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문제 정의
- 본 연구에서는 CFRP 판을 단순히 단부정착한 경우와 프리스트레스를 가한 다음 단 부정 착한 경우의 보강구조의 성능을 단부정착 없이 표면 부착한 경우와 비교하여 연성 증대 및 휨 성능 개선 효과를 실험적으로 분석함으로서 경제적이고 효율적인 단부정착장치의 개발과 더불어 단 부정 착의 규모 및 보강량의 결정 등 단부정착시스템을 적용한 보강구조 설계법의 기초자료로 삼고자 한다.
제안 방법
- CFRP 판을 정착한 후 프리스트레스를 가하기 위하여 고안된 장치는 Fig. 4와 같으며 프리스트레스를 가할 수 있는 특수 유압잭과 인장 후 정착이 가능한 정착 판을 개발하였다. 프리스트레스를 가하지 않고 단순히 단 부정 착만 하는 장치는 Fig.
- Fig. 3과 같이 철근콘크리트 보를 대상으로 무보강한 경우를 기준으로 하여 CFRP 판을 표면부착만 한 경우, 프리스트레스를 가하지 않고 단부정착(단순 정착용 소형 정착장치)만 한 경우, 그리고 프리스트 레싱 후 정착(인장전용 대형 정착장치)한 경우로 크게 4 분류로 대별하여 실험체의 거동특성을 비교. 분석하였다.
- 기준실험체는 콘크리트 강도와 철근비는 같으나 CFRP판으로 보강되지 않은 순수 RC구조의 실험체를 의미하며 MU-皿에서 보듯이 휨강도 계산식에 의하여 충분한 정확도로 예측할 수 있으므로 다른 Type 은 실험을 생략하고 계산값(예상 파괴하중)을 적용하였다.
- 철근 및 보강재의 변형률, 파괴 모드 등의 자료를 얻었다. 더불어 고안된 정착 장치와 CFRP판의 프리스트레싱 보강방법의 효율성 및 적용성 등을 분석하였다.
- 모든 데이타는 데이터 로거(data logger)를 이용하여 실험체가 최종 파괴될 때까지 실험체 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 및 CFRP 판의 변형률을 하중 단계별로 측정하였다. 더불어 실험체의 초기균열과 균열 진행상화 CFRP 판의 탈락 등을 육안으로 관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서발생되는 균열을 부재 면에 기록하여 실험 종료 후 균열 도를 작성하고 사진 촬영을 하였다.
- 보의 중앙부의 인장철근에 3개, CFRP 판에 5개의 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였고, 처짐 측정을 위하여 변위겨〕(linear variable displacement transducer, LVDT)를 2개 설치하여 그 평균값을 변위로 취하였다. 모든 데이타는 데이터 로거(data logger)를 이용하여 실험체가 최종 파괴될 때까지 실험체 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 및 CFRP 판의 변형률을 하중 단계별로 측정하였다. 더불어 실험체의 초기균열과 균열 진행상화 CFRP 판의 탈락 등을 육안으로 관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서발생되는 균열을 부재 면에 기록하여 실험 종료 후 균열 도를 작성하고 사진 촬영을 하였다.
- 보강 구조의 콘크리트 강도에 따른 영향을 관찰하기 위해 콘크리트 강도를 3가지로 달리하여 실험변수로 하였다. 이를 위해 1종 포틀랜드시멘트와 25mm 이하의 굵은골재를 사용한 레미콘을 이용하여 실험체를 제작하였으며, 설계강도는 각각 21MPa, 28MPa, 36MPa 을 목표로 하였고 슬럼프는 12.
- 6과 같이 50OkN용량의 유압잭과 로드 셀을 이용하여 4점 재하방식으로 하였다. 보의 중앙부의 인장철근에 3개, CFRP 판에 5개의 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였고, 처짐 측정을 위하여 변위겨〕(linear variable displacement transducer, LVDT)를 2개 설치하여 그 평균값을 변위로 취하였다. 모든 데이타는 데이터 로거(data logger)를 이용하여 실험체가 최종 파괴될 때까지 실험체 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 및 CFRP 판의 변형률을 하중 단계별로 측정하였다.
