< PreviousMagazine of the Korea Concrete Institute 8 2020년 한국콘크리트학회 신 년 사 존경하는 우리 학회 회원 여러분 2020년 경자년( 庚子年) 새 아침이 밝았습니다. 새해에도 여러분의 가정에 건강과 행복이 충만하기를 진심으로 기원합니다. 지난해는 우리나라의 첫 시멘트 공장에서 시멘트를 생산하여 우리나라에서 콘크리트 구조물의 건설을 시작한 지 100년이 되는 해였으며, 우리 학회가 창립된 지 30년이 되는 해였고, 또 새로이 콘크리트의 날을 선포했던 해였습니다. 30년 동안 우리 학회는 비약적인 발전을 거듭하여, 이제는 공공기관과 민간 산업체 관계자들로부터 가장 신뢰받는 학회 중 하나로 성장하였습 니다. 우리 학회를 창립하시고 기틀을 잘 닦아주신 원로 선배 회원님들께 존경과 함께 감사의 마음을 전합니다. 이제 2020년 새해는 우리나라 콘크리트의 새로운 100년과 우리 학회의 새로운 30년을 시작하는 해입니다. 그러나 최근 우 리 콘크리트 공학과 건설 분야를 둘러싸고 있는 국내외 환경과 대내외 여건은 그리 밝지만은 않습니다. 더욱 발전적으로 지속 가능한 학회로의 도약을 위하여 16기 임원진들이 추진하고 있는 몇 가지 활동을 말씀드리고자 합니다. 첫째는 학회의 정관과 운영규정 및 운영세칙의 재검토와 개정을 추진하고 있습니다. 학회발전위원회와 회장단을 중심으로 회장단과 임원의 구성 및 상설위원회, 특정상설위원회, 특별위원회 등 모든 위원회에 관련된 사항을 점검하고, 보완이 필요한 부분은 개정을 추진하고자 합니다. 이것은 산업계 회원들의 학회 참여도를 높이기 위한 노력의 일환이기도 합니다. 둘째는 근래에 산업현장에서 대두된 콘크리트와 철근에 관한 현안에 대한 조사를 진행하고 있습니다. 사회적으로 논란이 되 었던 콘크리트의 구성 재료에 관한 쟁점들과 건설 현장에서 논란이 되었던 쟁점들에 대하여 현황을 조사하고 문제점을 파악하 여, 콘크리트 품질향상에 도움이 되는 자료를 제공하고자 합니다. 이와 더불어 콘크리트 유관단체와의 협력을 더욱 공고히 하 며, 콘크리트 산업에 도움이 되는 학회로의 역할에 더욱 충실히 하고자 합니다. 셋째는 각종 자료의 수집과 정비를 추진하고 있습니다. 그간 많은 회원이 수행한 실험과정이나 결과를 담은 교육자료 및 연 구자료와 사진 및 동영상 등 개인이 보관하고 있는 자료들을 발굴하고 수집하여 공유함으로써, 학회 홈페이지를 통하여 대학, 연구기관, 산업체 회원들이 수업, 세미나, 토론회 등에서 활용할 자료를 제공하고자 합니다. 또한, 학회 사무실 공간의 자료실 을 정비하여, 역사적 가치가 있는 문헌들은 계속 보관하지만, 그 외의 자료는 디지털 자료로 변환하여 보관하고 관리하며 회원 들에게 제공하고자 합니다. 넷째는 젊은 공학자의 참여를 유도하기 위한 구체적인 방안을 마련하려고 합니다. 특히 대학에서 처음 콘크리트 공학을 배 우게 되는 학부생들이 우리 학회 학술대회에 쉽게 참가하여 콘크리트에 대한 흥미와 관심을 두도록 하고 견문을 넓히는 방안 을 준비하고 있습니다. 이것은 우리 학회의 미래 인적 자원 확보를 위한 것이기도 합니다. 이외에도 우리 학회의 미래를 위하여 준비해야 할 것이 많이 있을 줄 압니다. 특히 사무국 직원들과 콘크리트공학연구소 연 구원들의 업무능력을 높이고, 우리 학회의 중요한 구성원이라는 자부심과 함께 콘크리트 산업과 국민 안전의 일익을 담당하고 있다는 자긍심을 갖도록 하는 일도 중요할 것입니다. 회원 여러분께 우리 학회의 미래를 위한 논의와 준비를 같이 해나가기를 부탁드립니다. 경자년 새해에도 회원 여러분의 가정에 건강과 행운이 늘 함께하시고 뜻하시는 모든 일을 성취하시기를 기원합니다. 감사합 니다. 한국콘크리트학회 회장 이 재 훈제 32권 1호 2020. 01 9 권두언 | PREFACE 근대사를 지배한 냉전 기반의 대립과 갈등은 미소 데탕트, 미 · 중 수교, 독일 통일, 소련 붕괴를 거쳐 막을 내려가고 있다. 그리고 개혁과 개방을 선택한 구 사회주의 국가들은 오늘날 눈부신 경제 성장을 이어가고 있다. 그러나 한반도만큼은 ‘냉전 이데올로기에 의한 군사적 대립’이라는 유물 의 덫에 걸려 아직도 분단과 대결의 프레임에 구속당한 지구상의 마지막 지역으로 남아있고 경이적인 규모와 가치로 평가되는 한반도의 경제적 잠재력은 현실로 이어지지 못하고 있다. 