[논문]RC 부재의 휨 보강을 위한 외부 비부착형 탄소섬유판 포스트텐션 시스템

유영찬; 최기선; 김긍환

RC 부재의 휨 보강을 위한 외부 비부착형 탄소섬유판 포스트텐션 시스템
Post-tensioning System with Externally Unbonded CFRP Strips for Strengthening RC Members 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.12 no.6 = no.52, 2008년, pp.147 - 154

유영찬 (한국건설기술연구원) , 최기선 (한국건설기술연구원) , 김긍환 (한국건설기술연구원)

초록
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본 연구에서는 외부 비부착형 프리스트레스트 탄소섬유판으로 보강된 RC보의 휨거동을 분석하기 위한 실험연구를 수행하였다. 실험체는 프리스트레스 양 및 정착장치의 형상을 변수로 총 10개로 제작되었다. 또한 프리스트레스의 도입에 따른 구조성능 비교를 위하여 기준실험체와 단순부착 실험체를 함께 제작하였다. 실험결과, 단순 부착 탄소섬유판으로 보강된 부재는 조기 박리에 의해 탄소섬유판 인장강도의 50% 이하에서 최종파괴되었다. 그러나, 프리스트레스를 도입하여 보강한 실험체는 모두 탄소섬유판의 파단하중까지 도달하였다. 또한 스터드형 정착장치를 적용한 실험체들의 보강성능은 매립형 정착장치를 적용한 실험체와 동등한 보강성능을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Experimental study has been performed in order to investigate the behavior of RC beams strengthened with externally unbonded post-tensioned CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) strips using embedded or stud-type plate anchorages. Total 10 small-scaled specimens were manufactured with the different post-tensioning level and types of mechanical anchorage as a main test parameter. A control specimen and specimens with simply bonded CFRP strips were included to compare the structural performances of each system. From the test results, it was observed that the specimens strengthened with simply bonded CFRP strips showed debonding failure below 50% of CFRP tensile strength due to premature debonding. On the other hand, all the specimens strengthened with post- tensioned unbonded CFRP strips reached the rupture strength of the CFRP strip. Also, it was observed that the specimens with stud-type anchorage have equivalent strengthening performance compared with embedded-type anchorage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 비부착식 프리스트레스트 탄소 섬유판으로 휨 보강된 RC 보의 보강성능을 평가하고 휨 거동특성을 파악하고자 정착장치의 형상 및 프리스트레스 양을 변수로 실험적 연구를 수행하였으며, 실험 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 탄소섬유판에 의한 비부착 프리스트레스 보강공법을 실용화하기 위해서 정착장치의 형상 및 프리스트레스 양을 변수로 한 다양한 실험을 통하여 비부착 프리스트레스트 탄소섬유판으로 보강된 부재의 보강성능을 파악함으로써, 향후 탄소섬유판을 이용한 비부착 프리스트레스 보강공법의 설계식을 제안하기 위한 기초자료를 구축하고자 하였다.
통상적으로 보강공사를 필요로 하는 철근콘크리트 구조물은 콘크리트의 성능저하가 예상되므로 이를 모사하기 위하여 본 연구에서는 설계압축강도가 18MPa 인 레디믹스트 콘크리트로 계획하였다. 철근은 인장 및 압축주근으로 HD10, HD13철근을 사용하였으며, 전단철근은 모두 HD10을 사용하였다.

제안 방법

1은 매입형 정착장치를 나타내는 것으로 탄소 섬유판을 콘크리트 면에 설치할 때 적용되는 형상이다. 매입형 정착장치는 탄소섬유판을 평판형 정착플레이트로 고정하고 이를 부재의 인장측 콘크리트 단부에 4개의 앵커볼트를 이용하여 고정하는 방식을 적용하였다.
5에 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.
변위 및 변형률의 측정부위는 최대모멘트가 발생되는 중앙부에서 측정하였으며 , 각각 콘크리트의 압축연단, 인장 . 압축철근 및 탄소섬유판의 변형률을 측정하였다.
축소모형 실험체에 대한 탄소섬유판 프리스트레스 도입은 작업의 편의를 위하여 Fig. 3와 같이 실험체를 뒤집은 상태에서 실험체의 단부에 가력철물을 설치하고, 실험체를 반력대로 하여 직접적으로 프리스트레스를 도입하였다. 탄소섬유판에 대한 프리스트레스의 양은 프리스트레스를 도입하지 않고 정착장치로 고정한 경우를 0%로 하고, 재료의 인장강도를 기준으로 하여 각각 20, 40 및 60%를 도입하는 것으로 계획하였다.
탄소섬유판 긴장장치는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 축소모형 실험체의 단부에서 직접적으로 긴장력을 도입하는 단순화된 형태로 고안하였다.
3와 같이 실험체를 뒤집은 상태에서 실험체의 단부에 가력철물을 설치하고, 실험체를 반력대로 하여 직접적으로 프리스트레스를 도입하였다. 탄소섬유판에 대한 프리스트레스의 양은 프리스트레스를 도입하지 않고 정착장치로 고정한 경우를 0%로 하고, 재료의 인장강도를 기준으로 하여 각각 20, 40 및 60%를 도입하는 것으로 계획하였다.

