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문제 정의
- 게다가, 이러한 지속하중을 받은 보강보의 지속하중이 제거되고 난 후의 변형 회복 및 잔존강도에 대한 연구 또한 부족한 실정이다. 본 논문에서는 현재 보수 보강에 가장 대표적으로 사용되고 있는 탄소섬유 (Carbon Fiber Reinforced Polymer, 이하 CFRP)와 유리섬유(Glass Fiber Reinforced Polymer, 이하GFRP) Plate를 사용하여 외부 보강한 철근콘크리트 보의 지속하중에 대한 거동을 파악하고 지속하중이 제거되고 난 이후의 잔존 강도 및 변형 회복을 파악하고자 한다.
- 본 연구에서는 지속하중을 받은 CFRP와 GFRP로 외부 부착 보강된 철근콘크리트 보의 장기 거동에 대하여 실험적 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 실험체의 전체 길이는 2700mm이며, 순지간 길이는 2400mm로 제작 하였다. FRP로 외부 부착 보강한 실험체의 휨 파괴를 유도하고 압축파괴를 방지하기 위하여 인장철근보다 압축부의 철근량이 많도록 제작하였으며 압축철근을 H13, 인장철근으로는 H10을 배근하였다. 또한 전단파괴를 방지하기 위하여 100mm간격으로 H10철근을 배근하였으며 전체적인 실험체의 형상은 Fig.
- 약 60일간의 처짐 및 변형 회복을 관찰한 후에 잔존 내력 평가를 위해 정적 재하 시험을 실시하였다. Universal Testing Machine(UTM)을 이용하여 실험체에 4점 재하를 실시하였으며, 1mm/min의 재하속도로 실험을 수행하였다. 복합섬유의 종류를 고려한 장기거동 위하여 25kN의 지속하중을 재하 하였습니다.
- 2와 같이 인장 철근과 압축철근에 각 2개씩의 스트레인게이지를 부착하였으며, 보강된 탄소섬유 및 유리섬유의 길이방향에 대한 응력분포의 변화를 파악하기 위하여 스트레인 게이지를 300mm 간격으로 부착하였다. 또한, 보의 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 보 중앙부 하면에 다이얼게이지(Dial-Gauge)를 설치하였다. 이렇게 설치한 센서로부터 나오는 데이터는 매일 일정하게 한번씩 TC-31K(데이터 로거)로 획득하고, 컴퓨터를 이용하여 데이터를 정리하였다.
- 변형회복 실험을 위해 약 550일 이후에 모든 하중을 제거하였으며 약 60일간의 중앙부 처짐, 철근변형률, FRP의 변형률을 매일 측정하였다. 일반적으로 지속하중이 제거되면 일정량의 변형이 즉시 회복되는데, 이를 즉시변형 회복 이라 부른다.
- 복합섬유의 종류를 고려한 장기거동 위하여 25kN의 지속하중을 재하 하였다. 보강된 실험체에서의 압축철근, 인장철근 및 복합섬유(탄소섬유, 유리섬유)의 변형률을 측정하기 위하여 Fig. 2와 같이 인장 철근과 압축철근에 각 2개씩의 스트레인게이지를 부착하였으며, 보강된 탄소섬유 및 유리섬유의 길이방향에 대한 응력분포의 변화를 파악하기 위하여 스트레인 게이지를 300mm 간격으로 부착하였다. 또한, 보의 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 보 중앙부 하면에 다이얼게이지(Dial-Gauge)를 설치하였다.
- 복합섬유의 종류를 고려한 장기거동 위하여 25kN의 지속하중을 재하 하였다. 보강된 실험체에서의 압축철근, 인장철근 및 복합섬유(탄소섬유, 유리섬유)의 변형률을 측정하기 위하여 Fig.
- 약 60일간의 처짐 및 변형 회복을 관찰한 후에 잔존 내력 평가를 위해 정적 재하 시험을 실시하였다. Universal Testing Machine(UTM)을 이용하여 실험체에 4점 재하를 실시하였으며, 1mm/min의 재하속도로 실험을 수행하였다.