최근 한동안 남북미 관계가 장밋빛으로 물들고 한반도 냉전 종식에 대 한 기대가 한껏 고조되었으나 작년 하노이 회담 이후 점점 분위기가 냉랭 해지고 있는 것처럼 보인다. 필자는, 봄이 오기 전에 농사지을 씨앗을 준 비하는 지혜로운 농부처럼 오히려 지금 상황이 우리가 무엇인가를 준비할 수 있는 좋은 시기라고 생각한다. 가을 · 겨울 뒤에는 반드시 봄이 오고 사시( 四時)는 순환하며 낮과 밤도 돌고 도는 것이 자연의 순리이니 한 반도에도 반드시 봄이 올 것이라는 믿음을 갖고 있다. 그러므로 이럴 때일수록 더 차분히 준비의 끈을 놓지 말아야겠다는 생각을 하면서 한반도 인프라 협력 준비에 대해 작은 의견과 제안을 함께 나누고자 한다. 우리가 어떤 일을 준비하고 성공시키고자 하면 먼저 그 일을 추진하는 데 있어서 어려운 점, 즉, 장애물이 무엇인지를 살펴보고 해결해 나갈 수 있도록 지혜를 모아야 한다. 남북 인프라 협력에서는 어떤 난제들이 있 을까? 크게 4가지 정도의 어려움이 있다고 본다. 첫째는, 가장 큰 어려움이라고 할 수 있는 북한의 비핵화 및 이와 연동되는 대북 제재다. 이 문제는 정치적 변수가 지배하는 국제적인 문제로 민간이 접근해서 풀어나가 기 어려운 영역이다. 그러나 제재 해제를 예상하고 시나리오 단계별 협력 사업을 당사자 간에 미리 논의하고 발굴하는 것은 현재의 제재 상황에서도 의외로 가능한 일들이다. 예를 들면, 남북 양자 간 협력을 통한 북한 인프라 공동조사, 제도와 기술 개발, 인적교류, 지식공유사업, 한반도 인프라 마스터플랜 검토 같은 것들이다. 둘째는, 우리 남한 내에서의 남북협력에 대한 양 극단적 시각이다. 소위 ‘퍼주기 논란’, ‘돈벌이 대상’ 등이 그 대표적인 예다. 이는 중국, 베트남 등 구 사회주의 국가들의 환골탈태( 換骨奪胎)한 현재 모습과 그 변화 과정을 자세히 들여다보면 인식이 달라질 수도 있다. 중국과 베트남은 외국인 직접 투자, 공적개발 원조, 민 관협력사업 등의 적극적인 활용과 유치를 통해 놀라운 경제성장을 이루고 있으며 지원 및 투자 주체들은 그 결실을 공유하고 있다. 북한 인프라 개발 자금을 우리 자금만으로 충당하는 것은 불가능하고 다양한 형태의 국제적인 자금 지원과 투자가 이어지게 될 것이다. 그리고 우리가 수주하기 위해서는 중국 · 일본 · 미국 · 유 럽 국가들과 치열하게 경쟁해야만 한다. 현재 우리 기업이 힘쓰고 있는 해외 사업 수주와 비슷하게... 중국이 여러 형태로 북한에 사전 투자를 하고 있듯이 같은 한민족 국가로서 공동 번영을 위한 것이기도 하고 미래의 한반도 인프라 협력의 진전을 소망하며 Wishing for the Progress of Infrastructure Cooperation on the Korean Peninsula 김병석 Byung Suk Kim 한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회 위원장Magazine of the Korea Concrete Institute 10 권두언 | PREFACE 시장을 위한 사전 시드 머니 성격으로서도 초기 투자는 필요하다고 본다. 셋째는, 정치적 변수의 돌발성에 따른 투자금 회수의 어려움 등 북한 진출 리스크 문제이다. 개성공단, 금강산 관광사 업 등에서 학습까지 되어 있다. 물론 정치적 상황에 원인이 있지만 향후에는 리스크 경감을 위한 다른 방안도 생각해 볼 필요가 있다. 그 중의 하나가 외국과의 다자 컨소시엄 구성을 통한 사업 추진이다. 한편으로는 과거 남북협력 사업을 통 해 얻은 비용, 인력, 교육, 자재 등과 관련한 시사점을 면밀히 분석하여 사전 준비를 철저히 함으로써 시행착오를 되풀이 하지 말아야 할 것이다. 마지막으로, 남북협력에 대해 우리 스스로 하고 싶은 가장 궁극적인 물음은 ‘과연 우리는 실질적인 준비가 제대로 되 어 있는가?’이다. 향후 예상되는 북한 개혁 개방에 따른 본격적인 사업의 양상은 과거 남북 간 단독 합의에 의한 제한적 추진 형태가 아니라 중국과 베트남에서와같이 국제 거대자금과 선진국들의 다자간 컨소시엄이 치열하게 경쟁하는 시 장경쟁 형태가 될 것으로 예상된다. 