콘크리트 환경과 고온의 복합환경이 FRP 보강근의 계면전단성능에 미치는 영향 The Combined Effect of Concrete Environment and High Temperature on Interlaminar Shear Strength of FRP Reinforcement원문보기
FRP 보강근의 화재 노출시 내구성능에 대한 연구들은 고온 노출이 인장성능에 미치는 영향에 대한 분석이 대부분을 차지한다. 그러나, 신설 구조물에 삽입된 FRP 보강근은 먼저 콘크리트 내에서 습윤환경 및 알칼리에 의한 성능저하가 발생하며, 이와 같은 FRP 보강 콘크리트 구조물에 화재가 발생하면, 보강근은 고온에 노출된다. 그러므로 화재에 의해 손상 받은 FRP 보강근의 평가시에는 콘크리트 환경과 고온에 의한 영향을 동시에 고려하여야 한다. 이 연구에서는 장기간동안 용액에 노출된 FRP 보강근에 $60^{\circ}C$, $100^{\circ}C$, $150^{\circ}C$ 및 $300^{\circ}C$의 온도를 가하고, 계면전단강도를 측정, 비교 하였다. 실험 결과에 따르면, 환경과 고온의 복합영향이 FRP 보강근의 역학적 특성에 미치는 영향이 환경만의 영향 또는 고온만의 영향 보다 큰 것으로 나타났다.
FRP 보강근의 화재 노출시 내구성능에 대한 연구들은 고온 노출이 인장성능에 미치는 영향에 대한 분석이 대부분을 차지한다. 그러나, 신설 구조물에 삽입된 FRP 보강근은 먼저 콘크리트 내에서 습윤환경 및 알칼리에 의한 성능저하가 발생하며, 이와 같은 FRP 보강 콘크리트 구조물에 화재가 발생하면, 보강근은 고온에 노출된다. 그러므로 화재에 의해 손상 받은 FRP 보강근의 평가시에는 콘크리트 환경과 고온에 의한 영향을 동시에 고려하여야 한다. 이 연구에서는 장기간동안 용액에 노출된 FRP 보강근에 $60^{\circ}C$, $100^{\circ}C$, $150^{\circ}C$ 및 $300^{\circ}C$의 온도를 가하고, 계면전단강도를 측정, 비교 하였다. 실험 결과에 따르면, 환경과 고온의 복합영향이 FRP 보강근의 역학적 특성에 미치는 영향이 환경만의 영향 또는 고온만의 영향 보다 큰 것으로 나타났다.
Most experimental studies on durability of FRP reinforcements subjected to high temperature have focused on the effect of high temperature only on tensile properties. But FRP reinforcement used in newly constructed concrete structure is first degraded by moisture and alkaline environment of concrete...
Most experimental studies on durability of FRP reinforcements subjected to high temperature have focused on the effect of high temperature only on tensile properties. But FRP reinforcement used in newly constructed concrete structure is first degraded by moisture and alkaline environment of concrete. When the structure is subjected to fire, the degraded FRP reinforcement is exposed to high temperature. Therefore, the effects of concrete environment and high temperature should be simultaneously considered for evaluation of FRP reinforcement damaged by fire. In this study, FRP reinforcements submerged in simulated solutions of pH 12.3 and 7 for extended period of time were subjected to temperatures of $60^{\circ}C$, $100^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, and $300^{\circ}C$ to be examined. In order to investigate the effect of the high temperature, interlaminar shear strengths were measured and compared to those of control ones. The experimental results demonstrated that the combined effect of concrete environment and high temperature on properties of FRP reinforcement was more significant than the effect of high temperature or concrete environment solely.
