최근 철도차량의 속도가 증가함에 따라 철도시설물에도 철근콘크리트 구조물이 많이 적용되고 있는 실정이다. 하지만 이러한 콘크리트 구조물은 공용년수의 증가에 따라 필연적으로 구조적인 보강이 요구된다. 강판보강법 및 섬유복합체(FRP)를 활용한 보강법 등이 가장 일반적으로 적용되는 실정이지만 각 공법마다 나름대로의 단점 역시 존재 한다. 최근 화재나 기타 환경적인 공격에 대하여 강한 내구성을 가진 재료의 개발이 요구되고 있으며 이에 따른 현무암으로부터 추출한 Basalt 섬유를 활용한 섬유보강재가 많은 관심을 받고 있다. 이에 본 연구에서는 Basalt 섬유쉬트를 보강재로 사용할 경우 중요한 특성인 콘크리트와의 부착특성에 관하여 연구를 수행하였다. 실험변수는 보강폭, 길이, 보강겹수를 포함한다. 실험결과, 파괴형태는 계면파괴, 섬유파단, 그리고 rip-off의 형태가 관측되었으며 보강길이보다는 보강폭이 보강강도에 더 많은 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 또한 보강길이가 전부 유효하게 작용하지는 않았으며 이에 유효보강길이를 산정하고 이에 따른 부착강도를 산정하였다. 이를 다른 종류의 FRP재료를 활용한 경우에 유효 보강길이와 비교하여 Basalt 섬유쉬트의 부착특성을 분석하였다.
최근 철도차량의 속도가 증가함에 따라 철도시설물에도 철근콘크리트 구조물이 많이 적용되고 있는 실정이다. 하지만 이러한 콘크리트 구조물은 공용년수의 증가에 따라 필연적으로 구조적인 보강이 요구된다. 강판보강법 및 섬유복합체(FRP)를 활용한 보강법 등이 가장 일반적으로 적용되는 실정이지만 각 공법마다 나름대로의 단점 역시 존재 한다. 최근 화재나 기타 환경적인 공격에 대하여 강한 내구성을 가진 재료의 개발이 요구되고 있으며 이에 따른 현무암으로부터 추출한 Basalt 섬유를 활용한 섬유보강재가 많은 관심을 받고 있다. 이에 본 연구에서는 Basalt 섬유쉬트를 보강재로 사용할 경우 중요한 특성인 콘크리트와의 부착특성에 관하여 연구를 수행하였다. 실험변수는 보강폭, 길이, 보강겹수를 포함한다. 실험결과, 파괴형태는 계면파괴, 섬유파단, 그리고 rip-off의 형태가 관측되었으며 보강길이보다는 보강폭이 보강강도에 더 많은 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 또한 보강길이가 전부 유효하게 작용하지는 않았으며 이에 유효보강길이를 산정하고 이에 따른 부착강도를 산정하였다. 이를 다른 종류의 FRP재료를 활용한 경우에 유효 보강길이와 비교하여 Basalt 섬유쉬트의 부착특성을 분석하였다.
Concrete structures become more common in railway systems with an advancement of high speed train technologies. As the service life of concrete structures increases, structural strengthening for concrete structures may be necessary. There are several typical strengthening techniques using steel plat...
Concrete structures become more common in railway systems with an advancement of high speed train technologies. As the service life of concrete structures increases, structural strengthening for concrete structures may be necessary. There are several typical strengthening techniques using steel plate and fiber reinforced polymer (FRP) materials, which have their own inherent shortcomings. In order to enhance greater durability and resistance to fire and other environmental attacks, basalt fiber material attracts engineer's attention due to its characteristics. This study investigates bonding performance of basalt fiber sheet as a structural strengthening material. Experimental variables include bond width, length and number of layer. From the bonding tests, there were three different types of bonding failure modes: debonding, rupture and rip-off. Among the variables, bond width indicated more significant effect on bonding characteristics. In addition the bond length did not contribute to bond strength in proportion to the bond length. Hence this study evaluated effective bond length and effective bond strength. The effective bond strength was compared to those suggested by other researches which used different types of FRP strengthening materials such as carbon FRP.
