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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 여러 종류의 FRP 보강재 중에서 생산비 측면에서 상대적으로 비교우위에 있는 GFRP 보강근을 대상으로 하여 외국규준에서 제시하고 있는 인장강도 특성치 규명을 위한 시험방법을 비교 . 검토하고, 각국 규준에서 제시하고 있는그립(또는 앵커) 형태가 GFRP 보강근의 인장강도 특성치에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 아울러, 선진외국에서 상용화되고 있는 기성제품에 대한 인장강도 특성치 분석을 위한 시험을 실시하여 향후 국내 고유의 GFRP 보강근의 개발을 위한 기초자료를 축적하고자 한다.
- 또한 GFRP 보강근의 인장강도 발현 측면에 있어서도 CSA 그립에 의한 시험결과에 근접하는 시험결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 경제성 및 사용성측면에서 우수한 ASTM 그립을 근간으로 하여 기존의단점을 개선하기 위한 추가적인 연구를 계획하였다.
- 한편, FRP 보강재는 재료자체가 갖고 있는 취성적 특성으로 인하여인장시험용 그립부위에서의 응력집중에 기인한 조기 파단현상이 나타나는 것으로 보고되고 있어 이 부분에 대한세심한 고려가 필요하다饭W。). 따라서, 본 연구에서는 여러 종류의 FRP 보강재 중에서 생산비 측면에서 상대적으로 비교우위에 있는 GFRP 보강근을 대상으로 하여 외국규준에서 제시하고 있는 인장강도 특성치 규명을 위한 시험방법을 비교 . 검토하고, 각국 규준에서 제시하고 있는그립(또는 앵커) 형태가 GFRP 보강근의 인장강도 특성치에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
- 검토하고, 각국 규준에서 제시하고 있는그립(또는 앵커) 형태가 GFRP 보강근의 인장강도 특성치에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 아울러, 선진외국에서 상용화되고 있는 기성제품에 대한 인장강도 특성치 분석을 위한 시험을 실시하여 향후 국내 고유의 GFRP 보강근의 개발을 위한 기초자료를 축적하고자 한다.
제안 방법
- CSA 그립은 강재 실린더에 GFRP 보강근을 삽입한 후, 실린더의 내부에 열경화성 에폭시 수지를 수직 방향으로주입하여 제작하였다. 시험에 사용된 실린더는 두께 5 mm 의 강재 실린더이며, 내경과 외경은 각각 25, 30mm로제작하였다.
- GFRP 보강근의 변형률을 측정하기 위해 시험편의 중앙부에 변형률 거]이지 (W.S.G)를 각각 2개 부착하였으며, Data Logger를 이용하여 연속적으로 기록 . 측정하였다.
- 시험에 사용된 실린더는 두께 5 mm 의 강재 실린더이며, 내경과 외경은 각각 25, 30mm로제작하였다. 수지의 주입순서는 한 쪽 단부의 그립에 에폭시 수지를 충진하여 12시간 경과 후, 다른 편의 그립에 에폭시 수지를 주입하여 양생하였다. 제작이 완료된 CSA 그립의 형상을 나타내면 Fig.
- 이와 같은 분석에 따라 본 연구에서는 그립별 성능 비교시 험에 사용한 공칭 직경 12.7 mm, 실제 직경 14 mm의모래분사형 GFRP 보강근에 대하여 반구형 내부 홈 지름에 따른 인장시험을 실시하였다. ASTM 그립의 내부홈 지름에 따른 GFRP 보강근의 평균 인장응력의 분포를 나타내면 Fig.
- GFRP 보강근에 대한 가력방법은 최대용량 1, 000 kN의 만능시험기 상 . 하부에 GFPR 보강근의고정을 위한 그립장치를 설치하고 단조가력 방식으로 인장하중을 도입하였다. 하중 가력속도는 500MPa/min.
대상 데이터
- CSA (Canadian Standard Association) 규준에서 제안하는 인장시험용 그립(* grip 은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 FRP 보강근을 강재의 실린더 속에 삽입하고 에폭시 수지를 주입하여 양생 . 경화시킴으로써 보강근과 주입된수지와의 부착력에 의해 인장시험을 하도록 제작되는 것을 특징으로 한다.
