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문제 정의
- 보강재를 보 하단에 매립하기 위해서는 보강단면의 보강재 배치 상세를 파악할 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 Fig. 2와 같이 보강재를 두 줄로 매립하여 보강재의 간격을 변수로 한 S, 2S와 매립깊이에 따른 실험변수 25 mm, 15 mm를 변수로 설정하여 각 변수에 따른 단면파괴 모드와 보강효과에 미치는 영향에 대해 검토하였다.
- 따라서 이 연구에서는 기본적으로 기존의 외부부착공법과 표면매립공법의 보강성능을 비교하기 위한 실험을 실시하고 판형, 원형, 사다리꼴 형태의 다양한 단면을 갖는 CFRP 보강재를 이용하여 등가단면의 거동을 검증하는 실험연구를 수행하였다.
- 하중 비(또는 모멘트 비)에 의한 보강효과는 사용된 CFRP 보강재의 단면적 및 물성의 차이를 알 수 없으므로 같은 보강재 및 공법이 적용된 경우에 사용가능하지만 서로 다른 공법 및 보강면적을 갖는 경우는 불가능하다. 따라서 이 연구에서는 서로 다른 단면, 물성, 공법을 갖는 CFRP 보강재의 보강효과를 비교하기 위해 최대하중을 보강재의 강성으로 나누어 무차원화 시킨 축강성당 보강 효과로 비교하고자 한다. 축강성당 보강효과(Pu / EA)는 FRP 효율뿐만 아니라 보강재의 물성까지 고려하였기 때문에 공법 및 단면상세에 따른 보강효과를 분석할 때에 유용할 것으로 판단된다.
- 이 연구는 다양한 보강상세를 갖는 CFRP로 표면매립 보강된 철근콘크리트 보의 보강효과에 대한 연구로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이 연구에서는 다양한 보강상세를 갖는 표면매립공법의 보강효과를 분석하였다. CFRP 보강재의 단면형상, 보강량, 매립 개수 및 위치 등의 다양한 보강상세를 적용하였고, 등가단면을 고려하여 매립 상세를 개선하여 보강효과를 향상시켰다.
제안 방법
- 이 연구에서는 다양한 보강상세를 갖는 표면매립공법의 보강효과를 분석하였다. CFRP 보강재의 단면형상, 보강량, 매립 개수 및 위치 등의 다양한 보강상세를 적용하였고, 등가단면을 고려하여 매립 상세를 개선하여 보강효과를 향상시켰다.
- 05 mm의 속도로 재하 하였다. 각종 실험데이터의 계측은 정적 데이터 로거 및 컴퓨터를 이용하였으며, 매 1초 간격으로 측정을 실시하였다.
- 서로 다른 보강량 및 공법으로 보강된 실험체의 보강성능은 파괴모드 및 보강재의 강성이 다르기 때문에 정량적으로 비교할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 최대하중을 적용된 보강재의 축강성(EA)으로 나누어, 무차원화하였고 이 값을 축강성당 보강효과로 정의하였다. 서로 다른 보강량과 공법의 보강효과를 축강성당 보강효과로 Table 5 및 Fig.
- 마지막으로 등가 단면 개념을 도입하여 기존의 표면매립공법의 파괴모드를 개선하기 위한 실험을 수행하였다. 등가 단면은 보강재와 충전재가 일체로 거동하고, 콘크리트 계면에서 파괴되므로 일반적인 종방향 홈에 철근의 형태와 유사한 돌기(deformation)를 추가하면 부착면적이 증가하고 돌기에 의한 기계적 맞물림(mechanical interlocking; 이하 MI)에 의해 부착성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 실험은 4점 재하방법으로, 980 kN 용량의 만능시험기(universal testing machine)를 사용하였다(Fig. 9). 재하속도는 초기 15 mm 변위 발생 시까지 초당 0.