Concrete structures become more common in railway systems with an advancement of high speed train technologies. As the service life of concrete structures increases, structural strengthening for concrete structures may be necessary. There are several typical strengthening techniques using steel plate and fiber reinforced polymer (FRP) materials, which have their own inherent shortcomings. In order to enhance greater durability and resistance to fire and other environmental attacks, basalt fiber material attracts engineer's attention due to its characteristics. This study investigates bonding performance of basalt fiber sheet as a structural strengthening material. Experimental variables include bond width, length and number of layer. From the bonding tests, there were three different types of bonding failure modes: debonding, rupture and rip-off. Among the variables, bond width indicated more significant effect on bonding characteristics. In addition the bond length did not contribute to bond strength in proportion to the bond length. Hence this study evaluated effective bond length and effective bond strength. The effective bond strength was compared to those suggested by other researches which used different types of FRP strengthening materials such as carbon FRP.
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문제 정의
6에 나타난 것과 같이 시험체에 대하여 위치별 변형률의 차가 거의 발생하지 않는 구간까지를 유효부착길이(cm)로 산정하였고, 이를 적용하여 산출한 유효 부착면적(부착폭X유효부착길이)에 대한 유효 부착 강도를 계산하여 Table 5에 나타내었다. 또한 현재 사용되고 있는 섬유보강재와 콘크리트와의 부착 성능에 관한 여러 가지 연구에 대하여 고찰하였고, 본 연구와 유사한 방법으로 부착실험을 수행한 기존 연구들의 결과를 간략하게 정리하였다. 그 중에서 섬유 보강재의 유효부착길이에 대한 부착 강도를 연구한 실험은 대부분 탄소섬유였는데 이는 최근까지 손상된 구조물의 보강재료로서 가장 많이 사용되어왔기 때문인 것으로 사료된다.
본 연구에서는 Basalt 섬유쉬트의 콘크리트와의 부착 거동을 규명하기 위하여, 설계강도 28MPa의 콘크리트의 표면에 Basalt 섬유쉬트를 부착하여 부착파괴실험을 수행하였다. 실험변수로는 Basalt 섬유쉬트 보강재의 보강길이 (L), 보강폭(B) 그리고 보강재 층(P)을 고려하였으며 극한하중에 이를 때까지의 부착거동과 파괴 형태에 대한 고찰을 수행하였다.
일반적으로 FRP로 보강된 콘크리트 부재의 보강 효과는 보강판의 강성, 두께, 보강길이 등의 변수에 따라 구조적 거동을 달리하지만, 특히 FRP와 콘크리트의 부착성능에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다[1(M2]. 하지만, 대부분의 FRP 보강에 관한 연구가 기존의 구조보강재로 사용되어 왔던 탄소섬유 및 유리섬유 제품에 관한 연구에 국한되어 있으므로 본 연구에서는 신소재인 Basalt 섬유의 보강재로서의 성능을 규명하기 위한 기초연구의 일환으로서, 콘크리트와 섬유간의 부칙 거동에 관하여 연구하고자 한다. Basalt 섬유쉬트(Basalt fiber sheet)를 보강 길이와 면적, 보강재 층수를 변수로 부착하여 부착인장실험을 하였고, 부착파괴거동과 이에 영향을 미치는 주요 인자들에 대하여 연구를 수행하였다.
제안 방법
(5) 측정된 변형률을 활용하여 유효부착길이를 산정하였으며 이를 활용하여 유효부착강도를 계산하였다. 유효 부착 강도는 탄소섬유 등과 대등한 수준을 나타났으나 전체부착면적에 대하여 유효부착면적의 비율은 탄소섬유 등에 비하여 작은 것으로 나타났다.
Basalt 섬유보강재의 부착강도를 측정하기 위하여 2, 000 kN 용량의 UTM시험기를 사용하였고, JL자 모양의 철물을 제작하여 콘크리트 블록을 고정시킴과 동시에 인장력 작용 시 쉬트와의 편심 발생으로 인한 오차를 최소화하기 위하여 Fig. 4와 같이 쉬트의 부착면과 작용점이 일직선이 되도록 하였다. 하중가력은 5mm/min 속도로 일정하게 하였다.
