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문제 정의
- 또한 김형진 등이 제안한 알루미늄 단부정착장치를 이용하는 방법은 구조물에 앵커링에 위한 손상을 가하게 되며, 그 시공이 매우 어려워 실제 현장에서 적용하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 철근콘크리트 모체에 손상을 주지 않고 보나 슬래브에 모두 적용이 가능한 다방향 보강섬유로 제작되는 단부 정착 장치를 개발하였으며, 이를 적용한 RC보의 휨성능 개선 효과를 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 정착판길이를 CFRP판의 파단 하중까지 정착판과 보강재사이에 부착파괴가 일어나지 않도록 하기 위하여 300mm에서 400mm까지 증가시켰다. 그러나 위에서 언급한 바와 같이 모든 시험체는 CFRP판이 인장파단되기 이전에 정착장치를 매입한 부분의 콘크리트가 박락하면서 파괴되었으며, 최대하중 및 그 이후의 거동에 있어서도 큰 차이를 보이지 않았다.
제안 방법
- 하중은 예상 최대하중 80%까지는 하중제어방식, 그 이후부터는 변위 제어 방식으로 작용시켰다. 각 하중단계에서의 철근과 CFRP판의 변형률을 측정하기 위해서 보 중앙부의 인장철근에 3개와 CFRP판에 5개의 변형률 게이지를 부착하였다. 보의 중앙부에서의 처짐을 측정하기 위해서는 최대 150mm의 변위까지 측정이 가능한 LVDT 2개를 설치하였다.
- 4와 같이 H사의 홈파기를 이용하여 깊이 20mm, 폭 6mm의 홈을 형성하였다. 그리고 에폭시를 도포한 이후에 CFRP판을 부착하고 정착 장치를 홈에 삽입하는 방법으로 보강하였다.
- 단부정착판 길이의 영향을 평가하기 위하여 단부 정착 판의 길이를 300mm, 350mm, 400mm로 변화시킨 MIII-1, MIII-2, 그리고 MIII-3 시험체의 거동을 Fig. 7에 비교하여 나타내었다. 이 시험체들의 철근비, 콘크리트 압축강도는 각각 0.
- 예측식을 제안하였다. 본 연구에서는 우상균 등이 제안한 식을 기초로 휨강도를 계산하여 실험결과와 비교하였다. 예측식에서 그들은 과다보강보와 과소보강 보를 평가할 수 있는 균형보강비 평가식으로 식(1)을 제안하였다.
- 보의 중앙부에서의 처짐을 측정하기 위해서는 최대 150mm의 변위까지 측정이 가능한 LVDT 2개를 설치하였다. 실험 중에는 육안으로 시험체의 초기균열과 균열진행상황, CFRP판의 탈락 등을 확인하여 기록하였으며, 실험 종료 후에도 각 시험체의 파괴 모드를 사진촬영하고 균열도를 작성하였다.
- 실험변수로는 Table 4에 나타낸 것과 같이 콘크리트 강도(23, 29MPa), 철근비(0.30, 0.55, 0.86, 1.26%), 단부정착장치 길이(300, 350, 400mm), 보강방법(표면부착, 단부정착)을 고려하였다.
- 본 연구에서는 우상균 등이 제안한 식을 기초로 휨강도를 계산하여 실험결과와 비교하였다. 예측식에서 그들은 과다보강보와 과소보강 보를 평가할 수 있는 균형보강비 평가식으로 식(1)을 제안하였다.
- 2에 나타낸 것과 같이 상부 채널과 하부채널사이에 넣고 접착필름을 사용하여 접착하여 제작하였다. 접착에 사용된 접착필름의 겹침 전단 강도 (Lap shear strength)는 50MPa이며, 접착작업이 현장에서 원활하게 수행될 수 있도록 작업장비도 함께 개발하였다.
- 표면부착 시험체는 에폭시 A제와 B제를 4:1의 비율로 핸드믹서를 이용하여 5분정도 잘 혼합 후 CFRP 판과 콘크리트에 고르게 도포 후 2~ 3mm정도의 두께를 유지하여 그대로 압착시켰다. 채널형 단부 정착 장치를 이용하여 휨보강하는 시험체들은 정착판을 삽입시킬 위치를 선정하고 Fig.
대상 데이터
- 기준시험체(MIII-U)의 파괴형태는 인장철근 항복 이후 휨균열이 압축부로 성장하면서 압축부 콘크리트가 압괴되는 전형적인 휨파괴 거동을 나타내었다. CFRP판을 표면부착한 시험체(MIII-S)는 초기균열 하중은 기준시험체보다 다소 증가하였으나 최대하중 이후 휨균열 폭이 성장하면서 CFRP판이 급격하게 탈락하는 계면박리가 발생되어 보가 파괴되었다.
- 본 연구에서 개발된 채널형 단부정착장치는 Fig. 1 과 같이 상부채널, 하부채널, 그리고 CFRP 판으로 구성된다.
