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문제 정의
- 또한 전단철근 배근양에 따른 탄소섬유판의 보강 효과를 구명하기 위하여, 스터럽이 전혀 배근되지 않은 부재 및 스터럽이 150 mm 간격 및 300 mm 간격으로 배근된 부재를 제작 하였다. 그리고 탄소섬유판 보강 형태에 따른 효과를 구명하기 위하여, 전단보강 방식으로 널리 쓰이고 있는 U자 형태 (전단철근 형태와 동일하게 탄소섬유판을 바닥까지 연결하는 형태)와 부재의 측면부만 보강하는 I자 형태로 탄소섬유판을 보강하여 실험을 수행하였으며, 경제성 및 시공성을 만족하는 보강 효율이 좋은 전단보강 방식을 구명하고자 하였다. Fig.
- 본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단거동 특성 및 파괴 양상을 구명함에 그 목적이 있다. 이를 위하여 다양한 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되어졌으며, 탄소섬유판 보강 면적 및 보강 간격에 따른 전단보강 효과를 구명하였다.
- 따라서 탄소섬유판은 노후화된 기존 부재의 전단강성을 증진시키기 위한 적합한 보강재로 판단된다. 본 연구에서는 전술한 바와 같이, 최적의 탄소섬유판 보강 형태를 구명하기 위하여, 대표적인 전단보강 방식으로 널리 쓰이고 있는 U자 형태 및 I자 형태로 탄소섬유판을 보강하여 실험을 수행하였다. 본 실험 결과, 극한 전단강도는 탄소섬유판 전단보강 형태 (U 및 I형태)에 크게 의존되지 않은 것으로 나타났으며, 따라서 탄소섬유판을 측면부에 I자 형태로 붙여 보강하는 것이 경제성 및 시공성에 유리한 것으로 사료된다.
- 요약 본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단거동 특성 및 파괴형상을 구명함에 그 목적이 있다. 이를 위하여 탄소섬유판의 형상, 섬유판 부착 간격 및 전단보강 철근량 등의 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되었다.
- 본 실험에서는 보의 전단 파괴를 유도하기 위하여, 인장철근비를 균형철근비 보다 크게 배근하였으며, 사용된 인장철근은 2D16 (SD400)이다. 전단철근은 D13을 150 mm 및 300 mm 간격으로 배근하여 전단철근 보강 상태에 따른 탄소섬유판의 전단기여 정도를 파악하고자 하였다. Fig.
제안 방법
- 4) 본 연구에서는 탄소섬유판에 발생하는 변형률을 기본으로 하여 유효응력을 도출하였으며, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단강도를 계산하였다.
- 또한 전단철근 배근양에 따른 탄소섬유판의 보강 효과를 구명하기 위하여, 스터럽이 전혀 배근되지 않은 부재 및 스터럽이 150 mm 간격 및 300 mm 간격으로 배근된 부재를 제작 하였다. 그리고 탄소섬유판 보강 형태에 따른 효과를 구명하기 위하여, 전단보강 방식으로 널리 쓰이고 있는 U자 형태 (전단철근 형태와 동일하게 탄소섬유판을 바닥까지 연결하는 형태)와 부재의 측면부만 보강하는 I자 형태로 탄소섬유판을 보강하여 실험을 수행하였으며, 경제성 및 시공성을 만족하는 보강 효율이 좋은 전단보강 방식을 구명하고자 하였다.
- 이를 위하여 다양한 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되어졌으며, 탄소섬유판 보강 면적 및 보강 간격에 따른 전단보강 효과를 구명하였다. 또한 전단철근의 배근에 따른 탄소섬유판의 전단에 대한 기여 효과를 분석하기 위하여 전단철근 및 탄소섬유판의 동일 위치에 발생되는 변형률을 고찰 분석 하였으며, 전단파괴 시 탄소섬유판에 발생되는 응력을 기초로 한 전단강도를 계산하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유판 철근콘크리트 부재에 대한 실험을 실시하여, 보의 극한상태에서의 탄소섬유판 변형률을 도출하였으며, 그 결과는 전술한 바와 같이 Table 4와 같다. 본 연구에서는 실험에서 도출된 탄소섬유판 유효응력을 기본으로 하여 극한 전단강도를 도출하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다.
