[논문]CFRP 스트립 표면매립공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 전단거동 특성

한상훈; 홍기남; 신병길; 임진묵; 곽소신

doi:10.11112/jksmi.2011.15.5.178

CFRP 스트립 표면매립공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 전단거동 특성
Characteristics of Shear Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Near Surface Mounted CFRP Strips 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.15 no.5 = no.69, 2011년, pp.178 - 189

한상훈 (충북대학교 토목공학부) , 홍기남 (충북대학교 토목공학부) , 신병길 (한국시설안전공단 시설안전연구소) , 임진묵 (아리산업) , 곽소신 (충북대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 CFRP 표면부착 공법의 대안으로 최근에 관심을 끌고 있는 NSM(Near Surface Mounted)기법으로 전단 보강된 RC 부재의 전단강도를 평가하기 위한 실험과 해석을 수행하였다. 전단철근이 없는 7개의 실험체에 대해 4점 휨실험을 실시하였다. 실험변수로는 CFRP 스트립의 경사($45^{\circ}$, $90^{\circ}$)와 스트립의 간격(250mm, 200mm, 150mm, 100mm)이 고려되었다. 실험적 연구를 통해 NSM공법으로 전단 보강된 RC 부재의 전단강도와 파괴모드에 대한 각 실험변수의 영향을 평가하였다. 실험결과는 $45^{\circ}$ 경사로 스트립을 보강한 실험체들은 스트립의 파단으로 파괴된 반면, 수직으로 스트립을 보강한 실험체들은 스트립의 슬립으로 파괴됨을 보였다. 또한, $45^{\circ}$ 경사 스트립이 수직 스트립보다 전단저항력 증가시킬뿐만 아니라 파괴시의 처짐을 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 추가적으로 RBSN 해석은 NSM기법으로 전단 보강된 RC 부재의 균열형상 및 하중-처짐관계를 적절하게 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tests and analyses were performed in this study to assess the shear strength of Reinforced Concrete(RC) members strengthened by the Near Surface Mounted(NSM) technique in shear, which is drawing attention as an alternative to the Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) bonding strengthening technique. Four-point bending tests were performed on 7 RC specimens without any shear reinforcement. The test variables such as the inclination of CFRP strip (45 degrees and 90 degrees), and the spacing of CFRP strip (250mm, 200mm, 150mm, 100mm) were considered. Through the testing scenarios, the effect of each test variable on the failure mode and the shear strength of the RC members strengthened by the NSM technique in shear were assessed. The test results show that the specimens with CFRP strips at 45 degrees go to failure as a result of the strip fracture, but the specimens with CFRP strips at 90 degrees go to failure as a result of the slip of strips. Strips at 45 degrees was the more effective than strips at 90 degrees, not only in terms of increasing beam shear resistance but also in assuring larger deformation capacity at beam failure. In addition, the RBSN analysis appropriately predicted the crack formation and the load-displacement response of the RC members strengthened by the NSM technique in shear.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0 내외의 깊은 보에 대해서만 주로 수행되어 왔으며, 해석적 연구는 거의 전무한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 NSM 공법으로 보강된 전단스팬비 2.8를 갖는 실험체에 대한 전단실험을 수행하고, 전단보강이 없는 실험체의 전단내력과의 비교를 통해 NSM 전단 보강의 전단보강효과 및 파괴양상을 평가하였다. 본 실험 결과는 기존 전단내력이 부족한 RC 구조물에 대한 NSM 전단보강 설계시 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

