(100)의 내측부가 마치 원형관 형태로 형성되도록 함 으로서 이와 접하는 부위의 콘크리트 시편(200)에는 방향과 상관없는 동일한 값의 휨 모멘트가 발생함을 이용하여, 상기 휨 모멘트 값을 콘크리트 시편의 이축 인장강도로 추정할 수 있도록 하는 것이 핵심적인 메커니즘이라 할 수 있다.
단지, 이러한 휨 모멘트 값은 콘크리트 시편에 있어 최대 주응력이 되어야 함을 전제로 할 필요가 있다. 즉, 콘크리트시편(200)에는 전단력이 발생하지 않아 순수 휨 상태를 유지할 필요가 있으며,
추가적으로 상기 콘크리트시편(200)은 도 1a와 같은 단순지지조건을 충족할 수 있어야 한다.
이에 먼저, 콘크리트 시편(200)이 재하판(100)과의 관계에 있어 단순지지조건을 충족시켜 주기 위해서 지지판(300)은 재하판(100)의 직경보다 크도록 하되 재하판(100)과 같은 동일한 원형으로 즉, 원형링 형태로 콘크리트 시편(200)의 저면에 접하도록 설치시키게 된다.
이로서, 재하판(100)은 지지판(300)에 의하여 단순지지 되는 효과를 가질 수 있으며, 재하판(100)의 재하부(120)의 내측은 방향과 상관없는 동일한 값의 휨 모멘트가 발생될 수 있게 된다.
또한 콘크리트 시편(200)이 순수 휨 상태를 유지하도록 하기 위해서 본 발명은 재하판(100), 콘크리트 시편(200) 및 지지판(300)이 동일한 중심축을 기준으로 축 대칭되도록 함으로서, 결과적으로 재하판 접선방향의 전단력이 발생되지 않아 재하부(120)의 내측의 콘크리트 시편(200)은 전단력이 발생하지 않는 순수 휨 상태를 유지할 수 있도록 하였다.
이에 본 발명의 콘크리트 시편(200)에 있어 재하판(100)의 내측부위에 발생하는 휨 모멘트의 크기는 콘크리트 시편(200)의 두께(깊이)에 의존하여 변할 수는 있지만, 동일한 깊이에 있어서는 휨 모멘트의 크기에 변함이 없음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 콘크리트 이축 인장강도 시험장치에 의하여 재하판(100) 내측부위에 발생하는 휨 모멘트를 측정할 경우, 신뢰성 있는 콘크리트 시편의 인장강도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 인장강도는 방향과 상관없이 동일한 값을 가지므로 결국 콘크리트 시편의 이축 인장강도는 곧 콘크리트 시편의 이축 나아가 다축 인장강도로서 이용이 가능하게 된다.
본 발명의 콘크리트 이축 인장강도 시험 장치에 의하여 측정되는 이축 인장강도 값이 실제 방향과 상관없이 동일한 값을 가지는 가에 대한 시험적 입증을 나타낸 것이 도 4이다.
즉, 상기 도 4는 콘크리트시편을 상기 시험장치와 동일한 조건으로 모델링(도 4에 있어 상단 모델링부분)하여 유한요소 해석법에 의한 메쉬 형태의 응력도를 도시한 것인데, 적색으로 표시된 부분이 바로 재하판 내측부위(도 3에 있어 재하판 내측부위)에 해당하는 것으로서 그 값에 차이가 없어 색상이 일정함을 알 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 콘크리트 시편의 이축 인장강도 시험방법에 따른다면, 신뢰성 있는 이축 인장강도를 측정할 수 있게 됨을 알 수 있으며, 이러한 측정을 위해서 단지 원형 형태의 재하판, 콘크리트 시편, 지지판만을 구비하면 되고, 시험하중은 시험실에서 통상 이용되는 압축강도 시험기를 이용하여 재하판에 하중 을 재하하면 되므로
본 발명에 의한 인장강도 시험장치는 그 제작, 설치, 시험방법이 매우 간단하면서도 저렴하며 신뢰성 있는 콘크리트 이축 인장강도 측정이 가능하게 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (6)

  1. 콘크리트 시편으로부터 이축방향으로 동일한 크기의 휨 응력(이축방향 휨 응력)을 얻어 상기 이축방향 휨 응력을 콘크리트 시편의 이축 인장강도로 추정함에 있어서, 상기 이축방향 휨 응력을
    원형판으로 제작된 콘크리트시편; 상기 콘크리트시편의 상면에 원형인 가장자리 하면이 접하도록 형성되며 하중이 재하되는 재하판; 및 상기 콘크리트시편의 저면에 상기 재하판의 직경보다 더 큰 직경을 가진 원형인 가장자리 상면이 접하도록 형성된 지지판;을 포함하되, 상기 재하판 및 지지판은 동일축을 기준으로 축대칭이 되도록 배치하는 이축 인장강도 측정장치를 이용하여 구하고, 상기 이축방향 휨 응력은 재하판의 원형인 가장자리 내측에 있어 모든 방향으로 동일한 크기로 발생되는 휨 응력으로 정하되,
    상기 지지판은 소정의 높이를 가진 원형 고리 형태로서, 상기 지지판의 상면이 원형인 가장자리 상면으로 형성되고,
    상기 콘크리트 시편의 상면에 중앙점을 표시하고, 재하판의 내측면에는
    재하판 내면에 접하는 원형링; 상기 원형링으로부터 원내측 중심을 향하여 방사형으로 수평 연장된 수평재; 및 상기 수평재 내측 선단에 수직으로 형성된 중앙수직재;를 포함하는 축중심조정부재를 설치하여, 상기 중앙수직재의 하면이 콘크리트 시편의 상면에 표시된 중앙점과 일치하도록 하여 상기 재하판과 콘크리트시편이 축대칭으로 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 이축 인장강도 시험방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 재하판은 원형판인 몸통부; 및 상기 몸통부 하면의 가장자리를 따라 원형으로 하방으로 돌출 연장되어 형성된 재하부;를 포함하되, 상기 재하부의 하면이 원형인 가장자리 하면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 이축 인장강도 시험방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 콘크리트 시편은 재하판과 지지판보다 직경이 크도록 하고, 상기 지지판의 직경은 재하판의 직경보다 크도록 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 이축 인장강도 시험방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 콘크리트 시편의 저면에 중앙점을 표시하고, 지지판의 내측면에는
    지지판 내면에 접하는 원형링; 상기 원형링으로부터 원내측 중심을 향하여 방사형으로 수평 연장된 수평재; 및 상기 수평재 내측 선단에 수직으로 형성된 중앙수직재;를 포함하는 축중심조정부재를 설치하여, 상기 중앙수직재의 상면이 콘크리트 시편의 저면에 표시된 중앙점과 일치하도록 하여 상기 지지판과 콘크리트시편이 축대칭으로 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 이축 인장강도 시험방법.
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