마치 과거로부터 현재까지 우리가 경험하고 있는 해외건설 경쟁과 같이 우리는 해외 건설을 통해 큰 성장을 이뤘고, 교훈도 얻었다. 이 중에서 해외에서 국내 기업 간 과당 경쟁으로 인해 야기된 많은 부정적 사례들은 앞으로 한반도 인프라 협력에서는 반복하지 말아야 하며 반드시 개선해야 할 중요한 교훈적 사례다. 이러한 경 험을 한반도에 놓고 보면 우리는 대북 정보 공유와 이해, 협력 기반과 체계, 자금과 기술, 기준에 대해서 면밀히 검토하고 준비해야 한다. 현재 우리의 현실은 깊지 않은 단편적 지식을 개별적으로 소유하고 있으며, 북한의 수요를 얼마나 파악 하고 있는지 조차 가늠할 수 없다. 물론 가장 큰 원인은 북한 사회 및 자료들의 폐쇄성이다. 중국, 러시아, 일본, 미국, 유 럽의 국가들은 어떨까? 북한의 전통적 우방인 중국과 러시아는 물론, 기술적 우위와 자금, 국제적 영향력, 파트너십을 바 탕으로 한 유럽과 미국의 협력 조건 우위와 전략을 정밀하게 분석하여 우리 전략에 활용할 필요가 있다. 위에서 살펴본 4가지 남북협력 걸림돌과 난제들을 가장 빨리 푸는 방법은 남북미 등 당사국 간 이해관계의 합일점을 바탕으로 한 정치적인 해법일 것이다. 그러나 복잡하고 예측 불가하게 돌아가는 국제정세 변화를 바라만 보고 있기보다 는 미래를 대비한 사전적이고 체계적인 준비를 하는 편이 더 바람직할 것으로 생각한다. 예를 들면, 현재 대북제재 상황 에서도 실행이 가능한 ‘남북 건설 협력 대비를 위한 공감대 형성 및 미래 비전 제시’, ‘본격적인 남북협력 시 예상되는 문 제점 도출 및 실효적 해법 모색’, ‘남북 이해 당사자 간 협력 촉진을 위한 사전 논의와 학술교류’, ‘협력 주요 현안에 대한 제도 및 정책 건의’ 등이다. 그리고 이러한 준비들에 실행력과 구심점을 갖게 하고 인프라 정책, 기술, 사업을 논의하고 통합 추진할 수 있는「한반도인프라포럼」과 같은 협력 플랫폼이 활성화된다면 남북협력 걸림돌과 난제들의 해결에 한 걸음 더 다가설 수 있으리라 믿는다. 끝으로, 냉전 종식의 큰 역사적 흐름 속에서의 희망을 나무의 나이테에서도 찾아본다. 한반도의 뚜렷한 사계절과 추 운 겨울은 나무의 성장에 좋은 조건은 아니지만, 나이테는 더 선명하고 나무 강도도 더 단단하다. 겨울철에는 성장이 더 디지만 조직이 더 치밀한 짙은 부분이 생기고 선명한 나이테를 만들어 주며 좋은 건축 재목이 되게 한다. 필자는 현재 한 반도가 지구상의 마지막 냉전 지역이라는 것과 지금의 겨울과 같은 상황이, 우리가 지혜롭게 준비를 해나간다면, 오히려 더 밝은 한반도의 내일을 위한 축복이 될 수도 있다고 생각한다. 냉전의 프레임에 갇혀 있는 한반도, 남 · 북한이 상극의 기운을 돌려서 상생과 평화를 기반으로 공동번영을 하고, 한반도가 세계의 모범 강국으로 발전하기를, 경자년( 庚子年) 새해가 한반도 인프라 협력의 획기적 진전이 이루어지는 원년이 되기를, 마음 깊이 소망해 본다. 담당 편집위원 : 이건철(한국교통대학교) gclee@ut.ac.kr 김병석 위원장은 서울대학교 토목공학과를 졸업하고 동 대학원에서 구조분야 공학박사학위를 취득하였으며, 한국건설기술연구원 부원장, 국가표준 실무위원, 대한토목학회 부회장, 국회 및 감사원 자문위원, 국토교통부 중앙건설기술심의위원 등을 역임하였다. 현재 는 한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회 위원장으로서 북한 인프라 개발 연구와 한반도인프라포럼 총괄책임을 맡고 있다. bskim@kict.re.kr제 32권 1호 2020. 01 11 얼마 전까지만 해도 생소하기만 했던 인공지능(AI), 자율주행차, 스마트 팩토리 등은 이 제 낯설지 않은 말들이 되었다. 구글이나 아마존, 애플 등이 가진 음성인식 인공지능은 이 미 스마트홈을 비롯한 다양한 영역으로 확장되고 있다. 뿐만 아니라 5세대 이동통신(5G) 기술로 공장의 여러 가지 공정들이 하나로 연결돼, 더욱 정교한 제조업이 가능해지는 “하 이퍼 연결시대”가 도래하고 있다. 우리나라는 과거 농업 중심의 산업구조에서 제조업을 기반으로 급격한 산업화와 경제성 장을 이루었으며, 앞으로도 첨단 IT기술을 근거로 한 자동차, 반도체, 석유화학 등의 제조 업이 더욱 발전할 것으로 기대된다. 