제안 방법

CFRP 스트립을 삽입할 홈을 콘크리트용 홈파기를 이용하여 보강길이 및 간격에 따라 깊이와 폭이 각각 15mm, 4mm가 되도록 실험체의 양 측면에 형성하였다. 홈파기 작업과정에서 발생한 콘크리트 분진은 고압세척으로 완전히 제거하였다.
4에 나타낸 바와 같이 각 CFRP 스트립마다 사인장 균열의 발생이 예상되는 위치에 변형률 게이지를 부착하였다. 각 하중단계별로 측정된 하중, 변위, 철근 및 스트립의 변형률은 데이터로거를 이용하여 실시간으로 저장하였다. 실험중에는 육안으로 실험체의 초기균열과 균열진행상황, CFRP 스트립의 탈락 및 파단 등을 확인하여 기록하였으며, 실험 종료 후에는 파괴가 발생한 부분의 콘크리트를 햄머로 분쇄하여 내부 CFRP 스트립의 손상정도를 관찰하였다.
본 실험 결과는 기존 전단내력이 부족한 RC 구조물에 대한 NSM 전단보강 설계시 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 그리고 불균질 취성재료의 손상 전개과정을 예측하기 위해 1978년 Kawai(1978)에 의해 개발된 RBSN 모델을 적용하여 NSM 전단보강 RC 보의 해석연구를 수행하였다.
그림에 나타낸 것과 같이 재하점에서부터 지점까지 1,000mm 구간인 Side A는 “Test side”로 지정하고, 이 부분에 CFRP 스트립을 보강하여 실험변수에 따라 전단파괴 거동을 분석하였다.
기준 실험체를 제외한 모든 실험체는 측면에 홈을 내고, CFRP 스트립을 수직(90°)방향 또는 경사(45°)방향으로 전단 보강을 실시하였다.
반면 Side B는 “Strong side”로서 전단철근을 50mm간격으로 배근하여 전단파괴가 이 구간에서 발생하지 않도록 확실하게 전단보강을 실시하였다.
본 연구에서는 CFRP 스트립을 NSM기법으로 전단 보강한 RC 보에 대한 파괴실험을 통해 전단보강효과를 규명하고, 그 결과와 RBSN 해설결과를 비교·분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
홈파기 작업과정에서 발생한 콘크리트 분진은 고압세척으로 완전히 제거하였다. 분진이 완전히 제거된 홈에 주제와 경화제를 4:1 비율로 혼합한 에폭시를 2회에 걸쳐 2/3정도 충전한 후에 CFRP 스트립을 홈에 삽입하였다. CFRP 스트립 삽입 작업시 CFRP 스트립은 Table 5에 타나낸 바와 같이 세로로 삽입하였으며, 양 측면의 에폭시 두께가 거의 동일하게 되도록 최대한 주의하였다.
각 하중단계별로 측정된 하중, 변위, 철근 및 스트립의 변형률은 데이터로거를 이용하여 실시간으로 저장하였다. 실험중에는 육안으로 실험체의 초기균열과 균열진행상황, CFRP 스트립의 탈락 및 파단 등을 확인하여 기록하였으며, 실험 종료 후에는 파괴가 발생한 부분의 콘크리트를 햄머로 분쇄하여 내부 CFRP 스트립의 손상정도를 관찰하였다.
CFRP 스트립 삽입 작업시 CFRP 스트립은 Table 5에 타나낸 바와 같이 세로로 삽입하였으며, 양 측면의 에폭시 두께가 거의 동일하게 되도록 최대한 주의하였다. 전단보강 작업이 끝난 실험체들은 7일의 양생 기간 후에 파괴실험을 실시하였다.