- K.은 총9개의 RC보를 제작하여 6개의 실험체에 GFRP로 외부부착 보강을 하고 약 2년간 지속하중을 가하였으며, 수정 유효탄성계수법과 유효탄성계수법을 사용하여 장기처짐을 예측하였다. 실험결과, FRP보강 비율이 높은 실험체가 가장 적은 장기 처짐을 보였으며 특히 사용하중보다 작은 하중에서는 FRP가 처짐에 있어서 미치는 영향이 작은 것으로 나타내었다(Tan K.
- 또한, 보의 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 보 중앙부 하면에 다이얼게이지(Dial-Gauge)를 설치하였다. 이렇게 설치한 센서로부터 나오는 데이터는 매일 일정하게 한번씩 TC-31K(데이터 로거)로 획득하고, 컴퓨터를 이용하여 데이터를 정리하였다. Fig.
- 지속하중인 25kN은 탄성범위 내에 있기 때문에 하중-처짐 그래프의 초기강성은 매우 선형적으로 나타났습니다. 장기 거동 실험과 동일한 위치에서의 처짐, 철근 변형률, FRP변형률을 측정하였으며, 보의 지간 중앙에 LVDT를 설치하여 중앙부의 처짐을 측정하였다. 이때의 데이터는 EDX-1500A(데이터 로거)로 받아들여 컴퓨터를 이용하여 데이터를 정리하였다.
- 지속하중을 재하한 후 인장철근, 압축철근, FRP의 변형률을 측정하였다. 시간경과에 따른 각 실험체의 인장철근과 압축철근 변형률의 변화량은 Fig.
- 처짐 및 변형 회복 실험을 위하여 약 550일 이후 하중을 제거하여 매일 지간 중앙에서의 처짐과 철근 변형률, FRP의 변형률을 측정하였다.
대상 데이터
- FRP로 외부 부착 보강한 실험체의 장기거동 평가를 위한 실험체는 총 3개로서 Table 1에 나타내었으며, FRP 보강실험체는 폭 50mm의 FRP plate 1매로 순지간의 90%인 2160mm에 보강을 하였다. CFRP로 보강된 실험체는 LCS90-1, GFRP로 보강된 실험체는 LGS90-1를 나타내며, 보강 실험체와의 비교를 위하여 무보강실험체 한 개를 제작하였다.
- FRP로 외부 부착 보강한 실험체의 장기거동 평가를 위한 실험체는 총 3개로서 Table 1에 나타내었으며, FRP 보강실험체는 폭 50mm의 FRP plate 1매로 순지간의 90%인 2160mm에 보강을 하였다. CFRP로 보강된 실험체는 LCS90-1, GFRP로 보강된 실험체는 LGS90-1를 나타내며, 보강 실험체와의 비교를 위하여 무보강실험체 한 개를 제작하였다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준강도는 24MPa을 기준으로 하고, 타설시 100×200mm 공시체 몰드에 콘크리트를 취득하여 압축강도 시험을 위한 공시체를 각 실험체별로 3개씩 제작하였다.
- 지속하중을 재하하기 위한 FRP 외부 부착 보강 실험체는 200×300mm의 단면을 가지고 있으며 모든 피복두께를 30mm로 하였다. 실험체의 전체 길이는 2700mm이며, 순지간 길이는 2400mm로 제작 하였다. FRP로 외부 부착 보강한 실험체의 휨 파괴를 유도하고 압축파괴를 방지하기 위하여 인장철근보다 압축부의 철근량이 많도록 제작하였으며 압축철근을 H13, 인장철근으로는 H10을 배근하였다.
- 장기 거동 실험과 동일한 위치에서의 처짐, 철근 변형률, FRP변형률을 측정하였으며, 보의 지간 중앙에 LVDT를 설치하여 중앙부의 처짐을 측정하였다. 이때의 데이터는 EDX-1500A(데이터 로거)로 받아들여 컴퓨터를 이용하여 데이터를 정리하였다.
- 장기거동 실험을 위해 사용된 철근은 H13의 압축철근, H10의 인장철근과 스트럽을 사용하였다. 직접 인장시험 결과를 이용하여 구한 인장강도, 항복강도, 탄성계수로 Table 3에 나타내었다.
