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문제 정의
- 본 연구에서는 CFS와 GFS로 보강된 철근콘크리트 기 등의 최대내력 특성 및 변형능력 등을 평가하고 보강재의 종류, 보강량 등에 따른 보강 효과를 검토하기 위하여, 철근콘크리트 기둥 실험체에 대한 중심축 재하 실험을 실시한다.
- 본 연구에서는 사용이 일반화 및 증가되고 있는 CFS와 GFS로 보강한 압축 부재 실험을 통해 내력 성능 및 구조적 특성을 파악함으로써 섬유 시트를 실제 구조물에 보강적용 시 필요한 기초자료를 제공하는데 연구의 목적이 있다.
제안 방법
- 콘크리트는 손 비빔 하여 부어 넣기 한 후 콘크리트의 습윤상태를 유지하면서 양생하였고, 28일 양생 후 떼어 내기와 이물질을 제거하였으며, 제작된 기둥 실험체는 보수.보강 전문업체에서 공정에 따라 보강하였다.
- 본 실험은 lOOtonf의 U. T.M 실험실에서 행하였으며, 무보 강 실험체를 기준 실험체로 완전 파괴될 때까지 가력하여 최 대하 중을 기준실험 체의 최대 내력으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 최 대응력일 때의 변위(Smax)와 최대응력의 85%로 저감된 상태의 변위(Mest)의 비를 연성계수로 평가하였다.
- 부재 실험체는 철근콘크리트 극한 강도설계법으로 동일하게 설계하였고, 실험체 크기는 0 12.5X 125cm, Ag= 122.7cm 이며, 각 실험체는 초기에 하중 제어 방식으로 가력하고 항복 이후에 변위 제어방식으로 가력하여 각각의 변수에 따른 압축파괴 특성을 비교. 검토하였다.
- 섬유 시트로 보강한 콘크리트를 사용해 섬유의 종류와 보강 겹 수를 변수로 공 시체실험과, 섬유 시트로 보강한 철근콘크리트를 사용해 섬유의 종류와 보강겹수, 보강 적층 순서를 변수로 압축 부재 실험 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험에 앞서 실험에 사용된 재료의 기계적 특성을 파악하기 위하여 재료시험을 실시하며, 본 실험은 공 시체실험과 부재 실험으로 구분하여 진행한다.
- 양 단부 200 飾의 구간은 띠철근을 50mm 간격으로 배근하고, CFS로 3ply 보강하여 단부 파괴를 방지하였다. 주철근의 변형률을 측정하기 위하여 주근의 중앙에 전기저항 변형 게이지를 설치하였고, 방수 테이프로 방수(防水)처리 하였다.
- 콘크리트는 설계 기준강도 240kgf/前로 KS F 2402(포틀랜드시멘트 콘크리트의 슬럼프 시험 방법)의 규격에 의하여 슬럼프를 확인한 후 부어 넣기 하였으며, 부어 넣기와 동시에 표준형 공시 체를 제작하였고, 배합표는 표 6과 같다.
대상 데이터
- 거푸집은 PVC PIPE VG1 125(내경 0125)를 사용하여 제 작하였다. 콘크리트는 손 비빔 하여 부어 넣기 한 후 콘크리트의 습윤상태를 유지하면서 양생하였고, 28일 양생 후 떼어 내기와 이물질을 제거하였으며, 제작된 기둥 실험체는 보수.
- 공 시체 실험체는 0 15X3Ocm의 표준형 공시 체이며 섬유의 종류와 보강 겹 수를 변수로 하여 기준실험체인 무보강 콘크리트 실험체 3개, CFS로 Iply, 2ply, 3ply 보강한 실험체 각 3개, 그리고 GFS로 Iply, 2ply, 3ply 보강한 실험체 각 3개로 총 21개를 제작하여 실험체의 압축강도 특성에 관하여 실험하였다.
- 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드시멘트)에 적합한 제품을 사용하였으며, 화학적 성분 및 비중은 표 2와 같다.
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(1) 공시체 실험
실험체는 표준형 공시 체를 제작하였으며, 표면 그라인딩 작업 후 보강 공정에 따라 시트를 부착하였다. 보강은 가력시 가력 판과의 직접적인 접촉에 의한 shear brush failure를 방지하기 위하여 실험체의 양 끝단에서 2.
