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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내 생산된 FRP 보강근의 겹이음 길이와 보강근의 직경에 따른 휨거동 특성을 실험적으로 평가하였으며, 국내외에서 많이 적용되고 있는 ACI 440에서 제시하고 있는 겹이음 길이 기준과 비교하여 국내 재료에 대한 기준의 적용가능성 등을 분석하였다.
- 본 연구에서는 겹이음 길이에 따른 부재의 휨거동 특성을 평가하기 위하여 FRP bar를 적용한 콘크리트 보를 ACI 440의 기준에 따라 과보강단면으로 설계하였다. 이때 균형보강비는 식(1)과 같으며, 과보강단면 에 대한 보의 극한 휨강도는 식(2)와 같이 산정된다.
제안 방법
- 변형 율의 계측은 보의 인장보강근의 중앙과 겹이음부에 철근게이지를 부착하여 GFRP 휨 보강근의 변형율을 측정하였다. 또한 단면 깊이에 대한 콘크리트 변형율 분석을 위하여 보의 상면에서부터 4cm 간격으로 총 4개의 콘크리트 게이지를 부착하였다.
- 68의 값을 사용하였다. 변위계측은 100mm 용량의 변위계(LVDT)를 보 중앙부와 지점으로부터 l/6과 l/3 지점에 설치하여 처짐을 측정하였다. 변형 율의 계측은 보의 인장보강근의 중앙과 겹이음부에 철근게이지를 부착하여 GFRP 휨 보강근의 변형율을 측정하였다.
- 변위계측은 100mm 용량의 변위계(LVDT)를 보 중앙부와 지점으로부터 l/6과 l/3 지점에 설치하여 처짐을 측정하였다. 변형 율의 계측은 보의 인장보강근의 중앙과 겹이음부에 철근게이지를 부착하여 GFRP 휨 보강근의 변형율을 측정하였다. 또한 단면 깊이에 대한 콘크리트 변형율 분석을 위하여 보의 상면에서부터 4cm 간격으로 총 4개의 콘크리트 게이지를 부착하였다.
대상 데이터
- G3-10, G3-13, G2-16 및 G1-19 실험체는 총 2.4m의 길이 중 순지간 2.0m의 단순보 형식으로 거 치되었으며, 겹이음 길이를 둔 실험체는 총 3.0m 지 간에 순지간 2.7m로 실험체를 거치하였다.
- 따라서 본 연구에서는 Table 1에 나타낸 국내에서 시판중인 D사의 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer, 이하 GFRP) 보강근을 적용하여 실험체를 설계하였으며, 보강근의 겹이음 길이는 직경에 따라 최저 0.66#부터 최대 1.58#가 되도록 하였다. 이때 실험체단면에서 보강근간의 수평간격은 ACI 440에서 제시하고 있는 것과 같이 굵은 골재 최대치수보다 크도록 고려하였다.
- 적용된 FRP 보 강근은 표면이 유리섬유로 3차원으로 가공된(surface braided) D사의 제품으로 제조사에서 제시한 극한강 도 및 극한변형율은 Table 1에 정리하였다. 모든 실험체는 콘크리트 압괴에 의해서 파괴되는 과보강보로 설계되었으며, 평형보강비는 0.001689이다.
- 본 연구에서 제작된 보 실험체는 콘크리트 28일 압축강도 30MPa의 레미콘 제품을 사용하였으며, 굵은 골재 최대칫수는 20mm로 하였다. 스터럽은 항복강도 400MPa의 D10 철근을 사용하였다.
- 본 연구에서 제작된 보 실험체는 콘크리트 28일 압축강도 30MPa의 레미콘 제품을 사용하였으며, 굵은 골재 최대칫수는 20mm로 하였다. 스터럽은 항복강도 400MPa의 D10 철근을 사용하였다. 적용된 FRP 보 강근은 표면이 유리섬유로 3차원으로 가공된(surface braided) D사의 제품으로 제조사에서 제시한 극한강 도 및 극한변형율은 Table 1에 정리하였다.
성능/효과
- G1-19-1407 실험체의 경우는 최소겹이음 길이의 1.55배 겹이음된 실험체로서 기준실험체의 내하력보다 45%정도 크게 나타났으며, 강성 또한 거의 동일한 것으로 나타났다. 이는 ACI 440 기준에서 제시하고 있는 Class B의 기준인 보강근의 응력이 항복강도의 50%이상일 경우 요구되는 1.
- G3-10-442 실험체의 경우는 전형적인 휨파괴 형식을 나타내었으나, 균열의 개수와 균열간격은 겹이음 되지 않은 G3-10과 비교하여 현저히 작은 것으로 나타났다. G3-10-757, G3-10-820과 G3-946 실험체의 경우는 모두 가력점 내의 주균열에 의하여 실험체가 파괴되는 형태를 나타내었으며, 부분적으로 보강근 위치에서의 할렬파괴에 의한 수평균열이 관찰되었다. 보강근의 직경이 13mm이고 3개가 수평배근된 G3-13 계열 실험체의 파괴 형태 역시 G3-10 계열의 실험체와 유사한 파괴형태를 나타내었으며, 최종파괴 단계에서 가력지점 외부 겹이음부가 끝나는 지점에서 생성된 주균열에 의하여 파괴되었다.
