본 연구에서는 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강된 철근 콘크리트 전단 파괴형 기둥의 구조성능을 평가하기 위하여 2/3 크기로 축소된 총 6개의 기둥 실험체를 제작하여, 일정한 축하중 (0.1Agfc')하에서 반복 횡하중을 가력한 구조 실험을 수행하였다. 4개의 실험체는 유리 및 탄소 단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지를 조합하여 Sprayed FRP로 보강하였으며, 또한 비교 목적을 위하여 고강도 탄소섬유시트(CFS)로 보강된 실험체 1개와 무 보강 실험체 1개를 포함하였다. 실험결과, Sprayed FRP로 보강된 실험체의 최대내력은 무 보강 실험체 대비 10~30%가 증가 하였을 뿐만 아니라, 연성은 약 1.15배 향상되어, 본 연구에서 제안한 Sprayed FRP 공법은 충분한 보강효과가 기대되는 신기술 이라고 판단된다.
본 연구에서는 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강된 철근 콘크리트 전단 파괴형 기둥의 구조성능을 평가하기 위하여 2/3 크기로 축소된 총 6개의 기둥 실험체를 제작하여, 일정한 축하중 (0.1Agfc')하에서 반복 횡하중을 가력한 구조 실험을 수행하였다. 4개의 실험체는 유리 및 탄소 단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지를 조합하여 Sprayed FRP로 보강하였으며, 또한 비교 목적을 위하여 고강도 탄소섬유시트(CFS)로 보강된 실험체 1개와 무 보강 실험체 1개를 포함하였다. 실험결과, Sprayed FRP로 보강된 실험체의 최대내력은 무 보강 실험체 대비 10~30%가 증가 하였을 뿐만 아니라, 연성은 약 1.15배 향상되어, 본 연구에서 제안한 Sprayed FRP 공법은 충분한 보강효과가 기대되는 신기술 이라고 판단된다.
In this study, a structural performance of R/C columns controlled by shear, strengthened with Sprayed FRP, was investigated. For this purpose, six 2/3-scaled column specimens were designed and tested by the pseudo-static reversed cyclic load under a constant axial load, which is 10% of the nominal a...
In this study, a structural performance of R/C columns controlled by shear, strengthened with Sprayed FRP, was investigated. For this purpose, six 2/3-scaled column specimens were designed and tested by the pseudo-static reversed cyclic load under a constant axial load, which is 10% of the nominal axial strength of the column. Four specimens were strengthened by Sprayed FRP with different combinations of short fibers (carbon or glass) and resins (epoxy or vinyl ester). For comparison purpose, tests of a specimen strengthened with carbon fiber sheet (CFS) and a control specimen without strengthening were carried out, respectively. The result reveals that shear strengths and ductility capacities of columns strengthened with Sprayed FRP improved remarkably, compared to those of the control column, and the Sprayed FRP technique developed in this study is able to use the strengthening scheme of existing R/C columns.
In this study, a structural performance of R/C columns controlled by shear, strengthened with Sprayed FRP, was investigated. For this purpose, six 2/3-scaled column specimens were designed and tested by the pseudo-static reversed cyclic load under a constant axial load, which is 10% of the nominal axial strength of the column. Four specimens were strengthened by Sprayed FRP with different combinations of short fibers (carbon or glass) and resins (epoxy or vinyl ester). For comparison purpose, tests of a specimen strengthened with carbon fiber sheet (CFS) and a control specimen without strengthening were carried out, respectively. The result reveals that shear strengths and ductility capacities of columns strengthened with Sprayed FRP improved remarkably, compared to those of the control column, and the Sprayed FRP technique developed in this study is able to use the strengthening scheme of existing R/C columns.
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문제 정의
특히, 수지로서 에폭시를 사용한 연구는 전무하다. 본 연구에서는 Sprayed FRP 보강을 위한 최적의 재료 물성치를 제시하고자 유리 및 탄소단섬유의 길이, 단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지의 배합비율 등을 주요변수로 설정하여 재료인장시험을 실시하였다. 또한, 상기 재료시험결과를 바탕으로 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강된 철근콘크리트 전단기등의 보강성능을 실험적 연구를 토대로 평가하였다.
본 연구에서는 시공성 및 현장적용이 우수한 Sprayed FRP 공법을 개발하는 것을 목적으로 최적물성을 제안하기 위한 재료시험 및 구조실험을 실시하였다. 선행연구인 재료시험을 통하여 기존 FRP Sheet 1겹의보강강도를 발휘하는데 필요한 최적의 물성치를 제안하였으며, 이를 바탕으로 전단 파괴형 기등의 구조실험에 적용하여 Sprayed FRP의 보강성능을 파악하였다.