산업이 고도화되면서 비용 절감을 위해 풍부한 노동력 과 저렴한 인건비를 앞세운 중국, 동남아로 생산시설을 이전하거나 OEM 방식으로 생산 하는 경우가 많아졌다. 또한, 제품의 품질 개선과 더불어 생산 공정의 단순화, 기계화, 전문 화를 위해 공장자동화를 채택하는 기업이 증가하고 있다. 레미콘산업도 이러한 시대 흐름에 뒤처지지 않기 위해 첨단건설기계, 스마트 팩토리 등 자동화 기술을 통해 작업 방식을 변화시키기 위해 노력하고 있다. 혹자는 시멘트, 물, 모래, 자갈만 섞어서 생산하는 레미콘산업에 굳이 공장자동화가 필요하냐는 의문을 가질 수도 있다. 하지만 레미콘산업도 인수관리 · 공정관리 · 제품관리 · 검사 및 제조설비관리 · 출하관 리와 운반관리 등 생산에서 납품에 이르는 전 과정에 걸쳐 체계적이고 정확한 관리가 필요 하기 때문에 자동화는 선택이 아닌 필수가 되어 가고 있다. 또한, 인구 감소에 따른 제조인 력의 부족, 3D 업무 기피 현상 등 인력충원 문제와 님비(NIMBY) 현상의 심화로 인한 도 심지 공사 난항 등에 미리 대비하기 위해서도 공장자동화는 꼭 필요하다. 대부분의 제조업은 원료를 구매해 공장에서 가공 또는 조립하는 방법으로 제품을 생산 한다. 하지만 레미콘은 일반 제조업의 완성품과는 달리 공장에서 생산해 건설현장에 타설 한 후 콘크리트를 단단히 굳히는 양생과정을 거쳐야 하므로 흔히 반제품이라 부른다. 이러 한 특수성 때문에 자동차나 반도체 회사보다 상대적으로 첨단기술 기반의 공장자동화가 뒤처져 있다. 또한, 대부분의 레미콘공장은 모든 공정을 사람이 관리하기 때문에 다른 제 조업에 비해 노동 집약적이다. 무엇보다도 전 세계적으로 레미콘 출하량은 인구 1인당 평 균 1 m3가 일반적이지만, 우리나라는 인구 1인당 약 3 m3가 출하(2018년, 155백만m 3)1)되 어 다른 나라보다 생산량이 많아 공장자동화에 따른 파급효과는 더욱 클 것으로 예상된다. <그림 1>은 레미콘 제조공정에서 자동화를 구현하기 위한 개념을 나타낸 것이다. 레미 1) 한국레미콘공업협회, 2018년 레미콘통계자료, 2019 레미콘산업에서의 공장자동화 Smart Factory in the Ready Mixed Concrete Industry 정진학 Jin Hak Chung 한국레미콘공업협회 회장/ 유진기업주식회사 사장논단 | COLUMN Magazine of the Korea Concrete Institute 12 레미콘산업에서의 공장자동화 K O R E A C O N C R E T E I N S T I T U T E 콘을 단순히 원재료를 믹서에서 섞어 생산하고 현장 에 납품하는 것으로 알고 있는 사람이 많겠지만, <그 림 1>에서 보는 것처럼 원재료 입고 및 저장, 재료의 계량, 믹서에서 혼합 후 차량 적재 및 품질확인, 건설 현장으로의 운반 등의 다양한 기술이 혼재되어 있다. 무엇보다 콘크리트에서 가장 중요한 품질항목은 ‘강도(strength)’이다. 반제품인 레미콘은 건설현장에 납품되는데 시공환경과 양생방법에 따라서도 강도가 달라질 수 있다. 인공지능과 빅데이터 기반의 자동화 시스템을 도입할 경우, 레미콘 생산과 동시에 생산품 질과 계절· 온도 · 습도 등 환경 분석을 통해 재령( 材 齡) 28일이 경과하지 않아도 콘크리트 강도를 예측, 구조물을 유지관리하는 데에 크게 기여할 수 있다. 그 리고 다양한 센서를 활용해 설비의 상태를 확인하는 설비 예지보전 기술이 공장자동화 세부기술에 포함 돼 레미콘 제조설비의 노후화에 따른 교체주기를 미 리 진단할 수 있다. 이러한 공장자동화 도입이 가능한 것은 현재의 레 미콘 제조설비에도 공장자동화가 어느 정도 적용되 어 있기 때문이다. 레미콘 배합에 따라 원재료를 자동 으로 계량하고, 믹서에 투입하며, 이전 배치(batch)와 동일한 슬럼프를 구현할 수 있도록 혼합시간과 믹서 축에 걸리는 전류(ampere)를 모니터링하고 있다. 또 한, 레미콘 운반차량에 GPS 시스템을 장착해 레미콘 공장에서 차량의 현재 위치를 실시간으로 파악하므 로 배차시간과 간격을 조절하고, 건설현장에 배송오 류를 방지한다. 이처럼 레미콘 제조기술은 발전을 거 듭하고 있지만, 한편으로 는 대부분의 회사는 비용 문제를 들어 기술개발의 필요성을 크게 인식하지 못하고 있으며, 레미콘 산 업이 다른 제조업에 비해 상대적으로 낙후되었다는 것은 부정할 수 없는 사실 이다. 