- 본 연구에서는 탄소섬유판 철근콘크리트 부재에 대한 실험을 실시하여, 보의 극한상태에서의 탄소섬유판 변형률을 도출하였으며, 그 결과는 전술한 바와 같이 Table 4와 같다. 본 연구에서는 실험에서 도출된 탄소섬유판 유효응력을 기본으로 하여 극한 전단강도를 도출하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다.
- 4) 본 연구에서는 탄소섬유판에 발생하는 변형률을 기본으로 하여 유효응력을 도출하였으며, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단강도를 계산하였다.
- 본 전단 실험에서는 500 kN 용량의 유압 액츄에이터(hydraulic actuator)를 사용하여 4점 재하방식으로 하중을 단계적으로 제하하였으며 (Fig. 3), 각 실험 부재에는 변 위계 (LVDT), 콘크리트 스트레인게이지, 철근 스트레인 게이지, 탄소섬유판 스트레인게이지 및 다이얼게이지를 부착하여 변형률 및 변위 등을 분석하였다. 위 측정값은 데이터저장소프트웨어(data asquisition software)를 통해 처리 분석되었다.
- 본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단거동 특성 및 파괴 양상을 구명함에 그 목적이 있다. 이를 위하여 다양한 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되어졌으며, 탄소섬유판 보강 면적 및 보강 간격에 따른 전단보강 효과를 구명하였다. 또한 전단철근의 배근에 따른 탄소섬유판의 전단에 대한 기여 효과를 분석하기 위하여 전단철근 및 탄소섬유판의 동일 위치에 발생되는 변형률을 고찰 분석 하였으며, 전단파괴 시 탄소섬유판에 발생되는 응력을 기초로 한 전단강도를 계산하였다.
- 본 실험에서 사용된 콘크리트는 28일 압축강도가 40 MPa이 발현될 수 있도록 배합설계 되었으며, 길이 3,000 mm, 폭 200 mm, 높이 350 mm의 직사각형 보 7개를 제작하여 실험을 수행하였다. 주 실험변수는 보강 탄소섬유판의 설치 간격, 탄소섬유판 면적 및 전단철근의 배근량 등을 채택 하였다. Table 1은 본 실험에서 채택한 실험 시편의 종류와 실험 변수를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 콘크리트는 28일 압축강도가 40 MPa이 발현될 수 있도록 배합설계 되었으며, 길이 3,000 mm, 폭 200 mm, 높이 350 mm의 직사각형 보 7개를 제작하여 실험을 수행하였다. 주 실험변수는 보강 탄소섬유판의 설치 간격, 탄소섬유판 면적 및 전단철근의 배근량 등을 채택 하였다.
- 본 실험에서 사용된 탄소섬유판은 유럽 등지에서 널리 사용되고 있는 두께 1.2 mm 폭 50 mm의 SIKA CarborDur S strip이며, 위 탄소섬유판을 전단구간에 수직으로 부착하여 부재의 전단 효과를 분석하였다. 탄소섬유판의 재료물성 및 인장강도는 Table 2와 같다.
- 본 실험에서는 보의 전단 파괴를 유도하기 위하여, 인장철근비를 균형철근비 보다 크게 배근하였으며, 사용된 인장철근은 2D16 (SD400)이다. 전단철근은 D13을 150 mm 및 300 mm 간격으로 배근하여 전단철근 보강 상태에 따른 탄소섬유판의 전단기여 정도를 파악하고자 하였다.
성능/효과
- 1) 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단 강성도 보강 되지 않은 그것에 비해 현저하게 증가하며, 그 증대 폭은 전단철근이 배근되지 않은 부재의 경우 약 80% 이상, 전단철근이 배근된 콘크리트 부재의 경우 160% 이상의 증진효과가 있는 것으로본 연구결과 나타났다. 또한 탄소섬유판의 전단 보강 간격 및 보강 면적은 강도 증진 효과에 직접적으로 비례하지 않으며, 적은 량의 탄소섬유판으로 보강했을 경우에도 전단강도의 증진효과는 매우 좋은 것으로 나타났다.
