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문제 정의
- 유연성이 좋은 얇은 두께의 복합플레이트는 탄소섬유와 강판이 접착된 CSP(Carbon fiber-Steel composite Plate) 와 유리섬유와 강판이 접착된 GSP(Glass fiber-Steel composite Plate)로 구분된다. 본 논문에서는 섬유-강판 복합플레이트로 보강된 보강보의휨성능을 고찰하기 위하여, 7종류의 CSP와 4종류의 GSP로 보강된 11개의 복합플레이트 보강 보와, 복합플레이트를 보강하지 않은 1개의 기준 철근콘크리트 보에 대한 체계적인 실험을 실시하였다. 복합플레이트 보강 보 실험에서 측정된 하중」 처짐 선도, 항복 하중, 최대하중, 연성지수, 복합플레이트파단변형률 등을 분석하여 보강 보의 휨 성능을 규명하였다.
- 본 논문은 철근콘크리트 보에 대한 섬유 강판 복합플레이트의 보강 효과를 실험으로 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 복합플레이트의 인장변형률을 측정하기 위하여 복합플레이트 하부에 보의 중앙에서 좌우로 150mm 떨어진 지점에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다. 또한 실험보의 콘크리트 압축변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 압축 상단에 2개의 변형률 게이지를 복합플레이트 게이지 부착 위치와 동일한 곳에 부착하였다. 측정된 변형률은 보강 보 실험의 분석에 사용되며, 특히 보강재 파단변형률을 산정하는 데 사용하였다.
- 또한, 보강 보 실험의 타당성을 입증하기 위하여 휨 실험 결과와 이론적인 해석 결과를 비교하였다.
- 2GPa로 측정되었다. 보강재 종류에 대한 보강보의 휨 성능을 고찰하기 위하여 폭 100mm인 CSP와 GSP를 철근콘크리트 보의 하부에 길이 2, 400mm로 보강하였다. 또한 보강재양에 대한 보강 보의 휨 성능을 고찰하기 위하여 두께가 0.
- 복합 플레이트 보강 보의 휨 해석에서는 보 하단에 부착된 보강재가 콘크리트의 인장응력을 구속하는 것으로 고려하였으며, 보 하부 콘크리트 평균 인장응력(九)의 성능을 휨 인장강도 CU의 0%, 10%, 20%로 간주하여 보강 보의 휨 거동을 해석하였다. ft =0.
- 복합 플레이트의 인장 성능을 측정하기 위하여 인장 시험을 실시하였다. 복합플레이트 시편 형태 및 크기(그림 2)는 ASTM D-638을 고려하여 제작하였다.
- 본 논문에서는 섬유-강판 복합플레이트로 보강된 보강보의휨성능을 고찰하기 위하여, 7종류의 CSP와 4종류의 GSP로 보강된 11개의 복합플레이트 보강 보와, 복합플레이트를 보강하지 않은 1개의 기준 철근콘크리트 보에 대한 체계적인 실험을 실시하였다. 복합플레이트 보강 보 실험에서 측정된 하중」 처짐 선도, 항복 하중, 최대하중, 연성지수, 복합플레이트파단변형률 등을 분석하여 보강 보의 휨 성능을 규명하였다.
- 복합플레이트 보강 보들 중 대표적으로 CSP 08120, GSP 08400에 대해 휨 해석과 휨 실험에서 구해진 하备처짐 선도들을 각각 그림 12와 그림 13에서 비교하였다. 이론적 해석에 의한 하舂처짐 선도들에도 네 구간(균열 이전구간, 강판 항복이 전구 간, 철근항복이전구간, 항복 이후 구간)이 아닌 세 개의 구간(균열 이전구간, 항복 이전구간, 항복이후구간) 만이나타났다.
