[논문]탄소섬유보강재로 표면매립 보강된 철근콘크리트보의 파괴모드 예측

정우태; 박종섭; 박영환

doi:10.12652/ksce.2008.28.3a.349

탄소섬유보강재로 표면매립 보강된 철근콘크리트보의 파괴모드 예측
Prediction of Failure Modes for Reinforced Concrete Beams Strengthened with NSM CFRP Reinforcement 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.28 no.3A, 2008년, pp.349 - 356

정우태 (한국건설기술연구원 구조시스템연구실) , 박종섭 (한국건설기술연구원 구조시스템연구실) , 박영환 (한국건설기술연구원 구조시스템연구실)

초록
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FRP 보강재는 기존 구조물의 보수 및 보강뿐만 아니라 신설구조물의 철근을 대체할 재료로 최근에 광범위하게 사용되고 있다. 외부에 부착되는 FRP 쉬트 및 판은 콘크리트 보와 슬래브의 휨 및 전단보강을 목적으로 사용되는 가장 일반적인 기술이지만 많은 경우에 있어서 외부에 부착된 FRP 쉬트 및 판이 파괴되기 전에 FRP와 콘크리트 계면에서 부착파괴와 같은 조기파괴가 발생하는 문제점이 대두되어 표면매립공법이 도입되었다. 본 연구에서는 표면매립공법으로 보강된 RC보의 거동 특성 및 보강성능을 파악하기 위해 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 표면부착공법과 표면매립공법의 성능을 비교하고 탄소판 및 탄소로드의 매립 개수를 변수로 하여 보강성능을 고찰하였다. 또한 파괴모드 예측을 위해 해석모델을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently FRP (Fiber Reinforcement Polymer) is widely used for the strengthening of damaged RC beams. Although many tests were carried out to verify flexural capacity of RC beams strengthened with FRP sheet or plate, the behavior of strengthened RC beams has not yet clearly verified. To investigate the strengthening efficiency of the Near Surface Mounted Reinforcement (NSMR) technique experimentally and analytically, a total of 7 specimens have been tested. The experimental results revealed that specimens strengthened with NSMR improved the flexural capacity of RC beams. Also, while the NSMR specimens utilized CFRP reinforcement efficiently compared to the EBR (Externally Bonded Reinforcement) specimen, the NSMR specimens still have debonding failure between epoxy and concrete interface. This study has proposed the model to predict failure modes and failure loads. Good agreement was obtained between the predicted and the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 부착공법과 마찬가지로 다양한 변수에 따라 에폭시-콘크리트 면에서 부착파괴가 발생하는 것으로 보고하고 있다(De Lorenzis 등(2000)). 따라서 본 연구에서는 기본적으로 기존의 부착공법과 표면매립공법의 보강성능을 비교하고, 보강재 단면이 서로 다른 탄소판과 탄소로드를 적용하여 실험체의 파괴거동 및 보강효과를 단위강성당 보강효과로 정량화하여 나타내고자 한다. 이를 위해 실험변수는 표 2와 같이 표면매립보강재의 형상 및 보강량이 다른 경우, 1열매립과 2열매립인 경우 등으로 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 표면매립공법으로 보강된 실험체의 파괴모드 및 최대하중을 예측하기 위해 Hassan(2003)이 제안한 모델을 보강재 형상에 상관없이 적용 가능하도록 수정하고자 한다.
본 연구에서는 탄소판 및 탄소로드로 표면매립보강된 RC보의 보강성능 및 거동 특성을 규명하기 위하여 휨보강 실험을 실시하고, 해석모델을 통해 파괴모드를 예측한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 표면매립공법으로 보강된 철근콘크리트(Reinforced Concrete, 이하 RC)보의 거동 특성과 보강성능을 파악하기 위해 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 표면부착공법과 표면매립공법의 성능을 비교하고 탄소판 및 탄소로드의 매립 개수를 변수로 하여 보강성능을 고찰하였다.

