In this dissertation, the fatigue life and fatigue crack growth behaviors of concrete are investigated on the basis of damage and fracture mechanics. Modified prediction models considering the effect of concrete strength are also suggested.
The range and level of concrete strength used in structural members subjected to fatigue loading have become wider and higher, respectively. The mechanical properties are influenced by concrete strength. Most design codes, however, have assumed that fatigue life is independent of concrete strength. Therefore, in order to construct a more accurate prediction model and safer design code, detailed experimental evidences of strength influence are needed. In addition, more interest has been shown in the examination and rehabilitation of structures during service life. For execution of structural inspection, it is necessary to establish the fatigue crack growth model. Although, a few works on fatigue crack growth have been carried out, there still is not enough information.
In this study, cylindrical concrete specimens with various strength levels were tested to investigate the fatigue strength and life in axial compression. The experimental results indicated that the fatigue life decreases with increasing concrete strength. Based on these results, a modified fatigue life model considering the effects of concrete strength was proposed. In this model, to directly use the actual compressive strength as the reference of fatigue strength, the strain rate effect was taken into account. The verification of the proposed fatigue life model was conducted by fatigue damage, i.e. fatigue deformation, approach. It was found that the fatigue strain increment rate increases severely as the concrete strength increases. This means that fatigue life should decrease as concrete strength increases. As a result, higher-strength concrete becomes more brittle and less resistive than lower-strength concrete under fatigue loading.
In most structural members under repeated loading, fatigue damage results in a propagation of cracks. In this study, a series of fatigue tests were carried out using the tools of fracture mechanics in order to investigate the strength dependency of fatigue crack growth behavior. They are as follows: wedge splitting test; crack mouth opening displacement (CMOD) compliance calibration technique; dye penetration technique; and seven point polynomial technique. On the basis of these test results, a modified Paris' law considering the strength influence is suggested. To illustrate the accuracy of the proposed fatigue crack growth model, the predicted curves are compared to the test data. It seems that the modified Paris' law could be used as a basic model in health-monitor, maintenance and rehabilitation of concrete structures. In order to examine the applicability of the proposed fatigue life model to the tensile fatigue, the fatigue life data of wedge splitting test are compared to the predictions by the suggested model. The comparison indicated that the proposed fatigue life model is applicable to the data of tensile fatigue, even though it was established from the axial compressive fatigue data. This model also reasonably represents the trend that fatigue life decreases with increasing concrete strength.
To verify the applicability of the CMOD compliance calibration technique, the compliances are compared with those values determined by the dye penetration technique and linear elastic fracture mechanics (LEFM). The comparisons indicate that both the CMOD compliance calibration technique and the LEFM are useful methods for monitoring crack growth in the wedge splitting test. An additional fracture test for the effect of initial notch length on fracture energy was carried out. From the application of characteristic length concept, it was found that the ligament length of the specimen should be sufficiently large for measuring the substantial fracture energy or other fracture properties.
본 논문에서는 콘크리트의 강도가 피로균열 성장에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 연구 결과에 따라 강도의 영향을 고려할 수 있는 모델식을 제안하였으며, 이 모델식은 파괴 역학 이론에 근거하고 있다. 아울러, 피로와 강도의 관계를 규명하기 위한 선행 연구를 수행한 후, 피로수명에 미치는 강도의 영향을 평가하여 이에 대한 모델식을 함께 제안하였다.
현재, 국내의 도로교 표준시방서 및 AASHTO 규준은 콘크리트의 피로수명이 강도의 영향을 받지 않는 것으로 규정하고 있다. 그러나 구조물에 사용되는 콘크리트의 강도가 점차로 증가함에 따라 최근 유럽의 CEB-FIP 규준에 이러한 효과가 반영되는 등, 각종 규준의 변화가 요구되고 있다. 본 연구에서는 콘크리트의 피로수명에 대한 강도의 영향을 평가하기 위하여 4종류의 강도(26, 54, 82, 103 MPa)와 4종류의 최고응력수준(75, 80, 85, 95%)을 변수로 두고 피로실험을 수행하였다. 실험에 사용된 실험체는 φ100 × 200 mm의 원주형 실험체로서 총 160개가 제작되었다. 가해진 피로하중은 1 Hz 속도의 압축 정현하중이었으며 최저응력수준은 15%로 고정하였다. 실험의 결과, 강도가 증가함에 따라 피로수명이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 근거로 하여 강도의 영향을 고려한 S-N-$f_c$‘ 모델식을 제안하였다. 또한 강도의 영향 이외에도 변형율 속도의 효과(strain rate effect)를 도입하여 피로실험과 압축실험에서 발생하는 하중재하율의 차이를 보정하였다. 한편, 피로수명에 대한 강도의 영향을 손상역학에 근거한 검증을 하기 위하여 피로변형 특성에 관한 추가 연구를 수행하였다. 연구 결과에 의하면 피로변형율은 강도수준이 증가함에 따라 감소하는 반면, 반복횟수에 따른 변형율의 증가 속도는 콘크리트의 강도가 증가할수록 큰 것으로 나타났다. 이와 같이, 강도가 증가함에 따라 취성적으로 거동하는 콘크리트의 특성이 피로 내성의 감소를 유발한 것으로 사료된다. 따라서, S-N 곡선에 미치는 강도의 효과는 피로설계의 규준에 반드시 포함되어야 할 것으로 판단된다.