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(2) 부재 실험
실험체에 사용된 철근은 주근 6-D10(Ast=5.68cm), 띠철근은 #6 철선을 보강비에 따라 배근하여 가능한 실제 부재와 동일한 조건하에서 축소된 실험체를 제작하였다. 양 단부 200 飾의 구간은 띠철근을 50mm 간격으로 배근하고, CFS로 3ply 보강하여 단부 파괴를 방지하였다.
- 실험체의 보강을 위해 국내 H사에서 생산되는 탄소섬유, 유리섬유, 에폭시 레진이 사용되었으며, 각각의 물리적인 특 성은 표 4, 표 5와 같다.
이론/모형
- 골재는 KS F 2502(골재의 체 가름 실험 방법)에 적합한 골 재를 사용하였으며, 물리적 성질은 표 3과 같다.
- 재료시험은 본 실험에 사용된 재료인 콘크리트, 철근 등의 재료적인 물성을 시험하기 위하여 KS규격에 의해 만능재료 시험기(Universal Testing Machine, U.T.M)를 사용하여 시험을 실시한다.
성능/효과
- 1) 공 시체실험과 부재실험에서 보강된 실험체는 보강 겹 수가 증가함에 따라 압축강도 또한 증가하는 것을 확인하였으며, 섬유 시트의 효율적인 사용을 위해서는 2ply 이상을 보강하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 2) 부재실험에서 무보강 실험체는 파괴의 양상을 보였으나, 공 시체는 연 성적인 휨 파괴의 양상을 보였으며, CFS로 보강된 실험체는 취성적인 파괴, GFS로 보강된 실험체와 복합 보강된 실험체는 연 성적인 파괴양상을 나타냈다.
- 3) 보강 섬유 종류별 실험 결과, 공 시체실험에서는 CFS 보강 실험체가 GFS 보강 실험체보다 높은 압축강도를 나타내었으나, 부재실험에서는 Iply 보강을 제외한 2ply, 3ply 보강에서 GFS 보강 실험체의 압축강도가 더 높게 나타났다. 이는 높이/단면 비로 인한 국부적인 파괴 발생의 영향 때문인 것으로 판단되며, 향후 연구에 있어 중요한 변수로 작용할 것으로 판단된다.
- 3ply 보강 실험체를 비교한 결과, 2ply 실험체와 마찬가지로 단일재료만으로 보강된 실험체보다는 CFS와 GFS를 복합하여 보강한 실험체의 최 대응력이 더 높게 나타났다.
- 4) 보강적 층순서 에 서는 단일 보강재료만으로 보강된 실험체에 비해 CFS와 GFS로 복합 보강된 실험체와, CFS를 먼저 보강한 실험체가 압축강도 및 연성능력 평가에서 더 우수한 결과를 나타내었다.
- 5) 압축 부재에 섬유 시트를 2ply 이상 보강 시 CFS와 GFS의 순으로 적층복합 보강하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.
- CFS 보강 실험체의 보강 겹 수에 따른 최 대응력의 증가율은 기준 실험체에 비해 1的일 때 56.98%, 2ply일 때 124.95%, 3ply일 때 174.67%가 각각 증가하고, 부착에 의해 일체화된 CFS 보강 실험체의 변형률은 가력하중이 증가함에 따라 최대 응력까지 점진적으로 증가하였으며, 2ply, 3ply 보강에서는 비슷하게 나타났다.
- CFS 보강 실험체의 보강 겹 수에 따른 최 대응력의 증가율은 기준 실험체에 비해 Iply일 때 11.91%, 2ply일 때 16.52%, 3ply일 때 45.40%가 각각 증가하였다. 부착에 의해 일체화된 CFS 보강 실험체의 변형률은 무보강 실험체에 비해 상당한 증가를 보였으며, 특히 Iply 보강일 때의 변형률은 무보강에 비해 3.
- CFS로 보강된 실험체의 압축응력 실험 결과, 모든 실험체는 보강 겹 수가 증가함에 따라 최 대응력이 증가하였으며, 상당한 인성을 보인 후 파괴 시 폭발음과 함께 보강재의 갑작스런 파 단에 의한 취성 적인 파괴양상을 나타내었다. CFS 보강 실험체의 압축응력 실험 결과는 표 8과 같다.
