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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 FRP bar로 보강된 깊은보의 거동에 대한 분석과 기존 기준 및 제안식들의 적합성을 조사하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 부재의 전단력에 영향을 미치는 요소들인 전단경간비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 전단실험을 수행하였으며, ACI 318-08의 STM 통한 전단강도와 아치효과가 고려된 일반보의 전단력 산정식을 통한 전단강도의 비교·평가와 더불어 파괴 거동에 대한 조사를 실시하였다.
제안 방법
- 본 연구와 유사하게 전단보강근 없이 FRP bar로 휨 보강된 콘크리트 깊은보에 대한 전단실험을 수행하였다. ACI 318-08의 STM에서는 구속철근이 없을 경우 0.6의 유효계수를 제시하였지만 Nehdi는 실험에 따른 균열양상에 따라 축강성을 두 가지로 분류하여 유효계수의 값을 달리 적용하였다. 또한 유효깊이에 따른 크기효과를 적용하는 계수를 적용하였다.
- FRP bar로 보강된 콘크리트 깊은보의 전단강도 및 거동에 대한 조사를 위하여 보 부재의 전단력에 영향을 주는 요소들인 전단경간비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 전단실험을 수행하였다. 그 결과, FRP로 보강된 시험체의 전단강도 산정 시 아치작용이 적용된 산정식을 적용할 경우 깊은보의 하중 메커니즘을 반영하기에 한계가 있는 반면 부재 전체의 하중 전달 흐름을 명확하게 시각화해 주고 응력집중현상을 반영하는 STM을 통한 해석이 적절한 것으로 나타났다.
- Razaqpur는 실험을 통하여 CSA S806-02의 전단력 산정식을 수정하였다. 식 (4a)와 식 (4b)는 각각 균열이 생기지 않은 콘크리트의 전단공헌분식과 골재의 맞물림 작용에 의한 전단공헌분식을 나타내며 두 식을 합하여서 콘크리트 보 전체의 전단강도를 산정한다.
- 6의 유효계수를 제시하였지만 Nehdi는 실험에 따른 균열양상에 따라 축강성을 두 가지로 분류하여 유효계수의 값을 달리 적용하였다. 또한 유효깊이에 따른 크기효과를 적용하는 계수를 적용하였다. 여기서, Ef는 FRP bar의 탄성 계수, ρf는 휨보강비를 나타낸다.
- 본 연구에서는 그림 3과 같은 형상의 STM을 적용하여 변수에 따른 전단강도를 분석하였다. 실험결과는 표 4에, 변수별 하중-처짐 곡선은 그림 4, 5, 6, 7에 나타내었다.
- Nehdi는 STM의 유효압축강도를 결정하는 유효계수에 대한 모델을 제안하였다. 본 연구와 유사하게 전단보강근 없이 FRP bar로 휨 보강된 콘크리트 깊은보에 대한 전단실험을 수행하였다. ACI 318-08의 STM에서는 구속철근이 없을 경우 0.
- 64%), 유효깊이(190mm, 250mm, 310mm)를 변수로 두어 시험체를 제작하였다. 뽑힘 및 미끌림에 의한 파괴를 방지하기 위하여 반력지점에서 양단으로 210mm의 정착길이를 두었으며 피복두께는 40mm로 하였다. 모든 시험체는 전단파괴를 유도하기 위하여 전단보강근을 설치하지 않았으며, FRP의 파단에 의한 취성파괴를 방지하기 위해 ACI 440.
- 하중재하는 단순지지상태에서 시험체 중앙부에 2점 가력 형태로 최대 용량 1,000kN의 오일잭 시스템을 사용하여 평균 15kN/min의 속도로 진행하였다. 오일잭 하부에 로드셀을 부착하여 하중을 측정하였고, 시험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트와 FRP의 변형률은 시험체의 중앙 상부와 하부에 각각 Strain Gage를 부착하여 측정하였다.
- ACI 318-08은 스트럿의 단면력을 결정하기 위하여 유효압축강도를 사용한다. 유효압축강도를 결정하는 조건은 다음과 같이 경사스트럿의 인장구속 조건에 따라 상이하며, 본 연구는 0.6의 유효계수 값을 적용하여 전단강도를 산정하였다.
