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문제 정의
- 또한 부재 전체가 국부적인 응력집중현상이 일어나는。영역에 속하기 때문에 기존의 전단강도 평가방법을 통한 해석이 부적절하다. 따라서 본 연구에서는 FRP 의한 종류인 AFRP rebar로 보강된 깊은 보의 거동에 대한 분석과 기존 기준 및 제안식들의 적합성을 판단하여 새로운 모델을 수립하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 부재의 전단력에 영향을 미치는 요소들인 전단 경간 비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 두어 ACI 318-08 STM(7) 을 통한 해석의 적합성 및 기존 일반 보의 전단력 산정식 중 전단경간비가 고려된 식에 대한 적합성 평가와 더불어 파괴 거동에 대한 평가를 하였다.
제안 방법
- STMe 설계 시 트러스의 높이를 가정한 후 스트럿 폭 치수와 트러스의 형상의 적합성을 찾는 반복과정을 통하여부재 설계를 시작한다. 이 과정에서 유효계수를 통하여 스트럿 폭을 결정하게 되므로 L/W Ratio 를 설계단계에 적용시키기 위해서는 L/W Ratio 에 영향을 주는 변수에 대한 분석 시 설계단계에서 적용이 가능한 유효계수 모델을 산정하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 가력은 중앙부에 2점 가력형태로 실시하였고, 전단 경간 비에 따라 가력거리를 조절하여 실험을 수행하였다. 정적 가력기 하부에 로드셀을 부착하여 하중을 측정하였고, 시험체 중앙 하부에 LVDT 를 설치하여 수직 변위를 측정하였다.
- 64%)를 각각 3종류로 구분하여 시험체를 제작하였다. 모든 시험체는 휨파괴를 방지하고 전단파괴를 유도하기 위하여 전단보강근을 설치하지 않았으며, FRP 파단에 의한 취성파괴를 방지하기 위해 ACI 440.1R-06⑻에 따라 균형보강비 이상으로 보강하였다. 주근의 갯수에 따라 1단 및 2단 배근을 실시하였으며 표 4에 시험체 일람을 나타내었다.
- 시험체 표기방법은 표 3과 같으며 시험체의 총 길이는 2000mm, 순경간은 1500mm 이다. 뽑힘 및미끌림에 의한 파괴를 방지하기 위하여 반력지점에서 양단으루- 210mm의 정착길이를 두었으며 피복두께는 40mm로 하였다 폭은 200mm로 일정하며 유효깊이 (190mm, 250mm, 310mm) 와 전단경간비 (1.4, 1.7, 2.1), 보강비(0.38%, 0.51%, 0.64%)를 각각 3종류로 구분하여 시험체를 제작하였다. 모든 시험체는 휨파괴를 방지하고 전단파괴를 유도하기 위하여 전단보강근을 설치하지 않았으며, FRP 파단에 의한 취성파괴를 방지하기 위해 ACI 440.
- 시험체는 단순지지 상태에서 최대용량 1000kN 의 정적가력기를 사용하여 평균 15kN/min 의 속도로 하중을 재하하였다. 가력은 중앙부에 2점 가력형태로 실시하였고, 전단 경간 비에 따라 가력거리를 조절하여 실험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 FRP 의한 종류인 AFRP rebar로 보강된 깊은 보의 거동에 대한 분석과 기존 기준 및 제안식들의 적합성을 판단하여 새로운 모델을 수립하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 부재의 전단력에 영향을 미치는 요소들인 전단 경간 비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 두어 ACI 318-08 STM(7) 을 통한 해석의 적합성 및 기존 일반 보의 전단력 산정식 중 전단경간비가 고려된 식에 대한 적합성 평가와 더불어 파괴 거동에 대한 평가를 하였다.
- 가력은 중앙부에 2점 가력형태로 실시하였고, 전단 경간 비에 따라 가력거리를 조절하여 실험을 수행하였다. 정적 가력기 하부에 로드셀을 부착하여 하중을 측정하였고, 시험체 중앙 하부에 LVDT 를 설치하여 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트와 FRP 의 변형률은 시험체의 중앙 상부와 하부에 각각 Strain Gage 를 부착하여 측정하였으며, UCAM- 500A 를 사용하여 데이터를 수집하였다.
