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문제 정의
- 이 연구에서는 길이에 제한이 없이 연속생산이 가능하며 부재의 축방향으로 보강섬유가 배치되는 PFRP를 도입하여 CFFT에 대한 장점을 그대로 유지하는 반면 휨에 대해서도 충분한 구조성능을 확보할 수 있는 하이브리드 FRP-콘크리트 합성말뚝(HCFFT, Hybrid CFFT)을 제안하였다.
제안 방법
- 1. 펄트루젼 FRP와 필라멘트 와인딩 FRP의 각각의 장점을 살린 HCFFT의 단면을 설계하였다.
- 2. HCFFT 압축강도실험을 수행하기 앞서 PFRP와 FFRP 재료의 역학적 성질을 인장실험, Split Disk Test을 통하여 조사하였다.
- 또한, 휨보강제인 PFRP가 포함되지 않은 CFFT를 제작하여 HCFFT와 CFFT의 비교하였다. CFFT의 변수는 콘크리트 강도는 30MPa로 고정하였으며, 필라멘트와인딩 두께는 HCFFT와 동일하게 2.8mm(4ply), 4.2mm(6ply), 5.6mm(8ply)로 결정하였다. 그리고 각 변수별 시편은 각각 3개씩 제작하여 총 9개의 시편으로 계획하였다.
- FRP-콘크리트 합성말뚝의 제작에 사용된 PFRP의 역학적 특성을 조사하기 위하여 KS M ISO 527-4(플라스틱-인장성의 측정-제4부: 등방성 및 직교 섬유강화플라스틱 복합 재료의 시험 조건)를 참고로 하여 인장실험을 수행하였다. PFRP 부재의 단면은 Fig.
- FRP-콘크리트 합성말뚝의 제작에 사용된 필라멘트 와인딩 FRP의 역학적 특성을 조사하기 위하여 부재 길이방향의 인장강도실험을 수행하였고, 원주방향에 대해서 Split Disk Test를 수행하였다.
- HCFFT 압축강도실험의 기존의 연구문헌을 참고하여 변수는 2가지로 설정하였다. 첫 번째 변수는 내부채움에 사용되는 콘크리트의 강도로써, 21MPa, 30MPa, 40MPa의 3가지 변수를 정하였다.
- HCFFT의 압축강도실험은 30MN(3,000tonf) 용량의 UTM을 이용하여 하중제어방식으로 300kN/min의 속도로 하중을 재하하여 일축압축실험을 수행하였다.
- HCFFT의 압축강도실험은 30MN(3,000tonf) 용량의 UTM을 이용하여 하중제어방식으로 300kN/min의 속도로 하중을 재하하여 일축압축실험을 수행하였다. LVDT와 변형률게이지를 설치하여 실험체의 변위와 변형률을 측정하였다. Fig.
- FRP-콘크리트 합성말뚝의 제작에 사용된 PFRP의 역학적 특성을 조사하기 위하여 KS M ISO 527-4(플라스틱-인장성의 측정-제4부: 등방성 및 직교 섬유강화플라스틱 복합 재료의 시험 조건)를 참고로 하여 인장실험을 수행하였다. PFRP 부재의 단면은 Fig. 5에 나타낸 바과 같이 단면을 구성하는 판요소의 두께와 보강섬유의 적층수가 서로 다르기 때문에 부재 단면의 내측(I), 외측(O), 격벽(S)으로 구분하여 각각 5개씩 채취하여 제작하였다.
- PFRP 부재의 인장강도실험은 홍익대학교 토목구조 재료실험실에서 수행하였다.
- 콘크리트 공시체의 압축강도시험은 홍익대학교 토목구조재료실험실에서 수행하였다. 각 공시체는 100mm의 용량을 갖는 LVDT를 설치하여 길이방향 압축변위를 측정하도록 하였으며, UTM을 이용하여 하중을 재하하였다. 하중은 변위제어방식으로 1mm/min의 속도로 재하하였다.
- PFRP 부재의 인장강도실험은 홍익대학교 토목구조 재료실험실에서 수행하였다. 각 시편은 중앙부분에 길이방향과 길이직각방향의 변형률게이지를 부착하였으며, UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 하중을 재하하였다. 하중은 변위제어방식으로 3mm/min의 속도로 재하하였으며, 변형률게이지로부터 측정되는 데이터는 데이터로거(TDS-302)를 통하여 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다.