- 지속하중을 재하하기 위한 FRP 외부 부착 보강 실험체는 200×300mm의 단면을 가지고 있으며 모든 피복두께를 30mm로 하였다.
- 철근 콘크리트보를 외부 부착 보강하기 위해 사용된 FRP는 1방향 FRP를 사용하였으며. CFRP 와 GFRP 각 1매의 Plate를 사용하여 보강하였다.
이론/모형
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준강도는 24MPa을 기준으로 하고, 타설시 100×200mm 공시체 몰드에 콘크리트를 취득하여 압축강도 시험을 위한 공시체를 각 실험체별로 3개씩 제작하였다. 또한 KSF 2405(콘크리트 압축강도 시험방법)에 의하여 재령 28일에 압축강도시험을 실시하여 평균값을 구하였다. 콘크리트 재료의 물성은 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 지속하중 하에서 FRP가 외부부착된 철근콘크리트 보의 장기처짐 및 즉시 처짐을 비교해본 결과, CFRP plate와 GFRP plate로 보강된 실험체들이 무보강 실험체 보다 장기적으로 우수한 사용성을 갖는 것으로 판단된다.
- 2) 장기거동 실험결과, LGS90-1 실험체는 표준 실험 체보다 4% 적은 처짐량을, LCS90-1 실험체는 표준실험체 보다 14% 적은 처짐량을 나타냈다. FRP 외부부착 보강은 무보강 실험체 보다 즉시 처짐을 제어하는 측면으로는 매우 효율적이나, 즉시하중을 제거한 시간의존하중 측면에서는 비효율적인 것으로 나타났다.
- 9은 시간경과에 따른 FRP의 변형률 변화를 나타낸다. 25kN의 지속하중을 재하한 직후의 변형률을 비교해본 결과 CFRP plate보강 실험체인 LCS90-1이 GFRP plate 보강실험체인 LGS90-1보다 약 51%의 적은 변형률을 나타냈고 즉시 변형을 배제한 시간의존 변형을 비교해 본 결과 LCS90-1이 LGS90-1보다 약 10%의 작은 변형률 값을 나타냈다. 모든 FRP의 변형률은 약 180일 이후부터 감소하기 시작했으며 300일 이후에 다시 증가하는 경향을 보였다.
- 3) 변형회복 실험결과, 무보강 실험체는 즉시 변형량이 즉시변형 회복량보다 큰 결과를 보인 반면, FRP 보강 실험체는 즉시변형 회복량이 즉시 변형량보다 큰 결과를 보였다. 또한, 즉시변형 회복량은 즉시 변형량과 비례관계가 있는 것으로 나타났다.
- 4) 잔존강도 실험 결과, CFRP로 보강된 실험체인 LCS90-1은 21%, GFRP로 보강된 실험체인 LGS90-1은 7% 높은 내하력을 보였다. LCS90-1과 LGS90-1을 서로 비교해 보았을 때 LCS90-1이 15% 높은 큰 내력을 가지고 있는 것으로 나타났으며 지속하중에 의한 부착성능 및 잔존내력에는 영향이 없었던 것으로 판단된다.
- 8에 나타난 바와 같이, FRP로 보강된 실험체가 비보강 실험체보다 더욱 큰 압축 변형을 보였다. 550일 동안의 최대 변형률만을 비교해 보았을 때, LCS90-1은 표준실험체 보다 약 22%, LGS90-1은 약 35%의 큰 변형률의 차이를 보였다.
- 탄소섬유로 보강한 LCS90-1실험체가 표준실험체 보다 약 35%의 적은 초기 처짐을 나타냈다. FRP 외부 부착 보강은 무보강 실험체보다 사용성 측면으로 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- 2) 장기거동 실험결과, LGS90-1 실험체는 표준 실험 체보다 4% 적은 처짐량을, LCS90-1 실험체는 표준실험체 보다 14% 적은 처짐량을 나타냈다. FRP 외부부착 보강은 무보강 실험체 보다 즉시 처짐을 제어하는 측면으로는 매우 효율적이나, 즉시하중을 제거한 시간의존하중 측면에서는 비효율적인 것으로 나타났다.