- 본 연구에서는 CFRP 판의 보강방법을 달리하여 RC보의 휨실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그리고 철근비를 고려하였다. 정착방법은 단순히 단부정착만 한 경우와 프리스트레스를 가한 후단부 정착한 경우로 하여 각각의 전용 정착 장치를 개발 적용하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 CFRP 판은 스위스 S사에서 개발된 제품으로서 두께는 1.4mm이며 철근과 비교하여 탄성계수는 거의 같으나 인장강도는 약 5배인 재료이며, CFRP판의 부착에 사용된 에폭시는 같은 회사에서 생산하는 제품으로서 재료 특성값은 Table 1, 2와 같다.
- 이를 위해 1종 포틀랜드시멘트와 25mm 이하의 굵은골재를 사용한 레미콘을 이용하여 실험체를 제작하였으며, 설계강도는 각각 21MPa, 28MPa, 36MPa 을 목표로 하였고 슬럼프는 12.0±2.5cm로 설정하였다. 콘크리트 강도는 0100x200mm 크기의 원주형 공시 체를 제작하여 수중 양생한 후 재령 28일에서 압축강도를 측정하였으며, 각 실험체의 압축강도의 평균값은 21.
- 인장철근은 KS D 3504의 이형철근으로 SD 400 을 사용하였다. 또한, 압축 철근과 전단철근은 D10 철근을 사용하였으며, 그 재료 특성값은 Table 3과 같다.
- 극한상태에서의 처짐. 철근 및 보강재의 변형률, 파괴 모드 등의 자료를 얻었다. 더불어 고안된 정착 장치와 CFRP판의 프리스트레싱 보강방법의 효율성 및 적용성 등을 분석하였다.
성능/효과
- 1) 표면부착으로 보강한 실험체가 CFRP 판의 박리에 따른 조기 파괴를 방지하고 연성 증대 및 휨 성능개선을 위해서는 단부정착이 필요하다.
- 2) 보강 방법으로서 CFRP 판을 단순히 표면부착한 경 우무보강 기준실험체에 비하여 파괴하중은 18.4% 증가하였으며, 단부정착을 한 경우는 27.7%가 증가하였고, 단부정착과 더불어 프리스트레스를 가한 경우에는 59.2~60.8%로 매우 큰 휨성능 증대 효과를 나타냈다. 이는 CFRP판에 프리스트레스를가하는 공법이 보강 효과 증진에 매우 효율적임을 보여주는 것이다.
- 3) 표면부착만으로 보강하는 경우 FRP판의 변형률이 약 0.48%에서 계면 박리 파괴가 발생하나 단부정착을 한 경우에는 0.87%, 프리스트레스를 가하여단부정착을 한 경우에는 최대변형율이 CFRP의 극한 변형률인 1.2%를 상회하는 것으로 나타나단부정착을 실시하면 CFRP 판의 재료성능을 상당한 수준까지 발휘할 수 있으며 특히 대형 정착 판과 더불어 프리스트레스를 가하여 구조물을 보강하는 경우 CFRP판의 재료성능을 거의 100% 활용할 수 있음을 알 수 있다.
- 4) 철근비가 감소할수록 CFRP 판이 부담하는 하중이 커지게 되고 연성 거동이 CFRP 판에 의존하게 됨에 따라 상대적으로 CFRP 판의 최대변형율이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 철근비가 적은 구조물의 보강에 단부정착이 보다 유효함을 보여주는 것이다.
- 12는 단부정착(E)을 실시한 경우에 철근비 (n&m)는 같으나 콘크리트 강도를 달리한 실험체의 하중-처짐 곡선을 나타낸 것이다. CFRP판으로 보강을 하지 않은 기준실험체에 비하여 철근비가 0.55% 인 경우에 최대하중은 저강도 (21.8MPa) 에서 30.3%은 강도 (27.0MPa)에서 61.1%, 고강도 (33.0MPa) 에서 60.7%가 증가하였고, 철근비가 0.84%인 경우에는 최대하중이 저강도에서 16.7%, 중강도에서 27.7%, 고강도에서 35.8%가 증가하였다. 일반적으로 강도가 커질수록 최대하중의 증가 경향이 커지고 있어 강도가 큰 콘크리트에서 단부정착에 의한 보강 효과가 상대적으로 크게 발휘되는 것으로 판단되나 실험체 수의 제한으로 경향의 추이를 분석하기는 어려웠다.