- 이를 위해 부재의 전단력에 영향을 미치는 요소들인 전단경간비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 전단실험을 수행하였으며, ACI 318-08의 STM 통한 전단강도와 아치효과가 고려된 일반보의 전단력 산정식을 통한 전단강도의 비교·평가와 더불어 파괴 거동에 대한 조사를 실시하였다.
- 콘크리트와 FRP의 변형률은 시험체의 중앙 상부와 하부에 각각 Strain Gage를 부착하여 측정하였다. 초기균열 발생 후 버니아캘리퍼스를 사용하여 시험체 중앙부의 균열폭을 측정하였다. 이와 관련된 사항은 그림 1과 2에 도식화하여 나타내었다.
- 오일잭 하부에 로드셀을 부착하여 하중을 측정하였고, 시험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트와 FRP의 변형률은 시험체의 중앙 상부와 하부에 각각 Strain Gage를 부착하여 측정하였다. 초기균열 발생 후 버니아캘리퍼스를 사용하여 시험체 중앙부의 균열폭을 측정하였다.
- 시험체의 총 길이는 2,000mm이며 순경간은 1,500mm이다. 폭은 200mm로 일정하며 전단경간비(1.4, 1.7, 2.1)와 보강비(0.38%, 0.51%, 0.64%), 유효깊이(190mm, 250mm, 310mm)를 변수로 두어 시험체를 제작하였다. 뽑힘 및 미끌림에 의한 파괴를 방지하기 위하여 반력지점에서 양단으로 210mm의 정착길이를 두었으며 피복두께는 40mm로 하였다.
- 하중재하는 단순지지상태에서 시험체 중앙부에 2점 가력 형태로 최대 용량 1,000kN의 오일잭 시스템을 사용하여 평균 15kN/min의 속도로 진행하였다. 오일잭 하부에 로드셀을 부착하여 하중을 측정하였고, 시험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 수직 변위를 측정하였다.
- 5이하에 해당되는 깊은보는 부재 전체가 국부적인 응력집중현상이 일어나는 D영역에 속하기 때문에 보이론이 적용될 수 없으며, 아치작용에 의하여 하중이 지지된다. 하지만 기존의 연구에서는 FRP bar로 보강된 일반적인 보의 전단강도를 산정하는 식에 아치작용을 고려한 항이 추가된 식을 제안하였으며, 전단경간비를 변수로 포함한 실험에서 제안식의 적합성을 검증하였다. Steel bar로 보강할 경우에 적용 가능한 설계기준인 ACI 318-08(ACI Committee 318, 2008)에서는 깊은보의 전단강도 산정 방법을 경험식에 의한 방법 대신 D영역을 고려할 수 있는 스트럿-타이 모델(이하 STM)을 이용한 설계법을 지침으로 제정하고 있다.
대상 데이터
- AFRP bar와 CFRP bar로 보강된 시험체 각 7개와 Steel bar로 보강된 시험체 1개를 제작하여 총 15개의 시험체에 대한 실험을 수행하였다. 시험체의 총 길이는 2,000mm이며 순경간은 1,500mm이다.
- 1MPa의 압축강도를 나타냈다. 보강근은 탄소 섬유 보강 폴리머(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)와 아라미드 섬유 보강 폴리머(Aramid Fiber Reinforced Polymer, 이하 AFRP), 이형 철근을 사용하였다. 보강근의 재료값은 표 1과 같이 제조사에서 제시하는 값을 사용하였으며, 콘크리트의 배합비는 표 2와 같다.
- AFRP bar와 CFRP bar로 보강된 시험체 각 7개와 Steel bar로 보강된 시험체 1개를 제작하여 총 15개의 시험체에 대한 실험을 수행하였다. 시험체의 총 길이는 2,000mm이며 순경간은 1,500mm이다. 폭은 200mm로 일정하며 전단경간비(1.
이론/모형
- 뽑힘 및 미끌림에 의한 파괴를 방지하기 위하여 반력지점에서 양단으로 210mm의 정착길이를 두었으며 피복두께는 40mm로 하였다. 모든 시험체는 전단파괴를 유도하기 위하여 전단보강근을 설치하지 않았으며, FRP의 파단에 의한 취성파괴를 방지하기 위해 ACI 440.1 R-06에서 제시하는 균형보강비(ACI Committee 440, 2006) 이상으로 보강하였다. 표 3에 시험체 일람을 나타내었다.