- 본 시험에 사용된 인장그립은 각각 CSA 규준에서 제안하는 그립, ASTM 규준에서 제안하는 그립 및 프리스트레스 강연선의 정착에 주로 사용되는 쐐기형태의 그립을 선정하였다. 이하, 각각의 그립제작에 관하여 기술하면 다음과 같다.
- 2에서 보는 바와 같이 내부 면이 반원 형태로 가공된 한 쌍의 강재블록으로 FRP 보강근을 압착하여 고정하는 것을 특징으로 한다. 본 시험용 그립은 FRP 보강근이 시험기와 맞물리는 부분에서의 지압력에 의해 시편이 국부적으로 파괴되는 것을 방지하기 위하여 알루미늄 탭 형태로 제작된다. 또한, 그립의 내부는 FRP 보강근과 그립과의 마찰저항력을 높이기위해 샌드블래스트 처리를 한다.
- 여기서 fu, 々는 각각 극한 인장강도 및 단면적이다. 본시험에서는 제작의 편의를 위하여 모든 GFRP 보강근에대하여 그립 의 길이를 330 mm를 적용하였다.
- 여기서, ASTM 그립 내부 면의 반원은 공칭 직경을 기준으로 제작되며 재질은 알루미늄 합금 6061-T6을 사용한다. 본실험에 사용된 공칭직경 12.7 mm의 GFRP 보강근에 대하여 규정된 ASTM 그립의 크기는 152 X 50 X 19 mm으로제작이 완료된 그립의 형상을 나타내면 Fig. 8과 같다.
- 시험에 사용된 GFRP 보강근은 E-glass 섬유와 Vinyl Ester 수지로 구성된 제품을 선정하되, 외피 유형별로 구분하여 국내에서 자체 제작된 원형 GFRP 보강근, 미국 H사의 나선형 GFRP 보강근 및 캐나다 C사의 규사코팅으로 표면 처리된 GFRP 보강근을 선정하였다. 실험에사용한 GFRP 보강근은 모두 공칭직경 이 12.
- 제작하였다. 시험에 사용된 실린더는 두께 5 mm 의 강재 실린더이며, 내경과 외경은 각각 25, 30mm로제작하였다. 수지의 주입순서는 한 쪽 단부의 그립에 에폭시 수지를 충진하여 12시간 경과 후, 다른 편의 그립에 에폭시 수지를 주입하여 양생하였다.
- 실험에사용한 GFRP 보강근은 모두 공칭직경 이 12.7 mm인 제품을 사용하였다. 선정된 GFRP 보강근의 물리적 특성은 Table 1과 같으며 각각의 형상은 Figs.
- 여기서, ASTM 그립 내부 면의 반원은 공칭 직경을 기준으로 제작되며 재질은 알루미늄 합금 6061-T6을 사용한다. 본실험에 사용된 공칭직경 12.
- 이에 따라 CSA 그립을 사용하는 시험편의 경우에는측정길이인 448 mm를 포함하여 시험편의 전체길이를 1, 108mm로 제작하였으며, 그립의 길이가 상대적으로 짧은 ASTM 그립과 쐐기형 그립을 사용한 시험편의 경우는 모두 848 mm로 하였다.
이론/모형
- GFRP 보강근에 대한 인장강도, 인장탄성률 등의 인장특성치에 대한 시험방법은 CSA S806-02 제안에 근거하여 실시하였다. GFRP 보강근에 대한 가력방법은 최대용량 1, 000 kN의 만능시험기 상 .
- 인장강도 시험편의 측정길이(gauge length)는 CSA 규준에서 제안하는 바에 따라 40刁+2必이상으로 설정하였다. 이에 따라 CSA 그립을 사용하는 시험편의 경우에는측정길이인 448 mm를 포함하여 시험편의 전체길이를 1, 108mm로 제작하였으며, 그립의 길이가 상대적으로 짧은 ASTM 그립과 쐐기형 그립을 사용한 시험편의 경우는 모두 848 mm로 하였다.
성능/효과
- 1) GFRP 보강근의 인장강도는 시험대상으로 설정한그립 의 종류 및 외피형태별로 시험결과가 각기 상이한 경향을 나타내고 있다. 따라서, GFRP 보강근의 인장강도 특성시 분석을 위해서는 보강근의 특성에 부합되는 적정 그립 시스템의 개발이 요구된다.
