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문제 정의
- 본 연구는 전술한 바와 같이 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 거동 특성을 규명하기 위하여, 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 28일 압축강도가 40 Mpa이 발현될 수 있도록 배합설계를 수행하여, 길이 3,000 mm, 폭 200 mm, 높이 300 mm의 직사각형 보 12개를 제작하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 거동 특성 및 파괴 양상을 규명하고, 탄소섬유판 부착 탈락 거동을 규명함에 그 목적이 있다. 이를 위하여 다양한 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되어졌으며, 탄소섬유판 부착 탈락 파괴 양상을 규명하고자 하였다.
- 본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트부재의 휨 거동특성, 파괴양상 및 탄소섬유판 부착탈락 거동을 규명함에 목적이 있다. 연구 결과, 도출된 결론은 다음과 같다.
- 본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 거동 특성 및 파괴 양상을 규명하고, 탄소섬유판 부착 탈락 거동을 규명함에 그 목적이 있다. 이를 위하여 다양한 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되어졌으며, 탄소섬유판 부착 탈락 파괴 양상을 규명하고자 하였다. 또한 탄소섬유판에 발생되는 유효응력에 근거하여, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성을 계산하고, 위 결과를 본 실험 결과 뿐 아니라 다른 연구자에 의해 제시된 강도모델과 비교하였다.
- 즉 탄소섬유판 탈락은 휨 구역에서 시작되고 이것이 보의 단부로 급격하게 전파되는 것으로 실험에서 관찰되었다. 휨 구역에서부터 탄소섬유판의 탈락이 시작되는 계면부착파괴는 극한 상태에서 측정된 탄소섬유판에 변형율로 설명될 수 있으며 다음 절에서 구체적으로 이를 서술하고자 한다.
제안 방법
- 4. 본 연구에서는 탄소섬유판의 유효응력에 근거하여 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성을 계산하였다.
- 그러나, 위 연구 대부분은 지간이 상대적으로 짧고 전단구간이 적은 철근콘크리트 부재에 대한 실험 및 해석연구로 국한되었으며, 또한 탄소섬유판의 끝단이 지점으로부터 상대적으로 떨어져있는 탄소섬유판 보강 철근콘크리트 부재에 대한 제한된 조건에서 실험 및 해석이 수행되었다. 이러한 실험 조건에서는 지점 부위의 탄소섬유판과 콘크리트 표면의 전단 부착응력을 크게 발생시킬 수 있으며, 탄소섬유판 끝단의 국부 집중응력을 야기 시킬 수 있다.
- 본 실험에서는 500 KN 용량의 유압 엑츄에이터(Hydraulic Actuator)를 사용하여 4점 재하방식으로 하중을 단계적으로 재하하였다. 그림 3은 실험 장치도를 도시한 것으로써 각 실험부재에는 변위계(LVDT), 콘크리트 스트레인 게이지, 철근 스트레인 게이지, 탄소섬유판 스트레인 게이지 및 다이얼게이지를 부착하여 변형율 및 변위 등을 분석하였다. 위 측정값은 Data Aquisition System을 통해 처리 분석되었다.
- 이를 위하여 다양한 변수를 포함하는 실험 연구가 수행되어졌으며, 탄소섬유판 부착 탈락 파괴 양상을 규명하고자 하였다. 또한 탄소섬유판에 발생되는 유효응력에 근거하여, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성을 계산하고, 위 결과를 본 실험 결과 뿐 아니라 다른 연구자에 의해 제시된 강도모델과 비교하였다.
- 2 mm 폭 50 mm 및 100 mm의 두 종류가 사용되었으며, 위 탄소섬유판을 길이방향으로 1개 혹은 2개를 부착하여 부재의 휨 효과를 분석하였다. 또한 탄소섬유판의 부착 길이에 대한 휨 효과를 분석하기 위하여 폭 50 mm 및 100 mm 탄소섬유판을 전체 지간의 65%, 80% 및 90%에 해당하는 길이로 탄소섬유판을 부착하였다. 그림 2는 CF 및 FCF series 부재의 탄소섬유판 부착형상을 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 28일 압축강도가 40 Mpa이 발현될 수 있도록 배합설계를 수행하여, 길이 3,000 mm, 폭 200 mm, 높이 300 mm의 직사각형 보 12개를 제작하여 실험을 수행하였다. 또한 탄소섬유판의 형상(섬유판 폭 50 mm(A) 및 100 mm(B), 섬유판 부착 길이, 탄소섬유판의 부착 개수 등을 주 실험 변수로 채택하였다. 표 1은 실험 부재의 종류와 실험 변수를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 표 1은 실험 부재의 종류와 실험 변수를 나타낸 것이다. 본 실험 시편은 배근된 철근의 종류에 따라 CF-series 및 FCF-series로 구분 할 수 있다.