레미콘 산업은 구조물의 형성과 건설안전을 좌우 하는 중요한 산업 분야임에도 불구하고 여타 제조업 보다 사회적 관심과 인식이 부족해 업계에 몸담은 사 람으로서 항상 안타까운 마음이 든다. 4차 산업혁명 시대는 우리에게 변화를 요구하고 있다. 인공지능, 무 인생산이라는 단어에 지레 겁을 먹거나 막연하게 먼 이야기라고 생각해서는 안 된다. 이미 다른 분야에서 는 실무에 적용되고 있는 정확한 데이터 수집을 위한 센서기술, 데이터를 분석해 유용한 정보를 추출· 적용 할 수 있는 빅데이터 처리기술, 효율적인 배송을 위한 SCM(supply chain management, 공급망관리) 시스템 등 다양한 기술을 하나하나 우리 산업에 적용한다는 생각이면 더 쉽게 다가설 수 있다. 스마트팩토리에 대 한 지속적인 투자와 솔루션 개발은 레미콘산업의 생 산효율 향상과 품질경쟁력 제고를 가져올 것이다. 공 장자동화를 통해 레미콘산업이 고도화되고 머지않은 미래에 제조업 혁신의 대표 사례로 언급될 수 있기를 기대해 본다. 정진학 사장은 고려대학교 법학과를 졸업하고, 성균 관대학교 대학원에서 국제경영학을 전공하였으며, 1994 년에 유진기업에 입사하여 유진기업 대표와 한국리모델 링협회 회장을 역임하였고, 현재 유진기업 사업총괄 사장, 동양 대표이사 사장, 그리고 한국레미콘공업협회 회장을 맡고 있다. hoam@eugenes.co.kr 담당 편집위원 : 이건철(한국교통대학교) gclee@ut.ac.kr 그림 1. 레미콘산업에서의 공장자동화 개념 사례제 32권 1호 2020. 01 13 특집 | SPECIAL ARTICLES 고강도 철근의 콘크리트 구조물 적용 기술 Practicability of High-Strength Steel Bars for Concrete Structures 분리 타설된 고강도 철근콘크리트 부재의 전단마찰 거동특성•이재훈, 김호영 고강도 철근을 사용한 RC 저형벽체의 전단마찰강도 성능•김성현, 백장운, 박홍근 고강도 철근의 정착과 이음•천성철, 최창식, 이재훈 고강도 철근이 RC 부재 내충격성능에 미치는 영향•유용재, 김충현, 조재열 고강도 전단철근을 사용한 철근콘크리트 보의 전단거동•신동익, 이도형, 이정윤 급변하는 미래 기술 발전을 반영하고 공간 활용의 효율성을 높이기 위하여 구조물의 거대화는 필연적인 요소이며, 이러한 요구에 부응하여 국내외적으로 초고층 빌딩, 초장대 교량, 대형 지하구조물 등이 증가하고 있다. 대형 구조물 건 설을 위해서는 구조 설계/시공 기술 향상과 함께 재료의 성능 개선이 필요하다. 철근콘크리트 구조물을 구성하는 재료 의 고성능화에 대한 연구는 주로 콘크리트의 성능 개선에 대한 연구를 중심으로 이루어졌다. 지난 수십 년 동안 고인성, 고강도, 고내구성 콘크리트에 대한 연구가 활발하게 이루어졌으며 이러한 노력에 힘입어 현재 100 MPa급 이상의 고강 도 콘크리트가 현장에 적용되고 있다. 반면, 철근의 성능 개선에 대한 연구는 상대적으로 부족한 편이다. 철근의 성능 개선은 구조물의 경제성 개선과 안전성 향상 측면에서 매우 중요한 항목이다. 특히, 부족한 원자재를 절감하고, 시공성 을 향상하며, 고강도 콘크리트의 효과를 높이기 위해서는 고강도 철근의 성능 개선이 필연적이다. 고강도 철근을 콘크리트 구조물에 적용하기 위해서는 재료 성능(응력-변형률 곡선, 연신율, 피로, 인장강도-항복강 도비, 반복하중에 의한 영향 등), 가공 성능(절곡, 용접, 굽힌 부분의 미세 균열 발생 여부 등), 구조 성능(정착길이, 파괴 모드의 변화, 연성 능력, 내력 증대 효과, 소성 힌지 길이의 변화 등), 사용 성능(균열, 처짐, 진동 등), 해석 모델의 개발 등과 같은 여러 분야에서의 검토가 필요하다. 다행스럽게 우리 학회에서는 지난 약 10년간 고강도 철근의 성능 개선에 대한 연구를 활발하게 수행하여 '콘크리트 구조물에 대한 고장력 철근의 적용성 연구’, ‘고강도 철근 설계 시공 지침 작 성 연구’, ‘원전구조물의 고강도 철근 적용기술 개발’, ‘고강도 철근의 보완성능실험을 통한 설계기술기준 개발’ 등의 보 고서를 출판하였다. 