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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 FRP 보강재를 사용함으로써 외부부착 보강공법의 성능향상을 극대화 할 수 있는 효율적인 보강에 초첨을 맞춰 표면 매립공법(Near Surface Mounted, 이하 NSM) 이 가장 효율적인 외부부착 보강공법이라는 점을 고려하였다. 그러나, 기존 NSM 보강공법에 대한 분석결과, 보강재의 형태에 따라서 FRP Rod의 경우는, 지름 9.
- 역사다리꼴 단면은 보강 후 휨 거동시 NSM 홈안에 충진된 충진재와 쐑기작용에 의해 부착력 및 보강효율의 향상을 도모하였다. 따라서 본 연구에서는 역사다리꼴 탄소섬유 plate를 기존 NSM 보강공법에 적용함으로써, Beam 이나 Bridge deck구조물의 성능향상 및 구조 거동을 분석하고자 한다. 이를 위해 NSM 보강 보 실험체를 제작하여 보강재 type별 균열양상, 균열 및 연성지수 등의 보강효율을 분석하였다.
- 이에 본 논문에서는 원형 및 직사각형 단면 형태가 개선된 역사다리꼴 보강재 단면형상을 제안하였다. 역사다리꼴 단면은 보강 후 휨 거동시 NSM 홈안에 충진된 충진재와 쐑기작용에 의해 부착력 및 보강효율의 향상을 도모하였다.
제안 방법
- NSM 보강공법의 해석적 성능평가를 위해 극한 평형이론을 도입하여 극한모멘트를 산정하여 실험값과 이론값을 비교 . 분석하였다.
- NSM 보강구조물의 효율적인 구조거동 분석을 위하여 각 보강실험체에 대해 에너지 개념에 의한 연성지수 및 균열저항계수를 분석하였다.
- 3m의 단순보 형식이며, 하중재하는 250kN 하중가력기를 사용하여 4점 휨 재하를 실시하였으며 이 때 1mm/min의 변위제어를 적용하였다. 무보강 시험체는 철근보강 시 저보강 거동을 하도록 설계하였으며, 전단철근의 경우, 전 지간에 걸쳐 100mm의 간격으로 배근하였다. 구조거동 계측의 경우, 하중에 따른 처짐량을 계측하기 위해 실험체 중앙 하부에 100mm 변위계(LVDT)를 설치하여 측정하였으며 가력기의 위치와 가력방향, 지지점과 가력점의위치와 방향은 Fig.
- 2는 NSM 보강제작과정을 나타낸다. 사진에서와 같이 홈 cutting 및 Chipping, 프라이머 도포, 보강재 삽입, 충진재 충진을 통하여 제작이 완료되며 보강 후 7일의 보강양생을 실시하였다. 또한 채움재의 재료는 시멘트계 모르타르 에폭시(C.
- 2에 나타나 있다. 실험변수는 총 6개 NSM 보강 실험체에 대해 2가지의 보강재형식(Type A, Type B)을 적용하였으며, Type A 및 Type # 탄소막대 보강재에 대해 각각 보강개수를 변수로 하여 1A, 2A, 3A 및 1B, 2B, 3B로 구분하여 보강비를 변수로 실험체를 제작하였다. 보강길이는 모든 실험체에 대 해전 경간 보강 (2.
- 따라서 본 연구에서는 역사다리꼴 탄소섬유 plate를 기존 NSM 보강공법에 적용함으로써, Beam 이나 Bridge deck구조물의 성능향상 및 구조 거동을 분석하고자 한다. 이를 위해 NSM 보강 보 실험체를 제작하여 보강재 type별 균열양상, 균열 및 연성지수 등의 보강효율을 분석하였다.
- 전체보강비의 경우, 탄소판의 보강비를 탄성 계수 비를 이용하여 철근으로 환산한 보강비를 적용하였으며 이를 철근보강비와의 합으로 산정하였다.
- 14는 NSM 적용보강 단면에 대한 극한평형이론을 나타내고 있으며 식(1)은 해석을 위한 각각의 전개이론을 나타낸다. 철근보강근과 NSM 보강근에 대한 휨이론을 전개한 후 중첩하는 방식을 적용하였다. Moon(2007)은 FRP 보강 재가 삽입된 단면증설된 콘크리트 보에 대한 휨모멘트 산 정식 제안하였으며, 식(1)에 제시되어 있다.
대상 데이터
- 사진에서와 같이 홈 cutting 및 Chipping, 프라이머 도포, 보강재 삽입, 충진재 충진을 통하여 제작이 완료되며 보강 후 7일의 보강양생을 실시하였다. 또한 채움재의 재료는 시멘트계 모르타르 에폭시(C.E-33)를 사용하였으며 본 제품의 경우, 고점성으로 인해 대상구조물의 하부에서 보강 시 블리딩 현상이 없는 고강도의 충진성이 확보되는 제품이다. Fig.
