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문제 정의
- 보강공사를 필요로 하는 철근콘크리트 구조물은 노후화에 의해 표면열화가 발생할 수 있으며, 본 연구에서는 이와 같은 콘크리트의 성능저하를 모사하기 위하여 설계압축강도를 가능한 작은 값인 18MPa 레디믹스트 콘크리트로 계획하여 강도저하에 따른 영향을 검토하였다. 철근은 인장 및 압축주근으로 HD10, HD13 철근을 사용하였으며, 전단철근은 모두 HD10 을 사용하였다.
- 본 연구에서는 외부 부착 프리스트레스트 탄소 섬유판으로 휨 보강된 RC 보의 보강성능을 평가하고 휨 거동특성을 파악하고자 프리스트레스 양을 변수로 실험적 연구를 수행하였으며, 실험결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유판을 이용한 외부 프리스트레스 보강공법의 실용화를 위하여 고강도 탄소섬유판, 정착장치 및 긴장장치를 자체 개발하였으며, 이러한 제반기술을 바탕으로 프리스트레스 도입량을 변수로 휨 보강된 부재의 거동 특성을 분석하기 위한 실험연구를 계획하였다.
제안 방법
- 2와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 축소모형 휨 실험체를 위한 탄소섬유판 정착 장치는 1개의 탄소섬유판을 평판형 정착플레이트로 고정하고 이를 부재의 인장측 콘크리트 단부에 4개의 앵커볼트를 이용하여 고정하는 방식을 적용하였다. 또한 정착 장치의 응력집중을 방지하는 상세로 그림과 같이 GFRP 탭을 부착하는 방식을 사용하였다.
- 003)에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서는 보강으로 인한 콘크리트 연단에서의 압괴를 방지하기 위하여 축소모형 실험체의 압축철근으로 3-D13, 인장철근을 3-D10으로 배근하였다. 대표적인 실험체의 형상 및 치수를 나타내면 Fig.
- 정착시킴으로서 요구되는 보강성능을 발휘하도록 한다. 따라서 프리스트레스 도입을 위한 긴장시스템 및 긴장된 탄소 섬유판을 콘크리트에 고정시키는 정착장치가 필요하며, 선행연구를(2)(3)⑺ 통하여 탄소섬유판에 프리스트레스 도입을 위한 정착 및 긴장장치를 개발하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 축소모형 휨 실험체를 위한 탄소섬유판 정착 장치는 1개의 탄소섬유판을 평판형 정착플레이트로 고정하고 이를 부재의 인장측 콘크리트 단부에 4개의 앵커볼트를 이용하여 고정하는 방식을 적용하였다. 또한 정착 장치의 응력집중을 방지하는 상세로 그림과 같이 GFRP 탭을 부착하는 방식을 사용하였다.
- 4에 나타낸 바와 같이 가력골조를 설치하고 250kN 용량의 Actuator로 3점 가력하였다. 변위 및 변형률의 측정부위는 최대모멘트가 발생되는 중앙부에서 측정하였으며 , 각각 콘크리트의 압축연단, 인장 . 압축철근 및 탄소섬유판의 변형률을 측정하였다.
- 실험체는 총 9개로 무보강 실험체와 탄소섬유판 1 매를 단순 부착한 실험체, 탄소섬유판 2매를 적층 부착한 실험체와 폭방향으로 부착한 실험체 및 정착장치를 갖고 프리스트레스 도입량을 탄소섬유판 재료강도의 0, 20, 40, 60, 70%로 긴장한 실험체로 구성된다. 각 실험체의 세부상세를 정리하면 Table 5와 같다.
- 변위 및 변형률의 측정부위는 최대모멘트가 발생되는 중앙부에서 측정하였으며 , 각각 콘크리트의 압축연단, 인장 . 압축철근 및 탄소섬유판의 변형률을 측정하였다.
- 003에 도달할 경우 부재의 공칭강도로 고려되어야 한다. 이러한 분석에 따라 Table 6에서는 인장재와 압축재의 파괴가 선행되는 시점에 따라 결정되는 공칭강도(Pn)와 탄소섬유판의 최종파괴 시까지 측정된 최대하중(Pu)을 구분하여 나타내었으며, 탄소 섬유판의 보강성능을 나타내는 유효변형률은 탄소 섬유판에 도입된 프리스트레스 변형률을 포함한 총 공칭변형률(&m)로 평가하였다.
대상 데이터
- 철근은 인장 및 압축주근으로 HD10, HD13 철근을 사용하였으며, 전단철근은 모두 HD10 을 사용하였다. 프리스트레스의 도입을 위한 탄소섬유판은 본연 구진에서 의해서 개발된 일방향 탄소섬유판과 프리스트레스 특성을 고려하여 특수제작된 직물매립 탄소 섬유판을 사용하였다.
