[논문]FRP 판을 거푸집 및 보강재로 활용한 콘크리트 보의 실험적 연구

Yoo, Seung-Woon; Bae, Han-Ug; Oliva, Michael; Bank, Lawrence

doi:10.4334/jkci.2007.19.1.067

문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 현재 상용으로 생산중인 T 형태의 리브(rib)를 가진 FRP 판(plank)을 뒤집어 콘크리트 구조물의 거푸집 및 인장 보강재로 활용하고자 한다. 그러나 현재 생산되어 상품화되어있는 FRP 판의 경우 표면이 매끈하여 타설 콘크리트와의 일체 거동에 다소 문제점을 내포하고 있다.
이 비교 실험 시편은 직경 10mm, 공칭강도 414 MPa인 철근 3개를 배근하였고, 콘크리트 덮개는 38mm를 유지하였다. 이 비교 실험 시편은 휨 작용이 지배적인 길이가 다소 긴 보에서 일반적으로 사용하는 철근을 인장 보강재로 사용한 철근콘크리트 보와 FRP 판을 보강재로 이용한 본 연구와의 비교를 위해서이다. 본 연구의 목적 중의 하나가 골재가 부착 된 FRP 판을 보강재로 활용한 콘크리트 보가 기존의 철근콘크리트 보를 강도 및 사용성에서 충분히 필적할 수 있는가를 살펴보는 것이다.
이 비교 실험 시편은 휨 작용이 지배적인 길이가 다소 긴 보에서 일반적으로 사용하는 철근을 인장 보강재로 사용한 철근콘크리트 보와 FRP 판을 보강재로 이용한 본 연구와의 비교를 위해서이다. 본 연구의 목적 중의 하나가 골재가 부착 된 FRP 판을 보강재로 활용한 콘크리트 보가 기존의 철근콘크리트 보를 강도 및 사용성에서 충분히 필적할 수 있는가를 살펴보는 것이다. 비교 실험 시편을 포함한 실험 시편의 자세한 치수 및 형상은 Table 1에 제시되어 있다.
FRP 판에 골재가 부착된 경우 좁은 균열 폭을 가진 잘 분산된 균열을 얻을 수 있었다. 이것은 FRP 판과 타설된 콘크리트 사이에 미끄러짐이 없거나 아주 미소한 미끄러짐 만이 발생함을 의미함으로 본 연구에서는 균열의 개수로서 이를 평가하고자 한다.
본 연구는 FRP 판(plank)을 거푸집 대용 및 인장 보강재로 활용하기 위한 연구 중의 일부이다. 본 연구에서 사용한 FRP 판은 콘크리트와 일체 거동을 위해 골재를 일반 건설현장에서 많이 사용하는 에폭시를 이용하여 부착하고 충분히 경화된 후 콘크리트를 타설하는 방법으로 거푸집 대용 및 인장 보강재로 활용하였다.

가설 설정

ACI 318의 경우 일반적인 철근콘크리트 구조에 관한 코드이며, ACI 440 는 FRP 보강근 및 FRP를 이용한 외부보강에 관한 코드로 널리 알려져 있다. ACI 코드에 적용 시 FRP 판과 콘크리트는 완전히 일체로 작용하는 것으로 가정을 했고 FRP 판을 막대(bar) 형태로 환산하여 계산하였다.
전단 저항 능력 계산의 경우 ACI 318이 ACI 440에 비호H 실험 결과와 유사한 결과를 보여주고 있다. ACI 318, 440 에서 전단 및 휨 능력 계산 시 FRP 판에 작용하는 인장력은 하단에서 12.78 mm 떨어진 FRP 판의 도심에서 작용하며, 완전부착 상태로 가정하고 계산을 했다. 제작된 FRP 판을 인장 보강재로 사용한 실험 시편 모두는 FRP 보강 콘크리트 설계 개념에서 과대 보강(over-reinforced) 보에 해당하며, 일반적으로 FRP 보강 콘크리트 설계에서는 기존 철근콘크리트 보와 다르게 과대 보강 보를 선호하는 편이다').