- 2) 탄소섬유판을 부재의 하단 부까지 연결하여 부착하는 U자 형태 및 부재의 측면부에만 부착하는 I자 형태의 경우 모두 부재의 전단강도는 비슷하게 나타났다. 따라서 탄소섬유판으로 전단보강을 할 경우, 부재의 측면부에만 부착하는 것이 경제성 및 시공성을 고려할 때 유리할 것으로 사료된다.
- 3) 탄소섬유판 보강 콘크리트 부재가 극한 상태에 도달했을때, 섬유판의 극한 인장 변형률을 약 1,000정도 발생하는 것으로 본 연구에서 나타났으며, 이는 탄소섬유판의 최대변형률의 10%에도 미치지 못하는 것으로 나타났다. 따라서, 탄소섬유판이 부재와 일체거동을 할 수 있는 새로운 보강방식을 개발한다면, 전단 보강 능력을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 것으로 사료된다.
- 6은 주 전단 균열 발생이 예측되는 지점, 즉 지점으로부터 550 mm 떨어진 전단 구간 내에 위치한 탄소섬유판의 변형률을 도시하고 있다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 초기 전단균열이 발생한 이후, 탄소섬유판의 변형률은 증진하나 탄소섬유판은 전단균열 진행을 억제하고, 보에 작용하는 전단력에 대한 지지 능력의 우수함이 실험 결과 나타났다. 또한 탄소섬유판의 부착 탈락으로 인해 전단 능력이 소실될 때 까지 전단보강된 탄소섬유판의 인장 변형률은 약 700 µε에서 1,200 µε의 범주율에 존재하고 있으며, 평균 약 1,000 µε 수준인 것으로 나타나고 있다.
- 8에서 알 수 있듯이 부재 지점으로부터 900 mm 떨어진 곳의 초기 전단균열은 약 100 kN에서 발생하고 있으며 전단철근이 150 mm로 배근된 SCF-25I-A 부재가 SCF-25I-B 부재보다 전단 철근의 인장 변형률이 적게 발생하고 있다. 또한 지점으로부터 600 mm 떨어진 위치 (Fig. 9)에서는 초기 전단균열이 약 80 kN에서 발생하였으며, 초기 전단균열은 위 실험 결과 지점에서 600 mm 떨어진 곳에서 최초로 발생하고 있음을 알 수 있었다.
- 탄소섬유판 보강 콘크리트의 종류에 따라 다소 차이는 있으나, 그 이후 전단균열이 지점부에서 유효 길이 만큼 떨어진 곳에서 약 80~100 kN의 하중 단계에서 발생하였으며, 그 하중 전단부에 탄소섬유판에 배근된 경우 전단 강성이 매우 높고 균열형상도 매우 고르게 분포하는 것으로 나타났다. 또한 최종적으로 탄소섬유판이 본체와 계면 탈락하면서 매우 취성적인 전단파괴를 일으키는 것으로 나타났다. Fig.
- 본 실험 결과 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단 강성은 보강되지 않은 보에 비해 현저하게 개선되며 최대 전단강도 증진율은 100% 이상인 것으로 나타났다. 또한 탄소섬유판은 전단균열의 발생 및 진전을 억제하며, 적은 량의 탄소섬유판으로 보강했을 경우에도 전단강도의 증진 효과는 매우 좋은 것으로 나타났다. 본 연구에서는 탄소섬유판에 발생하는 변형률을 기본으로 하여 유효응력을 도출하였으며, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단강도를 계산하였다.
- 그러나 탄소섬유판으로 전단 보강된 철근콘크리트 부재는 매우 높은 수준에 이르기까지 거의 선형적인 특성을 나타내고 있으며, 극한상태에서 부재는 섬유판의 탈락과 동시에 급격히 전단파괴가 발생하였다. 또한 탄소섬유판을 보의 바닥부까지 보강한 U자 형태 및 보의 측면부만 보강한 I자 형태로 보강된 경우 모두 극한강도는 비슷하게 나타났다. 따라서 전단보강 시 측면부에만 I자 형태로 붙여 보강하는 것이 경제성 및 시공성에 유리한 것으로 사료된다.
