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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이와 같은 FRP 플레이트보강공법의 시공 상의 문제점을 개선하고 공정을 단순화하기 위하여, FRP 플레이트 가설치 방법으로 앵커볼트 대신 벨크로(Velcro)형 고정재를 사용하여 FRP 플레이트를 고정한 후 에폭시 접착제를 주입하는 공법에 대한 시공성 및 휨보강성능을 평가하도록 하였다.
- 본 논문에서는 기존의 휨보강공법인 FRP 쉬트 보강공법이나 앵커볼트를 이용하는 FRP 플레이트 보강공법의 시공 상의 단점을 보완하기 위하여, 비교적 시공이 간단한 벨크로형 부착재를 이용하여 FRP 플레이트를 구조물에 고정시켜 보강재와 모재 사이에 에폭시 접착제를 주입하는 FRP 플레이트 보강공법을 제안하였다.
제안 방법
- 설치하였다. FRP판이 놓이게 될 가장자리를 따라 실링을 하고 에폭시 주입제의 주입구와 배출구, 간격재를 배치하였다. FRP판을 앵커볼트에 맞게 위치 시켜 틈이 생기지 않도록 섬유판 둘레를 따라 다시 한번 실링한 후 에폭시 주입제의 주제와 경화제를 2:1 비율로 섞어 모든 배출구에서 레진이 흘러나올 때까지 주입하고, 주입구와 배출구를 막아 양생시켰다.
- 표면에 쌓이지 않도록 정리하였다. Fig. 2와 같이 프라이머를 도포하여 충분히 건조한 뒤 쉬트용 에폭시를 도포하고, FRP쉬트를 절단하여 도포면에 부착하였으며, 이때 탈포 로울러와 고무주걱을 이용하여 접착 면의 기포를 제거하고 쉬트에 에폭시가 충분히 함침될 수 있도록 하였다. 1차 FRP 쉬트의 함침 이후 동일한 방법으로 두 번째 FRP 쉬트를 함침시켰다.
- 제안식과 비교 . 검토함으로써 벨크로형 고정 재를 사용한 FRP 플레이트 보강공법의 타당성을 분석하도록 하였다.
- 이러한 변수를 고려하여 기존의 여러 연구자들은 Table 8과 같이 다양한 휨 부재 내력 예측식을 제안하였으며, 대부분의 제안식들은 섬유 보강재의 변형률을 주된 변수로 사용하고 있다. 또한 제안식에 사용된 섬유재는 주로 탄소섬유쉬트를 기준으로 하고 있으며, 아라미드 섬유나 유리섬유의 경우 적절한 강도저감계수를 통하여 동일한 식을 사용할 수 있도록 제안하고 있다.
- 1과 같이 폭 350mm, 높이 200mm인 직사각형 단면으로 인장측과 압축측의 피복두께를 40 1로 하였으며, 부재의 총 길이는 22001로 제작하였다. 또한, 주근이나 보강재로 인한 압축측 콘크리트의 파괴가 먼저 발생하지 않도록 보강 전 철근비 ( P = 0.0051)를 최대철근비(pmax =0348)의 약 1/5 정도로 설계하여, 인장철근은 4-D10, 압축 철근은 2-D10으로 배근하였으며, 전단파괴를 방지하기 위하여 D10철근을 1001 간격으로 배근하였다.
- 벨크로형 부착재를 사용한 FRP 플레이트 보강공법의 시공성 및 휨보강성능을 평가하기 위하여 총 4개의 실험체에 대한 휨성능평가실험을 수행하였다. 실험체는 단순보형 RC실험체에 휨보강을 실시하지 않은 무보강 실험체를 기준으로 FRP 쉬트로 현장에서 함침 .
- 보강된 부재의 휨성능을 평가하기 위하여 각 실험체의 강성 및 연성도를 평가하였다. 실험체의 강성은 Fig.
- 접착하였다. 보강면과 FRP 플레이트에 부착된 벨크로가 일치되도록 섬유판을 올려 벨크로 간에 들뜸이 생기지 않도록 눌러주고, 주입구, 배출구, 간격 재를 배치한 후 섬유판 둘레를 실링하고 실링제가 경화된 후 에폭시 레진을 주입하여 양생시켰다. 실험에 사용된 FRP 플레이트는 앵커형 보강실험체와 동일한 것을 사용하였다.