- 축소모형 실험체는 폭 200mm 높이 300mm로, 지점길이 2, 400mm, 전체 실험체 길이 2, 700mm로 계획하였다. 일반적인 철근콘크리트 보에서는 인장철근의 단면적이 압축철근 단면적보다 큰 것이 정상이나 탄소 섬유판으로 보강된 축소모형 실험체에서는 단면해석 결과 탄소섬유판이 파단변형률에 이르기 전에 콘크리트 연단에서 압축극한변형률0=0.
- 철근은 인장 및 압축주근으로 HD10, HD13 철근을 사용하였으며, 전단철근은 모두 HD10 을 사용하였다. 프리스트레스의 도입을 위한 탄소섬유판은 본연 구진에서 의해서 개발된 일방향 탄소섬유판과 프리스트레스 특성을 고려하여 특수제작된 직물매립 탄소 섬유판을 사용하였다. 각 재료의 역학적 특성을 나타내면 Table 2-Table 4와 같다.
성능/효과
- 1) 단순부착된 탄소섬유판으로 보강된 부재는 탄소 섬유판 재료강도의 50%이하에서 모두 박리파괴가 발생하며, 보강재 강성이 증가할수록 보강성능은 감소한다.
- 2) 외부 부착 프리스트레스를 도입한 탄소 섬유판으로 보강된 휨부재의 파괴양상은 프리스트레스 60%까지는 1, 2차에 걸친 탄소섬유판의 박리가 선행되며, 이후 정착장치에 고정된 비부착상태로 탄소 섬유판의 파단강도에 도달한다.
- 3) 프리스트레스를 도입하여 부착한 탄소 섬유판으로 보강된 부재는 도입된 프리스트레스 양에 비례하여 균열하중, 항복하중이 증가하며, 최대하중은 탄소 섬유판의 파단강도로 일정하다.
- 4) 탄소섬유판에 프리스트레스를 도입하여 휨 보강할 경우 프리스트레스 도입량에 관계없이 최대하중은 일정하지만, 콘크리트 압축연단의 극한변형률 도달 시점을 기준한 공칭 휨강도는 프리스트레스 도입량에 비례하여 증가한다.
- 외에서 수행된 FRP로 휨 보강된 실험결과로부터 FRP 복합체의 강성에 대한 유효변형률을 나타낸 것이다. 그림에서 FRP 복합체의 유효변형률은 FRP 복합체로 휨 보강된 부재의 최대하중으로부터 역산 하여 보강재의 변형률을 계산한 것으로 보강재의 강성(보강두께 : n . tf, 탄성계수: Ef)이 증가할수록 최종파괴 시의 보강재 변형률은 감소하는 것으로 나타났다.⑺
- 즉, 본 연구진에 의해 개발된 정착 장치는 탄소 섬유판 파단시까지 충분한 정착성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 반면 압축콘크리트가 한계변형률에 도달한 시점을 고려한 탄소섬유판의 유효변형률 fam)은 프리스트레스의 도입량에 비례하여 전단 면이 유효하게 거동하는 구간이 증가됨에 따라 균열모멘트, 항복모멘트가 증가되며, 동시에 압축콘크리트가 0.003에 도달하는 시점이 지연됨에 따라 부재의 공칭강도가 증가되는 것으로 나타났다. 이는 프리스트레스 도입량에 비례하여 압축연단 콘크리트에 인장변형률이 유도되어 압축측 콘크리트가 한계변형률 0.
- 실험으로부터 얻어진 단순부착된 탄소섬유판의 1매 기준 유효변형률은 대략 6, 000u 내외로 재료변형률의 50%이하이며, 보강재 강성이 증가할수록 감소하였다. 한편 프리스트레스를 도입한 실험체의 최종파괴시 탄소 섬유판 총변형률(&pi + efu)은 프리스트레스 도입량에 관계없이 모두 초기 변형률을 포함하여 대략 12, 000 U 이상으로 재료강도의 100%까지 보강성능을 확보할 수 있었다.
- 이러한 결과는 단순부착 실험결과로부터 탄소 섬유판의 박리변형률이 약 6, 000U 로 산정되었으므로, 탄소 섬유판 인장강도의 60~70% 정도로 프리스트레스 도입할 경우를 경계점으로 하여 탄소섬유판이 재료 파단변형율에 도달한 것으로 분석할 수 있다..
- 한편, 탄소 섬유판의 박리가 전 구간에 걸쳐서 발생된 이후에는 비부착 시스템으로 전환되며, 정착장치에 의해 고정되어 탄소 섬유판의 파단강도까지 하중이 증가된다. 이에 따라 중앙부에서 탄소섬유판의 박리가 선행된 실험체의 최대하중은 프리스트레스 양에 관계없이 거의 유사한 것을 알 수 있으며, 박리가 발생하지 않은 70%의 프리스트레스가 도입된 실험체는 탄소섬유판의 파단강도까지 부재와 완전합성 거동을 하므로 가장 큰 최대하중 값을 나타내고 있다.