하지만, 대부분의 FRP 보강에 관한 연구가 기존의 구조보강재로 사용되어 왔던 탄소섬유 및 유리섬유 제품에 관한 연구에 국한되어 있으므로 본 연구에서는 신소재인 Basalt 섬유의 보강재로서의 성능을 규명하기 위한 기초연구의 일환으로서, 콘크리트와 섬유간의 부칙 거동에 관하여 연구하고자 한다. Basalt 섬유쉬트(Basalt fiber sheet)를 보강 길이와 면적, 보강재 층수를 변수로 부착하여 부착인장실험을 하였고, 부착파괴거동과 이에 영향을 미치는 주요 인자들에 대하여 연구를 수행하였다. Fig.
부착길이(L)는 30cm를 기준으로 ±10cm씩 하였으며, 부착폭(B)은 10cm를 기준으로하여 변화를 주었다. 각 변수에 대하여 보강재의 층(P)수는 1겹과 2겹으로 하였다.
활용될 수 있을 것으로 판단된다. 부착길이와 폭, 그리고 보강재 층수를 변수로 부착실험을 수행하였으며 이로부터 얻어진 결론을 다음과 같이 정리하였다.
실험변수로는 Basalt 섬유쉬트 보강재의 보강길이 (L), 보강폭(B) 그리고 보강재 층(P)을 고려하였으며 극한하중에 이를 때까지의 부착거동과 파괴 형태에 대한 고찰을 수행하였다.
부착과정에서 발생할 수 있는 기포들은 최대한 제거하였으며 완성된 시험체는 2주 동안 실험실 조건에서 양생하였다. 제작된 시험체에는 작용인장력의 증가에 따른 Basalt 섬유쉬트의 변형률 분포를 측정하기 위하여 콘크리트 단 부지 점으로 부터 2cm, 5cm, 10cm, 15cm, 25cm, 35cm, 40cm 등의 간격으로 변형률 게이지를 부착하였으며 Fig. 3에 나타난 바와 같다.
대상 데이터
Basalt 섬유쉬트의 부착을 위한 콘크리트 시편은 20x20x 40cm의 크기를 가지며 Fig. 2에 시편의 형상과 제작된 시험체를 나타내었다.
본 연구에 사용된 재료는 러시아에서 생산된 Basalt 섬유쉬트로서 단위 섬유가 아닌 sheet 형태로 직조된 것을 사용하였다. Basalt 암석은 약 1, 25O~1, 35O℃에서 백금-로듐 (platinum-rhodium) 도가니에서 녹여졌고 직조에 사용된 섬유의 직경은 약 20# 이하이다.
성능/효과
(1) 부착시험 결과 주로 부착폭이 큰 경우 계면파괴보다는 rip-off 파괴형태가 나타나 파괴형태에 미치는 영향은 부착 길이 보다는 부착폭이 더 큰 것으로 나타났다. 보강 겹 수가 2겹이고 부착면적이 300cm2로 동일한 경우, 부착 폭과 부착 길이에 대한 부착단면의 형상비가 다른 경우 폭이 넓고 부착 길이가 짧은 경우에 np-off 파괴형태가 나타났다.
(2) 부착강도의 경우에서도 부착길이보다는 부착폭이 강도에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났는데, 부착폭이 10cm 로 일정한 경우 부착길이가 증가할수록 부착강도는 오히려 감소하는 경향을 나타내었다.
(3) 보강재 층수가 1겹 보다는 2겹 인 경우에 부착 강도가 다소 증가하여 보강층수가 2겹 이상인 경우가 부착 성능을 위하여 유리한 것으로 나타났다. 하지만, 이러한 경우 주된 파괴 형태가 계면박리의 형태를 나타내어 이에 대한 보완이 필요한 것으로 사료된다.
(4) 보강재에 부착한 변형률게이지로부터 얻어진 파괴 시의 극한변형률은 Basalt 섬유쉬트 자체의 극한변형률보다 작았는데 이는 부착을 위해 사용한 에폭시 등의 이유로 인하여 강성의 증가가 그 이유인 것으로 판단된다. 또한 부착 길이에 걸쳐 비례하게 중가하지 않는 것으로 나타났다.
8배 정도 증가한 값을 나타내었다. 또한 부착면적이 300cm2로 동일한 경우, 10B30L2P와 15B20L2P 시험체 군의 부착강도의 증가량이 유사하였고, 부착 폭에 상관없이 부착길이가 40cm로 일정한 시험체 군의 부착 강도 증가량이 유사한 것으로 나타났다. 그러나 두 겹으로 보강된 시험체 중에서 Fig.