- 실험체는 단순보형 RC실험체에 휨보강을 실시하지 않은 무보강 실험체를 기준으로 FRP 쉬트로 현장에서 함침 . 보강한 실험체, 공장에서 제작한 FRP 플레이트를 앵커볼트로 고정시킨 후 에폭시 주입공법으로 보강한 실험체 및 벨크로를 이용하여 FRP 플레이트를 보강한 실험체 등으로 구성되며, 휨성능평가실험 후 이를 기존 연구자들에 의해 제시된 휨내력 평가 제안 식과 비교 . 분석하도록 하였다.
- 실험연구에서는 각 실험체의 하중-처짐관계, 초기균열 하중, 최대 내력, 파괴양상, 강성 및 연성도 등을 평가하도록 하였으며, 이러한 실험결과를 기존의 휨 보강 내력 제안식과 비교 . 검토함으로써 벨크로형 고정 재를 사용한 FRP 플레이트 보강공법의 타당성을 분석하도록 하였다.
- 실험체의 보강량은 보강재의 인장강도가 동일하도록 FRP 쉬트 및 플레이트의 두께를 설계하였다.
- 앵커형 FRP 플레이트 보강실험체는 계획된 앵커볼트 설치위치에 공장제작된 플레이트를 보강면에 맞춰 천공하고, 콘크리트 표면을 그라인딩하여 정리한 후 앵커볼트를 설치하였다. FRP판이 놓이게 될 가장자리를 따라 실링을 하고 에폭시 주입제의 주입구와 배출구, 간격재를 배치하였다.
- 5 와 같이 실험체의 중앙에 오일잭으로 1점 재하하고, 오일잭 하부에 로드셀을 설치하였다. 하중점과 각 지점에는 롤러를 설치하여 수평방향변위와 회전에 대한 구속이 없도록 하였으며, 지간의 4등분 지점에 LVDT 를 설치하고 콘크리트 타설 전 철근용 스트레인 게이지를 부착하여 철근의 변형률을 측정하였다. 콘크리트의 변형률 측정은 보의 유효춤이 낮아 큰 의미가 없을 것으로 판단되어 측정하지 않았다.
대상 데이터
- 실험에서 사용된 에폭시는 쉬트용 에폭시와 FRP판 주입용 에폭시를 사용하였으며, 각 물성은 Table 4와 같다. 벨크로 형 고정재는 인장부착강도가 3.1 Mpa인 폴리프로필렌 소재를 사용하였으며, 기존의 일반 벨크로와 실험에 사용된 벨크로형 고정재의 특징을 비교하여 Table 5에 나타내었다.
- 벨크로형 FRP 플레이트 보강실험체는 앵커고정 실험체와는 달리 천공을 하지 않은 FRP 플레이트를 준비하고, FRP판과 보강면에 각각 실험을 위하여 특수제작된 45mx45m 크기의 벨크로형 고정재를 순 간격 250m 로 실험체 양단부에 2열로 총 16개를 접착제를 이용하여 접착하였다. 보강면과 FRP 플레이트에 부착된 벨크로가 일치되도록 섬유판을 올려 벨크로 간에 들뜸이 생기지 않도록 눌러주고, 주입구, 배출구, 간격 재를 배치한 후 섬유판 둘레를 실링하고 실링제가 경화된 후 에폭시 레진을 주입하여 양생시켰다.
- 실시하지 않았다. 보강재로 사용된 섬유복합체로서 FRP 쉬트는 탄소섬유를 사용하였고, FRP 플레이트는 탄소섬유와 유리섬유를 1:1 비율로 혼합하여 제작된 제품을 사용하였다. 실험에 사용된 보강재의 역학적 성질과 특성은 Table 3에 나타내었다.
- FRP판을 앵커볼트에 맞게 위치 시켜 틈이 생기지 않도록 섬유판 둘레를 따라 다시 한번 실링한 후 에폭시 주입제의 주제와 경화제를 2:1 비율로 섞어 모든 배출구에서 레진이 흘러나올 때까지 주입하고, 주입구와 배출구를 막아 양생시켰다. 실험에 사용된 FRP 플레이트는 2겹의 탄소섬유쉬트와 인장강도가 동일하도록 제작된 1.2mm 두께의 보강판을 사용하였다.
- 보강면과 FRP 플레이트에 부착된 벨크로가 일치되도록 섬유판을 올려 벨크로 간에 들뜸이 생기지 않도록 눌러주고, 주입구, 배출구, 간격 재를 배치한 후 섬유판 둘레를 실링하고 실링제가 경화된 후 에폭시 레진을 주입하여 양생시켰다. 실험에 사용된 FRP 플레이트는 앵커형 보강실험체와 동일한 것을 사용하였다.