본 연구에서는 일본방재협회의 내력식과 수정 Truss-Arch식을 바탕으로 Sprayed FRP로 보강한 전단기둥의 전단내력식을 비교. 검토하여 , Sprayed FRP 보강법 강도저감계수[식(4) 및 ⑸의, 」1 및, 」2]를 제안하였다.
본 연구의 주목적은 유리 및 탄소 단섬유(short fiber)와 에폭시 및 비닐에스테르 수지(resin) 를 외기에서 혼합하여 요철이 많은 콘크리트 표면에 고속의압찰공기로 랜덤하게 분사하여 기존 콘크리트 구조물을 보강하는 새로운 공법, 즉 Sprayed FRP 보수 . 보강 공법을 개발하는 것으로서, 국내 .
가설 설정
8cm의 단섬유 길이를 변수로사용하여 총 40개의 시험편을 제작하였다. 시험편의양생기간은 25℃ 의 외기에서 7일간의 경화를 완전경화로 가정하였으며, 시험편의 중심에 Strain Gauge 를 붙여 5ton 용량의 소형만능시험기를 사용하여 인장강도를 측정하였다. 시험속도는 규준에서 명시한 1±0.
제안 방법
Sprayed FRP 공법을 이용하여 전단 보강된 기둥실험체의 구조적 성능을 실험적으로 비교. 평가하기위하여 6개의 실험체를 무보강한 실험체와 동일하게제작하였다.
전단내력식을 비교. 검토하여 , Sprayed FRP 보강법 강도저감계수[식(4) 및 ⑸의, 」1 및, 」2]를 제안하였다.
본 연구에서는 Sprayed FRP 보강을 위한 최적의 재료 물성치를 제시하고자 유리 및 탄소단섬유의 길이, 단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지의 배합비율 등을 주요변수로 설정하여 재료인장시험을 실시하였다. 또한, 상기 재료시험결과를 바탕으로 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강된 철근콘크리트 전단기등의 보강성능을 실험적 연구를 토대로 평가하였다.
1 참조) 와 에폭시 및 비닐에스테르 수지를 이용하여 현행 FRP Sheet 1겹의 강도를 발휘하는데 필요한 단섬유와 수지의 배합비율, 단섬유의 길이 등 각종 최적물성치 제안 및 Sprayed FRP 보수 . 보강 효과를 파악하기 위하여 재료시험 및 구조실험을 수행하였다. Sprayed FRP 보강용 기자재로는 Fig.
본 연구에서는 유리 및 탄소단섬유(Fig. 1 참조) 와 에폭시 및 비닐에스테르 수지를 이용하여 현행 FRP Sheet 1겹의 강도를 발휘하는데 필요한 단섬유와 수지의 배합비율, 단섬유의 길이 등 각종 최적물성치 제안 및 Sprayed FRP 보수 . 보강 효과를 파악하기 위하여 재료시험 및 구조실험을 수행하였다.
선행연구인 재료시험을 통하여 기존 FRP Sheet 1겹의보강강도를 발휘하는데 필요한 최적의 물성치를 제안하였으며, 이를 바탕으로 전단 파괴형 기등의 구조실험에 적용하여 Sprayed FRP의 보강성능을 파악하였다. 최종적으로 기존 FRP 보강 설계식의 적용 가능성을 분석하여 Sprayed FRP 보강용 설계식을 검토하였다.
선행연구인 재료시험을 통하여 기존 FRP Sheet 1겹의보강강도를 발휘하는데 필요한 최적의 물성치를 제안하였으며, 이를 바탕으로 전단 파괴형 기등의 구조실험에 적용하여 Sprayed FRP의 보강성능을 파악하였다. 최종적으로 기존 FRP 보강 설계식의 적용 가능성을 분석하여 Sprayed FRP 보강용 설계식을 검토하였다.
7에 나타내었다. 축력은 0.1f'cAg인 48ton을 실험체 양쪽에 설치된 100t Actuator를 이용하여 가력 하였으며, 반력벽에 설치된 200t Actuator를 이용하여 변위제어 방식으로 수평하중을 가력 하였다.
한편, 문헌②에서는 상기 기존 제안식에 의한 이론값과 FRP Sheet로 보강한 실험값을 상호 비교 및 검토하였다. 그 결과, 식(2)에 나타낸 일본방재협회식에 의한이론값( a=1.
한편, 실험체에 역대칭 모멘트가 발생하도록 횡력을가하는 Actuator의 가력점을 실험체의 중심에 일치시켰으며, 횡 변위는 수평 부재각에 따라 1/400, 1/200, 1/100, 1/67, 1/50, 1/33, 1/20까지 각 3cycle(1/400은 1cycle)씩 단계별로 점증 가력 하였다. 실험체에 적용된 하중 가력 계획도를 Fig.