Most experimental studies on durability of FRP reinforcements subjected to high temperature have focused on the effect of high temperature only on tensile properties. But FRP reinforcement used in newly constructed concrete structure is first degraded by moisture and alkaline environment of concrete. When the structure is subjected to fire, the degraded FRP reinforcement is exposed to high temperature. Therefore, the effects of concrete environment and high temperature should be simultaneously considered for evaluation of FRP reinforcement damaged by fire. In this study, FRP reinforcements submerged in simulated solutions of pH 12.3 and 7 for extended period of time were subjected to temperatures of $60^{\circ}C$, $100^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, and $300^{\circ}C$ to be examined. In order to investigate the effect of the high temperature, interlaminar shear strengths were measured and compared to those of control ones. The experimental results demonstrated that the combined effect of concrete environment and high temperature on properties of FRP reinforcement was more significant than the effect of high temperature or concrete environment solely.
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문제 정의
FRP로 보강된 부재의 고온 노출실험과 해석을 통해 구조체의 거동과 손상 평가를 위한 연구도 수행되었다.8-10) Bisby and Kodur8)은 표준화재하중하에서 FRP 보강 슬래브와 보의 거동에 대한 해석적 연구를 통해 내화구조설계차트 및 평가 방법을 제안하였다.
이 논문에서는 FRP 보강근의 사용상태에서 화재 등의 고온 노출에 의한 손상을 간접적인 방법을 통하여 평가하고자 하였다. 이를 위하여 콘크리트 내 습윤 및 알칼리 상태를 모사한 용액에 미리 FRP 보강근을 장기간 노출시킨 후에, 고온로에서 고온에 노출된 FRP 보강근을 대상으로 섬유와 레진 간 계면전단강도의 변화를 평가하였다.
이 연구에서는 FRP 보강근의 콘크리트내 습윤 및 알칼리 환경과 고온에 의한 복합적인 영향에 의한 손상을 평가하고자 실험을 수행하였다. 150일간의 증류수 및 알칼리 용액에 노출된 FRP 보강근에 60℃, 100℃, 150℃ 및 300℃의 온도를 고온전기로를 이용해 가한 후 ISS 강도 변화를 측정하였다.
이 연구의 의미는 FRP 보강근의 손상평가를 화재로 인한 고온의 영향에 국한하지 않고, 장기간 사용으로 인한 열화를 복합적으로 고려한다는 것에 있으며, 이에 따라 보수적인 평가의 필요성을 제기하고자 하였다. 이 연구에서 수행한 실험 방법은 다음과 같이 두가지 측면에서 기존의 연구와 차별된다.
가설 설정
이 실험 방법은 주로 환경적 영향이 FRP 보강근의 물리적 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 가장 범용적으로 채택되는 방법이다.14) 알칼리와 증류수에 노출로 인한 섬유와 레진간의 접착력(adhesion) 약화는 전단강도의 약화를 가져오기 때문이다. 전단강도는 다음의 식 (1)을 통해 결정할 수 있다.
제안 방법
이 연구에서는 FRP 보강근의 콘크리트내 습윤 및 알칼리 환경과 고온에 의한 복합적인 영향에 의한 손상을 평가하고자 실험을 수행하였다. 150일간의 증류수 및 알칼리 용액에 노출된 FRP 보강근에 60℃, 100℃, 150℃ 및 300℃의 온도를 고온전기로를 이용해 가한 후 ISS 강도 변화를 측정하였다. 이 실험적 연구를 통해 획득한 결론은 다음과 같다.
5시간동안 노출시켰다. 고온 노출된 실험체는 고온로에서 제거한 후 바로 준비된 UTM 을 이용하여 강도를 측정하였다. 용액으로부터 시험편을 꺼내는 순간부터 고온 노출 및 강도 측정까지 1시간 이내에 수행하였다.
첫 번째는 사용중인 FRP 보강근의 열화상태를 고려한다는 것이며, 이를 위하여 FRP 보강근의 사전처리를 수행한다. 두 번째는 화재시 피복 깊이에 배근된 보강근이 실제로 노출될 수 있는 높은 온도를 사용하였다는 것이다.