대상 데이터

하중은 예상 최대하중 80%까지는 하중제어, 그 이후부터는 변위제어 방식으로 작용시켰다. 각 하중단계에서 보 중앙부의 처짐을 측정하기 위해 최대 150mm의 변위까지 측정이 가능한 LVDT 2개를 설치하였다. 인장철근의 변형률을 측정하기 위해서는 보 중앙부의 인장철근에 2개의 변형률 게이지를 부착하였다.
본 연구에서 실험체 제작을 위해 사용한 콘크리트의 배합설계는 Table 1과 같으며, 시멘트는 1종 보통 포틀랜드시멘트, 굵은 골재 최대치수는 25mm 이하를 사용하였다. 콘크리트의 목표강도는 27MPa로 설계하였으며, 압축 강도 실험결과 이를 만족하는 32MPa로 나타났다.
본 연구의 모든 실험체 전장과 순지간은 각각 3,000mm, 2,600mm로 동일하며, 폭과 높이가 각각 250mm, 400mm의 직사각형 단면을 갖는다. 모든 실험체의 전단스팬비(a/d)는 2.
기준 실험체를 제외한 모든 실험체는 측면에 홈을 내고, CFRP 스트립을 수직(90°)방향 또는 경사(45°)방향으로 전단 보강을 실시하였다. 수직 전단보강 실험체의 CFRP 스트립 보강간격은 100mm, 150mm, 200mm, 250mm이며, 경사 전단보강 실험체의 보강간격은 150mm, 250mm이다.
실험에 사용한 CFRP 스트립은 Swiss S사에서 개발한 Laminate 150/2000제품으로서 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 두께와 폭이 각각 2.8mm, 10mm이며, 역학적 특성은 Table 3과 같다. 에폭시는 CFRP 스트립과 콘크리트 사이의 전단응력을 전달하기 위한 매개체로서 Swiss S사에서 CFRP 부착을 위해 생산하는 Epoxy Resin 220을 사용하였다.
콘크리트의 목표강도는 27MPa로 설계하였으며, 압축 강도 실험결과 이를 만족하는 32MPa로 나타났다. 인장철근과 압축철근은 KS D 3504의 이형철근으로 SD400을 사용하였다. 사용 철근의 역학적 특성은 Table 2와 같다.

이론/모형

RBSN(Rigid-Body-Spring-Network)모델은 개별요소법의 일종으로 체눈형성이 비교적 자유롭고 계산과정이 단순하며 파괴형상을 실제와 가깝게 묘사할 수 있는 장점이 있다. RBSN 모델은 Kawai(1978)에 의해 제안된 강체-스프링모델에 기초한다. 해석대상을 유한개의 강체로 분할하고 각 요소의 경계면을 길이가 0인 스프링들로 연결하여 스프링의 변형에 의해 내력을 전달하게 된다.
철근의 재료모델은 Hsu(1993)가 제안한 모델을 적용하였으며, 전단 보강재로 사용된 CFRP 스트립은 항복 변형률 도달이후 즉시 파단되는 완전취성재료로 고려하였다. 또한, 철근과 보강재의 콘크리트와의 부착관계는 Shima와 Okamura(1987)에 의해서 제안된 부착모델을 적용하였다.
강체 경계면상의 수직 및 전단 스프링에 대한 인장, 압축, 전단-슬립거동 등을 적절히 묘사하기 위해 다양한 재료모델들이 제안되어 있다. 본 해석에서는 압축모델로 2001년 Nakamura와 Higai(2001)가 제안한 재료모델을 적용하였다. 인장모델로는 취성재료에서 주로 채용하고 있는 bi-linear모델을 사용하였다.
본 해석에서는 압축모델로 2001년 Nakamura와 Higai(2001)가 제안한 재료모델을 적용하였다. 인장모델로는 취성재료에서 주로 채용하고 있는 bi-linear모델을 사용하였다. 접선방향의 전단스프링에 대해서는 Saito(1999)가 제안한 파괴기준을 적용 하였다.
인장모델로는 취성재료에서 주로 채용하고 있는 bi-linear모델을 사용하였다. 접선방향의 전단스프링에 대해서는 Saito(1999)가 제안한 파괴기준을 적용 하였다. Saito의 파괴기준은 Fig.
11(b)에서 G는 전단강성, λ는 손상정도를 나타내는 재료인자, τ_f는 재료의 전단강도, γ₀는 전단강도 발현시의 전단변형률을 나타낸다. 철근의 재료모델은 Hsu(1993)가 제안한 모델을 적용하였으며, 전단 보강재로 사용된 CFRP 스트립은 항복 변형률 도달이후 즉시 파단되는 완전취성재료로 고려하였다. 또한, 철근과 보강재의 콘크리트와의 부착관계는 Shima와 Okamura(1987)에 의해서 제안된 부착모델을 적용하였다.