한편, 제2장의 재료시험 결과를 바탕으로 산출된설계두께를 고려하여, Fig. 6에 나타낸 것처럼 Sprayed FRP 공법으로 실험체를 보강하였다. Table 4에는보강 실험체 일람을 나타낸 것으로써, 무보강 표준 실험체 1개, 탄소섬유시트로 보강한 실험체 1개, Sprayed FRP로 보강한 비교 실험체 4개로, Sprayed FRP 로 보강된 실험체는 섬유(탄소 또는 유리) 및 수지 (에폭시 또는 비닐에스테르)의 종류를 조합한 ① C-S-GV ② C-S-GE ③ C-S-CV 및 ④ C-S-CE로구성된다.
대상 데이터
보강 효과를 파악하기 위하여 재료시험 및 구조실험을 수행하였다. Sprayed FRP 보강용 기자재로는 Fig. 2에 나타낸 BINKS Poly Craft(주)의 제품을 사용하였다.
재료시험에 사용된 보강재료에는 로빙 (Roving)타입 유리 및 탄소섬유, 강도비교용 시트타입의 탄소섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지로서 단섬유의 길이 및 섬유와 수지의 배합비율을 변수로 이용하였으며, 재료시험 변수와 각각의 물리적 특성은 Table 1 및 2와 같다. 변수 중 유리단섬유의 경우, 단섬유의 길이 및 배합비율의 조합에 따라 5개씩 총 120개의 시험편을 제작하였다. 탄소단섬유의 경우, 유리단섬유의 재료시험 경험을 바탕으로 시공성 및 성능을 고려하여 2.
소리가 발생하였다. 비닐에스테르 수지로 보강된 C-S-GV (Fig. 9[b]) 및 C-S-CV (Fig. 9[e]) 실험체가 8cycle(R=1/67)에서 섬유 파단이 선행하였으며, 그 다음은 에폭시 수지로 보강한 C-S-GE (10cycle, R=1/67) (Fig. 9[c]) 및 C-S-CE (11cycle, R=1/50) (Fig. 9[f])순으로 섬유의 일부분이 파단하였다. 최초 섬유 파단 부위는 주로 정 .
실험에 사용된 콘크리트의 설계강도는 30MPa로레미콘 제품을 사용하였고, 공시체 실험에 의한 28일평균 압축강도는 33MPa이었다. 철근은 SD40의 주근 D22와 전단보강근 D10을 사용하였고, 인장강도시험결과에 의한 철근의 역학적 성질을 Table 5에 나타내었다.
따라서, 본 연구에서는 기존의 KS M 3381(41) 유리섬유강화 플라스틱의 인장시험방법에 준하여 재료시험을계획하였다. 재료시험에 사용된 보강재료에는 로빙 (Roving)타입 유리 및 탄소섬유, 강도비교용 시트타입의 탄소섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지로서 단섬유의 길이 및 섬유와 수지의 배합비율을 변수로 이용하였으며, 재료시험 변수와 각각의 물리적 특성은 Table 1 및 2와 같다. 변수 중 유리단섬유의 경우, 단섬유의 길이 및 배합비율의 조합에 따라 5개씩 총 120개의 시험편을 제작하였다.
압축강도는 33MPa이었다. 철근은 SD40의 주근 D22와 전단보강근 D10을 사용하였고, 인장강도시험결과에 의한 철근의 역학적 성질을 Table 5에 나타내었다.
변수 중 유리단섬유의 경우, 단섬유의 길이 및 배합비율의 조합에 따라 5개씩 총 120개의 시험편을 제작하였다. 탄소단섬유의 경우, 유리단섬유의 재료시험 경험을 바탕으로 시공성 및 성능을 고려하여 2.8 및 3.8cm의 단섬유 길이를 변수로사용하여 총 40개의 시험편을 제작하였다. 시험편의양생기간은 25℃ 의 외기에서 7일간의 경화를 완전경화로 가정하였으며, 시험편의 중심에 Strain Gauge 를 붙여 5ton 용량의 소형만능시험기를 사용하여 인장강도를 측정하였다.
이론/모형
따라서, 본 연구에서는 기존의 KS M 3381(41) 유리섬유강화 플라스틱의 인장시험방법에 준하여 재료시험을계획하였다. 재료시험에 사용된 보강재료에는 로빙 (Roving)타입 유리 및 탄소섬유, 강도비교용 시트타입의 탄소섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지로서 단섬유의 길이 및 섬유와 수지의 배합비율을 변수로 이용하였으며, 재료시험 변수와 각각의 물리적 특성은 Table 1 및 2와 같다.
성능/효과
1) 재료실험결과, 최적물성치로써 유리 및 탄소단섬유의 길이는 3.8cm, 섬유와 수지의 배합비율은 1:2 로 제안하였다. 또한 Sprayed FRP의 설계두께는유리단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지의 경우 4.