- 본 연구에서는 시험체 제작을 위해 시멘트는 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며 , 굵은골재는 25mm 이하를 사용하였다 . 콘크리트의 목표 압축강도는 24MPa 과 32MPa로 설계하였으나, 01OOx 200mm 크기의 공시체를 제작하여 수중양생한 후 재령 28일에 측정한 압축강도는 각각 23MPa과 29MPa로 나타났다.
- 3과 같은 시험체를 12개 제작하였다. 시험체의 크기는 길이 3300mm, 폭 400mm, 높이 220mm의 사각형 단면을 갖는 보로 제작하였다. 이때 시험체 단부에는 휨파괴나 CFRP 판의 파괴가 발생하기 전에 전단파괴가 발생되는 것을 방지하기 위해 전단철근을 150 mm 간격으로 배근하였다.
- 실험에 사용한 CFRP판은 스위스 S사에서 개발된 제품으로서 두께는 1.4mm이며 철근과 비교하여 탄성계수는 3.5GPa 작지만 인장강도는 약 5배인 재료이며, CFRP판의 부착에 사용된 에폭시는 같은 회사에서 생산된 제품으로서 재료 특성값은 각각 Table 2, 3과 같다.
- 콘크리트의 목표 압축강도는 24MPa 과 32MPa로 설계하였으나, 01OOx 200mm 크기의 공시체를 제작하여 수중양생한 후 재령 28일에 측정한 압축강도는 각각 23MPa과 29MPa로 나타났다. 인장철근은 KS D 3504의 이형철근으로 SD400 을 사용하였다. 또한, 압축철근과 전단철근은 D10 철근을 사용하였으며, 그 재료 특성값은 Table 1과 같다.
- 유지하여 그대로 압착시켰다. 채널형 단부 정착 장치를 이용하여 휨보강하는 시험체들은 정착판을 삽입시킬 위치를 선정하고 Fig. 4와 같이 H사의 홈파기를 이용하여 깊이 20mm, 폭 6mm의 홈을 형성하였다. 그리고 에폭시를 도포한 이후에 CFRP판을 부착하고 정착 장치를 홈에 삽입하는 방법으로 보강하였다.
- 채널형 정착장치를 적용한 CFRP판 보강 휨부재의휨성능 개선효과를 분석하기 위해 Fig. 3과 같은 시험체를 12개 제작하였다. 시험체의 크기는 길이 3300mm, 폭 400mm, 높이 220mm의 사각형 단면을 갖는 보로 제작하였다.
성능/효과
- 1) 채널형 단부정착장치를 사용한 시험체는 CFRP 판을 표면부착한 시험체에 비해 최대하중이 약 22% 증가하였으며, 파괴시의 처짐이 2.2 배 증가할 정도로 큰 연성증대 효과를 보였다. 즉, 본 연구에서 개발한 다방향 CFRP 단부정착판을 적용함으로서 CFRP판으로 보강된 구조물의 보강성능 및 연성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 2) 정착판 길이를 CFRP판의 파단하중까지 정착 판과 보강재 사이에 부착파괴가 일어나지 않도록 하기 위하여 300mm에서 400mm까지 증가시켰다. 그러나 정착 판 길이에 관계없이 모든 시험체에서 CFRP 판이 인장파단되기 이전에 정착장치를 매입한 부분의 콘크리트가 파괴되는 단부정착파괴가 발생하였으며 , 최대하중 및 그 이후의 거동에 있어서도 정착판 길이에 대한 영향이 명확하게 나타나지 않았다.
- 3) CFRP판으로 휨보강하여 단부를 정착한 시험체에서는 콘크리트 압축강도의 영향이 크게 나타나지 않았다. 특히, CFRP판의 탈락시점은 콘크리트 압축강도의 영향보다는 철근비의 영향이 크게 작용하는 것으로 나타났다.
- 4) 본 논문에서 제시한 채널형 정착장치는 보강재에 약 173kN 정도의 인장력이 작용할 때까지 정착 장치로서의 역할을 수행할 수 있는 것으로 나타났다. 채널형 정착장치의 성능을 보다 향상시켜 CFRP 판의 재료성능을 100% 활용하기 위해는 콘크리트에 삽입되는 정착판 플랜지의 깊이를 더욱 증가시켜야 할 것으로 사료된다.
- 나타내었다. CFRP판을 표면부착한 시험체(MIII-S)는 초기균열 하중은 기준시험체보다 다소 증가하였으나 최대하중 이후 휨균열 폭이 성장하면서 CFRP판이 급격하게 탈락하는 계면박리가 발생되어 보가 파괴되었다. 한편, CFRP판을 단부정착한 시험체들은 중앙부의 CFRP판이 부분적으로 박리된 이후에도 하중이 계속 증가하다가 갑자기 전체적으로 CFRP판이 박리하였으나, 단부 정착 장치로 인해 하중을 유지하면서 처짐이 점차 증가하다가 단부정착장치가 매립된 부분의 콘크리트를 같이 물고 떨어지는 단부정착파괴 거동을 나타내었다.