5시간이라고 제시하고 있으며 이를 근거로 노출시간과 노출온도를 결정하였다. 또한, 고온으로 인한 손상이 너무 지배적이어서 복합영향에 대한 분석이 불가능할 수 있기 때문에 심각한 손상을 제한하기 위하여 노출시간을 0.5시간으로 설정하였다.
우선 준비된 실험체를 용액에 담그기 전 UTM을 이용해 계면전단강도를 측정하였다. 이 결과는 제시된 모든 강도의 비교치로 활용하였다.
FRP 보강근의 횡방향 열팽창계수는 섬유의 종류에 따라 매우 다르지만, 콘크리트 열팽창계수의 3~5배에 달하는 것으로 보고되고 있으며, Aiello et al.은 해석과 실험을 통해 고온 노출로 덮개에 발생할 수 있는 유해한 균열을 제한하기 위한 최소 덮개를 64 mm로 제안하였다.5)
우선 준비된 실험체를 용액에 담그기 전 UTM을 이용해 계면전단강도를 측정하였다. 이 결과는 제시된 모든 강도의 비교치로 활용하였다. 이후 용액에 각 시험편을 용액에 완전히 잠기도록 하였다.
이 연구에서는 전술한바와 같이 보강근의 사용으로 인한 열화를 모사하기 위하여 Fig. 3과 같이 일회용 플라스틱 용기를 사용하여 사전에 보강근을 pH 7의 순수한 물과 pH 12.3의 알칼리(CaOH2) 용액에 30일, 60일, 90일 및 150일간 노출시켰다.
이상의 최근 연구들을 살펴보면, 화재 발생으로 인한 고온의 영향을 고찰하기에는 온도 수준이 너무 낮은 것을 알 수 있다. 이 연구에서는 화재로 인해 실제 발생할 수 있는 고온인 20~300℃의 온도 범위를 고려하였다.
이 논문에서는 FRP 보강근의 사용상태에서 화재 등의 고온 노출에 의한 손상을 간접적인 방법을 통하여 평가하고자 하였다. 이를 위하여 콘크리트 내 습윤 및 알칼리 상태를 모사한 용액에 미리 FRP 보강근을 장기간 노출시킨 후에, 고온로에서 고온에 노출된 FRP 보강근을 대상으로 섬유와 레진 간 계면전단강도의 변화를 평가하였다.
5는 보강근의 고온 노출을 나타내고 있다. 전기고온로를 이용하여 유리전이온도 보다 낮은 60℃, 유리 전이 온도 부근에 해당하는 100℃, 유리전이 온도 이상인 150℃와 300℃에 각 보강근 시편을 0.5시간 동안 노출시켰다. 또한 비교를 위하여 상온(약 15℃)에 노출된 결과도 포함하였다.
이후 용액에 각 시험편을 용액에 완전히 잠기도록 하였다. 지정된 폭로 일자에 각 실험체를 꺼내어 표면의 물을 헝겊으로 닦아낸 후 일부는 계면전단강도를 측정하였다. 일부 시험편은 고온전기로에서 지정된 온도에 0.
이 연구에서 수행한 실험 방법은 다음과 같이 두가지 측면에서 기존의 연구와 차별된다. 첫 번째는 사용중인 FRP 보강근의 열화상태를 고려한다는 것이며, 이를 위하여 FRP 보강근의 사전처리를 수행한다. 두 번째는 화재시 피복 깊이에 배근된 보강근이 실제로 노출될 수 있는 높은 온도를 사용하였다는 것이다.
대상 데이터
2와 같이 유리 섬유, 하이브리드 및 탄소섬유 보강근이다. 유리섬유보강근(이하 보강근 G)은 에폭시가 사용되었으며, 하이브리드(이하 보강근 H) 및 탄소섬유 보강근(이하 보강근 C)에는 비닐에스터가 사용되었다.