- 일반적인 철근콘크리트 보에서는 인장철근의 단면적이 압축철근 단면적보다 큰 것이 정상이나 탄소 섬유판으로 보강된 축소모형 실험체에서는 단면해석 결과 탄소섬유판이 파단변형률에 이르기 전에 콘크리트 연단에서 압축극한변형률0=0.003)에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서는 보강으로 인한 콘크리트 연단에서의 압괴를 방지하기 위하여 축소모형 실험체의 압축철근으로 3-D13, 인장철근을 3-D10으로 배근하였다.
- 한편 프리스트레스를 도입한 실험체의 최종파괴시 탄소 섬유판 총변형률(&pi + efu)은 프리스트레스 도입량에 관계없이 모두 초기 변형률을 포함하여 대략 12, 000 U 이상으로 재료강도의 100%까지 보강성능을 확보할 수 있었다. 즉, 본 연구진에 의해 개발된 정착 장치는 탄소 섬유판 파단시까지 충분한 정착성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 반면 압축콘크리트가 한계변형률에 도달한 시점을 고려한 탄소섬유판의 유효변형률 fam)은 프리스트레스의 도입량에 비례하여 전단 면이 유효하게 거동하는 구간이 증가됨에 따라 균열모멘트, 항복모멘트가 증가되며, 동시에 압축콘크리트가 0.
- 한편, 보강량이 증가함에 따라서 휨강성과 항복 하중이 증가하는 것으로 나타났으며, 동일한 부착길이를 갖는 실험체에서는 두 개의 탄소섬유판을 겹쳐서 시공하는 방법보다 폭 방향으로 보강량을 증가시키는 것이 조기 박리파괴를 억제하는데 효과적인 것으로 나타났다. 즉, 탄소섬유판의 보강두께를 증가시키는 방법과 폭 방향으로 보강량을 증가시키는 방법은 동일한 휨 강성의 증가를 초래하지만, 폭 방향으로 보강량을 증가시키게 되면 탄소섬유판과 콘크리트의 부착면적이 증가됨으로써 박리파괴를 지연시키는 것으로 나타났다.
- 탄소섬유판을 이용한 부착형 프리스트레스 보강시스템에서 프리스트레스 도입량의 변화에 따른 실험체의 최종파괴 양상을 분석해 보면, 재료강도의 0%~60% 로 프리스트레스를 도입한 실험체에서는 Fig. 9와 같이 1차, 2차의 박리현상이 선행된 이후에 하중이 증가함에 따라 박리가 전구간으로 진행되면서 정착 장치만으로 구속된 비부착시스템으로 전환되었으며, 지속적인 하중증가 이후, 최종적으로 중앙부의 탄소 섬유 판의 파단에 의해 최종파괴되는 양상을 보였다. 이에 대하여 재료강도의 70%로 프리스트레스를 도입한 실험체에서는 탄소섬유판의 박리가 발생되지 않은 채 중앙부에서 탄소섬유판이 최종 파단되었다.
- 감소하였다. 한편 프리스트레스를 도입한 실험체의 최종파괴시 탄소 섬유판 총변형률(&pi + efu)은 프리스트레스 도입량에 관계없이 모두 초기 변형률을 포함하여 대략 12, 000 U 이상으로 재료강도의 100%까지 보강성능을 확보할 수 있었다. 즉, 본 연구진에 의해 개발된 정착 장치는 탄소 섬유판 파단시까지 충분한 정착성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 그림에서와 같이 탄소섬유판으로 보강된 실험체는 모재의 철근항복이 발생된 이후에도 탄소섬유판이 추가적으로 응력을 분담함에 따라 하중이 지속적으로 증가하며, 탄소섬유판의 박리와 동시에 하중이 급격히 감소하여 일반 무보강 보와 같은 거동을 나타낸다. 한편, 보강량이 증가함에 따라서 휨강성과 항복 하중이 증가하는 것으로 나타났으며, 동일한 부착길이를 갖는 실험체에서는 두 개의 탄소섬유판을 겹쳐서 시공하는 방법보다 폭 방향으로 보강량을 증가시키는 것이 조기 박리파괴를 억제하는데 효과적인 것으로 나타났다. 즉, 탄소섬유판의 보강두께를 증가시키는 방법과 폭 방향으로 보강량을 증가시키는 방법은 동일한 휨 강성의 증가를 초래하지만, 폭 방향으로 보강량을 증가시키게 되면 탄소섬유판과 콘크리트의 부착면적이 증가됨으로써 박리파괴를 지연시키는 것으로 나타났다.
후속연구
- 꾀할 수 있다. 그러나 일반 구조물에 대한 보강설계 시에는 적정 내력을 확보하면서 구조물의 취성파괴를 방지함과 동시에 연성적인 거동의 확보와 지속 하중과 피로에 의한 탄소섬유판의 creep rupture를 방지할 수 있도록 프리스트레스 양을 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.(8)-(12)
- 한편, 이러한 정착시스템을 도입함에 있어 보다 적극적인 방법으로 FRP 보강재에 프리스트레스를 도입한 후 정착하면 FRP 보강재의 재료성능을 충분히 활용할 수 있을 뿐만 아니라 FRP의 단순부착공법을 개선하여 보강효과를 극대화할 수 있는 장점이 있을 것으로 기대된다.
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