- 본 실험에서 사용된 탄소섬유판은 유럽 등지에서 널리 사용되고 있는 SIKA CarboDur S strip을 사용하였으며, 위 탄소섬유판의 재료물성은 표 2와 같다. 사용된 탄소섬유판은 두께 1.
- 본 실험에서는 500 KN 용량의 유압 엑츄에이터(Hydraulic Actuator)를 사용하여 4점 재하방식으로 하중을 단계적으로 재하하였다. 그림 3은 실험 장치도를 도시한 것으로써 각 실험부재에는 변위계(LVDT), 콘크리트 스트레인 게이지, 철근 스트레인 게이지, 탄소섬유판 스트레인 게이지 및 다이얼게이지를 부착하여 변형율 및 변위 등을 분석하였다.
- 본 실험에서는 휨 인장 철근을 2D16(SD30, SD40)으로 배근하였으며, 전단철근은 D13을 사용하였으며, 150mm 간격으로 배근하였다. 그림 1은 실험에서 사용된 실험부재의 배근도를 나타낸 것이다.
- 본 연구는 전술한 바와 같이 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 거동 특성을 규명하기 위하여, 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 28일 압축강도가 40 Mpa이 발현될 수 있도록 배합설계를 수행하여, 길이 3,000 mm, 폭 200 mm, 높이 300 mm의 직사각형 보 12개를 제작하여 실험을 수행하였다. 또한 탄소섬유판의 형상(섬유판 폭 50 mm(A) 및 100 mm(B), 섬유판 부착 길이, 탄소섬유판의 부착 개수 등을 주 실험 변수로 채택하였다.
- 본 실험에서 사용된 탄소섬유판은 유럽 등지에서 널리 사용되고 있는 SIKA CarboDur S strip을 사용하였으며, 위 탄소섬유판의 재료물성은 표 2와 같다. 사용된 탄소섬유판은 두께 1.2 mm 폭 50 mm 및 100 mm의 두 종류가 사용되었으며, 위 탄소섬유판을 길이방향으로 1개 혹은 2개를 부착하여 부재의 휨 효과를 분석하였다. 또한 탄소섬유판의 부착 길이에 대한 휨 효과를 분석하기 위하여 폭 50 mm 및 100 mm 탄소섬유판을 전체 지간의 65%, 80% 및 90%에 해당하는 길이로 탄소섬유판을 부착하였다.
성능/효과
- 1. 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성은 보강되지 않은 그것에 비해 현저하게 증가하며, 실험결과 그 최대 증진 폭은 120% 이상인 것으로 나타났다. 또한 탄소섬유판의 부착 길이가 증가 할수록 강도는 증진 하는 것으로 나타났다.
- 2. 탄소섬유판 탈락시 측정된 탄소섬유판의 인장변형율은 4700 με에서 7300 με, 평균 5000 με의 범주에서 발생하였으며 이는 탄소섬유판의 극한 변형율의 36%에 해당되는 것으로 나타났다.
- 3. 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 파괴형상은 전체지간, 전단구간의 길이 및 탄소섬유판의 부착길이에 따라 다르게 나타났으며, 탄소섬유판의 부착길이가 충분 할수록 보는 휨 균열에 의한 탄소섬유판의 계면부착탈락으로 파괴됨을 알 수 있었다. 그러나 충분한 부착길이가 확보되지 않는 경우 전단파괴 및 콘크리트 피복분리로 인한 파괴가 나타났다.
- 따라서 전술한 바와 같이 충분한 부착길이로 보강하여 탄소섬유판의 계면부착파괴를 유도해야만 한다. 3.2절에서 서술한 바와 같이, 부재파괴 시 탄소섬유판의 인장 변형율은 탄소섬유판의 파괴인장 변형율의 36% 수준에서 발생하였다. 탄소섬유판은 탈락시까지 거의 선형적인 거동을 보이고 있으므로 탄소섬유판의 변형율에 탄성계수를 곱하여 탄소섬유판에 발생하는 유효응력을 계산할 수 있다.
- 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재는 보강되지 않은 부재보다 더 높은 하중에 이르기까지 선형구간이 확대되며, 강성이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 또한 보강된 보의 하중 처짐 및 강도의 특성은 탄소섬유판의 부착 길이 및 형상에 따라 크게 다른 것으로 나타났다. 그림 5-8은 본 실험부재의 탄소섬유판의 폭 및 부착길이에 따른 하중 처짐-곡선 특성을 나타낸 것이며, 표 3은 실험부재의 균열 및 극한 강도를 요약한 것이다.