- Split Disk Test에 인장실험과 같이 3종류의 원통관에서 5개씩 채취하여 제작하였다. 각 시편은 중앙부분에 원주방향과 원주직각방향으로 변형률게이지를 부착하였으며, UTM을 이용하여 하중을 재하하였다. 하중은 변위제어방식으로 3mm/min의 속도로 재하하였으며, 변형률게이지로부터 측정되는 데이터는 데이터로거(TDS-302)를 통하여 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다.
- 유한요소해석은 실험을 수행하였던 부재 치수와 콘크리트의 설계기준강도, FFRP의 두께를 그대로 반영하여 수행하였고, 재료의 역학적 성질은 3장에서 실험을 통해 얻은 결과를 적용하였다. 경계조건은 해석모델의 하부의 면을 모두 고정단으로 하였으며, 하중은 실험조건과 동일하게 해석모델의 상부에 가력판을 생성하여 가력판 상부면에 실험으로 구해진 최대하중을 재하하였다. Fig.
- 공시체는 설계기준강도에 따라 ∅150×300mm의 크기로 15개씩 제작하여 수중 양생을 하였으며, 타설일로부터 각각 7일, 14일, 28일 경과 후 압축강도시험을 실시하였다.
- 이 연구에서는 CFFT의 휨에 대한 보강방안으로 필라멘트 와인딩 FRP(Fillament winding fiber reinforced polymeric plastic, FFRP) 내부에 부재의 축방향으로 섬유가 배치되는 펄트루젼 FRP(Pultruded fiber reinforced polymeric plastic, PFRP)를 도입하여 휨에 대해서도 구조성능을 확보할 수 있는 새로운 형식의 FRP-콘크리트 합성부재인 HCFFT(Hybrid CFFT)를 제안하였다. 그리고 HCFFT의 압축성능을 평가하기 위해 CFFT와 HCFFT에 대한 실험을 실시하여 그 결과를 비교, 검토하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 압축강도를 추정하여 실험과 비교하였다.
- 첫 번째 변수는 내부채움에 사용되는 콘크리트의 강도로써, 21MPa, 30MPa, 40MPa의 3가지 변수를 정하였다. 두 번째 변수는 필라멘트 와인딩의 두께로써, 필라멘트와인딩 작업 시 감을 수 있는 최소 두께인 2.8mm(4ply)로부터 2ply씩 증가시켜, 4.2mm(6ply), 5.6mm(8ply)로 결정하였다. 그리고 각 변수별 시편은 각각 5개씩 제작하여 총 45개의 HCFFT 압축강도실험 시편으로 계획하였다.
- 그리고 HCFFT의 압축성능을 평가하기 위해 CFFT와 HCFFT에 대한 실험을 실시하여 그 결과를 비교, 검토하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 압축강도를 추정하여 실험과 비교하였다.
- D는 고성능감수제의 단위중량을 각각 나타낸 것이다. 또한, HCFFT와 동일한 FFRP 두께와 콘크리트의 설계기준강도를 변수로 설정한 CFFT를 제작하였다. 공시체는 설계기준강도에 따라 ∅150×300mm의 크기로 15개씩 제작하여 수중 양생을 하였으며, 타설일로부터 각각 7일, 14일, 28일 경과 후 압축강도시험을 실시하였다.
- 또한, 펄트루젼 공정상 단면의 크기에 대한 제약이 있으므로 Segment형태의 조립형 펄트루젼 단면을 설계하였다.
- 또한, 휨보강제인 PFRP가 포함되지 않은 CFFT를 제작하여 HCFFT와 CFFT의 비교하였다. CFFT의 변수는 콘크리트 강도는 30MPa로 고정하였으며, 필라멘트와인딩 두께는 HCFFT와 동일하게 2.
- , 2007)을 사용하여 구조해석을 수행하였다. 유한요소해석은 실험을 수행하였던 부재 치수와 콘크리트의 설계기준강도, FFRP의 두께를 그대로 반영하여 수행하였고, 재료의 역학적 성질은 3장에서 실험을 통해 얻은 결과를 적용하였다. 경계조건은 해석모델의 하부의 면을 모두 고정단으로 하였으며, 하중은 실험조건과 동일하게 해석모델의 상부에 가력판을 생성하여 가력판 상부면에 실험으로 구해진 최대하중을 재하하였다.