- STMe 변수들을 트러스의 치수화에 있어 충분히 반영을 할 수 있기 때문에 최대하중과 근접한 예상하중을 산정할 수 있다. 하지만 본 실험에 적용된 유효계수는 ACI 318-08 에서 제시된 보강 및 절점의 조건에 따라 일정한 값을 가지는 경우이며 Steel rebar로 보강된 시험체와 다른 양상을 보이는 FRP rebar로 보강된 시험체의 스트럿 크기효과를 고려한 유효계수 모델을 제안하였다. ACI 318-08의 유효계수 관련 조항은 부록 4에 나타내었다.
- 휨 부재의 전단력에 영향을 주는 요소들인 전단경간비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 AFRP rebar 로 보강된 콘크리트 깊은보의 전단강도에 대한 실험을 수행하였다. 그 결과 전단력과 각 변수들 사이에는 수치적으로 비례 혹은 반비례적인 경향을 보이나 이를 통한 해석은 깊은 보의 하중 메커니즘을 반영하기에 한계가 있는 반면 부재 전체의 하중 전달 흐름을 명확하게 시각화해주고 응력집중 현상을 반영하는 STM을 통한 해석이 적절한 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구는 AFRP rebar로 보강된 시험체 7본과 Steel rebar 로 보강된 시험체 1본을 제작하여 총 8본의 시험체에 대한 실험을 수행하였다. 시험체 표기방법은 표 3과 같으며 시험체의 총 길이는 2000mm, 순경간은 1500mm 이다.
- 시험체 제작 시 Rebar는 지름 9mm 의 AFRP 와 지름 10mm 의 이형 철근을 사용하였다. 각각의 물성치는 제조사에서 제시하는 값을 사용하였으며 표 2에 나타내었다.
- 수행하였다. 시험체 표기방법은 표 3과 같으며 시험체의 총 길이는 2000mm, 순경간은 1500mm 이다. 뽑힘 및미끌림에 의한 파괴를 방지하기 위하여 반력지점에서 양단으루- 210mm의 정착길이를 두었으며 피복두께는 40mm로 하였다 폭은 200mm로 일정하며 유효깊이 (190mm, 250mm, 310mm) 와 전단경간비 (1.
- 정적 가력기 하부에 로드셀을 부착하여 하중을 측정하였고, 시험체 중앙 하부에 LVDT 를 설치하여 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트와 FRP 의 변형률은 시험체의 중앙 상부와 하부에 각각 Strain Gage 를 부착하여 측정하였으며, UCAM- 500A 를 사용하여 데이터를 수집하였다. 이와 관련된 사항은 그림 1에 도식화하여 나타내었다.
이론/모형
- 시험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계 강도는 27MPa 이며 KS F 2405의 기준에 따라 압축강도를 측정하였다. 그 결과; 평균 26.
- 하중-처짐의 결과는 표 5에 나타냈고 분석을 위하여 STM 을 이용하였다. STM의 주요부재는 그림 4와 표 6에 나타내었다.
성능/효과
- 1. AFRP rebar로 보강된 콘크리트 깊은보의 전단력은 보강비, 유효깊이, 보강근의 인장강도가 증가할수록 높게 나타나며, 전단경간비는 감소할수록 높게 나타나는 경향이 있다.
- 2. 전단경간비가 2.5 이상인 일반보는 Steel rebar로 보강된 경우가 FRP rebar 로 보강된 경우보다 전단력이 크고 처짐이 작지만 깊은보의 경우에는 AFRP rebar 로 보강된 경우가 Steel rebar로 보강된 경우보다 아치작용에 의한 하중 전달 능력이 상승하여 전단력이 커지는 경향이 있다. 반면 처짐의 경우에는 여전히 축강성에 기인하여 일반 보와 같은 결과를 나타냈다.
- 3. Steel rebar로 보강된 콘크리트 깊은보의 해석에 사용되는 STMe AFRP rebar로 보강된 경우에도 적용이 가능하며, 좀 더 명확한 결과를 얻기 위하여 스트럿의 치수 비와 압축강도의 관계에 따른 효과를 적용할 경우 실험값에 근접한 결과를 얻을 수 있다.
