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문제 정의
- 기준 실험체에 비해 전단보강근비가 약 4배 많도록 전단보강근을 배근한 NCFS2 실험체를 계획하여 전단보강근량에 따른 거동 차이를 파악하고자 하였다. 균열이 전단보강효과에 미치는 영향을 파악하기 위하여 NCFS1과 NCFS2 실험체에 대해 항복하중까지 가력한후 균열폭 0.
- 또한 RC 기둥에 전단균열이 있을 경우 이러한 균열이 전단보강효과에 영향을 미칠 것으로 예상되지만 기존 연구의 대부분이 균열이 없는 실험체를 대상으로 하고 있어서 이에 관한 평가가 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 CFS로 전단보강한 균열 또는 비균열 RC 기둥에 대해 반복이력거동을 갖는 전단실험을 실시하여 기둥의 이력특성, 최대강도, 연성비 등의 분석을 통하여 부재의 거동을 비교함으로써 보강전 균열유무가 CFS의 전단보강효과에 미치는 영향을 파악한다.
제안 방법
- Fig. 4(a)에서와 같이 기둥중심에서 10cm씩 떨어진 위치에 2개의 LVDT(L1, L2)를 설치하여 실험체의 횡변위를 측정하였으며, 그 밖의 수직변위, 회전, 슬립 등을 측정하기 위해 6개의 LVDT(L3∼L8)를 추가적으로 설치하였다. 전단 보강근의 변형을 측정하기 위하여 Fig.
- CFS의 전단보강효과 및 보강전 균열유무가 전단보강에 미치는 영향을 파악하기 위하여 Table 2와 같이 총 6개의 실험체를 제작하였다. CFS로 보강하지 않고 최대 전단철근 간격을 고려하여 ø6의 전단보강근을 전단보강비 0.151%로 배근한 NCFS1을 기준 실험체로 하여, CFS를 기둥전체에 기존 전단보강근 방향으로 1겹 횡보강한 CFS1-NCR1 실험체와, 축방향으로 부착된 CFS의 전단보강효과를 파악하기 위하여 주근 방향과 전단보강근 방향으로 각각 CFS를 1겹 보강한 CFS1-NCR2 실험체를 계획하였다.
- 기준 실험체에 비해 전단보강근비가 약 4배 많도록 전단보강근을 배근한 NCFS2 실험체를 계획하여 전단보강근량에 따른 거동 차이를 파악하고자 하였다. 균열이 전단보강효과에 미치는 영향을 파악하기 위하여 NCFS1과 NCFS2 실험체에 대해 항복하중까지 가력한후 균열폭 0.2 mm 이상의 균열을 에폭시로 보수하고 CFS로 1겹 전단보강한 CFS1-CR1과 CFS2-CR1 실험체를 계획하였다.
- 실험체는 기둥의 하부 주두가 완전고정 상태가 되도록 4개의 ø65mm 강봉을 반력 슬래브에 긴결시켰으며, 횡력이 가력되는 동안 축하중에 의한 면외좌굴이 발행하지 않도록 보조 프레임(Guide frame)과 볼지그(Ball jig)를 설치하였다. 실험체 양쪽에 설치된 25 tonf 엑츄에이터(Actuator)를 사용하여 일반적으로 기둥의 반복하중시험시 가력하는 축력비 0.
- 주근에 대해서는 주두와 접합한 기둥 모서리 부분의 주근에 게이지(B1∼B4)를 부착하여 휨모멘트에 의한 변형을 측정하였다. CFS로 보강한 실험체의 경우, 시트의 변형상태를 파악하기 위하여 PL-60(60mm) 게이지(C1∼C7)를 사용하여 기준실험체(NCFS1)의 전단보강근 위치마다 시트 중앙에 부착하였다.
- 횡력의 가력방식은 Fig. 3과 같이 실험체의 횡변위를 가력점의 높이로 나눈 부재각에 따라 1/400, 1/200, 1/100, 1/67, 1/50, 1/33, 1/20, 1/15까지 단계별로 점증 가력하여 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- CFS의 전단보강효과 및 보강전 균열유무가 전단보강에 미치는 영향을 파악하기 위하여 Table 2와 같이 총 6개의 실험체를 제작하였다. CFS로 보강하지 않고 최대 전단철근 간격을 고려하여 ø6의 전단보강근을 전단보강비 0.
- NCFS1와 같은 무보강 실험체로 D10 철근으로 80mm 간격으로 전단배근되어 전단보강근비가 0.592%인 실험체이다. θ=1/100에서 기둥 상부 중앙에 초기 전단균열이 발생하였으며, θ=1/67에서 기둥 상단 단부에 수직균열과 피복콘크리트의 박리가 발생하였다.
- 실험체에 사용된 콘크리트의 압축강도 및 철근의 인장강도에 관한 재료시험결과를 Table 3과 Table 4에 각각 나타내었다. 본 실험에서 사용한 보강재는 중탄성 CFS로 별도의 재료시험을 실시하지 않았으며, Table 5와 같이 제품 설명서에 표시된 물성값을 그대로 사용하였다.
- 기둥의 단면은 30×30 cm의 정방형 기둥으로 높이는 90 cm이며, D13의 주근이 12개 배근되었다. 실험장치와의 연결을 위하여 주두부분을 단면 90×70 cm, 높이 60 cm로 계획하였다. Fig.