- 그러나 충분한 부착길이가 확보되지 않는 경우 전단파괴 및 콘크리트 피복분리로 인한 파괴가 나타났다. 또한 탄소섬유판의 계면부착탈락은 휨을 받는 구역에서 시작되어 보의 양 끝단으로 급격하게 전파하여 취성적인 파괴를 유도하는 것으로 나타났다.
- 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성은 보강되지 않은 그것에 비해 현저하게 증가하며, 실험결과 그 최대 증진 폭은 120% 이상인 것으로 나타났다. 또한 탄소섬유판의 부착 길이가 증가 할수록 강도는 증진 하는 것으로 나타났다.
- 표에서 알 수 있듯이 초기균열이 발생하기 이전의 철근 및 탄소섬유판 변형율의 크기는 거의 같은 양상을 보이고 있으나, 균열 발생 이후에는 탄소섬유판에 나타나는 변형율이 철근의 그것보다 높게 나타났다. 또한 하중이 증가할수록 섬유판의 인장 변형율은 철근 변형율 보다 높게 나타났으며, 하중의 많은 부분을 탄소섬유판이 부담하는 것을 알 수 있었다.
- 위 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보가 계면부착으로 파괴될 시점의 유효 탄소섬유판 응력을 계산 할 수 있으며, 따라서 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 강성을 도출 할 수 있다. 본 실험 결과 대부분의 탄소섬유판 탈락 시 지간 중심의 탄소섬유판의 변형율은 지간 1/3지점의 그것보다 높이 나타나거나, 비슷한 수준으로 나타났다. 이는 탄소섬유판의 탈락이 보의 휨 구역에서 시작된다는 사실을 시사하며 실험으로 관찰된 파괴양상과 일치하고 있다.
- 본 실험 결과, 탄소섬유판에 발생하는 인장변형율은 탄소섬유판의 형상 및 부착 길이에 관계없이 거의 4,700 με에서 7,300 με 평균 5,000 με으로 나타났다.
- 본 실험결과, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재에서는 3가지 형태의 파괴형상이 나타났으며, 그림 10, 11은 실험부재의 파괴형상을 도시하고 있다. 본 실험에서 나타난 부재의 파괴형상은 탄소섬유판 탈락으로 인한 파괴, 전단파괴 및 콘크리트 피복탈락 파괴로 구분될 수 있으며 대부분의 탄소섬유판으로 보강된 콘크리트 부재는 탄소섬유판의 계면 부착 탈락에 의한 취성적인 파괴 양상을 보이고 있다. 또한 위 부착균열은 휨 구역에서 발생한 균열에 의하여 파괴가 시작되고 있으며 이러한 사실은 실험관측 및 탄소섬유판의 발생변형율로 설명될 수 있다.
- 그러나 50 mm 폭의 탄소섬유판을 두 줄로 부착한 보에 있어서는 (CFA2 series) 강도증진이 부착길이의 증진에 따라 비례하는 것이 아닌 것으로 나타났으며, 이것은 서로 다른 파괴 형상에 기인하고 있는 것으로 판단된다. 본 실험에서는 50 mm 폭의 스트립이 한 줄 배근 되어 있는 대부분의 보에서는 (CFA1 series) 탄소섬유판의 부착탈락에 의한 파괴가 일어났으나, 휨 보강이 충분하고 섬유판의 부착길이가 상대적으로 적은 부재에서는(CFA2-0.8, CFA2-0.65) 전단파괴 및 콘크리트의 피복탈락에 의한 파괴가 나타났다. 따라서 전단파괴 및 콘크리트 피복 탈락에 의한 파괴를 방지하기 위해서는 탄소섬유판을 지점부위까지 충분히 부착하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
- 이러한 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재는 탄소섬유판의 부착 길이 및 탄소섬유판의 형상에 관계없이 부착 탈락으로 보가 파괴될 때 발생하는 탄소섬유판의 극한 변형율이 탄소섬유판 파괴인장 강도의 36% 수준에 도달한다는 사실을 알 수 있다. 위 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보가 계면부착으로 파괴될 시점의 유효 탄소섬유판 응력을 계산 할 수 있으며, 따라서 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 강성을 도출 할 수 있다. 본 실험 결과 대부분의 탄소섬유판 탈락 시 지간 중심의 탄소섬유판의 변형율은 지간 1/3지점의 그것보다 높이 나타나거나, 비슷한 수준으로 나타났다.