- GFS 보강 실험체의 보강 겹 수에 따른 최 대응력의 증가율은 기준 실험체에 비해 Iply일 때 10.79%, 2ply일 때 62.54%, 3ply일 때 77.25%가 각각 증가하였다. 변형률은 CFS 보강과 마찬가지로 무보강에 비해 더 높은 값을 보였으며, 2ply 보강인 경우에는 무보강에 비해 3.
- GFS 보강 실험체의 보강 겹 수에 따른 최 대응력의 증가율은 기준실험체인에 비해 Iply일 때 51.49%, 2ply일 때 81.29%, 3ply일 때 146.99%가 각각 증가하였고, GFS 보강 실험체에서 변형률은 CFS 보강 실험체에 비해 전반적으로 작게 나타났다.
- GFS로 보강된 실험체의 압축응력 실험 결과, CFS 보강과 마찬가지로 보강 겹 수가 증가함에 따라 최 대응력 또한 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 공 시체 실험과는 달리 GFS 보강 실험체의 최 대응력이 CFS 보강 실험체의 최 대응력을 상회하는 것으로 나타났다. 파괴에 있어서는 전반적으로 연 성적인 파괴 성향을 보였다.
- 각 실험체별 압축응력 실험 결과, C-M-GCG 실험체를 제외한 모든 실험체에서 보강 겹 수가 증가함에 따라 최 대응력 또한 증가하는 것으로 나타났으며, 파괴 시 전반적으로 연 성적인 거동을 보였다. 복합재료 보강 실험체의 압축응력 실험 결과는 표 10과 같다.
- 각 실험체별 압축응력 실험 결과, CFS 보강 실험체와 마찬가지로 보강 겹 수가 증가함에 따라 최 대응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 연 성적인 파괴양상을 보였다. GFS 보강 실험체의 압축응력 실험 결과는 표 7과 같다.
- 각 실험체별 압축응력 실험 결과, 모든 실험체는 보강 겹 수가 증가함에 따라 최 대응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 파괴 시 폭발음과 함께 보강재의 갑작스런 파단에 의한 취성 적인 파괴양상을 보였다. CFS 보강 실험체의 압축응력 실험 결과는 표 6과 같다.
- 단일보강재료만으로 보강된 실험체 중 더 높은 연성비를 나타낸 C-G3P 실험체에 비해 CFS와 GFS를 복합하여 보강한 C-M-CGC 실험체가 18.35% 높은 연성비를 나타냈다. CFS와 GFS를 복합하여 보강한 실험체 중 C-M-GCG 실험체는 변위 측정의 미비로 인하여 연성비를 평가하지 못하였다.
- 단일보캉재료만으로 보강된 실험체 중 더 높은 값을 나타낸 C-C2P를 기준으로 볼 때, C-M-CG 실험체는 8.2%, C-M- GC 실험체는 0.68% 더 높은 연성비를 나타내어 단일보강재료만으로 보강된 실험체에 비해 CFS와 GFS로 복합 보강된 실험체의 연성비가 더 높게 나타났다.
- 단일재료로 보강된 실험체의 연성능력을 평가한 결과, 무 보강 실험체인 C-N 실험체는 1.73, C-C1P 실험체는 2.79, C-G1P 실험체는 1.85로 나타나, Iply 보강일 때는 CFS로 보강된 실험체가 GFS로 보강된 실험체에 비해 50.81% 높은 연 성비를 나타내었으며, 전반적으로 CFS로 보강된 실험체가 GFS로 보강된 실험체보다 더 높은 연성비를 나타내었다. 3ply 보강일 때 C-C3P 실험체의 연성비가 낮게 나타난 것은 premature failure 현상으로 인해 국부적으로 취약한 부분에서 파괴가 발생되어 예상 응력 및 연성에 이르지 못하였기 때문으로 판단된다.
- 25%가 각각 증가하였다. 변형률은 CFS 보강과 마찬가지로 무보강에 비해 더 높은 값을 보였으며, 2ply 보강인 경우에는 무보강에 비해 3.08배 더 높은 값을 나타냈다.
- 보강 실험체는 무보강 실험체보다 높은 압축응력을 보였으며, Iply보강일 때는 CFS 보강 실험체가 GFS 보강 실험체에 비해 1.01% 더 높은 압축응력을 보였으나 2ply, 3ply 보강일 때는 GFS 보강 실험체가 CFS 보강 실험체에 비해 각각 39.49%, 21.91% 더 높은 압축응력을 보여, Iply 보강일 때를 제외하고는 공 시체실험에서의 결과값과 상이한 값을 보였다. 이는 높이/단면 비의 영향으로 인해 길이가 길어짐에 따라 국 부적인 파괴가 발생될 가능성이 크고, 또한 GFS의 연신율이 2.