2) Sprayed FRP로 보강된 실험체는 최대강도에서무보강 실험체 대비 10%~30%의 강도 증가를보였고, 변위 연성비에서 평균 1.15배(15%)의연성 증가를 나타내었다.
3) 기존 FRP 보강 설계식의 적용 가능성을 분석한결과, 전단설계의 안전성능을 고려한다면 Sprayed FRP 보강법에서는 일본방재협회식에 강도저감계수 a=0.73을 이용한 전단 내력식이 가장 유용한이론식이라고 사료된다.
3에서 정리하였다. Sprayed FRP 공법의 최적재료물성을 파악하기 위한 재료시험을 수행한 결과, 단섬유의 길이가 길수록, 섬유와 수지의 배합비율에서 섬유의 양이 증가할수록 인장강도가 증가하였으나, Sprayed FRP 보강용 기자재의 Chopper Gun 성능 및 시공성을 고려하여, 고강도이면서 섬유의 엉킴이 가장 적다고 판단되는 Sprayed FRP 보강을 위한 최적 물성치 로서는 단섬유 길이는 3.8cm, 배합비율은 1:2로 각각 평가하였다.
2배의 보강효과를 나타낸 것으로 판단된다. 또한, Sprayed FRP로보강된 실험체는 C-CFS의 최대 강도의 74%~88% 를 확보하였으나, C-CFS의 탄소섬유시트가 고강도시트(일반강도의 약 1.5배)임을 고려한다면, C-CFS 와 동등 수준의 보강효과를 나타낸 것으로 사료된다. 항복 강도(Vy)도 또한 Sprayed FRP로 보강된 모든실험체가 기준 실험체(C-RC)에 비해 평균 1.
본 연구에서 평가된 대표적인 최적 재료시험 변수의응력-변형도 곡선을 Fig. 4에 나타내었으며, 유리단섬유를 사용한 시험편은 연성능력이 우수하고, 탄소단섬유를 사용한 시험편은 유리단섬유에 비해 고강도인 것으로 판명되었다.
11에 나타낸 바와 같이, Sprayed FRP 실험체 및 C-CFS(탄소섬유시트) 는 기준실험체(C-RC)에 비해 높은 최대강도를 나타내었다. 실험체 중 C-CFS가 가장 큰 최대강도를 나타내었으며, C-RC에 비해 약 50%의 강도 증가를 보여주었고, Sprayed FRP로 보강된 실험체 중 비닐에스테르 수지로 보강된 C-S-GV와 C-S-CV실험체의경우는 기준 실험체에 비해 약 20%의 강도증가를 보였으며, 에폭시 수지로 보강된 C-S-CE 및 C-S-GE 의 경우는 각각 10% 및 30%의 강도증진을 보여주었다. 이것은 Sprayed FRP로 보강된 실험체가 최대강도 면에서 기준 실험체대비 평균 1.
최종 파괴형태는 에폭시 수지로 보강된 C-S-GE 및 C-S-CE (Sprayed FRP 보강) 실험체의 경우, 섬유보강재가 콘크리트와 동시에 박리되는 Rip-off현상을관찰 할 수 있었고, 다른 보강 실험체의 경우는 섬유부분 파단이 두드러졌다.
한편, 기준 실험체(C-RC)는 5cycle에서 353kN의최대 내력을 보였고, Sprayed FRP로 보강된 실험체및 탄소섬유시트로 보강된 C-CFS의 경우, 최대하중에서의 변위가 8cycle(R=1/67) 부근에서 나타났으며, 무 보강 실험체 대비 약 10%~50% 높은 최대강도를 나타내었다. 또한, Table 6에 나타낸 바와 같이, 변위 연성비C=/, y)에서도 기준 실험체(C-RC) 보다 약 13.
5배)임을 고려한다면, C-CFS 와 동등 수준의 보강효과를 나타낸 것으로 사료된다. 항복 강도(Vy)도 또한 Sprayed FRP로 보강된 모든실험체가 기준 실험체(C-RC)에 비해 평균 1.14배 증가하여 Sprayed FRP 보강에 의한 부재의 전단 저항성능이 향상된 것으로 사료된다.
후속연구
4) 향후, Sprayed FRP 공법의 실용성을 위하여 시공두께 및 설계두께 오차의 영향, 경화시간 및 보강재의 불완전 경화로 인한 조기박리에 관한 연구등이 필요한 것으로 사료된다.
참고문헌 (8)
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Tomoki Furuta and et al., "Study on Sprayed FRP System for Strengthening RC Structures", Proceedings of AIJ 2000, No. 23171, 2000, pp. 341-342.
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ACI318-05: Building code requirements for structural concrete (318-05) and Commentary (318R-05). ACI, 2005.
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