현재, 콘크리트 구조물에 대한 피로설계는 S-N 곡선에 의한 무한수명설계 또는 안전 수명설계의 개념에 근거하여 이루어지고 있다. 토목구조물과 같은 대형 구조물은 안정성이 매우 중요하므로 $10^6$회의 반복횟수에 대한 피로수명을 응력의 기준으로 사용하는 무한수명의 피로설계가 타당한 것으로 판단된다. 그러나 구조물의 파손에 의한 대형재해를 방지하기 위하여, 사용 중에 지속적인 건전성 평가와 보강을 수행할 수 있는 방안에 대하여 관심이 증가하고 있다. 구조물의 건전성을 합리적으로 평가하고 보강하고자 하는 설계 개념이 피해허용설계로서 이미 항공기, 원자력구조물 등의 기계분야에서 이 방식을 도입하여 활용하고 있다. 이 설계방식을 사용하기 위해서는 기본적으로 피로균열 성장속도에 대한 재료특성을 규명하는 작업이 선행되어야 한다. 강재의 경우 이미 많은 연구가 축적되어, 이에 대한 데이터가 상당 부분 정립되어 있는 반면, 콘크리트의 경우에는 균열의 발생 및 성장 면에서 강재에 비하여 상당이 취약함에도 불구하고 이 분야에 대한 연구가 매우 미비한 실정이다.
본 연구에서는 쐐기쪼갬실험(WST)에 의한 인장 피로실험을 수행하여 피로균열 성장에 대한 강도의 영향을 평가하였다. 28, 60, 118MPa 등의 콘크리트 강도, 6, 13% 등의 응력비를 실험변수로 두었고, 사용된 하중은 피로수명 실험과 동일한 1 Hz 속도의 정현하중이었다. 피로실험을 수행하기 전에 균열개구변위(CMOD) 컴플라이언스 보정 실험을 수행한 후, 이를 기초로 하여 피로실험 중의 균열길이를 추정하였다. 이 보정실험에 사용된 실험체는 파괴에너지 측정에 사용되었으며, 이 결과에 의하여 안정된 파괴역학 실험이 수행되었는지가 검증되었다. 피로실험의 초기 데이터, 즉 하중-CMOD 데이터는 CMOD 보정, 7점 증분법, 파괴역학 등의 기법을 이용하여 피로균열 성장속도로 변환되었으며, 이 결과를 기초로 하여 강도의 영향을 고려한 피로균열 성장모델(da/dN-Δ$K_I$ 관계)을 제안하였다. 이 모델식은 응력확대계수를 피로의 지배 계수로 간주하는 Paris‘ 법칙을 수정한 형태이다. 제안된 모델식과 실험결과를 비교하여 본 결과, 제안된 모델식이 강도가 증가함에 따라 피로균열의 성장속도가 증가하는 경향을 정확히 예측하는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트의 강도가 증가함으로써 피로내성이 감소하는 현상이 나타났는데, 이는 피로수명에 대한 선행 연구와 동일한 결과이다. 따라서, 콘크리트의 피로균열 성장은 강도의 영향을 뚜렷이 받으며, 본 연구에서 제안된 피로균열 성장모델식은 구조물의 건전성 평가, 잔여수명 예측, 보수 및 보강 등의 문제에 적용하는 기본 모델로서 사용할 수 있으리라 사료된다.
한편, CMOD 컴플라이언스 보정기법에 의하여 측정된 결과를 염색실험 및 파괴역학 의한 수치해석 결과를 비교하여 보았다. 그 결과에 따라 쐐기쪼갬실험(WST)에 CMOD 보정기법을 적용할 수 있음이 입증되었다. 또한 파괴에너지 측정에 의하여 충분한 리가먼트의 확보가 요구되는 것으로 나타났으며, 본 연구에서 채택된 초기노치길이는 안정적인 파괴역학 실험을 수행하기에 적절하였던 것으로 판단된다.