가설 설정

FRP 보강재 파단기준은 보의 단면해석에 의한 값으로 FRP 보강재가 인장파괴 된다고 가정하여 산정된다. 따라서 식 (7)에 의해 산정된 전단응력을 발생시키는 하중이 FRP 보강재 파단기준에 도달하면 FRP 보강재 파단을 의미한다.
② FRP 보강재-에폭시 계면의 전단력은 에폭시-콘크리트 계면으로 전달되며, 에폭시는 전단력을 전달하는 기구로만 취급되고 에폭시 변형은 무시한다. 즉, 인장력 및 전단력을 부담하지 않는다.
FRP 보강재-에폭시 계면과 에폭시-콘크리트 계면 사이에서 발생되는 전단응력에 의한 파괴는 다른 재료에 비해 상대적으로 재료특성이 약한 에폭시-콘크리트 계면에서 발생할 가능성이 크다. 따라서 해석모델은 에폭시-콘크리트 계면이 파괴된다고 가정한다(가정 ①).
부착파괴시 FRP 보강재와 에폭시는 하나의 등가 보강재(equivalent reinforcement)와 같이 거동하므로 FRP 보강재에서 발생하는 인장응력은 에폭시-콘크리트 계면에 영향을 주며, FRP 보강재 물성이 에폭시 물성보다 우수하므로 등가보강재의 물성은 FRP 보강재 물성을 적용하는 것으로 한다(가정 ②).
제안식은 실험값보다 작게 제시되어 안전측으로 설계에 반영되는 것이 일반적일 것이다. 본 연구의 제안식은 1열 보강된 경우는 안전측으로 예측하고 있지만 2열 보강인 경우는 실험값 보다 크게 예측하고 있다.

제안 방법

05 mm의 속도로 재하하였다. 각종 실험데이터의 계측은 정적데이터 로거 및 컴퓨터를 이용하였으며, 매 1초 간격으로 측정을 실시하였다. 변형률 측정을 위하여 FRP 보강재 및 인장철근의 경간 중앙과 L/4 위치에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였고, FRP 보강재는 단면 중앙의 변형률을 측정하였다.
매립간격영향계수를 적용하지 않은 해석값은 2열 매립한 경우가 1열 매립한 경우보다 약 60% 증가하지만 실제 실험값은 약 25% 증가만 보이고 있다. 기존 실험결과에 따르면 2열매립의 경우 매립홈간의 간격이 보강성능에 영향을 주는 것으로 보고하였고, Kang 등(2005)이 제시한 간격비-내력증가량 관계(그림 10)로 부터 매립간격 영향계수를 적용하여 해석적으로 실험값을 예측하였다.
단면이 원형인 탄소로드로 매립보강된 NSMR-RD-φ9은 본 연구의 해석모델로 파괴모드 및 최대하중을 잘 예측하였다. 따라서 가정 ①과 같이 파괴면이 에폭시-콘크리트 계면 근처의 콘크리트에서 파괴되므로 본 연구의 제안식을 사용하면 다양한 단면을 갖는 매립보강된 실험체의 파괴모드 및 최대하중을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 매립간격에 따라 그림 10과 같이 최대하중에 영향을 주므로 본 연구에서는 매립간격 영향계수(Δ_h) 및 매립홈 개수(n_g)를 적용하고자 한다.
실험을 통하여 표면부착공법과 표면매립공법의 성능을 비교하고 탄소판 및 탄소로드의 매립 개수를 변수로 하여 보강성능을 고찰하였다. 또한 파괴모드 및 최대하중 예측을 위해 Hassan(2003)이 제안한 모델을 수정하여 FRP 보강재 단면형상에 상관없이 적용가능한 해석모델을 제안하고 실험결과와 비교하였다.
각종 실험데이터의 계측은 정적데이터 로거 및 컴퓨터를 이용하였으며, 매 1초 간격으로 측정을 실시하였다. 변형률 측정을 위하여 FRP 보강재 및 인장철근의 경간 중앙과 L/4 위치에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였고, FRP 보강재는 단면 중앙의 변형률을 측정하였다. 보중앙 하단과 L/4 지점에 LVDT를 설치하여 변위를 계측하였다.
변형률 측정을 위하여 FRP 보강재 및 인장철근의 경간 중앙과 L/4 위치에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였고, FRP 보강재는 단면 중앙의 변형률을 측정하였다. 보중앙 하단과 L/4 지점에 LVDT를 설치하여 변위를 계측하였다.
제안식은 실험값보다 작게 제시되어 안전측으로 설계에 반영되는 것이 일반적일 것이다. 본 연구의 제안식은 1열 보강된 경우는 안전측으로 예측하고 있지만 2열 보강인 경우는 실험값 보다 크게 예측하고 있다. 이것은 매립간격 뿐만 아니라, 홈 크기 등의 여러 인자가 복합적으로 보강성능에 영향을 주기 때문인 것으로 판단되며, 이러한 인자를 고려하여 그림 10의 그래프가 수정되어야 할 것이다.
부착공법의 보강방법은 콘크리트 하면을 표면처리 한 후, 에폭시로 FRP 보강재를 표면처리된 부분에 부착하고, 보강된 보는 에폭시의 양생을 위하여 상온에서 7일 이상 양생을 실시하였다(그림 2). 표면매립공법의 보강방법은 그라인더를 이용하여 보 하단에 홈을 시공하고 접착제를 도포한 후 FRP 보강재를 매립하는 공정으로 보강하였으며, 보강된 보는 3일 이상의 양생을 실시하여 접착제로 사용된 에폭시가 설계강도를 발현할 수 있도록 하였다(그림 3).
본 연구에서는 표면매립공법으로 보강된 철근콘크리트(Reinforced Concrete, 이하 RC)보의 거동 특성과 보강성능을 파악하기 위해 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 표면부착공법과 표면매립공법의 성능을 비교하고 탄소판 및 탄소로드의 매립 개수를 변수로 하여 보강성능을 고찰하였다. 또한 파괴모드 및 최대하중 예측을 위해 Hassan(2003)이 제안한 모델을 수정하여 FRP 보강재 단면형상에 상관없이 적용가능한 해석모델을 제안하고 실험결과와 비교하였다.
따라서 본 연구에서는 기본적으로 기존의 부착공법과 표면매립공법의 보강성능을 비교하고, 보강재 단면이 서로 다른 탄소판과 탄소로드를 적용하여 실험체의 파괴거동 및 보강효과를 단위강성당 보강효과로 정량화하여 나타내고자 한다. 이를 위해 실험변수는 표 2와 같이 표면매립보강재의 형상 및 보강량이 다른 경우, 1열매립과 2열매립인 경우 등으로 설정하였다. 실험체의 보강단면은 그림 4와 같고, 판형 매립보강의 경우, 부착면적을 크게 하기 위해 수직방향으로 매립하였다.
부착공법의 보강방법은 콘크리트 하면을 표면처리 한 후, 에폭시로 FRP 보강재를 표면처리된 부분에 부착하고, 보강된 보는 에폭시의 양생을 위하여 상온에서 7일 이상 양생을 실시하였다(그림 2). 표면매립공법의 보강방법은 그라인더를 이용하여 보 하단에 홈을 시공하고 접착제를 도포한 후 FRP 보강재를 매립하는 공정으로 보강하였으며, 보강된 보는 3일 이상의 양생을 실시하여 접착제로 사용된 에폭시가 설계강도를 발현할 수 있도록 하였다(그림 3). 보강에 사용된 주요 재료의 물성은 표 1과 같다.