- 4. AFRP rebar 의 높은 인장강도는 부재의 수평경사 스트럿의 폭을 넓혀준다. 이는 아치작용의 상승과 연결되며 깊은 보에서 적용 가능한 효과적인 보강부재라 판단된다.
- AFRP rebar 로 보강된 시험체에 대하여 각 변수들과 전단력를 비교한 결과 그림 9와 같이 변수별로 유효깊이와 보강비는 1/4 거듭제곱, 전단경간비는 1/2 거듭제곱, 인장강도는 본 형태와 상관관계가 높음을 알 수 있었다.
- 경사 스트럿 폭의 증가는 단면력을 상승시키고 이는 곧 최대 하중의 증가로 이어진다. 결과적으로 전단경간비가 작아지는 경우 스트럿에 작용하는 하중의 비율의 감소효과 보다 스트럿 폭의 증가로 인한 단면력 상승효과에 기인함을 알 수 있다.
- AFRP rebar 로 보강된 시험체의 L/W Ratio-Pexp/Ppre 관계를 그림 11에 나타내었다. 그 결과 L/W Ratio 가 커질수록 Pexp/Ppre 이 작아지는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 이 결과를 토대로 L/W Ratio 의 값에 따른 상대적 강도차이를 고려하여 ACI 318-08 의 유효계수를 AFRP Rebar로 보강된 깊은 보에 적용 가능한 유효계수로 수정하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 그 결과 상대적으로 인장강도가 큰 AFRP rebar로 보강된 시험체가 Steel rebar 로 보강된 시험체 보다 최대하중이 높게 측정되었다 AFRP rebar로 보강된 시험체는 AFRP 의 높은 인장강도로 인하여 콘크리트 압축 등가 응력 블록의 높이가 증가되었으며, 이는 경사 스트럿의 폭을 증가 시켜 최대하중의 증가로 이어졌다. AFRP rebar 는 낮은 탄성계수로 인한 축강성의 저하에도 불구하고 높은 인장강도가 이를 보완해준다는 설명으로도 해석이 가능하다.
- 그 결과 전단력과 각 변수들 사이에는 수치적으로 비례 혹은 반비례적인 경향을 보이나 이를 통한 해석은 깊은 보의 하중 메커니즘을 반영하기에 한계가 있는 반면 부재 전체의 하중 전달 흐름을 명확하게 시각화해주고 응력집중 현상을 반영하는 STM을 통한 해석이 적절한 것으로 판단된다. 그리고 STM 의 스트럿 균열과 스트럿을 가로지르는 인장변형에 의한 콘크리트 강도 감소 현상을 반영하는 유효계수에 콘크리트 공시체의 치수에 따라 상대적으로 압축강도가 변하는 관계를 적용한 새로운 모델을 제안하였으며 이를 본 실험 데이터에 적용한 결과 실험 시 최대하중과 비교적 잘 일치하는 결과를 보였다.
- KS F 2405의 기준에 따라 압축강도를 측정하였다. 그 결과; 평균 26.1MPa로 나타났다. 배합비는 표 1에 나타내었다.
- 그 결과 전단력과 각 변수들 사이에는 수치적으로 비례 혹은 반비례적인 경향을 보이나 이를 통한 해석은 깊은 보의 하중 메커니즘을 반영하기에 한계가 있는 반면 부재 전체의 하중 전달 흐름을 명확하게 시각화해주고 응력집중 현상을 반영하는 STM을 통한 해석이 적절한 것으로 판단된다. 그리고 STM 의 스트럿 균열과 스트럿을 가로지르는 인장변형에 의한 콘크리트 강도 감소 현상을 반영하는 유효계수에 콘크리트 공시체의 치수에 따라 상대적으로 압축강도가 변하는 관계를 적용한 새로운 모델을 제안하였으며 이를 본 실험 데이터에 적용한 결과 실험 시 최대하중과 비교적 잘 일치하는 결과를 보였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
- 그림 13와 표 10에 ACI 318-08 의 유효계수를 적용한 값과 본 논문에서 제안한 유효계수를 적용한 값을 비교하여 나타내었고 그 결과 제안모델을 통한 예상하중의 값이 더 정확한 것으로 나타났다.