- 1) 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단 강성도 보강 되지 않은 그것에 비해 현저하게 증가하며, 그 증대 폭은 전단철근이 배근되지 않은 부재의 경우 약 80% 이상, 전단철근이 배근된 콘크리트 부재의 경우 160% 이상의 증진효과가 있는 것으로본 연구결과 나타났다. 또한 탄소섬유판의 전단 보강 간격 및 보강 면적은 강도 증진 효과에 직접적으로 비례하지 않으며, 적은 량의 탄소섬유판으로 보강했을 경우에도 전단강도의 증진효과는 매우 좋은 것으로 나타났다.
- 이를 위하여 탄소섬유판의 형상, 섬유판 부착 간격 및 전단보강 철근량 등의 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되었다. 본 실험 결과 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 전단 강성은 보강되지 않은 보에 비해 현저하게 개선되며 최대 전단강도 증진율은 100% 이상인 것으로 나타났다. 또한 탄소섬유판은 전단균열의 발생 및 진전을 억제하며, 적은 량의 탄소섬유판으로 보강했을 경우에도 전단강도의 증진 효과는 매우 좋은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 전술한 바와 같이, 최적의 탄소섬유판 보강 형태를 구명하기 위하여, 대표적인 전단보강 방식으로 널리 쓰이고 있는 U자 형태 및 I자 형태로 탄소섬유판을 보강하여 실험을 수행하였다. 본 실험 결과, 극한 전단강도는 탄소섬유판 전단보강 형태 (U 및 I형태)에 크게 의존되지 않은 것으로 나타났으며, 따라서 탄소섬유판을 측면부에 I자 형태로 붙여 보강하는 것이 경제성 및 시공성에 유리한 것으로 사료된다.
- 본 실험 결과, 탄소섬유판에 발생하는 인장 변형률은 탄소섬유판의 형상 및 부착 길이에 관계없이 720 µε에서 1,094 µε의 범주에 존재하는 것으로 나타났다.
- 실험 결과 콘크리트의 초기 균열은 휨 인장 응력에 지배되고, 약 40~50 kN의 하중 단계에서 초기 휨 균열이 발생하였다. 탄소섬유판 보강 콘크리트의 종류에 따라 다소 차이는 있으나, 그 이후 전단균열이 지점부에서 유효 길이 만큼 떨어진 곳에서 약 80~100 kN의 하중 단계에서 발생하였으며, 그 하중 전단부에 탄소섬유판에 배근된 경우 전단 강성이 매우 높고 균열형상도 매우 고르게 분포하는 것으로 나타났다.
- 이러한 결과로부터, 탄소섬유판으로 전단 보강된 철근콘크리트 부재는 탄소섬유판의 부착 간격 및 부착 면적에 관계없이 부재가 파괴될 때 발생하는 탄소섬유판의 변형률은 탄소섬유판 파괴인장 강도의 10% 수준에도 도달하지 못한다는 사실을 알 수 있다. 위 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보가 계면부착으로 전단파괴가 일어날 시점의 유효 탄소섬유판 응력을 계산 할 수 있으며, 따라서 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 전단강성을 도출할 수 있다.
- Table 3은 탄소섬유판으로 전단 보강된 철근콘크리트 보의 전단강도를 나타낸 것이다. 위 표 및 그림에서 알 수 있듯이, 전단 구간에 부착된 탄소섬유판은 전단균열 발생 및 진전을 구속하여 전단강도의 증진에 탁월한 효과를 보이고 있으며, 극한 전단강도는 보강되지 않은 보(CONT-S)에 비하여 현저하게 증진하는 것으로 나타났다. 탄소섬유판으로 보강된 부재의 전단강성은 탄소섬유의 부착면적이 증가할수록 또한 부착 간격이 좁을수록 높게 나타났으며, 전단철근이 배근되지 않은 탄소섬유판 철근 콘크리트 부재 (SCF-12.
- 위 표에서 알 수 있듯이, 실험에서 도출된 탄소섬유판 유효응력을 기본으로 하여 식 (5)로부터 도출된 전단강도는 실험으로부터 도출된 전단강도와 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 전단강도비 (Vexp/Vanal)는 평균 0.97로 나타났다.