성능/효과

(1) CFRP 스트립을 수직으로 매립한 NS-AV 시리즈와 45° 경사로 매립한 NS-AD 시리즈 실험체의 전단력은 기준실험체와 비교하여 각각 28.32~86.93%, 119.91~123.57% 증가한 것으로 나타나, NSM 전단보강에서도 수직전단보강보다는 경사전단보강이 우수한 보강성능을 나타냄을 확인하였다.
(2) CFRP 스트립을 수직으로 매립한 NS-AV 시리즈와 45° 경사로 매립한 NS-AD 시리즈 실험체 최대변위는 기준실험체와 비교하여 각각 55.6~150.4%, 203.4~273.3% 증가함을 보여, 경사보강이 변위성능 개선에도 수직보강보다 큰 효과가 발현됨을 확인 하였다.
(3) RBSN 해석은 NSM기법으로 전단 보강된 RC보의 전단거동 및 균열형상을 비교적 정확하게 예측하였으나, NS-AV-10과 같이 급작스럽게 CFRP 스트립에 슬립이 발생한 실험체에 대해서는 전단성능을 과대평가하는 경향을 나타내었다. 따라서 추후 철근 및 CFRP 스트립에 대한 부착모델이 개선된다면 NSM 기법으로 보강되는 구조물의 전단성능 평가에 매우 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
CFRP 스트립을 수직(90°), 200mm 간격으로 보강한 NS-AV -20에 대한 비교를 보면, RBSN해석은 보강재를 수직으로 보강한 실험체의 초기강성을 잘 예측하고 있으며, 최대하중을 비교적 정확하게 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
CFRP 스트립을 수직으로 매립한 NS-AV 시리즈 실험체의 전단력(Vu)은 Vu, Con과 비교하여 28.32~86.93% 증가하였으며, 45° 경사로 매립한 NS-AD 시리즈 실험체의 전단력은 119.91~123.57% 증가하였다.
NS-AV-15의 하중-변위 곡선은 거의 직선적인 거동을 하다가 취성적으로 파괴되었지만, NS-AD-15는 인장철근의 항복이후 처짐이 급격하게 증가하는 과정에 연성거동을 보이다가 최종파괴가 발생함을 보이고 있다. NS-AV-15에 비해 NS-AD-15의 최대하중과 최대변위가 각각 21%, 53% 크게 나타났다. Fig.
7(a)는 보강간격은 150mm로 동일하지만 보강방법이 각각 수직보강과 경사보강인 NS-AV-15와 NS-AD-15 실험체의 하중-변위 곡선을 보이고 있다. NS-AV-15의 하중-변위 곡선은 거의 직선적인 거동을 하다가 취성적으로 파괴되었지만, NS-AD-15는 인장철근의 항복이후 처짐이 급격하게 증가하는 과정에 연성거동을 보이다가 최종파괴가 발생함을 보이고 있다. NS-AV-15에 비해 NS-AD-15의 최대하중과 최대변위가 각각 21%, 53% 크게 나타났다.
NS-AV-25의 하중-변위 곡선은 거의 직선적인 거동을 보이다가 급작스럽게 파괴되었지만, NS-AD-25는 인장철근의 항복 이후 파괴되는 거동을 보이고 있다. NS-AV-25에 비해 NS-AD-25는 최대하중 및 최대변위가 각각 71%, 95% 크게 나타났다. 즉, 동일한 보강간격으로 CFRP 스트립을 매립하다라도 수직으로 보강하는 것보다는 경사지게 보강하는 것이 전단강도 및 변형성능 개선효과가 더욱 크게 나타남을 확인할 수 있다.