대상 데이터

실험을 위하여 제작된 RC보의 제원은 그림 1과 같으며, 설계기준강도 27 MPa의 레미콘을 사용하여 제작하였다. 인장철근은 SD40의 D10 철근을 철근비 0.
0041로 배근하였으며, 압축철근에는 D13을 세 가닥 배근하였다. 전단파괴를 방지하기 위하여 전단구간에는 D10의 전단철근을 100 mm 간격으로 배치하였고 FRP 보강재는 인발성형으로 제작된 탄소판을 부착공법 및 표면매립공법에 사용하였다.

성능/효과

1. 실험결과, 표면매립공법은 동일 보강단면으로 보강된 부착공법에 비해 최대 50%까지 보강성능이 향상되었다. 따라서 일반적인 경우 부착공법보다 표면매립공법의 보강효과가 클 것으로 판단된다.
2. 표면매립공법은 부착공법에 비해 FRP 보강재료를 효율적으로 활용하여 보강성능은 향상되는 것으로 나타났으나, 보강재+에폭시가 콘크리트로부터 탈락되는 부착파괴양상을 갖고 있는 것으로 나타났다.
3. FRP 보강재 단면형상에 상관없이 표면매립공법의 해석에 적용가능한 해석모델을 제안하였고, 1열 및 2열 매립보강된 실험체의 파괴모드 및 최대하중을 예측할 수 있었다.
표 4는 그림 12의 결과와 실험값을 정리하였고, Hassan(2003)의 식과 비교하였다. NSMR-PL-15의 경우, 본 연구의 제안식으로 산정된 파괴모드는 FRP 파단으로 실험과 해석의 결과가 일치하였지만, Hassan 식은 부착파괴로 나타났다. 최대하중의 경우도 본 연구의 해석값이 Hassan 식보다 실험값이 근접하였다.
그림 6 b), c)와 같이 매립개수별 실험체의 거동을 살펴보면, 매립 개수에 따라 최대하중이 증가하며, 파괴후 무보강보와 같은 거동을 하는 것으로 나타났다. NSMR-PL-25, NSMR-PL-25×2, NSMR-RD-φ9, NSMR-RD-φ9×2의 최종적인 파괴형상은 FRP 보강재와 에폭시가 함께 콘크리트로부터 탈락되는 일종의 부착파괴가 발생하였고 부착파괴가 발생한 실험체는 보강재 종류 및 보강면적에 상관없이 모두 콘크리트면이 파괴되는 동일한 파괴모드를 나타냈다.
최대하중의 경우도 본 연구의 해석값이 Hassan 식보다 실험값이 근접하였다. NSMR-PL-25의 파괴는 에폭시-콘크리트 계면에서 부착파괴가 발생하였고, 최대하중은 본 연구의 해석값이 Hassan 식보다 실험값을 잘 예측하였다. 2열 매립보강된 실험체인 NSMR-PL-25×2도 본 연구의 해석값으로 실험값을 10% 이내로 예측하였다.
표면매립공법으로 보강된 NSMR-PL-15는 인장철근 항복 이후 부착파괴 없이 하중이 계속 증가하다가 보강재 파단과 압축파괴가 동시에 발생하였다. 그림 6 b), c)와 같이 매립개수별 실험체의 거동을 살펴보면, 매립 개수에 따라 최대하중이 증가하며, 파괴후 무보강보와 같은 거동을 하는 것으로 나타났다. NSMR-PL-25, NSMR-PL-25×2, NSMR-RD-φ9, NSMR-RD-φ9×2의 최종적인 파괴형상은 FRP 보강재와 에폭시가 함께 콘크리트로부터 탈락되는 일종의 부착파괴가 발생하였고 부착파괴가 발생한 실험체는 보강재 종류 및 보강면적에 상관없이 모두 콘크리트면이 파괴되는 동일한 파괴모드를 나타냈다.