- 따라서 복합플레이트로 보강된 철근콘크리트 구조물의 연성거동을 규명하는 것은 아주 중요한 작업이다. 복합플레이트 보강보실험에서 측정된 하务처짐 선도에 의한 연성지수를 이용하여 보강 보의 연성거동을 고찰하였다.
- 작용 하중은 엑츄에이터에 부착된 하중계에 의해 측정되었으며, 작용 하중에 대한 실험보의 처짐은 보의 중앙 하부에 설치된 변위계(LVDT)를 이용하여 측정하였다. 복합플레이트의 인장변형률을 측정하기 위하여 복합플레이트 하부에 보의 중앙에서 좌우로 150mm 떨어진 지점에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다. 또한 실험보의 콘크리트 압축변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 압축 상단에 2개의 변형률 게이지를 복합플레이트 게이지 부착 위치와 동일한 곳에 부착하였다.
- 본 연구에서는 보강 보의 연성을 향상시킬 수 있는 콘크리트 구조물 보강재로, 강판과 섬유 시트의 단점을 보완한 섬유-강판 복합플레이트(이하 복합플레이트)를 적용하였다. 복합플레이트 부착공법은 구조물 보강용 섬유와 얇은 전기아연도금 강판을 일체화한 복합플레이트를 콘크리트 구조물에 접착시켜 필요한 내하력을 확보하는 새로운 보강공법이다.
- 0mm/분으로 지속적으로 제어하여 시편이 파 단에도 달할 때까지 하중을 가하였으며, 유압식 그립을 사용하여 인장 하중을 작용시켰다. 시편의 길이 방향 변형률 측정을 위하여 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였으며, 측정된 변형률은 응력-변형률 선도 및 탄성계수의 산정에 사용하였다. 탄소섬유가 40g/m 함유된 C-08040, 탄소섬유가 80g/m 함유된 C-08080, 탄소섬유가 120g/m 함유된 C-08120 등 3 종류의 탄소섬知강판 복합플레이트와, 유리섬유가 200g/m 함유된 G-08200 1종류의 유리섬유 一 강판 복합플레이트에 대한 인장시편을 제작하였다.
- 의 거동 상태에 따라 네 구간으로 나누어 보강단면의 휨 성능을 해석하였다. 힘의 평형 조건과 변형률 적합조건을 만족시킨 각 구간의 중립축 거리 C와 보강 단면의 휨모멘트 산정을 위한 관계식들을 표 5에 기술하였고, 각각의 콘크리트 압축변형률 단계에서 보강 보의 휨모멘트를 산정하는 과정을 그림 11에 도시하였다.
- 보강 보의 설치 및 가력 상황을 그림 5에 나타내었다. 작용 하중은 엑츄에이터에 부착된 하중계에 의해 측정되었으며, 작용 하중에 대한 실험보의 처짐은 보의 중앙 하부에 설치된 변위계(LVDT)를 이용하여 측정하였다. 복합플레이트의 인장변형률을 측정하기 위하여 복합플레이트 하부에 보의 중앙에서 좌우로 150mm 떨어진 지점에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다.
- 00794)을 사용하였으며, 압축 측에 D10 철근을 사용하여 전단 철근의 설치를 용이하게 하였다. 철근 콘크리트 보의 전단파괴를 방지하기 위하여 스터럽 (D10) 을 100mm 간격으로 보의 전체 구간에 배근하였다. 보강보 실험을 실시하는 날에 콘크리트 압축강도를 측정하였으며, 압축강도는 양생 기간에 큰 관계없이 약 30.
- 이들 조건을 적용한 응력 분포도를 그림 10에 나타내었다. 철근과 강판의 응력-변형률 관계는 변형률 경화를 무시하였으며, 섬유의 응력-변형률 관계는 파괴에 도달할 때까지 탄성적인 응력-변형률 선도를 적용하였다. 보강 단면 구성 재료들
- 또한 실험보의 콘크리트 압축변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 압축 상단에 2개의 변형률 게이지를 복합플레이트 게이지 부착 위치와 동일한 곳에 부착하였다. 측정된 변형률은 보강 보 실험의 분석에 사용되며, 특히 보강재 파단변형률을 산정하는 데 사용하였다.