- 실험에 사용된 콘크리트의 배합표는 Table 2와 같으며, 재령 28일과 실험을 실시한 재령 60일의 압축강도는 각각 22.9 Mpa 25.4 Mpa이다.
- 실험에 사용된 보강재의 역학적 성질과 특성은 Table 3에 나타내었다. 실험에서 사용된 에폭시는 쉬트용 에폭시와 FRP판 주입용 에폭시를 사용하였으며, 각 물성은 Table 4와 같다. 벨크로 형 고정재는 인장부착강도가 3.
- 실험의 주요 변수는 보강재의 부착 방법으로서, 벨크로 형 FRP 플레이트 보강공법의 휨보강성능을 평가하기 위하여 Table 1과 같이 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험체의 보강량은 보강재의 인장강도가 동일하도록 FRP 쉬트 및 플레이트의 두께를 설계하였다.
- 실험체 제작에 사용된 철근은 항복강도 400Mpa의 국내산 D10 철근만을 사용하였으며, 별도의 인장실험은 실시하지 않았다. 보강재로 사용된 섬유복합체로서 FRP 쉬트는 탄소섬유를 사용하였고, FRP 플레이트는 탄소섬유와 유리섬유를 1:1 비율로 혼합하여 제작된 제품을 사용하였다.
- 실험체는 Fig. 1과 같이 폭 350mm, 높이 200mm인 직사각형 단면으로 인장측과 압축측의 피복두께를 40 1로 하였으며, 부재의 총 길이는 22001로 제작하였다. 또한, 주근이나 보강재로 인한 압축측 콘크리트의 파괴가 먼저 발생하지 않도록 보강 전 철근비 ( P = 0.
- 실험체는 단순보형 RC실험체에 휨보강을 실시하지 않은 무보강 실험체를 기준으로 FRP 쉬트로 현장에서 함침 . 보강한 실험체, 공장에서 제작한 FRP 플레이트를 앵커볼트로 고정시킨 후 에폭시 주입공법으로 보강한 실험체 및 벨크로를 이용하여 FRP 플레이트를 보강한 실험체 등으로 구성되며, 휨성능평가실험 후 이를 기존 연구자들에 의해 제시된 휨내력 평가 제안 식과 비교 .
성능/효과
- 1) 벨크로형 FRP 플레이트 보강실험체의 휨내력은무보강의 2.4배, 쉬트 보강의 1.2배, 앵커형 플레이트 보강의 1.05배 정도로서 우수한 보강성능을 갖는 것으로 나타났다.
- 2) 섬유보강재를 부착한 실험체의 연성도는 기준실험체에 비하여 떨어지는 것으로 나타났으나, 벨크로 형 FRP 플레이트 보강실험체는 다른 공법에 의하여 보강된 실험체보다 우수한 연성도를 갖는 것으로 판명되었다.
- 3) 기준실험체는 휨파괴, 쉬트 보강실험체는 FRP의 박리파괴, 앵커형 플레이트 보강실험체는 보강재의 유효단면적 감소로 인한 보강재의 인장파괴가 발생하였으나, 벨크로형 FRP 플레이트 보강 실험체는 보강재의 충분한 내력 발휘이후 FRP판과 콘크리트의 탈락에 의하여 파괴되었다.
- 4) 기존 연구자들의 제안식에 의한 휨내력을 비교해본 결과, 대체적으로 기존 제안식이 실험값보다 적은 것으로 나타나, 벨크로형 FRP 플레이트 보강공법도 안전측으로 기존 제안식을 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 앵커 형과 벨크로 형 FRP 플레 이 트 보강실험 체 의 하중처 짐 곡선을 비교해 보면, 철근이 항복하는 시점까지는 거의 유사한 거동을 보였으나, 철근의 항복이후 앵커형 FRP 보강실험체는 휨보강 성능을 유지하지 못하고 일정 강도의 증가 이후에 보강재의 파단으로 급격한 부재의 파괴를 보인 반면, 벨크로형 보강실험체는 더 큰 하중 및 처짐 변위에 대하여 휨보강 성능을 유지하였으며 앵커형 FRP판 보강실험체보다 연성적인 파괴양상을 나타내었다. FRP 쉬트 보강실험체는 앵커형 FRP 플레이트 보강실험체보다 파괴하중은 작지만 실험체의 파괴 시까지 거의 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다.