이 실험에서 사용된 FRP 보강근은 Fig. 2와 같이 유리 섬유, 하이브리드 및 탄소섬유 보강근이다. 유리섬유보강근(이하 보강근 G)은 에폭시가 사용되었으며, 하이브리드(이하 보강근 H) 및 탄소섬유 보강근(이하 보강근 C)에는 비닐에스터가 사용되었다.
데이터처리
Table 1은 이 실험의 변수를 정리하여 나타내고 있다. 제시된 보강근에 대하여 섬유와 레진간 계면전단강도를실험하였으며, 이 논문에 제시된 모든 수치는 2개의 실험 결과를 평균한 결과이다.
성능/효과
1) 고온 및 콘크리트환경의 복합영향에 의해 섬유와 레진의 계면전단강도(ISS)의 저하가 발생하였다. 물론 개별의 영향에 의하여도 계면전단강도의 저하가 발생하였다.
2) 1차함수 추세선을 이용하여 온도에 따른 결과를 비교, 고찰한 결과 고온의 영향만을 고려한 보강근의 열화곡선의 경사보다 복합영향에 의한 열화곡선의 경사가 큰 것을 확인하였다. 이는 상기 3) 복합영향에 의한 보강근 열화는 노출온도가 100℃에 도달 하였을 때 가속화되는 것을 확인하였으며, 이와 같은 온도수준은 유리전이온도와 관련이 있는 것을 확인하였다.
물론 개별의 영향에 의하여도 계면전단강도의 저하가 발생하였다. 그러나 개별의 영향을 중첩하여도 복합영향에 의한 감소량과는 같지 않은 것을 확인하였으며, 실험오차를 고려하여도 그 차이는 무시할 수 없을 정도로 큰 것을 알 수 있었다. 따라서, FRP 보강 콘크리트 구조물의 화재손상을 평가할 때에는 콘크리트 환경에 의한 열화와 고온 노출의 영향을 동시에 고려하는 것이 중요하며, 가속화를 고려하여 보수적인 설계가 필요하다.
기준실험체의 ISS 강도가 33 MPa이며, 온도에 따라 강도의 저하가 크지 않은 것을 볼 수 있다. 그러나 용액노출에 의해 강도의 감소를 나타내고 있으며, 특히 노출일수가 증가할수록 강도의 감소 정도가 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 환경적 영향에 의한 FRP 보강근의 열화에 화재와 같은 사고로 인해 고온에 노출되게 되면 그 손상이 가속화될 수 있다고 판단된다.
알칼리용액에 노출된 G 보강근의 결과를 살펴보면, 고온 노출로 인해 계면강도가 4%에서 14%까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다른 온도 결과에 비하여 100℃의 결과에서 강도감소가 다소 과대한 것으로 나타났지만, 전반적인 추세는 고온일수록 강도가 감소함을 알 수 있다. 주목할 것은 장기간의 알칼리용액 노출로 인한 강도의 감소(3.
보강근 H와 보강근 C의 결과에서 주목할 것은 복합영향하에서는 후양생 효과가 없으며, 오히려 강도감소를 가속화시키는 것으로 나타났다. 따라서 단순한 중첩의 원리로부터 복합 환경으로 인한 강도의 감소를 예측하는 것은 무리가 있다는 것을 알 수 있다.
알칼리용액에 노출된 G 보강근의 결과를 살펴보면, 고온 노출로 인해 계면강도가 4%에서 14%까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다른 온도 결과에 비하여 100℃의 결과에서 강도감소가 다소 과대한 것으로 나타났지만, 전반적인 추세는 고온일수록 강도가 감소함을 알 수 있다.
후양생 효과의 발생 여부는 레진의 종류와 온도이력에 기원하기 때문에 보강근의 생산과정에서의 노출온도 및 고온노출시간과 밀접한 관계가 있다. 이 실험에서 고온에서 보강근 G는 계면강도가 감소, 보강근 H와 C의 계면강도 증가는 보강근의 재료 및 생산 방법의 차이에서 근거하는 것으로 판단된다.