- 특히 보강 대상면의 표면처리 상태에 따라 부착성능의 차이가 나타날 수 있으므로 콘크리트 표면의 요철처리를 수행한 후 보강재를 시공하였다. 콘크리트 하면을 표면처리 한 후, CFRP 보강재를 표면처리된 부분에 에폭시로 부착하고, 상온에서 7일 이상 양생을 실시하였다(Fig. 6). 표면매립 보강을 위해서 보 하단 중앙에 홈을 만든 후 에어 브러쉬를 사용하여 미세먼지를 제거하였으며, 홈 안에 프라이머를 도포하여 1일 이상 양생하였다.
- 철근콘크리트 실험체에 대한 CFRP 보강재의 보강 작업은 실제 교량 보강 현장에서와 동일하게 각 보강재 제조사에서 요구하는 공정에 따라 시공되었다. 특히 보강 대상면의 표면처리 상태에 따라 부착성능의 차이가 나타날 수 있으므로 콘크리트 표면의 요철처리를 수행한 후 보강재를 시공하였다. 콘크리트 하면을 표면처리 한 후, CFRP 보강재를 표면처리된 부분에 에폭시로 부착하고, 상온에서 7일 이상 양생을 실시하였다(Fig.
- 파괴모드를 개선하고자 등가 단면 개념의 기계적 맞물림(MI)을 추가한 실험체는 파괴모드가 부착파괴에서 CFRP 보강재 파단으로 파괴모드가 개선되어 CFRP 보강재 효율을 100% 발현시켰다. 각 실험체별 파괴모드는 Table 3에 정리하였다.
- 6). 표면매립 보강을 위해서 보 하단 중앙에 홈을 만든 후 에어 브러쉬를 사용하여 미세먼지를 제거하였으며, 홈 안에 프라이머를 도포하여 1일 이상 양생하였다. 표면매립 보강의 충전재는 에폭시의 주제와 경화제를 2대 1의 비율로 계량하여 홈 안에 도포하고, 각 실험변수에 맞는 보강재를 매립하여 최소 3일 이상 양생한 후 실험을 실시하였다(Fig.
- 표면매립 보강을 위해서 보 하단 중앙에 홈을 만든 후 에어 브러쉬를 사용하여 미세먼지를 제거하였으며, 홈 안에 프라이머를 도포하여 1일 이상 양생하였다. 표면매립 보강의 충전재는 에폭시의 주제와 경화제를 2대 1의 비율로 계량하여 홈 안에 도포하고, 각 실험변수에 맞는 보강재를 매립하여 최소 3일 이상 양생한 후 실험을 실시하였다(Fig. 7).
- 콘크리트 설계기준강도는 27 MPa의 레미콘을 사용하여 제작하였고, 인장철근은 SD400의 D10 철근, 압축철근은 D13을 세 가닥 배근하였으며 전단파괴를 방지하기 위해 전단구간에는 D10의 전단철근을 100 mm 간격으로 배치하였다. 하중 재하에 따른 철근의 변형률을 측정하기 위해 철근 상하단 중앙 및 하단 1/4지점에 변형률 게이지를 부착하였다. 기준보의 철근비는 콘크리트 압축파괴가 아닌 연성파괴를 유도하고 보강성능 차이의 변별력을 높이기 최소철근비 0.
- 하중재하시의 하중-변위는 엑츄에이터(actuator)로부터 직접 측정하였으며, 실험체 중앙부와 지간의 1/4 지점에 각각 한 개씩의 LVDT를 설치하여 실험체의 변위를 측정하였다.
- 는 철근 탄성계수(MPa)이다. 휨보강보도 기준보와 마찬가지로 연성파괴를 유도하기 위해 등가철근비 증가는 최대철근비 이하가 되도록 보강량을 설정하였다.
대상 데이터
- Table 2에는 주요재료의 물성을 요약하였다. CFRP sheet, 사다리꼴형 및 원형 보강재는 각각 H1사, H2사, D사의 상용제품을 사용하였고, CFRP plate는 이 연구에서 제작하였다. CFRP plate와 사다리꼴형 보강재는 특별한 표면처리가 없는 매끈한 표면을 갖고 있지만, 원형 보강재의 표면은 Fig.