- 7은 스터럽이 배근된 탄소섬유판 보강 철근콘크리트 보의 경우 주 전단 균열이 예측되는 지점으로부터 550 mm 떨어진 전단 구간 내에 위치한 탄소섬유판의 변형률을 도시 하고 있다. 이 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 탄소섬유판은 전단 저항 능력이 우수하여 100 kN에서 120 kN에 이르기까지 전단균열발생을 억제하고 있으며, 또한 전단철근이 150 mm 간격으로 배근된 부재 (SCF-25I-A)가 300 mm로 배근된 부재 (SCF25I-B)보다 초기 전단균열을 억제하는 능력이 훨씬 우수함을 알 수 있다. 또한 탄소섬유판의 극한 변형률은 800 µε 및 954 µε으로 나타났다.
- 본 실험 결과, 탄소섬유판에 발생하는 인장 변형률은 탄소섬유판의 형상 및 부착 길이에 관계없이 720 µε에서 1,094 µε의 범주에 존재하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, 탄소섬유판으로 전단 보강된 철근콘크리트 부재는 탄소섬유판의 부착 간격 및 부착 면적에 관계없이 부재가 파괴될 때 발생하는 탄소섬유판의 변형률은 탄소섬유판 파괴인장 강도의 10% 수준에도 도달하지 못한다는 사실을 알 수 있다. 위 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보가 계면부착으로 전단파괴가 일어날 시점의 유효 탄소섬유판 응력을 계산 할 수 있으며, 따라서 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 전단강성을 도출할 수 있다.
- 실험 결과 콘크리트의 초기 균열은 휨 인장 응력에 지배되고, 약 40~50 kN의 하중 단계에서 초기 휨 균열이 발생하였다. 탄소섬유판 보강 콘크리트의 종류에 따라 다소 차이는 있으나, 그 이후 전단균열이 지점부에서 유효 길이 만큼 떨어진 곳에서 약 80~100 kN의 하중 단계에서 발생하였으며, 그 하중 전단부에 탄소섬유판에 배근된 경우 전단 강성이 매우 높고 균열형상도 매우 고르게 분포하는 것으로 나타났다. 또한 최종적으로 탄소섬유판이 본체와 계면 탈락하면서 매우 취성적인 전단파괴를 일으키는 것으로 나타났다.
- 위 표 및 그림에서 알 수 있듯이, 전단 구간에 부착된 탄소섬유판은 전단균열 발생 및 진전을 구속하여 전단강도의 증진에 탁월한 효과를 보이고 있으며, 극한 전단강도는 보강되지 않은 보(CONT-S)에 비하여 현저하게 증진하는 것으로 나타났다. 탄소섬유판으로 보강된 부재의 전단강성은 탄소섬유의 부착면적이 증가할수록 또한 부착 간격이 좁을수록 높게 나타났으며, 전단철근이 배근되지 않은 탄소섬유판 철근 콘크리트 부재 (SCF-12.5I-NO)의 전단강도는 탄소섬유판이 없는 부재보다 84% 이상이 증진되는 것으로 나타났다. 전단철근이 보강된 보 (SCF-25I-*)의 경우에는 탄소섬유판의 부착으로 인한 전단강도의 증진율은 부착되지 않은 기준보 (CONT-S) 보다 160% 이상의 증진 효과가 있음이 나타났다.
- 탄소섬유판으로 전단보강된 철근콘크리트 부재는 보강되지 않은 철근콘크리트 부재보다 더 높은 하중에 이르기 까지 선형 구간이 확대 되며, 강성 및 극한 내력이 크게 증진되는 것으로 나타났다. Fig.
후속연구
- 3) 탄소섬유판 보강 콘크리트 부재가 극한 상태에 도달했을때, 섬유판의 극한 인장 변형률을 약 1,000정도 발생하는 것으로 본 연구에서 나타났으며, 이는 탄소섬유판의 최대변형률의 10%에도 미치지 못하는 것으로 나타났다. 따라서, 탄소섬유판이 부재와 일체거동을 할 수 있는 새로운 보강방식을 개발한다면, 전단 보강 능력을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 것으로 사료된다.
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