- 시험체의 전단강도 산정값을 비교·평가하기 위하여 ACI 318-08(ACI Committee, 2008), Nedhi의 유효계수(Nedhi 등, 2008)와 CSA S806-02, JSCE-97의 전단강도 식(CSA S806-02, 2002; JSCE, 1997), Razaqpur의 제안식(Razaqpur 등, 2006)을 사용하였다.
성능/효과
- 1) FRP bar로 보강된 콘크리트 깊은보의 전단력은 전단경간비가 감소할수록 보강비, 유효깊이, 인장강도가 증가할수록 높게 나타나는 경향이 있으며, 이는 STM의 형상을 이용하여 분석이 가능하다.
- 2) 보이론이 적용되는 일반보에서의 전단강도는 축강성에 따라 전단력이 결정되지만 깊은보의 경우에는 인장력에 따라 전단력이 결정된다. 인장강도와 보강비가 클수록 수평·경사 스트럿의 단면력이 증가하며, 아치작용에 의한 하중 전달 능력이 상승하여 전단력이 커지는 경향이 있다.
- 3) FRP bar의 높은 인장강도는 부재의 수평·경사 스트럿의 폭을 넓혀주어, 아치작용의 상승과 연결된다.
- AFRP와 CFRP로 보강된 시험체는 높은 인장강도로 인하여 콘크리트 수평·경사 스트럿의 폭이 증가되었으며, 이는 최대하중의 증가로 이어졌다.
- 3) FRP bar의 높은 인장강도는 부재의 수평·경사 스트럿의 폭을 넓혀주어, 아치작용의 상승과 연결된다. 같은 보강비의 경우, CFRP와 AFRP로 보강된 시험체의 전단강도는 Steel로 보강된 시험체에 비해 각각 49.2%, 32.0% 증가되었으며, 부재의 강도 증가 및 자중감소 측면에서 FRP bar는 깊은보에서 적용 가능한 효과적인 보강부재라 판단된다. 하지만 FRP는 인장강도가 높은 반면, 탄성계수가 낮아 처짐과 균열폭의 증가를 야기하며, 취성적 특성에 따른 급작스런 파괴는 사용성 문제에 있어 해결되어야 할 사항인 것으로 판단된다.
- 같은 하중에서 전단경간비가 감소할수록 처짐이 작게 측정되는 결과 또한 아치작용에 의하여 지지되는 깊은보에 있어, 경사 스트럿 폭의 증가는 실질적으로 보를 지탱하는 스트럿의 강성 증가의 효과를 가져 오기 때문인 것으로 판단된다. 같은 전단경간비에서 주근의 종류가 다를 경우는 변수가 보강비인 시험체의 경우와 같이 인장강도와 탄성계수가 상대적으로 큰 CFRP로 보강된 시험체가 AFRP로 보강된 시험체보다 최대하중이 크며, 같은 하중에서 처짐이 작은 것으로 나타났다.
- 그림 11과 12과 같이 시험체의 균열폭을 측정한 결과, 보강비와 전단경간비가 증가함에 따라 균열폭이 증가하는 것으로 나타났다. 균열폭 증가 양상 비교 시 탄성계수와 인장강도가 높은 CFRP로 보강된 시험체가 AFRP로 보강된 시험체보다 같은 하중에서 더 좁은 균열폭의 양상을 가지는 것으로 판단된다. 또한 CFRP 시험체가 AFRP 시험체보다 균열폭의 진전이 상대적으로 더 빠르게 이루어졌다.
- 보강근의 종류에 따른 하중-처짐 곡선은 그림 7에 나타내었다. 그 결과 상대적으로 인장강도가 큰 재료로 보강된 시험체의 순서로 최대하중이 높게 측정되었다. 보이론이 적용되는 일반적인 보에서는 보강근의 탄성계수와 보강량이 전단력을 결정하지만, 깊은보의 경우에는 인장강도가 전단력을 결정하는 중요 인자임을 알 수 있다.
- STM과 아치작용 효과가 포함된 전단강도 산정식을 통한 예상하중 결과를 표 5와 그림 14에 나타내었다. 그 결과, D 영역을 고려하여 부재를 해석할 수 있는 STM을 이용한 예상하중이 실험결과와 비교적 근접한 값을 나타내었다. ACI 318-08의 경우, 실험하중/예상하중의 평균이 1.