- 등가 단면을 고려하여 부착상세를 개선한 기계적 맞물림(MI) 실험체의 파괴모드는 CFRP 보강재 파단이었다. Fig.
- 5와 같이 실험체를 제작하였다. 콘크리트 설계기준강도는 27 MPa의 레미콘을 사용하여 제작하였고, 인장철근은 SD400의 D10 철근, 압축철근은 D13을 세 가닥 배근하였으며 전단파괴를 방지하기 위해 전단구간에는 D10의 전단철근을 100 mm 간격으로 배치하였다. 하중 재하에 따른 철근의 변형률을 측정하기 위해 철근 상하단 중앙 및 하단 1/4지점에 변형률 게이지를 부착하였다.
성능/효과
- 15(b) CFRP 로드의 경우는 Fig. 15(a) CFRP 플레이트의 경우와는 다르게 NSMR-RD-9*2-S보다 간격이 넓은 NSMRRD-9*2-2S에서 최대하중이 33%증가하는 것으로 나타났다.
- 1) NSMR은 보강재의 활용면에서 EBR보다 약 100% 증가한 것으로 나타났으며, 동일 보강단면으로 보강된 EBR에 비해 최대 50%까지 보강성능을 향상시켰다.
- 2) NSMR은 EBR에 비해 CFRP 보강재료를 효율적으로 활용하여 보강성능을 향상시켰다. NSMR-RD-9, NSMR-PL-25*2 등의 실험체는 보강재+충전재가 콘크리트로부터 탈락하는 조기파괴양상을 나타내었다.
- 3) 보강재 간격변수 실험 결과, 홈 간격에 따라 홈 주변 콘크리트의 파괴면이 중첩되어 조기 부착파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 이 연구의 실험 결과로부터 도출된 최소 간격 120 mm는 이 연구에서 적용된 보강단면에 한하여 적용 가능할 것으로 판단되며 향후, 이러한 파괴면적에 영향을 주는 인자가 무엇이며 범위는 어느 정도가 되는지 연구되어야 할 것이다.
- 4) 등가 단면을 고려하여 부착상세를 개선한 기계적 맞물림(MI) 실험체의 파괴모드는 기존 부착파괴에서 CFRP 보강재 파단으로 개선되었고, CFRP 효율은 83%에서 100%로 최대 성능을 발현하였으며 연성도 및 축강성당 보강효과도 향상되었다.
- 13(b)는 보강단면별 보강효과와 FRP 효율을 함께 나타냈다. CFRP 로드도 마찬가지로 보강량이 증가하면 항복 및 최대하중도 증가하였고, 홈 간격이 CFRP 효율에 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 17은 식 (4)를 이용하여 매립홈 간격의 영향을 보강 및 무보강 실험체의 균열, 항복, 최대 모멘트차로 나타냈다. CFRP 플레이트 1열의 보강효과를 1로 가정하면 CFRP 플레이트 2열 보강인 경우 보강재 간격에 상관없이 CFRP 보강재 효율 감소로 1열 보강효과의 2배에 못 미치는 1.78배인 것으로 나타났고, CFRP 로드 2열은 보강재 간격에 따라 1.54, 2.56배인 것으로 나타나 보강재에 따라 간격의 영향이 다른 것으로 나타났다.
- 11과 같다. EBR 및 NSMR 실험체는 무보강 실험체와 비교해볼 때, 균열 및 항복하중의 증가는 미미하였다. 그러나 철근 항복 이후에 외력을 CFRP 보강재가 지지하면서 보강재 단면적이 같은 경우, EBR은 최대 30%, NSMR은 최대 95%까지 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다.