- 5 실험체의 파괴형상을 나타낸 그림이다. 본 실험체는 Type A형 보강재 1가닥으로 NSM 보강된 실험체로서 파괴에 임박함에 따라 보강재 계면에서의 균열이 진전되는 양상을 나타내었다. 최종파괴 시 보강된 보강면이 기 타설된 콘크리트 부분을 물고 떨어지는 파괴양상을 나타내었으며 최종파괴는 콘크리트 압괴 후 휨 파괴되었다.
- 본 연구에서 사용된 역사다리꼴 탄소섬유 보강재는 신기술에 등록된 재료로서, Fig. 1은 본 연구에서 사용된 역사다리꼴 탄소섬유 보강재의 재원 및 적용형식별 개요도를 나타내었다 본 보강재의 특징은 보강 시역사다리꼴 형상단면을 가짐으로써 휨 거동 시 모 재와 매트릭스 간의 소정의 쐐기작용을 통한 부착성능 향상을 도모하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 재료물성치를 나타낸 표이다.
- 3은 Control 및 보강 실험체의 개요를 나타내고 있다. 실험체는 총길이 2.0m, 순경간 2.3m의 단순보 형식이며, 하중재하는 250kN 하중가력기를 사용하여 4점 휨 재하를 실시하였으며 이 때 1mm/min의 변위제어를 적용하였다. 무보강 시험체는 철근보강 시 저보강 거동을 하도록 설계하였으며, 전단철근의 경우, 전 지간에 걸쳐 100mm의 간격으로 배근하였다.
- Table 1은 본 연구에서 사용된 재료물성치를 나타낸 표이다. 콘크리트는 40MPa의 설계 강도를 갖는 레미콘 제품을 사용하였으며, 기건상태에서 28일 양생 후 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 역사다리꼴 탄소막대 보강재를 사용하여 표면매립공법 (NSM) 실험결과, 약 28%〜100%의 극한 강도의 향상을 보였으며 충분한 성능향상을 보유한 것으로 분석되었다. 보강형식별로 분석해보면, Type B 보강형식이 Type A 보강형식보다 절반의 보강비 수준에도 불구하고 경제적이며 효율적인 보강성능 및 구조거동을 보이는 것으로 분석되었다.
- 2) 연성지수 및 균열저항지수에 대한 구조거동 분석 결과, 모든 실험체가 Control 실험체에 비해 낮은 성능지수를 보이는 것으로 나타났다. 이는 탄소섬유 막대 보강형식이 극한하중 측면에서는 우수하나 구조 거동 시 보유한 에너지측면에서는 개선시킬점으로 분석되었다.
- 최종파괴 시 보강된 보강면이 기 타설된 콘크리트 부분을 물고 떨어지는 파괴양상을 나타내었으며 최종파괴는 콘크리트 압괴 후 휨 파괴되었다. 2A2.5 실험체의 경우, 1A2.5 실험체와 유사한 파괴양상을 나타내었으나 1A2.5 실험체에 비해 최종파괴 시 보강 면에서 콘크리트를 물고 떨어지는 파괴가 빈번하게 발생된 것으로 나타났다 따라서 극한하중에 도달할 때 보강 면에서의 박리파괴가 지배적으로 발생하였으나 보강매트릭스 및 보강재의 손상은 없었으며 최종파괴는 휨 . 압축파괴 되었다.
- 3) 본 연구는 NSM 보강 시 전경간 보강에 대한 연구로서 충분한 보강성능이 확보됨을 검증하였다. 하지만 본 NSM 보강공법의 효율적이며 최적의 보강성능을 확보하기 위해 보강간격, 보강재, 보강길이 등의 추가적인 실험적 .
- 5 실험체의 비해 보강에 따른 균열진전의 효과적인 응력분배가 이루어진 것으로 판단된다. 3B2.5 실험체의 경우, 효율적인 균열응력 분배작용을 바탕으로 2B2.5 실험체와 유사한 경향을 나타내었으나 극한하중 도달 시 보강면 주위의 콘크리트가 떨어져 나가는 박리파괴를 나타내었으며 이 때 보강재 탈락과 같은 파괴는 발생하지 않았다 전반적인 거동은 극한 처짐에도 달할 때 까지 다소 연성적인 거동을 보이는 것으로 나타났으며 콘크리트 압괴 후 최종 휨파괴되는 양상을 나타내었다.
- NSM 보강실험체의 휨 실험결과는 전체적으로 Control 실험체보다 다소 큰 극한강도의 향상 효과를 나타내었다. 특히 보강재 개수의 증가로 인한 극한 강도의 향상을 명확히 확인할 수 있었으나 Fig.
- Table 4는 본 구조실험 결과를 요약한 표이다. Type A와 Type B 보강재적용 시 실험체는 보강비의 증가에 따른 극한하중 또한 증가하는 것을 확인 할 수 있다.그러나 Type B 보강재적용 실험체의 경우, Type A 보강재에 비해 거의 절반에 가까운 보강비를 보유하고 있으나 Type A 보강재 형식에 비해 약 14〜24%의 극한하중 차이만을 나타내고있으며, 극한변위 즉면에서는 오히려 Type A 보강 실험체에 비해 다소 우수한 구조거동을 발휘하는 것을 확인할 수 있다.