- FRP bar로 보강된 콘크리트 깊은보의 전단강도 및 거동에 대한 조사를 위하여 보 부재의 전단력에 영향을 주는 요소들인 전단경간비, 보강비, 유효깊이, 주근의 종류를 변수로 전단실험을 수행하였다. 그 결과, FRP로 보강된 시험체의 전단강도 산정 시 아치작용이 적용된 산정식을 적용할 경우 깊은보의 하중 메커니즘을 반영하기에 한계가 있는 반면 부재 전체의 하중 전달 흐름을 명확하게 시각화해 주고 응력집중현상을 반영하는 STM을 통한 해석이 적절한 것으로 나타났다. 또한 FRP로 보강된 시험체는 Steel로 보강된 시험체와는 달리 취성적으로 거동하는 것으로 나타났다.
- 이는 인장강도가 스트럿의 폭에 직접적으로 영향을 주며, CFRP가 AFRP보다 상대적으로 인장강도가 크기 때문인 것으로 판단된다. 또한 AFRP보다 큰 CFRP의 탄성계수는 시험체의 축강성을 높여, 같은 하중에서 처짐을 감소시키는 것으로 나타났다.
- 균열폭 증가 양상 비교 시 탄성계수와 인장강도가 높은 CFRP로 보강된 시험체가 AFRP로 보강된 시험체보다 같은 하중에서 더 좁은 균열폭의 양상을 가지는 것으로 판단된다. 또한 CFRP 시험체가 AFRP 시험체보다 균열폭의 진전이 상대적으로 더 빠르게 이루어졌다. 이는 균열폭이 축강성과 직접적으로 관계가 있으며, 축강성이 증가할수록 균열폭이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 그 결과, FRP로 보강된 시험체의 전단강도 산정 시 아치작용이 적용된 산정식을 적용할 경우 깊은보의 하중 메커니즘을 반영하기에 한계가 있는 반면 부재 전체의 하중 전달 흐름을 명확하게 시각화해 주고 응력집중현상을 반영하는 STM을 통한 해석이 적절한 것으로 나타났다. 또한 FRP로 보강된 시험체는 Steel로 보강된 시험체와는 달리 취성적으로 거동하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
- 실험결과는 표 4에, 변수별 하중-처짐 곡선은 그림 4, 5, 6, 7에 나타내었다. 모든 시험체는 초기균열을 기점으로 처짐이 증가하는 것을 알 수 있으며, 실험 종료시점에서 FRP 시험체는 취성, Steel 시험체는 연성 거동하는 것을 알 수 있다.
- 모든 시험체의 콘크리트 변형률은 -3,000με이하로 나타났으며, 이는 시험체에 최대하중이 작용되기 전까지 휨파괴가 일어나지 않았음을 의미한다.
- 8%인 것으로 나타났다. 반면 Nehdi의 유효계수를 본 실험에 적용시킨 결과, 실험하중/예상하중의 평균이 1.13이며 변동계수가 11.7%로 아치작용을 고려한 산정식보다 정확한 예측결과를 나타내지만, 해당 실험 데이터에 국한되어 제안된 식이기 때문에 ACI 318-08의 유효계수를 적용한 결과보다 정확성이 낮은 것으로 판단된다.
- 보강비가 증가할수록 처짐이 작게 나타나는 것은 보강비에 따른 축강성 증가와 더불어 장부작용의 증가에 기인한 결과라고 판단된다. 보강근의 종류에 따라서는 CFRP 시험체의 최대하중이 AFRP 시험체의 최대 하중보다 크며, 같은 하중에서 처짐이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 인장강도가 스트럿의 폭에 직접적으로 영향을 주며, CFRP가 AFRP보다 상대적으로 인장강도가 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 시험체에 따라 가력지점 사이를 관통하여 균열이 생성되기도 하였다. 보강비가 변수인 시험체는 보강비가 증가할수록 전단압축파괴의 형태가 뚜렷한 것으로 나타났다. 유효깊이에 따른 시험체는 유효깊이가 증가함에 따라 균열이 증가할수록 균열 간 폭이 넓어지는 것으로 나타났다.