- EBR 실험체의 파괴모드는 부착파괴로 나타났고 NSMR 실험체는 부착파괴와 CFRP 파단인 두 가지로 나타났으며, EBR보다 부착파괴의 영향이 적은 것으로 나타났다.
- EBR과 NSMR의 연성도 변화를 무보강보 기준으로 살펴보면(Table 4), EBR은 무보강보의 26%, 46%로 나타났고, NSMR은 무보강보의 50~76% 수준인 것으로 나타났다. 이것은 EBR의 경우 부착파괴로 인하여 CFRP 보강재의 효율(30%, 56%)이 낮게 나타났기 때문이다.
- 보 하면의 균열패턴을 살펴보면, 부착파괴로 인한 실험체는 홈 방향(종방향)에 따라 균열이 진전되어 파괴되었고, 보강재가 파단된 실험체는 홈의 직각방향(횡 방향) 균열만 관측되었다. NSMR 실험체의 경우 충전재-보강재 계면에 의한 부착파괴보다 충전재-콘크리트 계면에 의한 부착파괴가 발생하였고, 충전재+보강재가 하나의 보강재로 거동하는 것으로 나타났다.
- 15는 매립홈 간격이 S(= 60 mm), 2S(= 120 mm)인 경우에 CFRP 플레이트 및 로드의 하중-변위 곡선이다. NSMR-PL-25*2-S, NSMR-PL-25*2-2S의 보강거동은 비슷하며 최대하중도 약 1%정도 차이를 보이므로 간격에 대한 영향은 없는 것으로 나타났다. 그러나 Fig.
- NSMR-PL-25, NSMR-RD-9는 보강재 단면적이 증가할수록 항복하중과 최대하중이 증가하는 것으로 나타났다(Table 4). 그러나 NSMR-PL-25와 NSMR-TR-10은 보강면적이 같음에도 불구하고 휨거동 차이를 보이므로, 보강효과를 비교하기 위해서는 보강면적뿐만 아니라 보강재 강성의 영향도 고려해야 할 것으로 판단된다.
- NSMR-PL25의 보강효과는 무보강보다 53% 증가되었다. NSMRPL-25*2-S은 NSMR-PL-25보다 보강면적이 두 배 증가했지만, 일반적으로 예상되는 두 배의 보강효과 106%에 11% 감소된 95%로 나타났다. 이와 같은 결과는 보강면적이 두 배인 2열 보강된 실험체의 경우에 있어서, 파괴면의 중첩효과로 인하여 1열 보강된 경우보다 조기 부착파괴가 발생하여 FRP 효율이 1열 보강보다 낮게 나타났기 때문이다.
- 외부부착 보강된 실험체의 경우, 무보강 실험체에 비해 항복하중은 약 30% 증가하였고, 최대하중은 30~47% 증가한 것으로 나타났다. NSMR은 무보강 실험체에 비해 항복하중은 18~34% 증가하였고, 최대하중은 40~65% 증가한 것으로 나타났다. Fig.
- 각 실험체별 파괴모드는 Table 3에 정리하였다. Table 3에서 CFRP의 최대변형률을 살펴보면 EBR에 의해 보강된 경우에는 보강재 극한 변형률의 30~50%인 것으로 나타났으며, NSMR로 보강된 경우에는 84~100% 범위에 있는 것으로 나타나 NSMR은 EBR보다 CFRP 보강재의 성능을 두배 이상 증가시켰다.
- 이것은 EBR의 경우 부착파괴로 인하여 CFRP 보강재의 효율(30%, 56%)이 낮게 나타났기 때문이다. 그러나 NSMR은 CFRP 보강재의 성능을 80% 이상 발휘하여, 연성도 역시 EBR보다 증가하였다.
- CFRP 플레이트의 경우 간격변수 S, 2S의 최대하중이 비슷하게 나타나 간격에 대한 영향을 받지 않는 것으로 생각할 수 있다. 그러나 앞 절의 보강단면 상세별 보강효과에서 매립홈 간격이 CFRP 효율에 영향을 주는 것으로 나타났고, CFRP 로드 및 플레이트에 상관없이 CFRP 보강효율이 14%로 감소하였다. 매립홈 1열일 때보다 2열일 때가 14% 감소하였으므로 매립홈 간격 S는 홈 간에 영향을 주어 부착파괴를 가속시켰다고 볼 수 있다.