- 0m당 유리섬유가 100 〜400g 함유된 GSP를 사용하였다. 콘크리트 표면에 에폭시접착제 도포 후 복합플레이트를 부착시켰고 정착용 앵커를 350mm 간격으로 설치하였다. 복합플레이트 보강보의 단면, 철근 배근도, 보강재 부착 위치, 앵커 설치 위치를 그림 4에 도시하였다.
대상 데이터
- 500kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 네 점 휨 실험을 실시하였다. 단순지지 경계조건을 만족하도록실험 보의의 양쪽 단부에서 각각 100mm 떨어진 곳에 강제 롤러를 설치하여 실험 보를 지지하였다.
- 강판 외부에 있는 섬유는 강판의 부식을 방지하고, 모체인 콘크리트와 복합플레이트의 부착성능을 향상시킨다. 강판과 섬유의 접착력을 최대화하기 위하여 전기아연도금 강판을 사용하였으며, 강판에 5x10mm 의 타원형 구멍을 다수 천공하여 두 재료의 접착이 더 잘되도록 하였다. 또한 강판은 강제앵커 사용을 가능하게 하여 복합플레이트와 콘크리트 면의 부착성 능을 향상시켰으며, 보강구조물의 높은 강도와 연성의 확보를 가능하게 하였다.
- 보강재 종류에 대한 보강보의 휨 성능을 고찰하기 위하여 폭 100mm인 CSP와 GSP를 철근콘크리트 보의 하부에 길이 2, 400mm로 보강하였다. 또한 보강재양에 대한 보강 보의 휨 성능을 고찰하기 위하여 두께가 0.8mm 인 강판에 보강재 1.0m당 탄소섬유가 20〜 140g 함유된 CSP와, 두께가 0.8mm인 강판에 보강재 1.0m당 유리섬유가 100 〜400g 함유된 GSP를 사용하였다. 콘크리트 표면에 에폭시접착제 도포 후 복합플레이트를 부착시켰고 정착용 앵커를 350mm 간격으로 설치하였다.
- 복합플레이트 보강 보 실험에 사용된 철근콘크리트 보는 길이 2, 700mm, 폭 200mm, 높이 300mm, 유효높이 250mm로 제작되었다. 인장 철근으로 D16 2본(久 =0.
- 인장 철근으로 D16 2본(久 =0.00794)을 사용하였으며, 압축 측에 D10 철근을 사용하여 전단 철근의 설치를 용이하게 하였다. 철근 콘크리트 보의 전단파괴를 방지하기 위하여 스터럽 (D10) 을 100mm 간격으로 보의 전체 구간에 배근하였다.
- 탄소섬유가 40g/m 함유된 C-08040, 탄소섬유가 80g/m 함유된 C-08080, 탄소섬유가 120g/m 함유된 C-08120 등 3 종류의 탄소섬知강판 복합플레이트와, 유리섬유가 200g/m 함유된 G-08200 1종류의 유리섬유 一 강판 복합플레이트에 대한 인장시편을 제작하였다. 인장시험 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 종류당 3개씩 합계 12개의 인장 시편을 제작하였다. 복합플레이트의 인장시험에서 측정된 응력-변형률 선도를 그림 3 에 도시하였다.
- 시편의 길이 방향 변형률 측정을 위하여 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였으며, 측정된 변형률은 응력-변형률 선도 및 탄성계수의 산정에 사용하였다. 탄소섬유가 40g/m 함유된 C-08040, 탄소섬유가 80g/m 함유된 C-08080, 탄소섬유가 120g/m 함유된 C-08120 등 3 종류의 탄소섬知강판 복합플레이트와, 유리섬유가 200g/m 함유된 G-08200 1종류의 유리섬유 一 강판 복합플레이트에 대한 인장시편을 제작하였다. 인장시험 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 종류당 3개씩 합계 12개의 인장 시편을 제작하였다.