제안 방법

그러나 실제 FRP 막대를 삽입하기에는 많은 시간과 어려움이 따르게 된다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트를 타설하기 전 미리 FRP 판에 에폭시를 이용하여 골재를 부착시킨 후 양생하여 콘크리트를 타설하였다.
지점 사이의 순 간격은 실험 시편 S1-S3, C1은 1, 090mm이고 실험 시편 S4, S5, C2는 1, 830 mm이다. 지간 중앙에 유압장치를 이용하여 재하 하였으며, 로드 셀(load cell)과 중앙에 설치한 LVDT를 이용하여 변위를 측정호}였다. 전기 저항식 변형률 게이지를 이용하여 FRP 판 및 콘크리트의 상하부의 변형률을 측정하였다.
지간 중앙에 유압장치를 이용하여 재하 하였으며, 로드 셀(load cell)과 중앙에 설치한 LVDT를 이용하여 변위를 측정호}였다. 전기 저항식 변형률 게이지를 이용하여 FRP 판 및 콘크리트의 상하부의 변형률을 측정하였다. 설치한 변형률 게이지들은 하중 재하점을 피해 중앙에서 89mm 떨어진 곳에 설치하였다.
하중을 증가시키면서 FRP 판(plank)과 타설 콘크리트 사이의 합성 작용의 분석은 3개의 기준을 사용하여 비교검토 하였다. 첫째 비교 기준은 실험 시편의 초기 균열 하중의 검토이다.
두 번째 비교 기준은 휨 균열의 크기 및 분포이다. 하중이 증가됨에 따라 발생되는 휨 및 전단균열은 개수 및 크기를 세밀히 관찰 측정하였다. 골재가 부착된 FRP 판과 타설 콘크리트 사이에는 미끄러짐이 방지되어 균열 폭이 작고 잘 분산된 휨 균열이 발생될 것으로 기대되며, 비교 실험 시편 C1의 경우 FRP 판과 콘크리트 사이에 큰 미끄러짐이 발생하여 균열 폭이 매우 큰 단일 균열이 발생할 것으로 기대된다.
초기 균열 하중은 하중-변형률 곡선의 기울기 변화에서 추정하였다. 변형률 게이지에 의해 측정된 초기 균열 하중의 크기는 육안 관찰에 의한 초기 균열 발생보다는 일반적으로 작은 값을 가진다.
모든 실험 시편의 초기 균열은 보의 중앙 부근에서 처음 관찰되었다. 각각의 실험에서 초기 균열 하중을 균열모멘트로 환산하였고, 각각 실험 시편의 압축강도의 상이 함을 고려하기 위해 압축강도 27.6MPa로 정규화하였다. 정규화는 계산된 균열모멘트에 환산값을 곱하여 구하였다.
휨 균열의 수는 각각의 실험 시편이 완전히 파괴 될 때까지 발생된 균열의 개수로 계산하였다. 지간이 짧은 실험 시편의 경우 FRP 판에 골재를 부착시킨 실험 시편 S1 〜S3의 경우 9~11개의 균열 폭이 작은 휨 균열이 발생한 반면, FRP 판에 골재를 미부착한 비교 시험 시편 C1 의 경우는 균열 폭이 큰 3개의 휨 균열이 발생하였다.
활용하기 위한 연구 중의 일부이다. 본 연구에서 사용한 FRP 판은 콘크리트와 일체 거동을 위해 골재를 일반 건설현장에서 많이 사용하는 에폭시를 이용하여 부착하고 충분히 경화된 후 콘크리트를 타설하는 방법으로 거푸집 대용 및 인장 보강재로 활용하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 FRP 판은 현재 생산되어 상품화되어 있는 S 사의 제품을 이용하였다(Fig. 1). Figs.
2 및 3 에 실험에 사용한 FRP 판 및 콘크리트 부재의 형상 및 치수를 나타내었으며, Table 1에는 실험 시편 및 비교 실험 시편의 제원을 자세히 나타내었다. 본 연구에서는 인장 보강재 및 거푸집으로 FRP 판을 사용하였고 그 외 추가적인 인장 및 전단 보강재는 사용하지 않았다. 사용된 FRP 판의 제조 공법 및 기계적 성질은 Table 2와 같다.