- 4는 25kN의 지속하중을 재하한 후 즉시 발생하는 초기 처짐량에 대해 나타낸 그래프이다. FRP로 보강된 실험체들은 표준 실험체에 비하여 초기 처짐량이 작게 나타났으며, 유리섬유보다 우수한 재료적 장점을 지닌 탄소섬유를 보강한 LCS90-1 실험체가 유리섬유를 보강한 LGS90-1 실험체 보다 작은 초기 처짐량을 나타냈다.
- 이는 상대적으로 낮은 탄성계수를 지닌 GFRP의 재료적 특성 때문으로 판단된다. Fig. 13와 Fig. 14에나타난 바와 같이, 지간 중앙부에서 휨 균열이 발생하였고 이것으로 인해 최초 보강체와콘크리트 계면에서의 계면박리(interface debonding)파괴가 발생되는 것을 관찰할 수 있었으며 초기 박리현상이 발생된 이후 급작스런 단부로의 박리 진행이 발생되면서 매우 취성적인 파괴양상을 보이는 것으로 나타났습니다.
- 8과 같다. Fig. 7에 나타난바와 같이 인장철근의 즉시 변형률을 비교해보면, CFRP plate로 보강된 실험체인 LCS90-1이 가장 우수한 성능을 보였으며 표준실험체인 SNF보다 약 63%의 적은 변형률을 나타내었다. 하지만 이러한 즉시변형률을 제외하고 시간의존 변형률만을 비교해보면 모든 실험체간의 커다란 차이는 발견되지 않았다.
- 4) 잔존강도 실험 결과, CFRP로 보강된 실험체인 LCS90-1은 21%, GFRP로 보강된 실험체인 LGS90-1은 7% 높은 내하력을 보였다. LCS90-1과 LGS90-1을 서로 비교해 보았을 때 LCS90-1이 15% 높은 큰 내력을 가지고 있는 것으로 나타났으며 지속하중에 의한 부착성능 및 잔존내력에는 영향이 없었던 것으로 판단된다.
- 즉시변형 회복량을 제외한 순수한 변형 회복량만을 비교해본 결과, 가장 많은 장기 변형을 일으킨 실험체의 순수 변형 회복량 역시 큰 것을 알 수 있었다. SNF, LCS90-1, LGS90-1 실험체 중에서 표준 실험체인 SNF가 가장 큰 장기 변형을 보였으며 가장 큰 장기변형 회복을 보였다. 반대로 가장 적은 장기변형을 보인 LCS90-1 실험체는 가장 작은 장기변형 회복을 보였다.
- GFRP의 박리 변형률은 6236μm이며 극한변형률의 25%이다. 따라서 CFRP와 GFRP는 최대 성능을 발휘하지 못하고 부착파괴를 일으켰으며 재료적인 측면으로 볼 때는 GFRP가 CFRP보다 효율적임이 나타났다. 이는 상대적으로 낮은 탄성계수를 지닌 GFRP의 재료적 특성 때문으로 판단된다.
- GFRP plate가 인장력의 상당부분을 저항할 수 없기 때문에 철근이 전체 거동을 지배한 것으로 사료된다. 또한 CFRP와 GFRP로 보강된 실험체의 경우, CFRP와 GFRP로 보강된 실험체는 무보강 실험체보다 적은 평균균열간격이 나타났다. 실험체별 균열개수와 최대균열간격 및 평균균열간격은 Table 5에 나타내었으며, 표준실험체인 SNF실험체의 파괴양상은 인장철근의 항복이후 콘크리트 압축부의 파쇄에 의한 전형적인 휨파괴 양상을 보이는 것으로 나타났으며, CFRP plate로 보강된 LCS90-1 또는 LGS90-1실험체는 모두 부착파괴가 발생하였다.