이상의 연구 결과들은 FRP 보강근의 고온으로 인한 보강근의 자체의 인장성능저하, 부착성능저하의 원인을 체계적으로 분석하는데 큰 발전을 이룬 것이 사실이다. 종합해보면, 유리전이온도를 상회하는 고온에서 보강근을 구성하는 레진 매트릭스의 크로스링크(cross-link) 약화로 인장시 섬유간 응력전달 불능화가 인장강도 저하의 원인이다. 또한 표면을 구성하는 레진의 연약화가 부착강도 저하의 원인으로 지적되고 있다.
한편, 보강근 H(hybrid)와 보강근 C(CFRP) 결과를 살펴보면(Figs. 7~8 참고), 보강근 G와 달리 고온 노출 과정에서 노출온도에 따라 18%~23% 계면전단강도가 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있다. 계면강도의 증가는 레진의 후양생(post-curing)효과로 설명할 수 있다.
한편, 증류수와 알칼리용액에 대한 결과를 비교할 때, 당초 가혹조건에 해당하는 알칼리용액의 영향이 상대적으로 클 것으로 예상하였지만, 증류수의 영향이 오히려 다소 큰 것으로 나타났으며 그 차이도 5~10%로 크지는 않은 것으로 나타났다. 이는 이 실험에서 사용된 용액폭로조건, 즉 기간 및 용액의 온도조건 등이 용액의 종류에 의한 차이가 발생할 정도로 충분하지 않았기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FRP 보강근의 장점은?
섬유복합체 보강근(이하 FRP 보강근)을 철근을 대신한 인장 보강재로 활용하기 위한 연구가 국내외에서 진행되고 있다. 물론, 이는 FRP 보강근이 철근부식 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 대안이 될 수 있다는 점과 더불어 경량, 고강도의 장점이 있기 때문이다.
건축구조물에 FRP 보강근 사용에 주저하게 만드는 요소는?
그럼에도 불구하고 토목 및 건축구조물에 FRP 보강근의 적극적인 사용을 주저하게 만드는 주요 요인 중 하나는 FRP 보강근의 낮은 내화성능을 꼽을 수 있다. Wang and Kodur1)은 고온하에서 FRP 보강근의 인장실험을 통해, GFRP는 325, CFRP는 250에 도달하게 되면 상온 인장강도의 50%만을 발휘하는 것으로 보고하고 있다.
FRP 보강근 콘크리트내 습윤 및 알칼리 환경과 고온에 의한 복합적인 영향에 의한 손상을 평가하고자 실험을 수행한 결과는?
1) 고온 및 콘크리트환경의 복합영향에 의해 섬유와 레진의 계면전단강도(ISS)의 저하가 발생하였다. 물론 개별의 영향에 의하여도 계면전단강도의 저하가 발생하였다. 그러나 개별의 영향을 중첩하여도 복합영향에 의한 감소량과는 같지 않은 것을 확인하였으며, 실험오차를 고려하여도 그 차이는 무시할수 없을 정도로 큰 것을 알 수 있었다. 따라서, FRP 보강 콘크리트 구조물의 화재손상을 평가할 때에는 콘크리트 환경에 의한 열화와 고온 노출의 영향을 동시에 고려하는 것이 중요하며, 가속화를 고려하여 보수적인 설계가 필요하다.
2) 1차함수 추세선을 이용하여 온도에 따른 결과를 비교, 고찰한 결과 고온의 영향만을 고려한 보강근의 열화곡선의 경사보다 복합영향에 의한 열화곡선의 경사가 큰 것을 확인하였다. 이는 상기 1)항의 결론을 뒷받침하는 결과이다.
3) 복합영향에 의한 보강근 열화는 노출온도가 100℃에 도달 하였을 때 가속화되는 것을 확인하였으며, 이와 같은 온도수준은 유리전이온도와 관련이 있는 것을 확인하였다.
참고문헌 (14)
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