본 논문에서는 강섬유 보강 초고성능 콘크리트(UHPC, ultra high performance concrete)의 재료특성 및 휨거동 특성을 파악하고자 하였다. UHPC의 설계압축강도는 120(SC120f), 150(SC150f) 및 180(SC180f) MPa이고, 강섬유 혼입량은 SC120f에서 단일 강섬유 1.0%, SC150f 및 SC180f는 하이브리드 강섬유 1.5%를 각각 적용하였다.
강섬유 혼입량이 증가함에 따라 본 실험 측정결과 및 기존연구결과의 압축강도, 탄성계수 및 인장강도는 증가한다. 또한, 섬유보강지수가 증가함에 따라 압축강도, 탄성계수 및 인장강도는 증가하는 경향을 나타내었다. UHPC의 측정된 재료특성 시험 결과를 바탕으로 탄성계수 및 인장강도를 예측할 수 있는 예측식을 제안하였다. 제안식을 사용한 강도 예측값은 실험 측정값을 합리적으로 예측하고 있다.
UHPC의 설계압축강도 120, 150 및 180 MPa에서 각각 9, 4 및 9개의 보를 제작하였다. 보 부재에 철근비 2.0% 이하를 적용하였고 실험을 통해 휨거동 특성을 파악하였다. 실험결과에서 휨 철근을 배근하지 않은 부재에 강섬유 혼입량 1.0 및 1.5%를 적용하여 초기균열하중 이후 극한하중단계까지 부재의 균열제어 및 큰 연성거동을 확보할 수 있었다.
SC120f 시리즈 보의 연성지수는 1.30∼1.67이고 SC150f 시리즈 보의 연성지수는 1.63∼2.45로 측정되었다. SC180f 시리즈 보의 연성지수는 1.27∼2.61로서 설계압축강도가 증가함에 따라 연성지수는 대체로 증가하는 경향을 나타내었다. 보 단면에 부착된 변형률 게이지를 바탕으로 휨거동 특성을 분석한 결과, 최대하중단계에서 극한압축변형률에 도달하지 못하였고, 철근의 항복변형률에 도달한 것으로 보아 인장파괴거동 특성을 나타낸다.
UHPC의 재료특성 측정값을 바탕으로 AFGC 설계기준(2013), JSCE 지침(안)(2004) 및 SUPER Concrete 구조설계지침(2016)에서 제안하고 있는 재료모델링 기법을 이용하여 SC120f, SC150f 및 SC180f의 재료모델링 결과를 명확하게 제시하였다. UHPC 보의 적층 단면 해석기법을 이용한 휨강도 예측기법을 제안하였으며, 측정 휨강도 대비 제안된 휨강도 예측기법을 이용한 예측 휨강도를 비교하였다. 철근비() 0.59% 이하에서 측정 휨강도에 대한 예측 휨강도는 과다평가 하였고, 철근비 0.59∼2.0%에서 예측 휨강도는 합리적인 수준으로 예측하였다.
해석변수를 UHPC의 인장강도 고려 및 인장강도 무시조건으로 해석을 수행한 결과, UHPC의 인장강도는 반드시 고려해야하는 주요 변수임을 나타내었다. 또한, SUPER Concrete 구조설계지침(2016)에서 제시하고 있는 각 설계기준압축강도에 따른 인장강도 규정값은 콘크리트 타설 시 현장 상황을 반영하여 인장강도의 변동성을 고려해야하는 것으로 판단된다. 주요설계기준의 사용한계상태에 대한 극한한계상태의 예측 휨강도는 대략 80% 수준의 휨강도를 예측한다. 국내의 SUPER Concrete 구조설계지침(2016)에서 제안하고 있는 재료 및 부재계수를 적용하여도 합리적인 수준으로 휨강도를 예측할 수 있다.
대표단면에 주요 설계변수를 인장강도, 탄성계수, 철근의 항복강도 및 철근비로 설정하여 휨강도를 예측하였다. 예측 휨강도의 영향을 주는 주요 해석변수는 인장강도, 철근의 항복강도 및 철근비로 나타내었다. 따라서, 본 연구결과는 UHPC의 실제 구조물에 적용하기 위한 휨강도 설계에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

In this thesis, material properties and flexural performances of the steel fiber reinforced ultra-high performance concrete(UHPC) were investigated by experimental and analytical studies. The design strengths of the UHPC were 120, 150 and 180 MPa in compression, and are referred to as SC120f, SC150f, and SC180f, respectively. The volume fraction of the steel fiber() were 1.0% for the SC120f mixture and 1.5% for the SC150f and SC180f mixtures.
As the amount of the steel fiber increased, compressive strength(), elastic modulus(), and tensile strength() increased in the material tests. Also, as the fiber reinforcing index() increased, the compressive strength, elastic modulus and tensile strength tended to increase. Based on the measured material properties of the UHPC, a prediction equation to predict the elastic modulus and tensile strength was proposed. The predicted values of the strength showed the proposed equation reasonable for experimental results.
In order to assess the behavior of flexural members, nine beams of the SC120f, four beams of the SC150f, and nine beams SC180f were fabricated. The reinforcement ratio() of 2.0% or less was applied to the beams, and the flexural performances were invested by the experiments. At the test results for plain beams, due to the 1.0 and 1.5% steel fiber reinforcing, the crack controlling and ductility enhancing showed from the initial cracking to the ultimate loading stages.
The ductility indices() of the SC120f series were 1.30 to 1.67 and these of the SC150f series were 1.63 to 2.45. The indices of the SC180f series were 1.27 to 2.61, consequently, as the design strength increases, the ductility index generally tended to increase. Test results for UHPC beams showed flexural tensile failures that the tensile failure occurred by yielding of the rebar, while the ultimate compressive strain was not reached at the maximum loading stage.
Based on the measured material properties of the UHPC, material models of the SC120f, SC150f, and SC180f are proposed by using the modelling methods presented in the AFGC Design Standard (2013), JSCE Guide(2004), and SUPER Concrete Structural Design Guideline(2016). Also, a flexural strength prediction method was proposed by using the multi-layered section analysis method of the UHPC beams, and the predicted flexural strengths were compared with measured strengths. The predicted flexural strength is overestimated to compare with the measured strength with the reinforcement ratio() was less than 0.59%, and the predicted flexural strength was predicted rationally with the reinforcement ratio between 0.59 and 2.0%.
From the analytical studies for with and without considering the tensile strength of the UHPC, it was shown that the tensile strength of the UHPC is a key parameter for flexural design and analysis of UHPC members. In addition, it is necessary to consider the variability of tensile strength of UHPC by the site conditions with concrete placing to estimate the tensile strength corresponding to design compressive strength suggested in the Super Concrete Structural Design Guidelines(2016). Most current design standards for the UHPC present the flexural strength prediction of the service limit state is about 80% of the ultimate limit state. Also, the flexural strength of UHPC can be predicted rationally by applying the material and member resistance factors suggested in the domestic Super Concrete Structural Design Guidelines(2016).
The flexural strength of UHPC for a representative section was predicted by main design variables with tensile strength and modulus of elasticity of the UHPC, yield strength of rebar, and reinforcement ratio. As the results of the analytical studies, the main variables affecting the predicted flexural strength are the tensile strength of UHPC, yield strength of rebar, and rebar ratio. Consequently, this study is valuable to the design for the flexural strength of the UHPC members and structures.