이는 Basalt 섬유 또는 섬유쉬트를 에폭시를 사용하여 콘크리트 표면에 부착한 경우의 인장거동 특성에 원인이 있을 것으로 판단된다. 또한 비록 한정된 개수의 실험결과 및 동일하지 못한 조건에서의 실험 결과를 통하여 얻어진 값이지만 유효부착길이에 따른 Basalt 섬유쉬트의 콘크리트에 대한 유효부착강도는 탄소섬유의 경우와 비교하여 비슷한 범위를 나타내는 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 Basalt 섬유쉬트를 콘크리트 구조물의 보강재로 사용하고자 할 경우 단순히 부착 길이를 증가하는 것이 부착강도의 증가를 기대할 수는 없음을 알 수 있다.
따라서 계면박리파괴된 시험체의 경우, 후기 하중에서의 변형률 거동은 부착상태의 거동이 아니며, 보강재만의 변형으로 볼 수 있다. 모든 시험체에서 Basalt 섬유쉬트의 극한변형률인 2.6%에 미치기 전에 시험체의 파괴가 발생하였으며, 특히 보강재파단의 파괴 형태를 나타난 시험체의 경우 섬유쉬트에 에폭시 도포 등으로 인하여 섬유쉬트의 강성이 증가함에 따라 극한 인장변형률이 다소 감소한 것으로 판단된다.
보강 겹 수가 2겹이고 부착면적이 300cm2로 동일한 경우, 부착 폭과 부착 길이에 대한 부착단면의 형상비가 다른 경우 폭이 넓고 부착 길이가 짧은 경우에 np-off 파괴형태가 나타났다.
Basalt 섬유의 역힉"적인 특성은 백금노즐의 설계 및 방사조건 조절 기술에 크게 좌우되는데, 본 실험에 사용된 Basalt 섬유의 화학조성을 Table 1에 나타내었으며 Table 2는 섬유의 역학적 성질을 탄소섬유 및 유리섬유의 강도와 함께 비교하고 있다. 본 실험에 사용된 Basalt 섬유는 일반적인 탄소섬유나 유리섬유에 비하여 그 역학적 특성이 상대적으로 일반적인 값에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이는 러시아의 Basalt 섬유의 낙후한 방사방법에 기인한 것으로 판단된다.
이는 앞 절에서 분석한 바와 마찬가지로 부착길이는 부착 강도에 미치는 영향이 상대적으로 적은 것으로 해석된다. 부착면적이 200cm2인 10B20L2P와 05B40L2P 시험체 군과 300cm2인 10B30L2P와 15B20L2P 시험체 군을 각각 비교하였을 경우에도 마찬가지로 부착길이가 짧고 부착폭이 넓은 시험체 군의 부착강도가 더 큰 것으로 나타났다. 이것은 부착 길이가 짧을 경우 부착응력의 전달이 전면적에서 이루어지지만, 부착길이가 길어질 경우 부착단부로부터 일정한 구간 이상에서는 하중에 대해 저항하지 않는 구간, 즉 유효 길이가 존재하기 때문인 것으로 판단된다.
유효 부착 강도는 탄소섬유 등과 대등한 수준을 나타났으나 전체부착면적에 대하여 유효부착면적의 비율은 탄소섬유 등에 비하여 작은 것으로 나타났다.
여기서 부착강도는 측정된 파괴하중을 부착면적으로 나눈 값을 의미한다. 전체적으로 부착 파괴하중은 부착 폭과 부착길이가 증가할수록, 보강층을 2겹으로 할수록 커지는 경향을 보였고, 2겹으로 보강한 시험체의 부착강도는 1겹의 경우보다 약 1.4배~2.8배 정도 증가한 값을 나타내었다. 또한 부착면적이 300cm2로 동일한 경우, 10B30L2P와 15B20L2P 시험체 군의 부착강도의 증가량이 유사하였고, 부착 폭에 상관없이 부착길이가 40cm로 일정한 시험체 군의 부착 강도 증가량이 유사한 것으로 나타났다.