- 두 가력 점 사이 500mm 구간은 순수 휨을 받게 된다. 하중을 균등하게 분포시키기 위하여 강제 가력 장치와 콘크리트면 사이에 고무판(길이 300mm, 폭 50mm, 두께 20mm)을 삽입하였다. 하중은 변위 제어방식으로 2.
데이터처리
- 了t=0.Lfr로 간주하여 휨 해석한 복합플레이트 보강 보의 최대하중과 실험에서 측정한 최대하중을 표 6에 비교하였다. 표 6에 나타낸 복합플레이트 변형률은 보강 보 실험에서 측정된 최대하중에 대응하는 변형률이며, 이를 기준으로 보강보휨해석에 의한 최대하중을 산정하였다.
이론/모형
- 보강 보의 휨 해석에 적용된 콘크리트 압축응력-변형률 관계는 Shah 등(1983)의 제 안식, 콘크리트 인장응력-변형률 관계는 Gopalaratnam 등(1985)의 제 안식을 사용하였다. 이들 조건을 적용한 응력 분포도를 그림 10에 나타내었다.
- 복합플레이트 시편 형태 및 크기(그림 2)는 ASTM D-638을 고려하여 제작하였다. 인장시험은 ASTM D-638 의 규정을 준수하여 100 kN용량의 재료시험기를 이용하여 변위 제어로 실시하였다.
- 복합플레이트 시편 형태 및 크기(그림 2)는 ASTM D-638을 고려하여 제작하였다. 인장시험은 ASTM D-638 의 규정을 준수하여 100 kN용량의 재료시험기를 이용하여 변위 제어로 실시하였다. 하중 속도는 재료시험기에 부착된 변위계를 1.
성능/효과
- 1. CSP 보강 보와 GSP 보강 보의 항복 하중은 기준보 대비 각각 최대 70%와 53% 크게 나타났으며, CSP 보강 보와 GSP 보강 보의 항복 이전구간의 휨강성은 기준보대비 최대 42%와 47%의 증진 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 2. CSP 보강 보와 GSP 보강 보의 최대하중은 기준보 대비 각각 최대 115%와 107% 크게 나타났으며, CSP 보강 보와 GSP 보강 보의 항복 이후 구간의 휨강성은 기준 보 대비 최대 680%와 380%의 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. 섬유 강판 복합플레이트에 의한 보강 효과가 가장 탁월하게 구현된 구간은 항복 이후 구간으로 나타났다.
- 3. CSP 보강 보의 연성지수는 3.01 〜4.36으로 나타났으며, GSP 보강 보의 연성지수는 3.62〜5.22로 나타났다. 복합플레이트 보강 보의 연성능력은 철근콘크리트 보의 연성능력보다 낮은 것으로 나타났으나 보강보의 연성지수가 3.
- 4.복합플레이트 보강 단면의 휨해석 및 보강보 실험을 통해 흐]중처짐선도, 하중, 휨강성 등을 비교한 결과 대체로 일치하는 것으로 나타나 제안된 보강단면 휨 해석의 타당성을 입증하였다. 보강단면 휨해석에 사용된 콘크리트 인장 성능은 보강단면의 하부 콘크리트 평균 인장 응력을 휨 인장강도의 10%로 고려하였다.
- CSP 보강 보의 최대하중 시 처짐은 보강재 양과는 무관하게 25.22〜38.26mm로 측정되었으며, 연성지수는 3.01 〜 4.36으로 나타났다. 그러나 GSP 보강 보의 경우 유리섬유 보강재 양이 증가할수록 최대하중 시 처짐은 증가하였고, 연성지수는 3.