- 따라서, GFRP 보강근의 인장강도 특성시 분석을 위해서는 보강근의 특성에 부합되는 적정 그립 시스템의 개발이 요구된다. 2) CSA 그립을 이용하여 구한 나선형 및 모래분사형 GFRP 보강근의 파단시 인장강도는 ASTM 그립에의한 평균인장강도와 비교하여 각각 동등하거나 10% 정도 증가되는 경향을 나타내고 있다.
- 3) ASTM 그립은 CSA 그립방식에 비하여 일부 작은값을 나타내고 있지만, 에폭시 수지의 충진양생과정을 생략할 수 있어 시간절약 및 제작의 번거로움이 없는 장점이 기대된다.
- 4) 쐐기형 그립은 기성제품을 그대로 사용할 수 있어사용성 및 경제성이 뛰어날 것으로 판단되지만, 그립부위에서의 급격한 응력집중현상으로 인하여 인장강도 규격치의 약 50-60% 범위에서 파단되는 것으로 나타났다. 따라서, GFRP 보강근의 인장강도특성치 분석에는 부적절할 것으로 판단된다.
- CSA 그립을 사용한 모래분사형 GFRP 보강근 시험체에서는 10개의 시편 중에서 1개만 파단되고 나머지의 경우 모두 외피가 박리되는 현상이 관측되어 인장강도 특성치를 적절히 평가하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 파단이 발생된 시험체의 인장강도는 714.
- 다. 그러나 인장강도와 탄성계수에 대한 평균치가 제조회사에서 제시한 규격강도보다 일부 작은 것으로 관측되었으며, 또한 파괴가 발생되는 부분도 주로 그립에 의해구속되는 GFRP 보강근의 단부인 것으로 나타났다. 따라서 ASTM 그립에서도 그립부위에서의 응력집중에 의한강도저하 현상이 일부 나타나는 것으로 판단된다.
- 따라서 모래분사형 GFRP 보강근의 경우는 실제 직경보다 약 1.0mm 정도 작은 크기로 ASTM 그립의 내부홈 직경을 형성할 경우 가장 큰 인장강도 값이 발현되는 것을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 방법에 의해 GFRP 보강근의 외피 특성에 부합하는 ASTM 그립의 내부 홈 직경을 최적화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 26MPa 정도로서, CSA 그립과 ASTM 그립을 이용하여 측정한 인장강도의 67%, 64%의값을 나타내었다. 따라서, 쐐기형 그립을 이용하는 방법 은 FRP 보강근의 인장강도 특성치를 평가하는 방법으로는 매우 부적절할 것으로 사료된다.
- 또한 GFRP 보강근의 인장강도 발현 측면에 있어서도 CSA 그립에 의한 시험결과에 근접하는 시험결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 경제성 및 사용성측면에서 우수한 ASTM 그립을 근간으로 하여 기존의단점을 개선하기 위한 추가적인 연구를 계획하였다.
- 경화시킴으로써 보강근과 주입된수지와의 부착력에 의해 인장시험을 하도록 제작되는 것을 특징으로 한다. 본 시험용 그립은 FRP 보강근과 내부 충진 수지와의 접착력이 충분할 경우에는 가장 양호하게 FRP 보강근의 인장강도를 구할 수 있는 장점이 있다. 그러나 수지의 충진작업이 용이하지 않으며, 수지의양생을 위한 시간이 소요되어 제작이 번거롭다.
- 쐐기형 그립을 사용한 시험체의 경우도 쐐기의 장부작용으로 인하여 GFRP 보강근의 파단을 유도할 정도의 충분한 정착내력을 기대할 수 있으나, Fig. 13에서 보는 바와 같이 그립부위에서의 지나친 응력집중으로 인하여 모든 시험체에서 국부적인 파괴현상이 나타나는 것으로 관측되었다. 특히 일부 시험체에서는 그립부위에서의 부분적인 꺽임현상도 관측되는 등, 국부적인 응력집중 현상이 지나치게 큰 것으로 관측되어 인장강도 시험용 그립으로서는 부적절한 것으로 사료된다.
- 아울러, 쐐기형의 그립을 사용한 시험체의 경우에는 CSA 그립과 ASTM 그립으로 측정한 인장 강도에 대하여 각각 62%, 67% 정도의 값을 나타내어 나선형 GFRP 보강근의 경우와 같이 인장특성치 시험에는 부적절한 것으로 파악되었다.