이러한 연구 성과를 바탕으로 <표 1>과 같이 ‘콘크리트구조기준 2012’에서는 휨철근의 항복강도를 600 MPa까지 상향하였으며, 전단과 비틀림철근의 경우에도 항복강도를 500 MPa까지 상향하였다. 또한 ‘콘크리트구 조 학회기준 2017’에서는 벽체 전단철근의 항복강도를 600 MPa까지 상향하였다. 이 기사에서는 ‘원전구조물의 고강도 철근 적용기술 개발’과 ‘고강도 철근의 보완성능실험을 통한 설계기술기준 개 발’의 연구 과제에서 수행한 고강도 철근의 정착, 벽체 구조성능, 전단마찰, 전단성능, 내충격성능의 내용으로 구성되었 다. 고강도 철근에 대한 필요성은 향후에도 계속될 것으로 판단되며 급변하는 미래 건설 환경에 적응하기 위해서 철근 의 성능 개선을 위한 노력이 지속하여야 할 것이다. 주간 : 이정윤(성균관대학교) 차기 특집 예고 월/호특집 주제특집 주간원고 마감 2020년 3월호콘크리트 모듈러 기술임석호(건설기술연구원)2월 14일 ※ 특집 기사에 집필을 희망하시는 회원은 특집 주간 또는 사무국 담당자(이정은, 02-3453-9970, lje@kci.or.kr)에게 연락바랍니다. 표 1. 철근 설계기준항복강도의 상한값(긴장재 제외) 철근 종류항복강도 상한값(MPa)철근 종류세부 적용항복강도 상한값(MPa) 주철근600 전단철근 벽체를 제외한 부재500 나선철근700벽체600 띠철근600용접이형철망형 전단철근600 확대머리이형철근400 2방향 전단보강재400 비틀림철근500 편심전단 설계용 전단철근400 전단마찰철근500Magazine of the Korea Concrete Institute 14 특집 1 | SPECIAL ARTICLES 분리 타설된 고강도 철근콘크리트 부재의 전단마찰 거동특성 Shear Friction Behavior of Separated High Strength Reinforced Concrete Members 01 이재훈 Jae-Hoon Lee 영남대학교 건설시스템공학과 교수 김호영 Ho-Young Kim 영남대학교 건설시스템공학과 박사후연구원 1. 머리말 최근 국내· 외에서 고강도 철근에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 이에 국내에서는 2012 ~ 2016년 원전구조 물을 대상으로 80 ksi(550 MPa) 철근을 적용하기 위한 “원전구조물의 고강도 철근 적용기술 개발”이란 제목의 연구과 제와 후속 연구과제로 2017 ~ 2019년 “고강도 철근의 보완성능실험을 통한 설계기술기준 개발”이 수행되었으며 현재 개발되고 있는 700MPa급 철근을 대상으로 2016 ~ 2020년까지 “사회 안전 확보를 위한 700 MPa급 철근 활용 내진 용 철근콘크리트 개발”이란 제목의 연구과제가 수행 중이다. 한편, 국내· 외 설계기준에는 전단마찰 강도를 계산할 수 있는 식이 규정되어 있다. 각 설계기준에서는 전단마찰 강 도를 계산할 때 적용할 수 있는 철근의 항복강도를 설계기준마다 최소 420 MPa에서 최대 600 MPa까지 제한하고 있 다. 이는 600 MPa 이상 되는 고강도 철근이 전단마찰면에 적용될 경우 철근이 항복하지 않기 때문이다. 따라서 현재 개발되고 있는 700MPa급 철근이 전단마찰 발생 구역의 설계에 적용되려면 700 MPa 철근을 적용한 실험적 연구가 필요한 실정이며 이 특집기사에 소개할 전단마찰에 대한 연구는 앞서 설명한 연구과제에서 수행한 실험을 대상으로 진행하였다. 2. 전단마찰 메커니즘 전단마찰 거동은 균열면에 균열이 발생하기 이전의 경우 균열면의 상태에 따라 콘크리트의 점착력과 마찰력, 골재 의 맞물림 작용, 철근의 장부작용(dowel action)에 의한 거동을 보이다가 미끄러짐이 증가하면서 균열이 발생한 이후 부터는 <그림 1>과 같이 균열폭이 점차 증가하면서 콘크리트의 점착력과 마찰력, 골재의 맞물림 작용은 점차 감소하 게 되고 균열면을 가로질러 배치된 철근의 인장력에 의해 전단력을 전달하는 복잡한 거동이다. 이렇게 복잡한 전단마 찰 이론을 1966년 Birkeland와 Birkeland가 쉽게 정리하였다. Birkeland와 Birkeland는 신구 접합면을 따라 균열이 발 생한다고 가정할 때, <그림 2>와 같이 외부 전단력 V는 면을 따라 미끄러짐을 유발하게 된다. 