1kN으로 보강간격이 50mm씩 감소함에 따라 약 60kN씩 증가하였다. 그러나, NS-AV-15와 NS-AV-10의 최대하중의 차이는 약 5kN으로 보강간격이 150mm 이하로 감소하여도 하중중대 효과는 크지 않음을 확인할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 NS-AV-10 실험체의 파괴가 CFRP 스트립의 파단에 의해 발생한 것이 아닌 슬립에 의해서 발생했기 때문이다.
6(b)은 스트립을 45° 경사로 매립한 NS-AD 시리즈 실험체의 하중-변위 관계를 보이고 있다. 그림을 통해서 스트립을 경사로 보강한 경우 최대하중 및 변형성능이 기준실험체 Control과 비교하여 크게 개선됨을 알 수 있다. NS-AD-15와 NS-AD-25 실험체의 최대하중은 각각 461.
또한, CFRP 스트립을 수직으로 매립한 NS-AV 시리즈 실험체의 최대 변위(δu)는 δu, Con과 비교하여 55.6~150.4% 증가하였으며, 45° 경사로 매립한 NS-AD 시리즈 실험체의 최대변위는 203.4~273.3% 증가하였다.
최종적으로 NS-AD-25 실험체의 파괴는 G4 게이 지가 부착된 CFRP 스트립의 파단으로 발생하였다. 즉, CFRP 스트립을 경사로 매립하는 것이 수직으로 보강하는 것 보다 모든 스트립이 전단균열에 대해 저항할 수 있어 보강효율이 극대화될 수 있음을 알 수 있다.
NS-AV-25에 비해 NS-AD-25는 최대하중 및 최대변위가 각각 71%, 95% 크게 나타났다. 즉, 동일한 보강간격으로 CFRP 스트립을 매립하다라도 수직으로 보강하는 것보다는 경사지게 보강하는 것이 전단강도 및 변형성능 개선효과가 더욱 크게 나타남을 확인할 수 있다.
그림에서 수직으로 스트립을 전단 보강한 실험체들은 매립간격에 관계없이 탄성구간에서 급작스럽게 파괴가 발생하며, 강성이 거의 일정함을 보이고 있다. 최대하중은 매립간격이 감소할수록 거의 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. NS-AV-25, NS-AV-20, 그리고 NS-AV-15의 최대하중은 각각 256.
본 연구에서 실험체 제작을 위해 사용한 콘크리트의 배합설계는 Table 1과 같으며, 시멘트는 1종 보통 포틀랜드시멘트, 굵은 골재 최대치수는 25mm 이하를 사용하였다. 콘크리트의 목표강도는 27MPa로 설계하였으며, 압축 강도 실험결과 이를 만족하는 32MPa로 나타났다. 인장철근과 압축철근은 KS D 3504의 이형철근으로 SD400을 사용하였다.
8kN으로 보강간격이 100mm 감소하였음에도 약 20kN 정도밖에 최대하중의 차이가 발생하지 않았다. 한편, NS-AD-15와 NS-AD-25의 최대변위는 기준실험체 Control과 비교하여 각각 273%와 203%의 증가율을 보여, 매립간격 100mm 감소에 변위성능이 약 70%까지 증가하는 결과를 나타내었다.