- 보강재 종류별로 보강 겹 수에 따른 최 대응력의 증가율은 景보강 실험체가 GFS보강 실험체보다 Iply일 때 3.63%,'b约*1 때 24.08%, 3ply일 때 11.21%로 CFS 보강 실험체가-높 < ' 압축응력을 나타내었다.
- 복합재료 보강 실험체의 보강 겹 수에 따른 최 대응력의 증가율은 기준실험체인 C-N 실험체에 비해 C-M-CG 실험체는 78.44%, C-M-GC 실험체는 72.63%, C-M-CGC 실험체는 96.21%, C-M-GCG 실험체는 64.98%가 각각 증가하였다. 변형률에 있어 서는 전반적으로 비슷한 값을 나타냈으나, C-M-GC 실험체는 무보강 실험체에 비해 3.
- 21 %로 각각 더 높은 압축 응력을 보였다. 복합재료로 보강된 실험 체중 적층 순서에 따른 압축응력은 CFS를 먼저 보강한 C-M-CG 실험체가 GFS 를 먼저 보강한 C-M-GC 실험체에 비해 3.36% 더 높은 압축응력을 나타냈다. 최 대응력일 때의 변형률은 C-M-CG 실험체를 제외한 모든 실험체가 비슷한 값을 보였다.
- 복합재료로 보강된 실험 체중 적층 순서에 따른 연성비는 CFS를 먼저 보강한 C-M-CG 실험체가 GFS를 먼저 보강한 C-M-GC 실험체에 비해 7.48% 더 높은 연성비를 나타냈다.
- 7% 더 높은 압축응력을 보였다. 복합재료로 보강된 실험체 중 적층 순서에 따른 압축 응력은 CFS를 먼저 보강한 C-M-CGC 실험체가 GFS를 먼저 보강한 C-M-GCG 실험체에 비해 8.93% 더 높은 압축응력을 나타냈다.
- 40%가 각각 증가하였다. 부착에 의해 일체화된 CFS 보강 실험체의 변형률은 무보강 실험체에 비해 상당한 증가를 보였으며, 특히 Iply 보강일 때의 변형률은 무보강에 비해 3.62배나 큰 값을 보였다.
- 순수하게 한가지 보강재료만으로 2ply 보강된 실험체와, CFS와 GFS로 복합하여 보강한 실험체를 비교한 결과, 단일 재료만으로 보강된 실험체보다는 복합재료로 보강된 실험체의 최 대응력이 더 높게 나타났다. 2ply보강 실험체의 압축응력 실험결과는 및표 11 및 그림 10과 같다.
- 압축응력 증가율은 단일보강재료로 보강된 실험체 중 높은 압축응력을 보인 C-G2P 실험체를 기준으로 C-M-CG 실험체는 9.78%, C-M-GC 실험체는 6.21 %로 각각 더 높은 압축 응력을 보였다. 복합재료로 보강된 실험 체중 적층 순서에 따른 압축응력은 CFS를 먼저 보강한 C-M-CG 실험체가 GFS 를 먼저 보강한 C-M-GC 실험체에 비해 3.
- 압축응력 증가율은 단일보강재료로 보강된 실험체 중 높은 압축응력을 보인 C-G3P 실험체에 비해 CFS와 GFS를 복합하여 보강한 C-M-CGC 실험체가 100.7% 더 높은 압축응력을 보였다. 복합재료로 보강된 실험체 중 적층 순서에 따른 압축 응력은 CFS를 먼저 보강한 C-M-CGC 실험체가 GFS를 먼저 보강한 C-M-GCG 실험체에 비해 8.
후속연구
- 3) 보강 섬유 종류별 실험 결과, 공 시체실험에서는 CFS 보강 실험체가 GFS 보강 실험체보다 높은 압축강도를 나타내었으나, 부재실험에서는 Iply 보강을 제외한 2ply, 3ply 보강에서 GFS 보강 실험체의 압축강도가 더 높게 나타났다. 이는 높이/단면 비로 인한 국부적인 파괴 발생의 영향 때문인 것으로 판단되며, 향후 연구에 있어 중요한 변수로 작용할 것으로 판단된다.
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