사용된 FRP 판의 제조 공법 및 기계적 성질은 Table 2와 같다. 현재 S 사에서 상용으로 생산되는 FRP 판의 폭은 305 mm와 610 mm 2가지 종류가 있는데 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 리브(rib)가 2개 가 포함되게 203 mm로 절단하여 콘크리트 부재의 단위 폭으로 활용하였다.
사용한 골재는 2가지 종류로, 크기가 3.18〜6.35 mm인 잔골재와 크기 1.59〜2.54 mm인 잔골재이다. Fig.
4은 골재가 부착된 FRP 판의 완성된 모습을 보여주고 있다. 완성된 FRP 판을 거푸집으로 하여 일반 상용 레미콘을 이용하여 실험 시편을 제작하였으며 제작 과정은 Fig. 5 와 같다. 사용된 레미콘은 최대골재 치수 19 mm, 28일 압축강도 27.
5 와 같다. 사용된 레미콘은 최대골재 치수 19 mm, 28일 압축강도 27.6 MPa를 사용하였다.
본 연구 결과의 비교 분석을 위해 ci, C2로 명명 된 폭 203 mm, 높이 178 mm의 비교 실험 시편을 2개 제작하였다. C1 비교 실험 시편은 길이가 1, 090mm이며 FRP 판에 골재를 부착시키지 않고 거푸집 및 인장 보강 재로 이용하여 제작 하였다.
C1 비교 실험 시편은 길이가 1, 090mm이며 FRP 판에 골재를 부착시키지 않고 거푸집 및 인장 보강 재로 이용하여 제작 하였다. 이 비교 실험 시편은 실험 시편 S1~S3과 비교를 위한 것으로, 즉 전단이 지배적으로 영향을 미치는 경우에 대해 FRP 판에 골재를 부착 한 경우와 아닌 경우를 비교하기 위함이다.
이 비교 실험 시편은 실험 시편 S1~S3과 비교를 위한 것으로, 즉 전단이 지배적으로 영향을 미치는 경우에 대해 FRP 판에 골재를 부착 한 경우와 아닌 경우를 비교하기 위함이다. 또한 비교 실험 시편 C2는 길이가 1, 830mm이며 일반적인 교량 슬래브에 많이 사용하는 정도의 철근을 보강한 경우로써, 전단 및 FRP 판 보강은 하지 않았다. 이 비교 실험 시편은 직경 10mm, 공칭강도 414 MPa인 철근 3개를 배근하였고, 콘크리트 덮개는 38mm를 유지하였다.
또한 비교 실험 시편 C2는 길이가 1, 830mm이며 일반적인 교량 슬래브에 많이 사용하는 정도의 철근을 보강한 경우로써, 전단 및 FRP 판 보강은 하지 않았다. 이 비교 실험 시편은 직경 10mm, 공칭강도 414 MPa인 철근 3개를 배근하였고, 콘크리트 덮개는 38mm를 유지하였다. 이 비교 실험 시편은 휨 작용이 지배적인 길이가 다소 긴 보에서 일반적으로 사용하는 철근을 인장 보강재로 사용한 철근콘크리트 보와 FRP 판을 보강재로 이용한 본 연구와의 비교를 위해서이다.
본 시험 시편은 50mm 폭의 지지 철판 아래에 롤러를 이용하여 단순지지 조건을 만들었다. 지점 사이의 순 간격은 실험 시편 S1-S3, C1은 1, 090mm이고 실험 시편 S4, S5, C2는 1, 830 mm이다.
하중재하는 76 mm 폭의 고무판을 댄 강판을 설치하고 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 변위 제어방식으로 3점 재하하였다. Figs.
실험 시편의 제작은 먼저 FRP 판을 폭 203mm 길이 1, 090 mm와 1, 830 mm로 먼저 절단 후 FRP 판 내부 하단 부분에만 에폭시를 도포한 후 잔골재를 그 위에 살포하였다. FRP 판의 리브의 웨브(web) 및 플랜지(flange) 부분은 일체 거동에 영향이 미미하다고 판단하여 경제성을 위해 골재를 미부착하였다.