- 하였다. CSP로 보강된 실험체의 최대하중은 기준 보 대비 최대 115%의 최대하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며 , 휨강성은 최대 680%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. GSP로 보강된 실험체의 최대하중은 기준 보 대비 최대 107%의 최대하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 380%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다.
- CSP로 보강된 실험체의 최대하중은 기준 보 대비 최대 115%의 최대하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며 , 휨강성은 최대 680%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. GSP로 보강된 실험체의 최대하중은 기준 보 대비 최대 107%의 최대하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 380%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 보강재의 보강 효과는 항복 이후 구간에서 가장 크게 나타남을 알 수 있다.
- 본 연구에 사용된 CSP로 보강한 실험체의 항복 하중은 기준보 대비 최대 70%의 항복 하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 42%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. GSP로 보강한 실험체의 항복 하중은 기준보 대비 최대 53%의 항복 하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 47%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, CSP와 GSP 보강 보의 항복하중과 항복 이전구간의 휨강성은 보강재 양에 비례하여 증가하는 것으로 측정되었다.
- 0%, 10%, 20%로 간주하여 보강 보의 휨 거동을 해석하였다. ft =0.1 九로 휨 해석한 보강보의 하务■처짐 선도가 실험에서 측정된 최대하중에 도달할 때까지의 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 儿 =0.0fr의 경우는 실험에 의해 측정된 휨 성능이 다소 낮게, ft =0.2九의 경우는 실험에 의해 측정된 휨 성능이 다소 높게 평가됨을 알 수 있다. 따라서 복합플레이트로 보강한 철근콘크리트 보의 휨 해석은 보 하부의 콘크리트 평균 인장 성능을 콘크리트 휨인 장강 도의 10%로 고려하는 것이 타당한 것으로 판단할 수 있다.
- 22로 나타나 GSP 보강 보의 연성은 보강재 양에 비례하눈 경향이 있음을 알 수 있다. 결론적으로 복합플레 이 트 보강 보의 연성 능력은 철근콘크리트 보의 연성 능력보다 낮은 것으로 나타났으나 보강 보의 연성지수가 3.0 이상으로 측정되어 복합플레이트 보강 보의 연성능력은 우수한 것으로 판단할 수 있다.
- 36으로 나타났다. 그러나 GSP 보강 보의 경우 유리섬유 보강재 양이 증가할수록 최대하중 시 처짐은 증가하였고, 연성지수는 3.62〜5.22로 나타나 GSP 보강 보의 연성은 보강재 양에 비례하눈 경향이 있음을 알 수 있다. 결론적으로 복합플레 이 트 보강 보의 연성 능력은 철근콘크리트 보의 연성 능력보다 낮은 것으로 나타났으나 보강 보의 연성지수가 3.
- 비탄성 변형, 지점에서 실험보의 미끄러짐 등으로 인하여 다소 부정확하여, 휨 강성의 크기에 영향을 미친 것으로 판단된다(Gopalaratnam 등, 1991). 따라서 균열 이전구간에서 복합플레이트 보강재에 의한 보강보의 휨 성능 향상은 무시할 수 있을 만큼 미소한 것으로 결론지을 수 있다.
- 2九의 경우는 실험에 의해 측정된 휨 성능이 다소 높게 평가됨을 알 수 있다. 따라서 복합플레이트로 보강한 철근콘크리트 보의 휨 해석은 보 하부의 콘크리트 평균 인장 성능을 콘크리트 휨인 장강 도의 10%로 고려하는 것이 타당한 것으로 판단할 수 있다. 了t=0.
- 강판과 섬유의 접착력을 최대화하기 위하여 전기아연도금 강판을 사용하였으며, 강판에 5x10mm 의 타원형 구멍을 다수 천공하여 두 재료의 접착이 더 잘되도록 하였다. 또한 강판은 강제앵커 사용을 가능하게 하여 복합플레이트와 콘크리트 면의 부착성 능을 향상시켰으며, 보강구조물의 높은 강도와 연성의 확보를 가능하게 하였다. 복합플레이트 단면구성을 그림 1에 도시하였다.