- 5와 6에는 각 실험체별 모멘트-변위 곡선을 나타내었다. 거의 모든 실험체의 균열 하중은 보강량에 관계없이 20~25kN인 것으로 나타났으며, G3-10 계열 실험체의 경우에는 횡방향 균열에 의하여 겹이음 길이에 관계없이 기준실험체(G3-10) 이상의 강도를 발현하지 못하는 것으로 나타났다. 대부분의 실험체가 일정하중 증가후 보강근의 부착파괴 또는 겹이음부의 할렬파괴에 의하여 보강근의 슬립이 발생하면서 하중 이 감소하는 현상을 나타났다.
- 7과 8에 정리 하였으며, 보강근의 변형율은 실험체 중앙부의 변형율 을 의미하고 있다. 거의 모든 실험체의 변형율이 각 계열의 기준실험체보다 작게 나타났으며, G2-16과 G1-19 계열의 경우에는 겹이음 길이가 증가할수록 보강근의 변형율이 작아지는 것으로 나타나, 겹이음부 된 보강근 사이의 응력분산이 원활하게 되는 것으로 판단되었다.
- 거의 모든 실험체의 균열 하중은 보강량에 관계없이 20~25kN인 것으로 나타났으며, G3-10 계열 실험체의 경우에는 횡방향 균열에 의하여 겹이음 길이에 관계없이 기준실험체(G3-10) 이상의 강도를 발현하지 못하는 것으로 나타났다. 대부분의 실험체가 일정하중 증가후 보강근의 부착파괴 또는 겹이음부의 할렬파괴에 의하여 보강근의 슬립이 발생하면서 하중 이 감소하는 현상을 나타났다. G3-13실험체의 경우에는 전반적인 파괴형태는 G3-10 계열과 유사한 것으로 관찰되었다.
- 보강근의 직경이 13mm이고 3개가 수평배근된 G3-13 계열 실험체의 파괴 형태 역시 G3-10 계열의 실험체와 유사한 파괴형태를 나타내었으며, 최종파괴 단계에서 가력지점 외부 겹이음부가 끝나는 지점에서 생성된 주균열에 의하여 파괴되었다. 또한 보강근간의 수평간격 부족으로 인하여 부분적인 수평할렬균열이 관찰되었으며, 모든 실험체가 압괴파괴되는 양상을 나타내었다.
- 실험결과로부터 ACI 440 기준에서 제시하고 있는 Class B의 기준인 보강근의 응력이 항복강도의 50% 이상일 경우 요구되는 1.6#의 조건은 약간 보수적인 것으로 판단되며, 모멘트-변위관계에서 내하력의 측면에서는 전체적으로 겹이음길이가 1.3#이상인 경우에는 충분한 것으로 판단된다. 그러나 정확한 기준을 제시하기 위해서는 추가적인 실험과 해석이 필요한 것으로 판단된다.
- 이에 반하여 G2-16 계열과 G1-19 계열 실험체는 전체적으로 겹이음 길이가 최소 겹이음 길이의 1.3배 이상이 될 경우에는 강도가 기준실험체보다 높게 나타났으나, 강성의 경우에는 다른 경우와 같이 기준실험 체보다 낮게 나타났으며, 전체적으로 겹이음 길이가 증가할수록 강성은 증가하는 것으로 관찰되었다.
- 9에는 G2-16-687 실험체의 보강근의 위치에 따른 변형율을 표시하였다. 전체적으로 모든 실험체에서 겹이음부 끝단으로 갈수록 변형율이 작아지는 것으로 나타났으며, 하중의 증가에 따라 실험체 중앙부와 겹이음 끝단의 차이는 커지는 것으로 관찰되었다.
- 직경이 작은 실험체의 경우에는 대체적으로 겹이음 길이에 관계없이 기준실험체 이상의 강도를 발현하지 못하는 것으로 나타났으나, 직경이 큰 실험체의 경우에는 겹이음 길이가 최소겹이음 길이의 1.3배 이상이 될 경우에는 강도가 기준실험체보다 높게 나타났으나, 강성의 경우에는 다른 경우와 같이 기준실험체보다 낮게 나타났으며, 전체적으로 겹이음 길이가 증가할수록 강성은 증가하는 것으로 관찰되었다.
- 3# 이상인 경우에는 충분한 강도를 발휘하는 것으로 실험되었다. 특히 G1-19 실험체의 경우에는 1.0# 이상일 경우에도 충분한 내하력을 발휘하는 것으로 나타났으나, 겹이음 길이 증가에 따른 내하력의 증가 정도는 둔화되는 것으로 관찰되었다.
후속연구
- (7) 따라서 겹이음 길이는 탄성이론과 실험에 근거한 부착길이공식에 할증계수를 더하여 적용하고 있다.(5)(6) 그러나 이겹이음 길이에 관한 제안규정 등이 국외의 FRP보 강근과 실험결과들에 기초한 것이기 때문에 국내에서 제작된 FRP보강근의 겹이음 길이 산정에 적용하기에는 아직 충분한 실험결과 등이 확보되지 않은 상태이 기 때문에 보다 충분한 실험 및 해석을 통한 데이터의 확보가 선행되어야만 국외규정의 수정 또는 국내의 독자적인 겹이음 길이 규정이 제안될 수 있을 것이다.
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