여기서 전단력은 면과 수평방향으로 발생하고 이때 발생하는 미끄러짐은 외력 로 인해 발생하는 마찰력 에 저항한다고 보았다. 만약 마 찰면에 거칠기가 존재하면 미끄러짐은 거칠기를 따라 만큼의 차이를 보이게 된다. 이때, Birkeland와 Birkeland는 마 찰면 사이의 거칠기는 경사 를 갖는 톱니바퀴로 가정하였다. 톱니바퀴 사이에 보강재료가 배치되어 있다면 보강제 32권 1호 2020. 01 15 재료는 거칠기 로 인한 폭 만큼의 인장력을 받게 되고 동시에 인장력과 같은 압축력이 마찰면에 발생한 다고 설명하였다. 3. 전단마찰 강도에 대한 국 · 내외 설계기준 3.1 콘크리트구조기준(2012), ACI 318-14 콘크리트구조기준(2012)과 ACI 318-14에서는 식 (1)과 같이 같은 전단마찰 강도 계산식을 규정하고 있 다. 여기서는 전단마찰 철근의 단면적 , 전단마찰 철 근의 항복강도 에 마찰면에 따른 마찰계수 를 곱하 여 전단마찰 강도를 계산하고 있다. (1) 여기서, 마찰계수는 <표 1>과 같다. 3.2 AASHTO LRFD Bridge Design Specification AASHTO LRFD Bridge Design Specification(2012) 에서는 식 (2)와 같은 전단마찰 강도 계산식을 규정하 고 있다. 이 식은 콘크리트구조기준(2012)와 ACI 318- 14에서 규정하는 전단마찰 강도 계산식과 유사하지만 콘크리트의 영향을 나타내는 변수가 추가되었다. (2) 여기서, 마찰계수 는 콘크리트구조기준(2012)과 ACI 318-14와 같으며 콘크리트 점착계수 c와 , 는 <표 2>와 같다. 3.3 도로교설계기준(한계상태설계법, 2015), Eurocode 2 도로교설계기준(한계상태설계법, 2015)와 Eurocode 그림 2. 전단마찰 가설(Birkeland와 Birkeland) 그림 1. 전단마찰 메커니즘 표 2. AASHO LRFD Bridge Design Specification의 전단마찰 강도 계산에 필요한 계수 내 용 [MPa][MPa] 일체로 친 콘크리트2.80.2510.3 접촉면이 깨끗하고 레이턴스가 없으며 요철의 크기가 대략 6mm 정도 되는 거칠기를 갖는 콘크리트 1.70.2510.3 일부러 거칠게 하지 않은 굳은 콘크리트에 새로 친 콘크리트 0.520.25.5 전단연결재에 의하거나 철근에 의해 구조용 강재에 정착된 콘크리트 0.170.25.5 표 1. 콘크리트구조기준(2012)와 ACI 318-14의 전단마찰 강도 계산에 필요한 마찰계수 내 용 일체로 친 콘크리트 접촉면이 깨끗하고 레이턴스가 없으며 요철의 크기가 대략 6 mm 정도 되는 거칠기를 갖는 콘크리트 일부러 거칠게 하지 않은 굳은 콘크리트에 새로 친 콘크리트 전단연결재에 의하거나 철근에 의해 구조용 강재에 정 착된 콘크리트Magazine of the Korea Concrete Institute 16 2에서 규정하는 전단마찰 강도 계산식은 각각 식 (3)과 식 (4)와 같다. 식 (3)과 식 (4)에서는 콘크리트의 영향 을 콘크리트의 인장강도로 보고 있다. (3) (4) 식 (3)과 식 (4)에 쓰인 계수는 마찰면의 상태에 따라 <표 3>에 나타내었다. 4. 전단마찰 강도평가를 위한 구조실험 4.1 실험변수 실험은 총 50개의 실험체를 3회에 나누어 진행하였 고 주요 변수는 마찰면의 상태, 철근의 항복강도, 전단 마찰 철근비로 설정하였다. 전단마찰면은 현장에서 많 이 쓰이는 면을 채택하였으며 <그림 3>에 나타내었다. 여기서, 골재노출면 20 mm 골재와 25 mm 골재를 사 용하였으며 작업의 용이성을 위해 마찰면의 방향과 수 평 방향으로 세워서 콘크리트를 타설하였다. 타설 이후 약 3 ~ 4시간이 지난 다음 콘크리트가 완전히 굳기 전 고압수를 이용하여 시멘트 페이스트를 털어내는 방법 을 사용하여 제작하였다. 