대상 데이터

실험의 주 변수는 탄소섬유판에 대한 프리스트레스 유/무 및 정착시스템의 종류와 프리스트레스양으로 설정하였다. 대표적인 실험체의 형상 및 치수를 나타내면 Fig.
실험체는 총 10개로 무보강 실험체와 탄소섬유판 1 매를 단순 부착한 실험체 및 매입형 정착장치와 스터드형 정착장치에 대하여 각각 형상별로 프리스트레스 도입량을 탄소섬유판 재료강도의 0, 20, 40, 60%로 긴장하고 정착장치만으로 고정된 비부착 실험체 8개로 구성된다. 각 실험체의 특징을 정리하면 Table 4와 같다.
레디믹스트 콘크리트로 계획하였다. 철근은 인장 및 압축주근으로 HD10, HD13철근을 사용하였으며, 전단철근은 모두 HD10을 사용하였다. 프리스트레스의 도입을 위한 탄소섬유판은 본 연구진에서 의해서 개발된 일방향 탄소섬유판과 프리스트레스 특성을 고려하여 특수제작된 직물매립 탄소섬유판을 사용하였다.
축소모형 실험체는 폭 200mm 높이 300mm로, 지점길이 2, 400mm, 전체 실험체 길이 2, 700mm로 계획하였다. 실험의 주 변수는 탄소섬유판에 대한 프리스트레스 유/무 및 정착시스템의 종류와 프리스트레스양으로 설정하였다.
철근은 인장 및 압축주근으로 HD10, HD13철근을 사용하였으며, 전단철근은 모두 HD10을 사용하였다. 프리스트레스의 도입을 위한 탄소섬유판은 본 연구진에서 의해서 개발된 일방향 탄소섬유판과 프리스트레스 특성을 고려하여 특수제작된 직물매립 탄소섬유판을 사용하였다. 각 재료의 역학적 특성을 나타내면 Table 1~ Table 3와 같다.

성능/효과

1) 탄소섬유판을 단순부착하여 보강된 실험체는 탄소 섬유판 재료강도의 50%이하에서 모두 박리파괴가 발생하여 충분한 보강성능이 발현되지 않는 것으로 나타났다.
2) 정착장치의 형상에 관계없이 비부착식 프리스트레스트 탄소섬유판으로 보강된 실험체는 프리스트레스 양에 비례하여 균열하중 및 항복하중은 증가하며, 최대하중은 초기 긴장량에 비례하여 약간 증가되지만 거의 유사하였다.
3) 도입된 프리스트레스 양에 비례하여 보강된 부재의 균열/항복하중 등의 최대내력 전의 강도특성은 개선되지만, 최종파괴시의 부재의 처짐은 감소하였다.
4) 스터드형 정착장치를 사용한 프리스트레스 공법은 일반 매립형 정착장치를 이용한 공법과 동등한 성능 및 거동을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 본 정착상세는 작업조건과 시공성의 개선이 기대 되는 매우 유용한 상세로 판단된다.
5) 스터드형 정착장치를 사용한 프리스트레스 공법에서는 탄소섬유판과 콘크리트와 이격으로 인한 휨 내력 향상을 기대하기 위해 적절한 편심기 (deviator)를 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
10과 같다. 그림에서 보는 바와 같이, 프리스트레스 양의 증가에 따라 전단면 유효강성을 유지한 초기강성 구간의 증가에 따라 균열하중과 항복 하중이 증가하며, 반대로 프리스트레스 양이 증가할수록 프리스트레스 도입 이후 탄소섬유판이 발현할 수 있는 여분의 변형능력의 감소로 인하여 최대내력시의 처짐량은 감소하는 것을 알 수 있다.
본 공법은 고정하중에 의해 과도한 균열이나 처짐이 발생된 부재의 사용성 회복이 가능할 뿐만 아니라, 내하력의 증진은 물론 재료깅도(tensile strength)를 100% 활용할 수 있는 장점이 있다.(13)(14)(15) 더욱이 비부착 프리스트레스 시스템에 근간한 탄소섬유판 보강공법은 표면처리 작업 및 그라우팅 작업이 생략되기 때문에 시공의 간편성뿐만 아니라 건축구조물과 같이 실내에 적용될 경우 분진에 의한 작업환경을 개선할 수 있는 장점이 있다.
실험으로부터 얻어진 단순부착된 탄소섬유판의 1매 기준 유효변형률은 대략 6, 000u 내외로 이는 재료 파단변형률의 50%이하로서 보강성능 대비 효율 측면에서 매우 비경제적임을 확인할 수 있었다. 이에 대하여 비부착식 프리스트레스트 탄소섬유판으로 보강된 실험체에서 탄소섬유판 파단시의 변형률을 검토해 보면, Table 5에서 보는 바와 같이 매입형 정착장치를 사용한 경우에 11,000~ 12,000u 정도의 범위를 나타내고 있으며, 스터드형 정착장치를 적용한 경우에도 10, 000 ~ 12, 600u 의 범위를 나타내고 있다.
6 에서 보는 바와 같이 중앙부에서 시작된 박리가 단부로 급격하게 진행되면서 최종파괴되었다. 이에 대하여, 탄소섬유판 인장강도의 0~60%까지 프리스트레스를 도입하고 비부착식으로 보강한 실험체에서는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 프리스트레스 양에 따라 비례적으로 균열발생 및 철근항복이 지연되었으며, 철근 항복 이후에는 탄소섬유판이 지속적으로 응력을 부담하다가 최종적으로 탄소섬유판이 파단되면서 최종파괴에 도달하였다. 특히, 비부착 시스템은 탄소섬유 판이 콘크리트에 부착되어 있지 않기 때문에 Fig.
파단변형률까지 도달한다. 이에 따라 임계단면에서의 압축콘크리트의 변형률도 상대적으로 빠르게 증가하여 모든 실험체에서 압축콘크리트가 한계변형률 0.003에 도달할 때의 강도(=공칭강도)가 항복강도보다 크게 증가되지 않는 것으로 관측되었다.
한편, 스터드형 정착장치를 사용한 비부착 프리스트레스 실험체의 파괴양상도 매립형 비부착 프리스트레스트 실험체와 동일한 것으로 나타났다. 따라서, 파괴양상 측면에서 볼 때 정착시스템의 차이로 인한 보강성능의 차이는 없는 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