- MM-1 시험체를 제외한 모든 시험체가 과소보강보로 나타나 CFRP판의 한계변형률을 적용하여 휨강도를 예측할 수 있음을 Table 6을 통해서 알 수 있다. 그러나 3.2절에서 설명한 바와 같이 CFRP판이 인장파단되기 이전에 모든 시험체에서 정착 부 파괴가 발생하여 실험적으로 구한 CFRP 판의 유효 변형률은 한계변형률보다 매우 작게 나타났다. 이에 본 연구에서는 모든 시험체의 최대하중시 CFRP 판에 발생한 유효변형률의 평균값 7500ue 를 재료의 한계변형률 대신에 식(2)~식(5)에 적용하여 휨강도를 예측하였다.
- 9를 통해서 확인할 수 있다. 또한 철근비가 0.30%에서 1.26% 로 증가함에 따라 콘크리트 강도가 23MPa 인 시험체는 파괴시 하중이 79.8kN에서 126.7kN로 증가하였으며, 콘크리트 강도가 29MPa인 시험체는 87.6kN 에서 133.4kN로 증가하였다.
- 26%로 증가한 시험체는 최대하중 이후 CFRP판이 탈락하게 되고 계속해서 변위만이 증가하는 거동을 보이고 있다. 또한, 거의 모든 시험체가 콘크리트 압축강도와 철근비에 관계없이 처짐이 30~ 40mm 정도 발생할 때 CFRP판이 탈락하는 것을 확인할 수 있다. 시험체가 파괴되는 시점은 약간의 오차는 있지만 철근비가 증가할수록 파괴시점에서의 처짐이 증가하는 경향을 보이고 있음을 Fig.
- 박상렬(3)은 CFRP판을 인장면에 부착하여 휨보강하고 CFRP판을 탄소섬유쉬트로 복부에 정착하여 휨시험을 실시하였다. 실험결과 탄소섬유쉬트로 복부정착된 보들은 극한하중과 최대처짐이 FRP 판의 휨 부착길이의 증가에 따라 증가하였다고 발표하였다. 또한, 박상렬 등(4)은 복부정착위치, 복부정착 길이, 복부정착량, 그리고 복부정착섬유의 방향을 실험변수로 하여 CFRP판으로 보강된 RC보에 대한 휨 시험을 실시하였고, 탄소섬유쉬트의 복부정착효과는 하 중재 하부에서 일정거리만큼은 상당한 정착효과를 발휘하나 단부근처에서는 정착효과가 미미하다고 발표하였다.
- 이상의 결과로 판단할 때 본 논문에서 제시한 채널 형 정착장치는 보강재에 약 173kN(= Ar Er e/) 정도의 인장력이 작용할 때까지 정착장치로서의 역할을 수행할 수 있는 것으로 나타났다. 채널형 정착 장치의 성능을 보다 향상시켜 CFRP판의 재료성능을 100% 활용하기 위해서는 콘크리트에 삽입되는 정착판 플랜지의 깊이를 더욱 증가시켜야 할 것으로 사료된다.
- 2 배 증가할 정도로 큰 연성증대 효과를 보였다. 즉, 본 연구에서 개발한 다방향 CFRP 단부정착판을 적용함으로서 CFRP판으로 보강된 구조물의 보강성능 및 연성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 2배 증가할 정도로 큰 연성증대 효과를 보였다. 즉, 본 연구에서 개발한 채널형 단부정착장치를 적용함으로서 CFRP 판으로 보강된 구조물의 보강성능 및 연성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 사용하였다 . 콘크리트의 목표 압축강도는 24MPa 과 32MPa로 설계하였으나, 01OOx 200mm 크기의 공시체를 제작하여 수중양생한 후 재령 28일에 측정한 압축강도는 각각 23MPa과 29MPa로 나타났다. 인장철근은 KS D 3504의 이형철근으로 SD400 을 사용하였다.
- 특히, CFRP판의 탈락시점은 콘크리트 압축강도의 영향보다는 철근비의 영향이 크게 작용하는 것으로 나타났다.
- 8mm의 처짐이 발생할 때까지 하중이계속적으로 증가하는 거동을 보였다. 특히, 표면부착한 MIII-S 시험체에 비해 최대하중이 120.3KN으로 약 22% 증가하였으며, 파괴시의 처짐이 2.2배 증가할 정도로 큰 연성증대 효과를 보였다. 즉, 본 연구에서 개발한 채널형 단부정착장치를 적용함으로서 CFRP 판으로 보강된 구조물의 보강성능 및 연성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 4KN에 도달하는 동시에 단부부터 CFRP 판이 박리되면서 하중이 급격하게 감소하였으며, 그 이후부터는 무보강 시험체와 거의 유사한 거동을 보였다. 한편 양 단부를 채널형 단부정착장치로 보강한 MIII-1 시험체는 약 30mm 처짐이 발생한 이후부터 CFRP 보강판이 중앙부에서 박리하기 시작하였으나 단부정착으로 인해 계속해서 48.8mm의 처짐이 발생할 때까지 하중이계속적으로 증가하는 거동을 보였다. 특히, 표면부착한 MIII-S 시험체에 비해 최대하중이 120.
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