후속연구

또한, 앞에서 언급한 바와 같이 NS-AV-10 실험체의 경우 CFRP 스트립의 슬립으로 인한 급작스런 전단파괴가 발생하였으나, RBSN 해석은 이를 정확하게 예측하지 못하고 휨균열만이 발생한 결과를 나타내었다. 그러나 RBSN 해석은 부착-슬립에 관한 추가적인 연구가 선행된다면 CFRP 스트립을 매립하여 전단보강 한 실험체의 균열형상을 예측하는데 있어 매우 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
그러나 이 부분의 거동은 보강 설계시 큰 의미가 없는 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서 시도한 RBSN모델을 적용한 해석은 유한요소법으로 해석하는데 많은 어려움이 있는 NSM보강 RC부재의 전단 보강 성능 예측에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
(3) RBSN 해석은 NSM기법으로 전단 보강된 RC보의 전단거동 및 균열형상을 비교적 정확하게 예측하였으나, NS-AV-10과 같이 급작스럽게 CFRP 스트립에 슬립이 발생한 실험체에 대해서는 전단성능을 과대평가하는 경향을 나타내었다. 따라서 추후 철근 및 CFRP 스트립에 대한 부착모델이 개선된다면 NSM 기법으로 보강되는 구조물의 전단성능 평가에 매우 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
8를 갖는 실험체에 대한 전단실험을 수행하고, 전단보강이 없는 실험체의 전단내력과의 비교를 통해 NSM 전단 보강의 전단보강효과 및 파괴양상을 평가하였다. 본 실험 결과는 기존 전단내력이 부족한 RC 구조물에 대한 NSM 전단보강 설계시 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 그리고 불균질 취성재료의 손상 전개과정을 예측하기 위해 1978년 Kawai(1978)에 의해 개발된 RBSN 모델을 적용하여 NSM 전단보강 RC 보의 해석연구를 수행하였다.
특히, NS-AV-10 실험체의 거동을 RBSN 해석은 인장철근의 항복이 선행되는 휨파괴 거동으로 예측하고 있다. 이러한 전단파괴를 적절하게 예측하기 위해서는 콘크리트에 매립된 CFRP 스트립의 부착-슬립거동을 정확하게 예측할 수 있는 부착모델의 개발이 선행되어야 할 것으로 사료된다.
13에서 RBSN 해석은 Control, NS-AV-20, NS-AV-15 실험체의 전단균열에 의한 손상을 비교적 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다. 하지만 이 실험체들 모두에서 인장철근의 뽐힘으로 인한 쪼갬파괴를 RBSN 해석은 매우 과다평가 하는 것으로 나타났으며, 이에 대한 보완을 위해서는 적용한 철근의 부착-슬립 모델의 수정이 필요할 것으로 사료된다. 또한, 앞에서 언급한 바와 같이 NS-AV-10 실험체의 경우 CFRP 스트립의 슬립으로 인한 급작스런 전단파괴가 발생하였으나, RBSN 해석은 이를 정확하게 예측하지 못하고 휨균열만이 발생한 결과를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 구조물은 시간이 지나면 어떻게 변화하나?	철근콘크리트 구조물은 시간이 경과하면서 콘크리트 열화 및 철근부식에 의한 노후화가 진행되어 성능이 저하된다. 전국적으로 노후화된 철근콘크리트 구조물이 증가함에 따라 강판이나 FRP(fiber reinforced polymer)등을 이용한 구조물 보강사례가 증가하고 있어 전체 건설시장에서 보수·보강 분야의 비중은 빠른 속도로 커지고 있다.
	FRP 보강재의 장점은 무엇인가?	전국적으로 노후화된 철근콘크리트 구조물이 증가함에 따라 강판이나 FRP(fiber reinforced polymer)등을 이용한 구조물 보강사례가 증가하고 있어 전체 건설시장에서 보수·보강 분야의 비중은 빠른 속도로 커지고 있다. 특히 중량에 비해 뛰어난 역학적인 성질을 가지며 내부식성이 우수한 FRP 보강재가 기존의 강판대용으로 이용되면서 보수·보강 공사비용 및 유지관리 비용을 크게 절감할 수 있게 되었다(박상렬, 2001; 박중열 등, 2004; Wu etc., 2006).

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Wu, Z., Li, W., Sakuma N., "Innovative externally bonded FRP/concrete hybrid flexural members", Composite Structures, 72, 2006, pp.289-300.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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