데이터처리

본 시스템의 유용성은 실험 시편의 3점 재하 실험을 통해 실험적으로 규명하고, 실험 결과는 ACI 코드是 및 비교 시편의 실험 결과와 비교 분석하였다.

성능/효과

이것은 골재가 부착된 FRP 판이 초기 균열 모멘트 저항 능력을 증가 시켜 주는 것으로, 특히 교량 상판의 보강 콘크리트 구조 단면의 사용성 (serviceability)을개선시킬 수 있다. FRP 판에 크기가 작은 종류의 잔골재를 부착한 실험 시편 S2, S3가 크기가 큰 종류의 잔골재를 부착된 실험 시편 S1에 비해 초기 균열 하중이 38% 높음을 볼 수 있다.
8(a, b, c)에서 보는 바와 같이 경사 전단균열에 의한 전단 파괴 형태로 최종 파괴가 발생함을 알 수 있었다. 또한 초기하중에서 하중이 증가함에 따라 보의 중앙 부근에서 FRP 판과 타설 콘크리트 사이에 국부적인 분리 현상이 목격되었으며 이는 하중이 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 보여 주고 있다. 그러나 실험 시편이 전단파괴 형태로 최종파괴가 발생할 때에도 보의 끝부분에서 FRP 판과 타설 콘크리트 사이의 분리 현상은 관찰 할 수 없었고, 중앙 부분의 경우 분리 현상이 심화되었다.
비교 실험 시편 즉 C2의 경우는 전형적인 과소 철근 보 파괴 형태인 철근이 먼저 항복한 후 콘크리트 파괴되는 양상을 보여주고 있다. FRP 판을 인장재로 활용한 실험 시편 S4, S5는 비교 실험 시편 C2 보다 약 56〜72% 정도의 저항 능력 향상이 있었다. 이는 FRP 판이 충분히 재래의 철근 대신 인장 보강재로서 역할이 가능함을 보여주고 있다.
골재를 부착하지 않은 매끈한 FRP 판의 경우 타설 콘크리트와의 사이에 과도 한 미끄러짐이 발생하여 합성효과 발휘에 문제가 있었다. FRP 판에 부착한 골재는 두 가지 종류의 잔골재 모두 우수한 결과를 보여주었다. 이러한 결과를 조합할 때 골재를 부착한 FRP 판은 거푸집 대용뿐만 아니라 철근을 대용한 훌륭한 인장재 역할도 하는 것으로 판단된다.
FRP 판에 부착한 골재는 두 가지 종류의 잔골재 모두 우수한 결과를 보여주었다. 이러한 결과를 조합할 때 골재를 부착한 FRP 판은 거푸집 대용뿐만 아니라 철근을 대용한 훌륭한 인장재 역할도 하는 것으로 판단된다. 이와 같은 효과는 특히 철근 부식 등 내구성에 많은 문제점을 내포하고 있는 콘크리트 교량 상판 건설에 매우 효과적으로 이용이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

하중이 증가됨에 따라 발생되는 휨 및 전단균열은 개수 및 크기를 세밀히 관찰 측정하였다. 골재가 부착된 FRP 판과 타설 콘크리트 사이에는 미끄러짐이 방지되어 균열 폭이 작고 잘 분산된 휨 균열이 발생될 것으로 기대되며, 비교 실험 시편 C1의 경우 FRP 판과 콘크리트 사이에 큰 미끄러짐이 발생하여 균열 폭이 매우 큰 단일 균열이 발생할 것으로 기대된다. 세 번째 비교 기준으로 실험 시편의 극한하중 및 파괴 형태이다.
실험 결과 골재를 부착한 FRP 판의 경우 재래의 인장 보강재인 철근을 대신해서 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 초기 균열 모멘트 저항능력, 휨균열의 분포 및 극한 하중 등 모든 면에서 재래의 철근 콘크리트를 필적하거나 우수한 경향을 보여주고 있다.
이러한 결과를 조합할 때 골재를 부착한 FRP 판은 거푸집 대용뿐만 아니라 철근을 대용한 훌륭한 인장재 역할도 하는 것으로 판단된다. 이와 같은 효과는 특히 철근 부식 등 내구성에 많은 문제점을 내포하고 있는 콘크리트 교량 상판 건설에 매우 효과적으로 이용이 가능할 것으로 판단된다.

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