- 이 연구에서는 CFFT의 휨에 대한 보강방안으로 필라멘트 와인딩 FRP(Fillament winding fiber reinforced polymeric plastic, FFRP) 내부에 부재의 축방향으로 섬유가 배치되는 펄트루젼 FRP(Pultruded fiber reinforced polymeric plastic, PFRP)를 도입하여 휨에 대해서도 구조성능을 확보할 수 있는 새로운 형식의 FRP-콘크리트 합성부재인 HCFFT(Hybrid CFFT)를 제안하였다.
- HCFFT 압축강도실험의 기존의 연구문헌을 참고하여 변수는 2가지로 설정하였다. 첫 번째 변수는 내부채움에 사용되는 콘크리트의 강도로써, 21MPa, 30MPa, 40MPa의 3가지 변수를 정하였다. 두 번째 변수는 필라멘트 와인딩의 두께로써, 필라멘트와인딩 작업 시 감을 수 있는 최소 두께인 2.
- 각 시편은 중앙부분에 길이방향과 길이직각방향의 변형률게이지를 부착하였으며, UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 하중을 재하하였다. 하중은 변위제어방식으로 3mm/min의 속도로 재하하였으며, 변형률게이지로부터 측정되는 데이터는 데이터로거(TDS-302)를 통하여 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다. 인장시편의 형태 및 실험방법은 Fig.
- 해석결과는 경계조건과 하중재하점에서 가장 거리가 먼 중앙부의 절단면에 대하여 검토하였다.
대상 데이터
- HCFFT 실험체는 펄트루젼 FRP 단면을 생산한 후 각 모듈을 원통 형태로 접합하여, 접합된 부재를 맨드렐에 고정하여 원주방향으로 필라멘트 와인딩 FRP로 보강하는 순서로 ∅300×600의 FRP부재를 제작하고 현장으로 운반하여 콘크리트를 타설하여 완성하였다.
- Split Disk Test는 홍익대학교 토목구조재료실험실에서 기존 연구를 참고로 하여 수행하였다(박준석, 2006). Split Disk Test에 인장실험과 같이 3종류의 원통관에서 5개씩 채취하여 제작하였다. 각 시편은 중앙부분에 원주방향과 원주직각방향으로 변형률게이지를 부착하였으며, UTM을 이용하여 하중을 재하하였다.
- 6mm(8ply)로 결정하였다. 그리고 각 변수별 시편은 각각 3개씩 제작하여 총 9개의 시편으로 계획하였다. 각 시편의 크기와 변수, 수량, 펄트루젼 FRP단면의 상세 치수를 Table 4에 나타내었다.
- 6mm(8ply)로 결정하였다. 그리고 각 변수별 시편은 각각 5개씩 제작하여 총 45개의 HCFFT 압축강도실험 시편으로 계획하였다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트는 별도의 공시체를 제작하여 압축강도시험을 실시하였다.
- 인장강도실험은 PFRP와 동일한 형태로 수행하였으며, 사용한 시편은 4, 6, 8ply로 각각 적층한 3종류의 원통관에서 5개씩 채취하여 제작하였다. 인장강도실험 결과 모든 시편은 섬유배치방향으로 파괴되었다.
- 콘크리트 공시체의 압축강도시험은 홍익대학교 토목구조재료실험실에서 수행하였다. 각 공시체는 100mm의 용량을 갖는 LVDT를 설치하여 길이방향 압축변위를 측정하도록 하였으며, UTM을 이용하여 하중을 재하하였다.
- 콘크리트는 Table 5와 같은 배합비로 설계기준강도가 21MPa, 30MPa, 40MPa이 되도록 제작하여 실험체를 총 9종류로 제작하였다.
데이터처리
- 이 연구에서는 HCFFT의 압축실험결과와 비교하기 위하여 범용유한요소해석 프로그램인 ANSYS Ver. 11(SAS IP, Inc., 2007)을 사용하여 구조해석을 수행하였다.
이론/모형
- Split Disk Test는 홍익대학교 토목구조재료실험실에서 기존 연구를 참고로 하여 수행하였다(박준석, 2006). Split Disk Test에 인장실험과 같이 3종류의 원통관에서 5개씩 채취하여 제작하였다.
성능/효과
- 3. HCFFT와 CFFT의 압축강도실험 결과, HCFFT의 압축강도가 CFFT에 비하여 11~47% 향상되는 것으로 나타났다.
- 4. HCFFT의 실험 구간 내에서 FFRP의 두께의 증가에 따라 구속압이 증가되며, 구속압과 콘크리트의 설계기준강도의 증가에 따라 압축강도가 증가하였으며, 구속압 3.5MPa, 콘크리트 설계기준강도 30MPa 이상에서는 강도증가폭이 감소하였다.