- GSP로 보강한 실험체의 항복 하중은 기준보 대비 최대 53%의 항복 하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 47%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, CSP와 GSP 보강 보의 항복하중과 항복 이전구간의 휨강성은 보강재 양에 비례하여 증가하는 것으로 측정되었다.
- 0mm로 측정되었다. 보의 최대하중에 도달할 때까지 균열과 균열 사이에 새로운 균열은 대체로 발생하지 않았으며, 균열폭은 증가하여 약 4.0mm정도로 측정되었다(그림 8) . 복합플레이트 보강 보의 경우, 최초에 발생한 균열분포는 기준 보의 균열분포상태와 비슷한 것으로 측정되었다.
- 파괴계수에 도달할 때의 하중이다. 복합플레이트 보강 보 실험에서 측정된 보강 보의 균열 하중은 기준보의 균열 하중보다 최대 67% 높은 것으로 측정되어, 콘크리트 최하단에 부착된 보강재는 콘크리트의 응력이 인장강도에 도달하는 것을 지연시키는 경향이 있는 것으로 나타났다. 그러나 보강재양이 증가할수록 보강 보의 휨강성은 향상되어야 함에도 불구하고 몇몇을 제외하고는 실험에서는 거의 일정하게 측정되었다.
- 22로 나타났다. 복합플레이트 보강 보의 연성능력은 철근콘크리트 보의 연성능력보다 낮은 것으로 나타났으나 보강보의 연성지수가 3.0 이상으로 측정되어 복합플레이트 보강 보의 연성능력은 우수한 것으로 나타났다.
- 항복하중에 도달하였을 때의 하중과 일치한다. 본 연구에 사용된 CSP로 보강한 실험체의 항복 하중은 기준보 대비 최대 70%의 항복 하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 42%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. GSP로 보강한 실험체의 항복 하중은 기준보 대비 최대 53%의 항복 하중 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강성은 최대 47%의 휨 강성 증진 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 본연구에 적용된 기준 보에 발생한 균열과 균열 사이의 간격은 약 150〜200mm로 측정되었으며, 항복점 도달시 균열폭은 약 1.0mm로 측정되었다. 보의 최대하중에 도달할 때까지 균열과 균열 사이에 새로운 균열은 대체로 발생하지 않았으며, 균열폭은 증가하여 약 4.
- 표 6에 나타낸 복합플레이트 변형률은 보강 보 실험에서 측정된 최대하중에 대응하는 변형률이며, 이를 기준으로 보강보휨해석에 의한 최대하중을 산정하였다. 표의 실험/해석 비를 살펴보면 복합플레이트 보강 보 최대하중에 대한 실험결과와보강보 휨해석은 잘 일치함을 알 수 있으며, 본 연구에서의 이론적 보강보 휨 해석은 타당한 것으로 판단된다.
- 따라서 보강재의 보강 효과는 항복 이후 구간에서 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 항복 이전구간과 마찬가지로 CSP와 GSP 보강보의 최대하중과 항복 이후 구간의 휨강성도 보강재양에 비례하여 증가하는 것으로 측정되었다.
- 하중이 증가함에 따라 균열 폭의 증가와 함께 균열과 균열 사이에 평균적으로 하나의 새로운 균열이 발생하였다. 항복점 도달 시 보강보의 균열폭은 약 0.4mm로 측정되었으며, 최대하중도 달시 균열 폭은 약 1.0mm에 이르는 것으로 측정되어 보강 보의 균열폭은 기준보보다 적은 것으로 측정되었다(그림 9) . 보강 보의 하부에 부착된 복합플레이트는 콘크리트 균열폭을 억제할 수 있는 것으로 나타났으며, 사용성 측면에서 볼 때 중요한 관점으로 인식될 수 있다.
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