표 3의 단위강성당 보강효과는 각 실험체의 최대하중을 FRP 보강재의 축강성(EA)으로 나누어 나타낸 것으로 동일보강재를 사용한 경우에는 부착공법에 비해 매립공법의 보강효과가 좋은 것으로 나타났으며, 탄소로드보다는 탄소판의 보강효과가 높은 것으로 나타났다. 동일 형상의 보강재가 매립된 경우에는 보강량이 증가할수록 단위강성당 보강효과는 감소하는 것으로 나타났다. 보강재 증가량만큼 부착면적이 증가했음에도 단위강성당 보강효과가 감소하게 된 것은 Kang(2005)이 보고한 바와 같이 매립간격에 의해 계면전단응력이 중첩되면서 부착파괴에 영향을 주었기 때문인 것으로 판단된다.
이것은 표 3과 같이 FRP 변형률이 파단변형률의 80% 이상까지 도달하여 FRP 보강재의 성능이 충분히 발휘된 것으로 판단된다. 따라서 부착보강에 사용되는 FRP 보강재보다 매립보강에 사용되는 FRP 보강재가 보강재 활용도 면에서 우수한 것을 알 수 있다. 부착보강된 보강재와 같은 단면적을 갖는 NSMR-PL-25×2는 무보강보에 비하여 최대하중이 95% 증가하였고, 부착보강 실험체보다는 50% 증가한 것으로 나타났다.
무보강 실험체 CONTROL은 인장철근항복 후에 압축파괴로 진행되는 전형적인 휨파괴 형태를 나타냈다. 부착공법으로 보강된 실험체 EBR-PL-50은 전형적인 부착보강 보의 거동으로 인장철근 항복 이후 부착파괴가 진행되어 최종적으로 콘크리트와 에폭시 사이의 부착파괴가 발생하였고, FRP 보강재에서 측정된 최대 변형률은 보강재 극한 변형률의 1/3 수준인 것으로 나타났다(그림 6a)).
따라서 부착보강에 사용되는 FRP 보강재보다 매립보강에 사용되는 FRP 보강재가 보강재 활용도 면에서 우수한 것을 알 수 있다. 부착보강된 보강재와 같은 단면적을 갖는 NSMR-PL-25×2는 무보강보에 비하여 최대하중이 95% 증가하였고, 부착보강 실험체보다는 50% 증가한 것으로 나타났다.
따라서 FRP-에폭시 계면, 에폭시-콘크리트 계면에서 가장 취약부인 콘크리트 표면을 따라 파괴가 발생하는 것으로 판단된다. 부착파괴 발생 시에 FRP-에폭시 계면에서의 파괴는 관찰되지 않았으며 FRP와 에폭시는 일종의 단일 복합재료로 거동한 것으로 판단된다. 이와 같은 파괴모드로 볼 때, 표면매립보강보의 부착파괴는 매립홈 주변부 콘크리트의 전단강도에 지배받은 것으로 판단된다.
탄소판이 부착보강된 EBR-PL-50은 무보강보에 비하여 30% 정도의 보강효과를 나타냈다. 탄소판이 매립보강된 NSMR-PL-15, NSMR-PL-25는 각각 40%, 53%의 보강효과를 나타냈고, 탄소로드가 매립보강된 NSMR-RD-φ9는 65%의 보강효과를 나타냈다.
탄소판이 매립보강된 실험체는 보강재의 단면적이 부착보강된 보강재 단면적의 30%, 50% 임에도 불구하고 부착보강 실험체보다 더 큰 보강효과를 나타냈다. 이것은 표 3과 같이 FRP 변형률이 파단변형률의 80% 이상까지 도달하여 FRP 보강재의 성능이 충분히 발휘된 것으로 판단된다.
표 3의 단위강성당 보강효과는 각 실험체의 최대하중을 FRP 보강재의 축강성(EA)으로 나누어 나타낸 것으로 동일보강재를 사용한 경우에는 부착공법에 비해 매립공법의 보강효과가 좋은 것으로 나타났으며, 탄소로드보다는 탄소판의 보강효과가 높은 것으로 나타났다. 동일 형상의 보강재가 매립된 경우에는 보강량이 증가할수록 단위강성당 보강효과는 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