쪼아내기(chipping)면은 콘크 특집 1 | SPECIAL ARTICLES 표 3. KHBDC(LSD, 2015)와 Eurocode 2의 전단마찰 강도 계산에 필요한 계수 표면 구분 KHBDC (LSD, 2015) Eurocode 2해당 표면 상태 매우 매끄러움 = 0.25 = 0.5 = 0.025-0.1 = 0.5 강재, 플라스틱 또는 특별 히 제작된 목재 거푸집에 타설한 표면 매끄러움 = 0.35 = 0.6 = 0.2 = 0.6 슬립폼 또는 사출성형 거 푸집에 타설한 표면 및 진 동 다짐 후 더이상의 표면 처리하지 않은 자유 표면 거침 = 0.45 = 0.7 = 0.4 = 0.7 표면을 긁어 거칠게 하거나 골재를 노출시키거나 기타 방법을 통해 약 40 mm 간 격에 적어도 3 mm 거침이 있는 표면 요철표면 = 0.5 = 0.9 = 0.5 = 0.9 5 mm 이상의 깊은 요철 을 가지면서 규격에 맞게 사전 제작된 표면 그림 3. 전단마찰면 비교 (c) 6 mm 요철(합판제작) (a) 골재노출(water jet) (d) 매끈한면 (b) 쪼아내기(chipping) 그림 4. 6mm 요철면 제작방법 그림 5. 실험체 설치 전경제 32권 1호 2020. 01 17 리트 타설 후 굳힌 다음 거푸집을 탈거하고 핸드브레이 커를 이용하여 마찰면에 쪼아내기를 실시하여 제작하 였다. 6 mm 요철면은 <그림 4>와 같이 두께 6mm, 폭 40 mm의 나무판을 거푸집에 부착한 뒤 콘크리트를 타 설하는 방법으로 제작하였다. 실험자료 계측은 U.T.M에서 얻는 하중과 <그림 5> 와 같이 실험체에 설치한 LVDT로 수직 변위와 균열폭 을 할 수 있으며 마찰면 사이에 발생하는 국부변형을 알기 위해 철근에 부착한 변형률 게이지로 철근의 변형 률을 할 수 있다. 4.2 실험결과 분석 마찰면의 상태와 철근의 항복강도, 전단마찰 철근비 에 상관없이 모든 실험체는 <그림 6>과 같이 균열 발생 이전의 경우 콘크리트의 점착력과 마찰력, 골재의 맞물 림 작용, 철근의 장부작용이 복합적으로 발생하기 때문 에 높은 강성을 보이면서 하중이 증가하다가 전단마찰 면에 균열이 발생한 이후부터는 콘크리트의 점착력과 마찰력이 감소하면서 강성이 점차 감소하는 경향을 보 이며 하중이 증가한다. 철근의 변형률은 항복강도가 327 MPa이면 대부분의 실험체에서 최대하중 이전에 철근이 항복하는 것으로 나타났다. 그러나 567 MPa 철근과 713 MPa 철근은 대 부분 최대 전단마찰 강도 이후 하중이 감소하는 구간에 서 철근이 항복하는 경향을 보였다. 다만, 567 MPa 철 근이 배치된 실험체 중에는 최대하중 이전에 철근이 항 복하는 거동을 확인하였다. 4.3 현행 설계기준 계산식과 실험자료 비교 현행 설계기준에서 규정하고 있는 전단마찰 강도 계 산식은 콘크리트구조기준(2012)의 경우 철근의 항복 강도를 500 MPa로 제한하고 있으며 ACI 318-14와 AASHTO LRFD는 420 MPa로 제한하고 있으며 도 로교설계기준(한계상태설계법, 2015)와 Eurocode 2 는 600 MPa로 제한하고 있다. 현재 개발되는 700 MPa 급 철근을 전단마찰면에 적용하기 위해 검증이 필요하 다. 계산된 전단마찰 강도와 실험으로 계측된 전단마 찰 강도를 비교하기 위해 실험 수행 후 계측된 실험자 료 50개와 참고문헌에서 얻은 31개의 실험자료를 더하 여 총 81개의 실험자료를 확보하였다. 확보한 실험자료 의 콘크리트 압축강도 분포와 철근의 항복강도 분포는 콘크리트의 경우 24 MPa ~ 105 MPa의 범위로 보통강 도에서 고강도 콘크리트까지 고루 분포하였고 철근의 경우 327 MPa ~ 965 MPa로 역시 보통강도에서 고강 도 콘크리트까지 고루 분포하였다. 81개의 실험자료는 20 mm 골재노출, 25 mm 골재노출, 6 mm 요철면, 쪼아 내기면을 갖는 마찰면으로 현장에서 전단마찰면을 시 공할 때 주로 사용되고 있다. 한편, 현행 설계기준에서 규정하고 있는 전단마찰 강 도 계산식과 실험자료를 비교하기 위해 각 설계기준에 서 규정하고 있는 마찰계수의 정의에 따라 실험에 적용 된 6 mm 요철면과 골재노출면, 쪼아내기면에 대한 마 그림 7. 요철을 갖는 시공이음부 상세_KHBDC(LSD, 2015), EC2 (a) = 0.0051 실험체 하중-변위(b) = 0.0051 실험체 하중-균열폭 (c) = 0.0076 실험체 하중-변위(d) = 0.0076 실험체 하중-균열폭 (e) = 0.0127 실험체 하중-변위(f) = 0.0127 실험체 하중-균열폭 그림 6. 쪼아내기면을 갖는 실험체의 전단마찰 거동Next >