- 그러나 원형 GFRP가 100 MPa 내외의 인장응력에서 슬립이 발생한 것과는 달리, 650 MPa 의 인장응력을 상회하는 수준에서 슬립이 발생하였다. 이에 대하여 ASTM 그립을 사용한 경우는 Table 5에서 보는 바와 같이 인장강도와 탄성계수에 대한 평균치가 규격치에 비하여 각각 4%, 10% 정도 낮은 669.20MPa, 37.00 GPa를 나타내었다. 또한, 쐐기형 그립을 사용한 경우에는 인장강도가 432.
- 8MPa로서가장 높은 값을 보이고 있다. 이에 대하여 ASTM 그립을 이용하여 얻어진 평균 인장강도는 제조회사가 제시하는 617 MPa의 규격 치를 상회 하는 660.93 MPa의 값을 나타내는 것으로 나타났다.
- 이에 따라원형 GFRP 보강근의 경우는 매끄러운 표면과 충분한 접착력을 확보하지 못한 관계로 인하여 모든 시험편에 있어서 100MPa 내외의 낮은 인장응력에서 슬립이 발생되었다. 이에 대하여 나선형 GFRP 보강근의 경우도 원형 GFRP의 경우와 유사하게 대부분의 시험편에서 슬립이발생되었으나 원형 GFRP가 100MPa의 내외의 인장응력에서 슬립이 발생한 것과는 달리, 650 MPa의 인장응력을 상회하는 수준에서 그립의 상단부에서 슬립이 발생되는 것으로 나타났다. 또한 일부 시험체에서는 파단을 유도할 만큼의 충분한 접착력을 보이기도 하였다.
- 또한 한번 사용된 그립은 재사용이 불가능하여 경제성 측면에서도 불리하다. 이에 대하여 쐐기형 그립은 강연선의 정착에 사용되는 기성제품을 그대로 사용한 것으로 사용성 및 경제성 측면에서 가장 우수하지만, 그립부위에서 집중되는 응력을 적절히 분산시키기 못하여 규격 인장강도의 약 50-60% 범위에서조기 파단되는 것으로 나타났다. 따라서 쐐기형 그립은 GFRP 보강근의 인장강도 시험에 적용할 수 없을 것으로 판단된다.
- 즉, CSA 그립을 이용하여 구한 나선형 GFRP 보강근의 파단시 인장강도는 ASTM 및 쐐기형 그립에 의한 인장강도와 비교하여 각각 동등하거나 63% 정도 큰 경향을 나타내었으며, 모래분사형 GFRP의 경우는 각각 8% 및 54% 정도 큰 값을 나타내고 있다. 이는 CSA 그립이GFRP 보강근의 그립부분에서 국부적인 응력집중을 완화할 수 있기 때문인 것으로 판단된다.
- 이에 대하여, ASTM 그립에 의한 방법은 CSA 그립을 사용하였을 경우보다 모래분사형 GFRP 보강근의 경우 일부 작은 값을 나타내고 있지만, 에폭시 수지의 충진양생과정을 생략할 수 있어 시간절약 및 제작의 번거로움이 없는 장점이 기대된다. 한편, 쐐기형그립은 모든 시험편에서 그립 주위의 웅력집중에 기인하는 국부적인 파단이발생되면서 설계기준강도의 약 65% 정도의 작은 값을나타내어 인장강도 특성치를 제대로 규명할 수 없는 것으로 파악되었다.
후속연구
- 5) 현행 ASTM 그립에 대하여 각각의 GFRP 보강근의외피 특성에 부합하여 슬립이 발생하지 않는 범위내에서 가능한 작은 압축응력을 유발할 수 있는 최적화된 ASTM 그립을 제안할 수 있을 것으로 판단된다.
- 여기서 지름 방향 변형량에 의해 유도되는 GFRP 보강근의 고정력, 즉 마찰력이 보강근의 인장내력보다 작을 경우에는 GFRP 보강근의 인장파괴 이전에 슬립이 발생되지만, 고정력이 지나치게 증가되면 그립 내부에서 GFPR 보강근의 국부적인 압축파괴를 일으킬 가능성이 있다. 따라서, GFRP 보강근의 종류별로 적정 그립의 내부직경을도출해내는 방법에 의해 ASTM 그립을 최적화할 수 있을 것으로 판단된다.
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