- EBR 및 NSMR 실험체는 무보강 실험체와 비교해볼 때, 균열 및 항복하중의 증가는 미미하였다. 그러나 철근 항복 이후에 외력을 CFRP 보강재가 지지하면서 보강재 단면적이 같은 경우, EBR은 최대 30%, NSMR은 최대 95%까지 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다.
- 동일 보강재를 사용한 경우에는 EBR에 비해 NSMR의 보강효과가 좋은 것으로 나타났고, CFRP 로드보다는 CFRP 플레이트의 보강효과가 높은 것으로 나타났다. 동일 형상의 보강재가 매립된 경우에는 보강량이 증가할수록 축강성당 보강효과는 감소하는 것으로 나타났다.
- 동일 보강재를 사용한 경우에는 EBR에 비해 NSMR의 보강효과가 좋은 것으로 나타났고, CFRP 로드보다는 CFRP 플레이트의 보강효과가 높은 것으로 나타났다. 동일 형상의 보강재가 매립된 경우에는 보강량이 증가할수록 축강성당 보강효과는 감소하는 것으로 나타났다. 보강량 증가만큼 부착면적이 증가했음에도 축강성당 보강효과가 감소하게 된 것은 앞 절에서 언급한 바와 같이 매립간격에 의해 파괴면이 중첩되면서 조기 부착파괴가 발생했기 때문인 것으로 판단된다.
- 13은 CFRP 플레이트로 보강되고 보강량 및 보강단면이 다른 실험체의 하중-변위 곡선이다. 보강량이 증가함에 따라 항복하중 및 최대하중이 증가하는 것으로 나타났다. 보강량이 같으며 보강단면이 다른 EBR-PL-50(외부부착보강)과 NSMR-PL-25*2-S(표면매립 2열 보강)은 철근 항복까지 비슷한 거동을 보이다가 EBR-PL-50이 철근 항복 이후에 바로 부착파괴가 발생하여 서로 다른 거동을 보였다(Fig.
- 실험 결과, 무보강 실험체는 인장철근 항복 후에 압축 파괴로 진행되는 전형적인 휨파괴 형태를 나타냈다. EBR 실험체 EBR-PL-50, EBR-SH-120*2는 부착파괴가 발생하였으며, 인장철근의 항복이후 부착파괴가 진행되었다.
- 파괴모드가 기존 부착파괴에서 CFRP 보강재 파단으로 개선되어 CFRP 효율은 83%에서 100%로 최대 성능을 발현하였고, 연성도 및 축강성당 보강효과도 향상되었다. 실험 결과는 이 연구에서 제안된 충전재와 보강재가 일체로 거동하는 것의 검증이며, 간단히 부착상세를 개선하여 부착면적을 증가시킴으로써 파괴모드를 변경시켰다.
- 실험 결과와 같이, 매립홈 간격에 따라 파괴면 중첩으로 인하여 조기 부착파괴가 발생하거나 매립홈이 독립적으로 거동하여 보강효과가 증가하는 것으로 나타났기 때문에, 홈 간격이 보강효과에 영향을 주는 것으로 나타났다. 보강효과를 향상시키기 위해서는 매립홈이 독립적으로 거동할 수 있는 홈 사이 및 모서리와의 최소 간격이 필요하다.
- 12는 각각 EBR, NSMR로 보강된 실험체의 하중변위 곡선이다. 외부부착 보강된 실험체의 경우, 무보강 실험체에 비해 항복하중은 약 30% 증가하였고, 최대하중은 30~47% 증가한 것으로 나타났다. NSMR은 무보강 실험체에 비해 항복하중은 18~34% 증가하였고, 최대하중은 40~65% 증가한 것으로 나타났다.