- 본 실험 결과, 탄소섬유판에 발생하는 인장변형율은 탄소섬유판의 형상 및 부착 길이에 관계없이 거의 4,700 με에서 7,300 με 평균 5,000 με으로 나타났다. 이러한 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재는 탄소섬유판의 부착 길이 및 탄소섬유판의 형상에 관계없이 부착 탈락으로 보가 파괴될 때 발생하는 탄소섬유판의 극한 변형율이 탄소섬유판 파괴인장 강도의 36% 수준에 도달한다는 사실을 알 수 있다. 위 결과로부터, 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보가 계면부착으로 파괴될 시점의 유효 탄소섬유판 응력을 계산 할 수 있으며, 따라서 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 강성을 도출 할 수 있다.
- 위 균열은 콘크리트의 표면으로부터 탄소섬유판을 탈락시키는 원인이 되고 있다. 즉 탄소섬유판 탈락은 휨 구역에서 시작되고 이것이 보의 단부로 급격하게 전파되는 것으로 실험에서 관찰되었다. 휨 구역에서부터 탄소섬유판의 탈락이 시작되는 계면부착파괴는 극한 상태에서 측정된 탄소섬유판에 변형율로 설명될 수 있으며 다음 절에서 구체적으로 이를 서술하고자 한다.
- 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 파괴형상은 전체지간, 전단구간의 길이 및 탄소섬유판의 부착길이에 많은 영향을 받으며, 탄소섬유판의 부착길이가 충분할 수록 보는 휨 균열에 의한 탄소섬유판의 계면부착탈락으로 파괴됨을 알 수 있었다. 그러나 휨 보강이 충분할지라도 탄소섬유판 부착 길이가 충분하지 않을 경우 전단파괴 및 콘크리트 피복분리로 인한 파괴를 방지할 수 없는 것으로 나타났다.
- 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재는 보강되지 않은 부재보다 더 높은 하중에 이르기까지 선형구간이 확대되며, 강성이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 또한 보강된 보의 하중 처짐 및 강도의 특성은 탄소섬유판의 부착 길이 및 형상에 따라 크게 다른 것으로 나타났다.
- 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성은 섬유판의 부착길이에 따라 증진되는 것으로 나타났다. 그러나 50 mm 폭의 탄소섬유판을 두 줄로 부착한 보에 있어서는 (CFA2 series) 강도증진이 부착길이의 증진에 따라 비례하는 것이 아닌 것으로 나타났으며, 이것은 서로 다른 파괴 형상에 기인하고 있는 것으로 판단된다.
- 그림 9는 부착 면적에 따른 CFA1, CFA2 및 CFB1 실험부재의 극한 강도 증진을 나타낸 것이다. 탄소섬유판이 부착된 철근콘크리트 부재의 극한 강도는 부착되지 않은 보의 그것보다 크게 증진됨을 보여주고 있으며, 그 최대 증진 폭은 120% 이상으로 나타났다. 그러나 탄소섬유판의 부착면적에 비례하여 보의 휨 강성이 증진되는 것은 아닌 것으로 나타났다.
- 표 4에서 나타난 바와 같이 탄소섬유판의 탈락으로 파괴될 때 탄소섬유판에 발생하는 변형율은 4700 με에서 7300 με, 평균 5000 με의 범주에서 발생하였으며 이는 탄소섬유판의 극한 변형율의 36%에 해당된다.
- 표 및 그림에서 알 수 있듯이, 식 (1)로부터 도출된 보의 극한 저항 모멘트는 실험으로 도출된 극한 모멘트와 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 저항모멘트의 비는 평균 1.35로 나타났다. 그러나 Oehler에 의해 제시된 강도모델에 근거한 저항 모멘트는 실험결과 및 식 (1)의 결과와 많은 차이를 보이고 있으며 또한 그 편차가 심한 것으로 나타났다.
- 표 4는 콘크리트의 초기 균열 발생시, 하중 80 kN 상태 및 극한 상태에서의 철근과 탄소섬유판의 변형율을 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있듯이 초기균열이 발생하기 이전의 철근 및 탄소섬유판 변형율의 크기는 거의 같은 양상을 보이고 있으나, 균열 발생 이후에는 탄소섬유판에 나타나는 변형율이 철근의 그것보다 높게 나타났다. 또한 하중이 증가할수록 섬유판의 인장 변형율은 철근 변형율 보다 높게 나타났으며, 하중의 많은 부분을 탄소섬유판이 부담하는 것을 알 수 있었다.
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