성능/효과
- 1) CFS로 보강하지 않은 실험체들의 경우 전단파괴로 인하여 최종파괴가 나타났다. 그리고 CFS로 보강한 실험체들은 CFS의 박리 및 파단으로 최종파괴되었으며, 이 중 보강전 균열을 도입한 실험체들은 부재 항복시에, 보강 전 균열을 도입한 실험체는 최대내력시에 각각 주근이 항복하였다.
- 2) CFS를 보강한 실험체의 최대전단내력이 보강하지 않은 실험체에 비해 19%∼38% 증가한 것으로 나타났으며 연성비 또한 2.3배 이상 크게 나타나CFS 보강이 전단내력 및 연성비 향상에 크게 기여하는 것으로 사료된다.
- 3) 항복하중시까지 가력하여 균열을 도입하여 보강한 실험체가 균열을 도입하지 않은 실험체보다 에폭시의 보강효과로 인하여 최대내력이 10%이상 크게 나타났다. 이에 따라 항복하중시까지 발생한 균열들은 에폭시로 충분히 보수할 경우 CFS의 전단 내력저하에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.
- 5) 전단철근비가 적은 실험체에서 CFS의 변형이 매우 크게 나타나, 적은 전단철근비를 가진 기둥에 대한 CFS 보강이 효과적임을 알 수 있었다.
- 그림에서 CFS로 보강한 실험체의 경우 변위연성비가 6 이상으로 나타났다. CFS로 보강전 균열을 도입하지 않은 실험체가 균열을 도입한 실험체 보다 연성비가 우수하였다. 이는 균열을 도입한 실험체의 경우 강성이 감소하여 항복변위가 증가하였기 때문이다.
- 가로축은 CFS에 부착한 게이지(C1∼C7)의 순서이고 세로축은 CFS의 인장변형도(x10-6)이다. θ=1/33를 기준으로 CFS의 변형도를 볼 때, 총 전단보강근비가 같은 CFS1-NCR1, CFS1-NCR2, CFS1-CR1 등의 실험체들은 6000 이상의 큰 변형을 보였으나, 총 전단보강비가 2.4배 이상 큰 CFS2-CR1 실험체의 경우 증가된 전단철근비에 의해 4000 이하의 변형을 보였다.
- θ=1/100에서 기둥 상부 중앙에 초기 전단균열이 발생하였으며, θ=1/67에서 기둥 상단 단부에 수직균열과 피복콘크리트의 박리가 발생하였다. θ=1/50에서 기둥전면에 균열폭 1mm의 전단균열이 발생하였으며, θ=1/20까지 전단균열의 폭과 균열양이 확대되면서 최종 파괴되었다.
- 그림에서 보면 NCFS2 실험체와 보강전 균열을 도입한 실험체가 초기에 주근이 항복하였으며, NCFS1 실험체는 파괴시까지 주근이 항복하지 않았다. 균열을 도입하지 않고 CFS로 보강한 실험체의 경우, 부재가 최대내력에 도달하는 θ=1/67 이후에 주근이 항복한 것으로 나타났다. 전단철근의 변형도 분포를 각 부재각 별로 Fig.
- 그러나 최대내력은 균열을 도입하지 않고 보강한 실험체가 가장 크게 나타날 것으로 예상되었는데, 실험 결과 균열을 도입한 실험체가 가장 크게 나타났다. 이는 균열을 도입한 실험체는 CFS 파단으로 파괴가 일어난 반면, 균열을 도입하지 않는 실험체는 CFS의 박리로 인한 CFS의 부착파괴가 발생하였기 때문인 것으로 사료된다.
- 1) CFS로 보강하지 않은 실험체들의 경우 전단파괴로 인하여 최종파괴가 나타났다. 그리고 CFS로 보강한 실험체들은 CFS의 박리 및 파단으로 최종파괴되었으며, 이 중 보강전 균열을 도입한 실험체들은 부재 항복시에, 보강 전 균열을 도입한 실험체는 최대내력시에 각각 주근이 항복하였다.
- 기준 실험체인 NCFS1 실험체는 부재각(=θ , rad) 1/200에 기둥 상부의 중앙에 초기 전단균열이 발생하였으며, θ=1/100에서 급작스런 전단파괴가 발생하여 주근 좌굴과 상부 2개의 횡보강근 파단으로 최종 파괴되었다.
- 본 연구의 실험체에 대한 실험내력값을 기존 이론식들에 의한 최소 내력값과 비교할 때 -4%∼17%의 차이가 나타났으며, 그림에서 CFS가 보강됨으로써 휨파괴에 의해 이론 내력이 결정되어짐을 알 수 있었다.
- 콘크리트의 전단파괴에 의해 최종파괴된 NCFS1 실험체의 경우 전단철근이 항복하지 않았으며, NCFS2 실험체는 θ=1/50에서 전단철근의 항복이 일어났다. CFS로 보강한 모든 실험체들은 θ=1/33까지 전단철근의 항복이 일어나지 않았다.
- 표에서 보강하지 않은 실험체에 비해 CFS를 보강한 실험체의 최대전단내력이 19%∼38% 향상된 것으로 나타났다.
후속연구
- 4) 보강전 균열을 도입한 실험체의 경우, 균열을 도입하지 않은 실험체에 초기강성이 저하되는 것으로나타나, 균열이 있는 기둥의 CFS 보강에 따른 구조물의 사용성 및 안전성 평가시 이를 고려하여야 할 것으로 사료된다.
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