유영찬, 최기선, 박영환, 박종섭, 김긍환, '외부 부착형 프리스트레스트 탄소섬유판으로 보강된 RC보의휨 거동', 한국콘크리트학회봄학술발표논문집, 한국콘크리트학회, 2005. 5, pp. 255-258
유영찬, 최기선, 김긍환, '외부프리스트레스트 탄소섬유판에 의한 RC구조물 보강공법의 정착시스템 기본형상 결정시험', 대한건축학회 추계학술발표대회논문집, 대한건축학회, 제24권 2호, 2004. 10, pp. 143-146
유영찬, 최기선, 박영환, 박종섭, 김긍환, '외부 프리스트레스트 탄소섬유판 정착장치의 콘크리트에 대한 정착성능', 한국콘크리트학회봄학술발표논문집, 한국콘크리트학회, 2006. 5, pp. 226-229
유영찬, 최기선, 김긍환, '탄소섬유복합체로 보강된 RC부재의 보강재 강성에 따른 휨 보강성능' 한국콘크리트학회봄학술발표논문집, 한국콘크리트학회, 2006. 11, pp. 129-132
최기선, 유영찬, 박영환, 박종섭, 김긍환, '외부 프리스트레스트 탄소섬유판으로 보강된 실물모형 RC보의휨 거동', 한국구조물진단학회 봄학술발표논문집, 한국구조물진단학회, 2006. 5, pp. 303-308
최기선, 유영찬, 박영환, 박종섭, 김긍환, '탄소섬유판으로 보강된 RC보의 휨 거동' 한국콘크리트학회 봄학술발표논문집, 한국콘크리트학회, 2005. 5, pp. 287-290
한국건설기술연구원, '외부프리스트레스트 탄소섬유판에 의한 구조물 보강공법 개발', 건설교통부연구개발사업, E01-01, 2005, pp. 277-408
ACI 440. 2R-02 'Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures', ACI Committee 440
ACI 440. 4R-04 'Prestressing Concrete Structures with FRP Tendons', ACI Committee 440
Concrete Society Technical Report No. 55, 'Design guidance for Strengthening concrete structures using fibre composite materials', The Concrete Society
CSA Standard, 'Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers', S806-02, Canadial Standards Association
CEB-FIP, 'Externally bonded FRP reinforcement for RC structures', Trechnical report, bulletin 14, March 2001
El-Hacha, R., Wight, R. G. and Green, M. F., 2004, 'Prestressed Carbon Fiber Reinforced Polymer Sheets for Strengthening Concrete Beams at Room and Low Temperatures' J. Composite. for Construction, ASCE, V. 8, No. 1, pp. 3-13

상세보기
Seim, W., Horman, M., Karbhari, V. and Seible, F., 2001, 'External FRP post-streng thening of scaled concrete slabs' J. Compos. for Constr., ASCE, V.5, No. 2, pp. 67-75

상세보기
Zou, X. W., 'Flexural Behavior and Deformability of Fiber Reinforced Polymer Prestressed Concrete Beams' J. Compos. for Constr., ASCE, V. 7, No. 4, 2003, pp. 275-284

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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