후속연구
이 연구에서는 장기공용성을 요구하는 철도시설물에 있어 많은 비중을 차지하고 있는 콘크리트구조물의 보수보강을 위하여 상기의 목적을 달성하기에 적합한 재료로서 Basalt 섬유를 활용한 구조보강재의 콘크리트와의 부착 거동에 대하여 고려하였으며, 국내에서 아직 도입하여 적용한 예가 많지 않기 때문에 이 연구의 결과는 향후 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 부착길이와 폭, 그리고 보강재 층수를 변수로 부착실험을 수행하였으며 이로부터 얻어진 결론을 다음과 같이 정리하였다.
저하 등이 포함된다. 이러한 성능 저하된 구조물에 대하여 적절한 시기에 적절한 기법을 활용하여 보수보강을 실시함으로써 원래의 성능을 유지하거나 향상시키는 것이 구조물의 생애주기 동안 좀 더 경제적인 방법이 될 것이다. 지난 20여 년 간, 콘크리트 구조물을 보강하기 위하여 사용되어왔던 강판접합공법은 검증된 보강효과와 시공성 때문에 실 구조물에 폭 넓게 적용되어 왔지만[1-3] 재료의 취급과 과도한 자중으로 인한 시공 상의 문제, 온도변화, 부식과 같은 내구성의 문제점 등이 노출되었고, 최근에는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등의 섬유강화 복합소재 (Fiber Reinforced Polymer, FRP)를 이용한 보강공법의 사용이 낮은 운송비용, 취급의 용이, 빠르고 간편한 시공성, 우수한 내구성 때문에 지속적으로 증가되어 왔다[4-7].
참고문헌 (16)
심종성, 홍영균, 최완철, 황의승, 이차돈, 배인환, 박성재(1995), "강판 및 탄소섬유sheet로 보강된 R/C보의 피로거동에 관한 연구," 한국콘크리트학회 봄 학술발표회 논문집, 제7권, 1호, pp.319-324
심종성, 배인환, 박성재(1996), "손상된 R/C보의 보강 후 피로거동에 관한 실험적 연구," 대학토목확회 논문집, 제16권, 제 I-2호, 대한토목학회, pp.135-142
백승덕(2000), "강판과 탄소섬유를 이용한 부착식 보강공법의 조기탈락방지공법 연구," 아주대학교 대학원 학위논문
임동국(1997), "탄소섬유시트로 보강한 철근콘크리트 보의 전단 거동에 관한 실험연구," 한양대학교 대학원 학위논문
De Lorenzis, L., Miller, B. and Nanni, A.(2001), "Bond of Fiber-Reinforced Polymer Laminates to Concrete," ACI Materials Journal, American Concrete Institute, Vol. 98, No. 3, pp.256-262
Nakaba, L., Kanakubo, T., Furuta, T. and Yoshizawa, H.(2001), "Bond Behavior between Fiber-Reinforced Polymer Laminates and Concrete," ACI Structural Journal, American Concrete Institute, Vol. 98, No.3, pp.359-367
Sim, J., Park., C. and Moon, D. Y.(2005), "Characteristics of Basalt Fiber as a Strengthening Material for Concrete Structures," Composite Part B: Engineering, Elsevier, Vol. 36, pp. 504-512
BASALT 섬유를 활용한 콘크리트 구조물의 보강기술 개발 (2002), 한국건설기술연구원
프리믹스형 보수재료를 적용한 R/C 구조물의 보수 및 섬유보강공법 개발(1999), 건설교통부
최기선, 류화성, 최근도, 이한승, 유영찬, 김긍환(2001), "탄소섬유쉬트로 보강된 RC보의 휨 부착성능에 관한 실험적 연구," 한국콘크리트학회 가을 학술발표회 논문집, pp.997-1002
유영준 조정래, 정우태, 박종섭, 박영환 (2003). "콘크리트 표면처리와 CFRP 단부정착 방법에 따른 부착특성실험," 한국콘크리트학회 봄 학술발표회 논문집, pp.579-584
Chajes, M. J., Finch, Jr., W. W., Januszka, T. F. and Thomson Jr., T. A.(1996), "Bond and Force Transfer of Composite Material Plates Bonded to Concrete," ACI Structural Journal, American Concrete Institute, Vol 93, No. 2, pp.208-217
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