- Type A와 Type B 보강재적용 시 실험체는 보강비의 증가에 따른 극한하중 또한 증가하는 것을 확인 할 수 있다.그러나 Type B 보강재적용 실험체의 경우, Type A 보강재에 비해 거의 절반에 가까운 보강비를 보유하고 있으나 Type A 보강재 형식에 비해 약 14〜24%의 극한하중 차이만을 나타내고있으며, 극한변위 즉면에서는 오히려 Type A 보강 실험체에 비해 다소 우수한 구조거동을 발휘하는 것을 확인할 수 있다.
- 보강공법이라는 점을 고려하였다. 그러나, 기존 NSM 보강공법에 대한 분석결과, 보강재의 형태에 따라서 FRP Rod의 경우는, 지름 9.5 mm를 사용하여 휨실험을 수행하였을 때 무보강 실험체 대비 약 1.2~1.6배의 성능향상을 보였으며, # FRP Strip 를적용한 경우는 약 1.5~2.0배의 보강효율을 나타내었다. (2)
- 또한 모든 보강실험체의 경우, Control 실험체에 비해 약 28〜100 %의 성능향상 효과를 보이는 것으로 나타났으며 극한처짐거동 또한 우수한 것으로 평가되었다.
- 것으로 분석되었다. 보강형식별로 분석해보면, Type B 보강형식이 Type A 보강형식보다 절반의 보강비 수준에도 불구하고 경제적이며 효율적인 보강성능 및 구조거동을 보이는 것으로 분석되었다.
- 이는 보강비 변화에 따른 NSM 보강형식의 보강효율이 보강성능 향상측면에서 Type B 보강형식이 TypeA 보강형식에 비해 경제적이며 우수한 성능을 발휘할 수 있는 것으로 분석되었다.
- 본 실험체는 Type A형 보강재 1가닥으로 NSM 보강된 실험체로서 파괴에 임박함에 따라 보강재 계면에서의 균열이 진전되는 양상을 나타내었다. 최종파괴 시 보강된 보강면이 기 타설된 콘크리트 부분을 물고 떨어지는 파괴양상을 나타내었으며 최종파괴는 콘크리트 압괴 후 휨 파괴되었다. 2A2.
- 표에서 나타나듯이 모든 실험체가 Control 실험체에 비해 연성 및 균열저항지수가 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 특히 연성지수의 경우, 보강비가 증가할수록 과보강에 의해 연성지수가 저하되는 결과를 보였으며, 균열저항지수의 경우도 하중-변위 곡선에서 균열방출에너지의 저하로 인하여 모든 보강실험체가 Control 실험체에 비해 다소 낮은 균열 저항지수 값을 나타내었다. 따라서 연성과 균열저항지수를 동시에 확보할 수 있는 효율적인 NSM 보강기법의 적용이 필요하며 이를 위해 적정 보강길이, 보강비, 보강간격, 보강시공법 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 7kN에서 발생하였으며 전반적인 균열양상은 실험체 중앙부에 집중된 전형적인 휨 균열 양상을 나타내었다. 파괴 시 인장철근의 항복 후 압축부 콘크리트의 압괴가 다소 발생하였으나 최종파괴는 휨 파괴로 나타났다
- 표에서 나타나듯이 모든 실험체가 Control 실험체에 비해 연성 및 균열저항지수가 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 특히 연성지수의 경우, 보강비가 증가할수록 과보강에 의해 연성지수가 저하되는 결과를 보였으며, 균열저항지수의 경우도 하중-변위 곡선에서 균열방출에너지의 저하로 인하여 모든 보강실험체가 Control 실험체에 비해 다소 낮은 균열 저항지수 값을 나타내었다.
후속연구
- Type B 보강재의 경우도 마찬가지로 실험값과 이론값이 유사한 경향을 타내었다. 극한평형이론에 대한 모멘트 평가결과, 전반적으로는 유사한 결과값을 보였으나 이는 전 경간 보강에 따른 보강효과로 판단되며 최적의 NSM 보강길이에 대한 추가적인 실험적 연구를 통해 보강 간격의 산정, 보강계면의 조기탈락에 따른 부착메커니즘 규명 등에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 특히 연성지수의 경우, 보강비가 증가할수록 과보강에 의해 연성지수가 저하되는 결과를 보였으며, 균열저항지수의 경우도 하중-변위 곡선에서 균열방출에너지의 저하로 인하여 모든 보강실험체가 Control 실험체에 비해 다소 낮은 균열 저항지수 값을 나타내었다. 따라서 연성과 균열저항지수를 동시에 확보할 수 있는 효율적인 NSM 보강기법의 적용이 필요하며 이를 위해 적정 보강길이, 보강비, 보강간격, 보강시공법 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이는 탄소섬유 막대 보강형식이 극한하중 측면에서는 우수하나 구조 거동 시 보유한 에너지측면에서는 개선시킬점으로 분석되었다. 따라서 추가적인 NSM 보강변수 연구를 통해 연성 및 균열지수를 합리적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
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