- 5. 유한요소해석을 통하여 파괴 강도를 예측한 결과, 실험결과에 비하여 약간 작은 값을 보였으며, 0.14%에서 17.95%까지의 오차범위 내에 있음을 알 수 있었다.
- 구속압과 콘크리트의 설계기준강도의 증가에 따라 압축강도가 증가하였으며, 구속압 3.5MPa, 콘크리트 설계기준강도 30MPa 이상에서는 강도증가폭이 감소하였다.
- HCFFT 압축강도실험을 수행하기 앞서 PFRP와 FFRP 재료의 역학적 성질을 인장실험, Split Disk Test을 통하여 조사하였다. 또한 내부 채움에 사용되는 콘크리트에 대하여 표준공시체 시험을 실시하여 설계한 콘크리트 강도가 발현됨을 확인하였다.
- 5MPa, 콘크리트 설계기준강도 30MPa 이상에서는 강도증가폭이 감소하였다. 또한, 콘크리트의 강도를 증가시켰을 때보다 구속압을 증가시켰을 때 더 큰 강도증가를 나타냈다. 이러한 현상은 HCFFT, CFFT는 콘크리트가 파괴된 이후 구속압에 의한 연성증가로 강도가 증가되는 현상을 보이는 부재이므로 콘크리트 강도 보다는 FFRP의 보강 두께의 영향이 크다는 것을 나타낸다.
- 시험결과 모든 공시체의 파괴는 표면에 균열이 발생하며 파괴되었으며 모든 공시체는 양생 28일 후 설계 기준강도보다 비슷하거나 큰 압축강도를 나타내었다.
- 실험 결과, HCFFT의 압축강도는 CFFT에 비하여 11~47% 향상되는 것으로 나타났다.
- 압축강도실험 결과 실험체는 하중이 재하됨에 따라 심부의 콘크리트의 파괴가 일어난 후, FFRP의 구속에 의해 추가적인 강도 증가를 보인 후, FFRP의 섬유배치 방향으로 파괴가 진행되었다.
- 인장강도실험 결과 모든 시편은 섬유배치방향으로 파괴되었다. 채취한 시편의 두께와 폭, 실험결과를 Table 1에 정리하여 나타내었다.
- 인장강도실험 결과 모든 시편은 섬유배치방향으로 파괴되었다.
- 95%까지의 오차범위 내에 있음을 알 수 있었다. 콘크리트 설계기준강도가 작을수록, FFRP의 두께가 작을수록 오차가 작게 나타났다. 이는 해석상에서는 콘크리트와 PFRP, FFRP의 접합이 완벽하다고 가정되고 있는 조건에 따라 일체거동을 하지만 실제는 콘크리트 파괴 이후 완벽하지 못한 접합을 가지게 되는 부분의 영향으로 판단된다.
- 건설분야에서 콘크리트 압축재의 내부를 구속하는 가장 일반적인 방법으로는 띠철근이나 나선철근을 사용하는 방법이 적용되어 왔다. 특히, 나선철근의 경우 그 배치간격에 따라 내부 콘크리트를 효과적으로 구속하여 압축 성능 향상에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 외부 유해환경으로부터 철근을 보호하기 위한 콘크리트 피복은 결국 단면을 증가시키게 되며, 균열이나 파손 등에 의해 완전한 구속효과를 거두지 못하는 것으로 연구, 보고된 바 있다.
- 해석결과는 실험결과에 비하여 모든 시편에서 약간 작은 값을 보였으며, 0.14%에서 17.95%까지의 오차범위 내에 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 현상은 HCFFT, CFFT는 콘크리트가 파괴된 이후 구속압에 의한 연성증가로 강도가 증가되는 현상을 보이는 부재이므로 콘크리트 강도 보다는 FFRP의 보강 두께의 영향이 크다는 것을 나타낸다. 또한 실험 결과로 미루어 보아 FFRP의 두께는 일정 치수 이상에서는 감소하는 영향을 보임에 따라 보강 두께의 제한사항을 마련할 필요가 있다. HCFFT와 구속비 및 콘크리트 강도에 따른 영향을 Fig.
- 향후, HCFFT의 유한요소해석에 있어서 오차를 줄이는 연구를 진행해야할 것이며, 현재 휨강도실험을 실시하여, 이 연구에서 제시한 압축강도실험결과와 함께 분석하여 HCFFT의 구조적 거동특성을 파악할 수 있도록 연구를 진행하고 있다.
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