- 이는 상대적으로 콘크리트의 공헌분이 차지하는 비율과 FRP의 면적이 증가하기 때문에 변형을 흡수하는 능력이 커지기 때문인 것으로 사료된다. 보강재에 따라 전반적으로 탄성계수가 큰 Steel, CFRP, AFRP로 보강된 시험체의 순으로 균열폭이 좁은 것으로 나타났다. 탄성계수가 큰 보강재일수록 균열에 대한 저항능력이 크기 때문에 같은 하중이 작용하여도 보강근 변형이 적게 일어나며, 대신 보강근 주변의 콘크리트에서 변형을 더 많이 받기 때문에 균열 간 폭이 좁은 것으로 판단된다.
- 시험체에 사용된 콘크리트의 설계 강도는 27MPa이며, KS F 2405에 따라 압축강도 실험을 실시한 결과, 평균 26.1MPa의 압축강도를 나타냈다. 보강근은 탄소 섬유 보강 폴리머(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)와 아라미드 섬유 보강 폴리머(Aramid Fiber Reinforced Polymer, 이하 AFRP), 이형 철근을 사용하였다.
- 아치작용이 고려된 Razaqpur, JSCE-97, CSA S806-02의 전단강도 산정식은 시험체의 전단력을 과소평가하는 경향이 나타났다. 이는 일반적인 보의 식에 아치작용의 효과와 크기효과에 대한 고려가 있는 식으로써 일관성을 보이지만 D 영역의 특성이 정확히 반영할 수 없으며, 또한 STM과 같이 치수화를 통한 해석이 아니기 때문인 것으로 사료된다.
- 보강비가 변수인 시험체는 보강비가 증가할수록 전단압축파괴의 형태가 뚜렷한 것으로 나타났다. 유효깊이에 따른 시험체는 유효깊이가 증가함에 따라 균열이 증가할수록 균열 간 폭이 넓어지는 것으로 나타났다. 이는 상대적으로 콘크리트의 공헌분이 차지하는 비율과 FRP의 면적이 증가하기 때문에 변형을 흡수하는 능력이 커지기 때문인 것으로 사료된다.
- 그림 4에 보강비를 변수로 한 시험체의 하중-처짐 곡선을 나타내었다. 재료적 오류로 인해 조기 파괴된 C4D9M-1.7 시험체를 제외한 시험체에서 보강비가 증가할수록 시험체에 작용하는 최대하중이 증가하며, 같은 하중에서 처짐이 감소하는 것으로 나타났다. 보강비의 증가는 스트럿의 폭이 넓혀 단면력을 증가시키고, 단면력이 증가함에 따라 최대하중이 상승하는 것으로 사료된다.
- 전단경간비를 변수로 한 시험체의 하중-처짐 곡선은 그림 5와 같이 재료적 오류로 인해 조기 파괴된 C3D9M-2.1 시험체를 제외한 시험체에서 전단경간비가 작을수록 최대하중이 증가하였으며, 같은 하중에서 처짐은 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 전단경간비 감소에 따른 스트럿의 작용하중 비율의 감소효과 보다 스트럿 폭의 증가로 인한 단면력 상승효과에 더 큰 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
- 4) 향후 FRP bar로 보강된 콘크리트 깊은보의 현장적용과 설계 기준 정립을 위하여 다양한 시험체에 대한 연구수행이 필요하며, 기존연구결과 분석을 통하여 유효 계수제안에 관한 연구 및 사용성 문제에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- FRP bar를 보의 휨 보강재로 사용할 경우, FRP의 높은 인장강도는 보의 휨성능을 증진시켜주나 낮은 탄성계수로 인한 균열폭의 증가와 장부작용의 감소, 골재맞물림 현상의 감소로 인해 전단성능을 감소시킨다. 또한 인장력 재하 시 뚜렷한 항복점 없이 갑작스런 파단를 일으키는 FRP를 보강재로 사용할 경우 안전성 측면과 추후 구조설계의 적용에 있어 불합리한 단면설계를 유발할 수 있다. 이에 FRP bar로 보강된 콘크리트 보의 전단거동 및 전단 강도 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
- 또한 인장력 재하 시 뚜렷한 항복점 없이 갑작스런 파단를 일으키는 FRP를 보강재로 사용할 경우 안전성 측면과 추후 구조설계의 적용에 있어 불합리한 단면설계를 유발할 수 있다. 이에 FRP bar로 보강된 콘크리트 보의 전단거동 및 전단 강도 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
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