- 7%가 증가한다. 그리고 CFRP판에 프리스트레스를 가하여 정착한 경우에는 0.5% 및 0.7% 프리스트레스 레벨에 대하여 각각 59.2%, 60.8%가 증가함으로서 보강공법이 매우 효율화됨을 알 수 있다. 특히, 프리스트레스를 가하여 보강하는 방법은 초기균열이 기준실험체에 비하여 상당히 지연되며 Fig.
- 8은 보강 방법별 CFRP 판의 변형률의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 표면부착만으로 보강을 할 경우 FRP 판의 변형률이 약 0.48%에서 계면 박리 파괴가 발생함으로서 CFRP 판 강도의 1/2 수준도 성능을 발휘하지 못하는 것으로 나타났다. 하지만, 프리스트레스를 가하지 않고 단부정착한 경우에는 0.
- 기준실험체(MU-皿)의 파괴 형태는 인장철근 항복 이후 콘크리트의 압축부가 압괴되는 전형적인 휨파괴 형태를 보였지만, CFRP 판을 표면부착만으로 보강한 경우는 최대하중 이후 휨 균열에 기인하여 하중 저항능력은 점진적으로 감소하며 궁극적으로는 CFRP 판이 급작스럽게 탈락하는 계면 박리가 발생되어 보가 파괴되었다. 한편, CFRP 판을 단 부정 착한 경우는 중앙부의 CFRP판이 부분적으로 박리된 이후에도 하중과 처짐이 계속 중가하다가 단부 정착 장치 근처의 CFRP 판의 섬유가 점진적으로 갈라지다가 최종적으로는 CFRP 판이 인장파단되며 보가 파괴되었으며, CFRP판을 프리스트 레싱 하여 보강한 경우는 초기 균열 하중이 타 실험체에 비하여 매우 크게 나타났으며 철근의 항복 후에도 상당한 연성을 발휘하며 처짐이 증가하다가 CFRP 판이 폭음과 더불어 파단되며 보가 파괴되는 양상을 보였다.
- 이와 같이 단부정착을 실시하면 CFRP판의 재료성능을 상당한 수준까지 발휘할 수 있으며 특히 대형 정착 판과 더불어 프리스트레스를 가하여 보강하는 방법이 균열 저항모멘트의 증가, CFRP판의 재료성능의 100% 발휘 등 구조물의 휨 성능의 개선에 가장 유리한 것임을 알 수 있다.
- 5cm로 설정하였다. 콘크리트 강도는 0100x200mm 크기의 원주형 공시 체를 제작하여 수중 양생한 후 재령 28일에서 압축강도를 측정하였으며, 각 실험체의 압축강도의 평균값은 21.8MPa, 27.0MPa, 33.0MPa로 나타났다.
- 48%에서 계면 박리 파괴가 발생함으로서 CFRP 판 강도의 1/2 수준도 성능을 발휘하지 못하는 것으로 나타났다. 하지만, 프리스트레스를 가하지 않고 단부정착한 경우에는 0.87%, 프리스트레스를 가한 후 단부정착한 2종류의 실험체 경우에는 최대변형율이 공히 CFRP의 극한 변형률인 1.2%를 상회하는 것으로 나타났다.
- 한편, CFRP 판을 단 부정 착한 경우는 중앙부의 CFRP판이 부분적으로 박리된 이후에도 하중과 처짐이 계속 중가하다가 단부 정착 장치 근처의 CFRP 판의 섬유가 점진적으로 갈라지다가 최종적으로는 CFRP 판이 인장파단되며 보가 파괴되었으며, CFRP판을 프리스트 레싱 하여 보강한 경우는 초기 균열 하중이 타 실험체에 비하여 매우 크게 나타났으며 철근의 항복 후에도 상당한 연성을 발휘하며 처짐이 증가하다가 CFRP 판이 폭음과 더불어 파단되며 보가 파괴되는 양상을 보였다.
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