- 휨 보강 실험에서 홈 간격에 대한 영향을 분석한 연구가 거의 없으며, 최소 간격은 보강재 단면형상 및 홈제원에 따라 달라지므로 이에 대한 추가연구가 필요하다. 이 연구에서는 실험 결과로부터 매립홈이 독립적으로 거동할 수 있는 최소간격으로 120 mm로 나타났다. FRP 보강재 파단을 유도하는 최소 간격을 제안하기 위해서는 홈 간격뿐만 아니라 FRP 보강면적 및 강성에 따른 영향도 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 16과 같이 파괴면이 중첩되어 부착파괴를 가속시키는 영향을 받았다고 판단된다. 이와 달리, CFRP 로드의 경우, 홈 간격변수 2S는 S와 비교할 때 CFRP 효율이 6% 증가하는 거동을 보여 간격 S보다 2S가 홈 간의 영향을 덜 받는 것으로 나타났다.
- NSMR 실험체는 파괴모드가 두 가지로 나타났다. 첫 번째는 보강재의 성능을 최대한 발현하고 보강재가 파단되는 파괴모드로서 보강량이 상대적으로 적은 실험체와 사다리꼴 보강재를 매립한 실험체에서 나타났다. 나머지 하나는 보강재가 성능을 발현하기 전에 보강재와 충전재가 일체로 빠져나오는 충전재-콘크리트 계면 부착파괴로서 보강재 파단 실험체를 제외한 NSMR 실험체에서 나타났다.
- 19는 각각 CFRP 플레이트 및 로드 보강재가 적용된 파괴모드 개선 실험체의 하중-변위곡선을 나타냈다. 파괴모드가 기존 부착파괴에서 CFRP 보강재 파단으로 개선되어 CFRP 효율은 83%에서 100%로 최대 성능을 발현하였고, 연성도 및 축강성당 보강효과도 향상되었다. 실험 결과는 이 연구에서 제안된 충전재와 보강재가 일체로 거동하는 것의 검증이며, 간단히 부착상세를 개선하여 부착면적을 증가시킴으로써 파괴모드를 변경시켰다.
- Table 5는 홈 및 모서리 간격에 대한 기존 실험 결과를 정리하였다. 휨 보강 실험에서 홈 사이 및 모서리와의 간격은 모두 100 mm이하로 적용되었고, 파괴모드는 콘크리트 계면 부착파괴로 나타났다. 휨 보강 실험 모두 1열 및 2열 보강에 대한 보강효과 분석이 목적이었고, 홈 사이 및 모서리와의 간격에 대한 연구는 없었다.
후속연구
- 보강량 증가만큼 부착면적이 증가했음에도 축강성당 보강효과가 감소하게 된 것은 앞 절에서 언급한 바와 같이 매립간격에 의해 파괴면이 중첩되면서 조기 부착파괴가 발생했기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 NSMR 설계시 홈이 독립적으로 거동할 수 있는 최소 간격을 산정하기 위해 보강 단면 상세에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 3) 보강재 간격변수 실험 결과, 홈 간격에 따라 홈 주변 콘크리트의 파괴면이 중첩되어 조기 부착파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 이 연구의 실험 결과로부터 도출된 최소 간격 120 mm는 이 연구에서 적용된 보강단면에 한하여 적용 가능할 것으로 판단되며 향후, 이러한 파괴면적에 영향을 주는 인자가 무엇이며 범위는 어느 정도가 되는지 연구되어야 할 것이다.
- 휨 보강 실험에서 홈 간격에 대한 영향을 분석한 연구가 거의 없으며, 최소 간격은 보강재 단면형상 및 홈제원에 따라 달라지므로 이에 대한 추가연구가 필요하다. 이 연구에서는 실험 결과로부터 매립홈이 독립적으로 거동할 수 있는 최소간격으로 120 mm로 나타났다.
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