- 이는 보강비가 증가할수록 경사 스트럿과 수평 타이의 각도 트러스의 높이가 각각 감소하여 가력지점과 반력지점의 직접적인 압축력이 증가한다. 그에 따라 스트럿의 하중 전달 비율이 증가하며, 또한 콘크리트 수평 압축대에 해당하는 수평 스트럿의 폭의 증가와 동시에 경사 스트럿 폭의 증가로 인한 단면력 증가로 최대하중이 증가하는 것으로 사료된다. 보강비가 증가할수록 처짐이 작게 나타나는 것은 보강비에 따른 축강성 증가와 더불어 장부작용의 증가에 기인한 결과라고 판단된다.
- 보강비가 증가할수록 최대하중이 증가하고, 같은 하중에서 처짐이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 보강비가 증가할수록 경사 스트럿과 수평 타이의 각도 트러스의 높이가 각각 감소하여 가력지점과 반력지점의 직접적인 압축력이 증가한다.
- 나타내었다. 응력집중현상을 고려하여 부재를 해석할 수 있는 ACI 318-08 의 STM을 이용한 예상하중은 실험 결과와 비교적 근접한 값을 나타내었다. Nehdi et al.
- 그 결과 L/W Ratio 가 커질수록 Pexp/Ppre 이 작아지는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 이 결과를 토대로 L/W Ratio 의 값에 따른 상대적 강도차이를 고려하여 ACI 318-08 의 유효계수를 AFRP Rebar로 보강된 깊은 보에 적용 가능한 유효계수로 수정하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 설계를 시작한다. 이 과정에서 유효계수를 통하여 스트럿 폭을 결정하게 되므로 L/W Ratio 를 설계단계에 적용시키기 위해서는 L/W Ratio 에 영향을 주는 변수에 대한 분석 시 설계단계에서 적용이 가능한 유효계수 모델을 산정하는 것이 적절하다고 판단된다. 이에 L/W Ratio 를 본 실험의 변수에 대한 식으로 정의하여 L/W Ratio 에 따른 유효계수를 산정하는 것이 가장 효과적이라 판단된다.
- STM을 이용한 깊은보의 해석에 있어 전단강도는 경사 스트럿의 압축강도로 나타낼 수 있고 그 형상에 따른 상대적인 압축강도 의 차이가 존재한다고 볼 수 있다. 이를 본 실험의 경사 스트럿에 작용하하견 인장강도가 클수록 공시체의 Height /Diameter Ratio 에 해당하는 L/W Ratio 가 작아지며 상대적으로 실험 시 최대하중을 얻기 위한 유효계수가 증가함을 표 8을 통해 알 수 있다. AFRP rebar 로 보강된 깊은보는 L/W Ratio 가상대적으로 Steel rebar로 보강된 깊은보에 비해 작기 때문에 유효계수를 조절해주는 것이 적절하다고 사료된다.
- 이 과정에서 유효계수를 통하여 스트럿 폭을 결정하게 되므로 L/W Ratio 를 설계단계에 적용시키기 위해서는 L/W Ratio 에 영향을 주는 변수에 대한 분석 시 설계단계에서 적용이 가능한 유효계수 모델을 산정하는 것이 적절하다고 판단된다. 이에 L/W Ratio 를 본 실험의 변수에 대한 식으로 정의하여 L/W Ratio 에 따른 유효계수를 산정하는 것이 가장 효과적이라 판단된다. 이에 식 (1) 은그림 9에 표현된 각 변수들과 전단력의 상관성에 기초하여 AFRP rebar 로 보강된 콘크리트 깊은보의 L/W Ratio 와 변수들의 회귀분석을 통하여 유도한 L/W Ratio 산정식 (L/W Ratio') 이다.
후속연구
- 이에 FRP rebar 로 보강된 콘크리트보의 전단거동 및 전단 강도 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
- 하지만 높은 인장강도에 비해 낮은 탄성계수로 인한 처짐의 증가와 취성적 파괴는 사용성 문제에 있어 해결되어야할 사항이라 판단된다. 향후 FRP rebar로 보강된 깊은보의 실용화와 기준 정립을 위하여 다양한 시험체에 대한 연구수행과 더불어 사용성 문제에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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