- 따라서 지속하중에 따른 장기처짐은 철근의 영향이 지배적인 것으로 판단되어 집니다. 또한, Fig. 6에 나타난 바와 같이 표준실험체인 SNF실험체는 약 200일 이후에 수렴을 시작하는 경향을 나타내었으나 탄소섬유와 유리섬유로 보강된 실험체인 LCS90-1과 LGS90-1 시간경과와 함께 지속적으로 증가하는 양상을 나타내었다. 장기처짐 마지막일인 550일을 기준으로 처짐을 비교해본 결과 LGS90-1 실험체는 표준실험체보다 4% 적은 처짐량을, LCS90-1 실험체는 표준실험체보다 14% 적은 처짐량을 나타내었다.
- GFRP plate가 적은량의 인장력 부담을 하긴 하지만 주된 인장 거동을 지배하는 것은 철근인 것으로 사료된다. 또한, 장기처짐에서 즉시처짐을 제외한 시간의존 처짐만을 비교해 본 결과 모든 실험체간의 처짐의 차이는 크지 않았다. 이것으로 GFRP plate가 적은량의 인장력 부담을 하긴 하지만 주된 인장 거동을 지배하는 것은 철근인 것으로 보인다.
- 3) 변형회복 실험결과, 무보강 실험체는 즉시 변형량이 즉시변형 회복량보다 큰 결과를 보인 반면, FRP 보강 실험체는 즉시변형 회복량이 즉시 변형량보다 큰 결과를 보였다. 또한, 즉시변형 회복량은 즉시 변형량과 비례관계가 있는 것으로 나타났다.
- 25kN의 지속하중을 재하한 직후의 변형률을 비교해본 결과 CFRP plate보강 실험체인 LCS90-1이 GFRP plate 보강실험체인 LGS90-1보다 약 51%의 적은 변형률을 나타냈고 즉시 변형을 배제한 시간의존 변형을 비교해 본 결과 LCS90-1이 LGS90-1보다 약 10%의 작은 변형률 값을 나타냈다. 모든 FRP의 변형률은 약 180일 이후부터 감소하기 시작했으며 300일 이후에 다시 증가하는 경향을 보였다. 이는 실험실 공간의 제약 때문에 외부에 설치된 실험체의 온도변화 때문으로 추측된다.
- 그 외의 표시되지 않은 균열은 실험 마지막 날에 표시된 균열을 나타낸다. 모든 실험체에서 균열의 개수는 각각 13~14개의 균열이 발생하였으나 균열의 길이는 각각 다르게 나타났다. 재료적으로 우수한 CFRP plate로 보강된 LCS90-1 실험체는 최대 균열길이가 18cm인 반면 SNF와 LGS90-1 실험체의 최대 균열 길이는 각각 21cm와 23cm로 나타났다.
- GFRP plate로 보강한 실험체인 LGS90-1은 외부 부착 보강을 했음에도 불구하고 커다란 보강효과를 보이지 않았는데, 이는 탄성계수의 차이 때문인 것으로 판단된다. 모든 실험체의 인장철근 변형률 및 압축철근 변형률은 약 150일 까지는 증가하는 것으로 나타났으나 300일 까지는 다시 감소하는 경향을 보였고 다시 300일 이후에 증가하는 경향을 보였다. 이는 온도에 따라 그리고 데이터를 수집하는 시간에 따라 차이를 보여 온도에 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 10는 시간 경과에 따른 온도의 변화를 나타낸다. 모든 실험체의 처짐, FRP변형률, 철근변형률은 온도에 따라 변형률의 변화가 나타났다.
- 16에 나타내었다. 무보강 실험체인 SNF와 비교를 했을때, CFRP보강 실험체인 LCS90-1은 21%, GFRP보강 실험체인 LGS90-1는 7%높은 내하력은 보였다. LCS90-1과 LGS90-1을 서로 비교해 보았을때 LCS90-1이 15%높은 내하력을 보였다.
- SNF, LCS90-1, LGS90-1 실험체 중에서 표준 실험체인 SNF가 가장 큰 장기 변형을 보였으며 가장 큰 장기변형 회복을 보였다. 반대로 가장 적은 장기변형을 보인 LCS90-1 실험체는 가장 작은 장기변형 회복을 보였다. 따라서, 장기변형 회복은 장기변형에 비례한다는 것을 알 수 있었다.