단면이 원형인 탄소로드로 매립보강된 NSMR-RD-φ9은 본 연구의 해석모델로 파괴모드 및 최대하중을 잘 예측하였다. 따라서 가정 ①과 같이 파괴면이 에폭시-콘크리트 계면 근처의 콘크리트에서 파괴되므로 본 연구의 제안식을 사용하면 다양한 단면을 갖는 매립보강된 실험체의 파괴모드 및 최대하중을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 2열 매립보강된 실험체인 NSMR-RD-φ9×2의 파괴모드도 잘 일치하였으며 단면의 형상에 상관없이 실험값을 예측하였다.
FRP로드 주변의 응력분포(FRP 보강재-에폭시 계면 및 에폭시-콘크리트 계면)를 유한요소해석을 통해 결정된 계수를 적용하여 정착 길이를 산정한 후, FRP로드 주변의 부착응력을 계산하고 있다(Hassan, 2002). 또한 다양한 단면형상 갖는 보강재가 적용된 표면매립공법에 이러한 모델을 적용하는 것은 어려우며, 특히 현장실무에서 사용하기 위해서는 보다 간편한 방법이 제시될 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 보강재는 무엇을 대체할 재료인가?	FRP 보강재는 기존 구조물의 보수 및 보강뿐만 아니라 신설구조물의 철근을 대체할 재료로 최근에 광범위하게 사용되고 있다. 외부에 부착되는 FRP 쉬트 및 판은 콘크리트 보와 슬래브의 휨 및 전단보강을 목적으로 사용되는 가장 일반적인 기술이지만 많은 경우에 있어서 외부에 부착된 FRP 쉬트 및 판이 파괴되기 전에 FRP와 콘크리트 계면에서 부착파괴와 같은 조기파괴가 발생하는 문제점이 대두되어 표면매립공법이 도입되었다.
	표면매립공법은 어떤 공법인가?	표면매립공법은 미리 제작된 홈 안에 FRP 보강재(Near Surface Mounted Reinforcement, 이하 NSMR)를 고강도 에폭시나 그라우트를 사용하여 부착시키는 공법으로, 외부부착 공법과는 달리 표면준비작업이 필요하지 않다. 표면매립공법의 적용성은 콘크리트 덮개에 따라 좌우되며 표면매립공법으로 시공된 FRP 보강재는 시공 후에 외부적인 손상으로부터 보호될 수 있을 것이다(R.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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