- 표에서 최대하중의 계산값은 보강재를 등가의 철근으로 환산하여 산정된 공칭강도를 의미한다. 각 보강 실험체의 균열하중과 최대하중을 살펴보면, 보강재의 부착으로 인장강도가 증가함에 따라 기준실험체의 실험값 보다 크게 나타났으며, 여러 실험체 중 벨크로 형 FRP판 보강실험체의 균열하중과 최대하중이 각각 31kN, 113.7kN으로 가장 높게 나타났다.
- 각 보강실험체의 계산값과 실험값을 비교해 보면, FRP 플레이트 보강공법은 균열하중과 파괴하중 모두 실험값이 보강내력 계산식에 의한 값보다 크게 나타났으나, FRP쉬트 보강실험체의 파괴하중은 계산 값보다 실험값이 더 적은 것으로 나타났다. 이는 FRP쉬트가보강내력을 모두 발휘하기 이전에 단부에서 박리파괴가 발생함에 따른 것으로 판단된다.
- 각 실험체의 강성을 종합하여 보면 앵커형 FRP 플레이트 보강실험체의 강성이 가장 큰 것으로 나타났으며, 그 다음으로 벨크로형 FRP 플레이트 보강실험체, FRP 쉬트 보강실험체, 기준 실험체의 순으로 나타났다. 실험체의 연성도는 Fig.
- 또한 설계기준에 근거한 최대하중은 97.7kN이었으나, 실험결과 91.8kN에서 파괴가 발생하여 FRP쉬트와 콘크리트의 계면부착파괴에 의해 보강성능을 충분히 발휘하지 못한 것으로 나타났다.
- 무보강인 기준실험체의 파괴양상은 최대 모멘트가 작용하는 실험체 중앙부를 중심으로 균열이 발생 되어 중립축까지 진행되고, 이후 균열폭이 증가하였으며, 철근이 항복한 이후 소성경화현상이 발생하는 전형적인 휨파괴 양상을 보였다.
- 벨크로형 FRP 플레이트 보강실험체는 실험체중 가장 큰 하중에서 파괴되었으며, 다른 보강 실험 체보다 큰 처짐이 발생할 때까지 최대내력을 유지하였다. 벨크로 형 보강실험체의 파괴양상은 Fig.
- 6의 하중-처짐곡선을 통하여 철근 항복 시의 처짐값과 최대하중 시의 처 짐값의 비로 계산하였으며, 그 결과를 Table 7에 정리하였다. 벨크로형 보강실험체의 연성도는 3가지의 보강 실험체 중에서 가장 높게 나타났으나, 기준실험체보다는 낮은 연성도를 보였다. FRP보강 실험체의 연성 도가 기준실험체보다 낮게 나타난 것은 취성적인 FRP 판의 박리파괴가 발생됨에 기인한 것으로 판단된다.
- 이는 공장에서 제작된 FRP 플레이트가 현장에서 함침시킨 FRP 쉬트보다 양호한 품질을 가지고 있기 때문인 것으로 판단되며, 실제 FRP 플레이트를 사용한 실험체는 시공공법에 따른 강성의 차이는 거의 나타나지 않음을 알 수 있다. 앵커 형과 벨크로 형 FRP 플레 이 트 보강실험 체 의 하중처 짐 곡선을 비교해 보면, 철근이 항복하는 시점까지는 거의 유사한 거동을 보였으나, 철근의 항복이후 앵커형 FRP 보강실험체는 휨보강 성능을 유지하지 못하고 일정 강도의 증가 이후에 보강재의 파단으로 급격한 부재의 파괴를 보인 반면, 벨크로형 보강실험체는 더 큰 하중 및 처짐 변위에 대하여 휨보강 성능을 유지하였으며 앵커형 FRP판 보강실험체보다 연성적인 파괴양상을 나타내었다. FRP 쉬트 보강실험체는 앵커형 FRP 플레이트 보강실험체보다 파괴하중은 작지만 실험체의 파괴 시까지 거의 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다.
- 표에서 나타나듯이 본 연구에서 사용된 벨크로형 고정 재는 FRP 플레이트를 고정하기 위하여 인장부착 강도를 일반제품보다 약 20배 이상 큰 값을 갖도록 특수 제작한 것으로서, 일반적인 벨크로와는 재질 및 형상이 다르게 제작되었다.
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