- 장기거동 실험 첫날, SNF 실험체에 있어서 최대 20cm의 균열이 발생했으며 LCS90-1실험체에서는 최대 10cm길이의 균열이 발생했다. 실험 둘째 날, LCS90-1 실험체의 균열은 최대 13cm 까지 진전 했다. Fig.
- 은 총9개의 RC보를 제작하여 6개의 실험체에 GFRP로 외부부착 보강을 하고 약 2년간 지속하중을 가하였으며, 수정 유효탄성계수법과 유효탄성계수법을 사용하여 장기처짐을 예측하였다. 실험결과, FRP보강 비율이 높은 실험체가 가장 적은 장기 처짐을 보였으며 특히 사용하중보다 작은 하중에서는 FRP가 처짐에 있어서 미치는 영향이 작은 것으로 나타내었다(Tan K. H. and SaHa M. K., 2006).
- 약 550일간의 지속하중을 제하한 결과 전체적으로 CFRP plate로 보강된 실험체가 나머지 실험체보다 가장 적은 장기처짐을 나타내었다. Fig.
- 실험체별 균열개수와 최대균열간격 및 평균균열간격은 Table 5에 나타내었으며, 표준실험체인 SNF실험체의 파괴양상은 인장철근의 항복이후 콘크리트 압축부의 파쇄에 의한 전형적인 휨파괴 양상을 보이는 것으로 나타났으며, CFRP plate로 보강된 LCS90-1 또는 LGS90-1실험체는 모두 부착파괴가 발생하였다. 장기 지속하중을 받은 실험체는 모두 단기 성능 실험을 수행한 실험체보다 강성과 최대하중이 증가하는 것으로 나타났다.
- 6에 나타난 바와 같이 표준실험체인 SNF실험체는 약 200일 이후에 수렴을 시작하는 경향을 나타내었으나 탄소섬유와 유리섬유로 보강된 실험체인 LCS90-1과 LGS90-1 시간경과와 함께 지속적으로 증가하는 양상을 나타내었다. 장기처짐 마지막일인 550일을 기준으로 처짐을 비교해본 결과 LGS90-1 실험체는 표준실험체보다 4% 적은 처짐량을, LCS90-1 실험체는 표준실험체보다 14% 적은 처짐량을 나타내었다. GFRP로 보강한 실험체 LGS90-1과 표준실험체 SNF와는 큰 차이를 보이지 못했는데 이는 철근의 탄성계수보다 작은 GFRP plate의 탄성계수 때문인 것으로 추정된다.
- 모든 실험체에서 균열의 개수는 각각 13~14개의 균열이 발생하였으나 균열의 길이는 각각 다르게 나타났다. 재료적으로 우수한 CFRP plate로 보강된 LCS90-1 실험체는 최대 균열길이가 18cm인 반면 SNF와 LGS90-1 실험체의 최대 균열 길이는 각각 21cm와 23cm로 나타났다. 이는 GFRP의 탄성계수가 철근보다 작기 때문으로 판단된다.
- 전체적인 변형률 그래프의 경향은 Fig. 10의 그래프와 유사한 경향을 보였으며 온도가 높을수록 변형은 증가하는 것으로 나타났다. 특히 실험체의 하면에 부착되어 있는 FRP가 온도의 영향에 더욱 민감하게 반응하였다.
- 이것은 실험체의 밑면에 보강된 FRP 때문인 것으로 추측된다. 즉시변형 회복량을 제외한 순수한 변형 회복량만을 비교해본 결과, 가장 많은 장기 변형을 일으킨 실험체의 순수 변형 회복량 역시 큰 것을 알 수 있었다. SNF, LCS90-1, LGS90-1 실험체 중에서 표준 실험체인 SNF가 가장 큰 장기 변형을 보였으며 가장 큰 장기변형 회복을 보였다.
- 탄소섬유로 보강한 LCS90-1실험체가 표준실험체 보다 약 35%의 적은 초기 처짐을 나타냈다. FRP 외부 부착 보강은 무보강 실험체보다 사용성 측면으로 우수하다는 것을 알 수 있었다.
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