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문제 정의
- 이 연구는 내부 부착 FRP 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험을 통하여 사용 하중 상태에서 반복 하중에 대한 내부 FRP 긴장재의 안전성을 파악하고, 피로 성능을 평가하였다. FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이 연구에서는 FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보를 제작하여 반복 하중에 따른 FRP 긴장재의 피로거동을 분석하고, PS 강연선을 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보와 비교 분석하여 철의 대체 재료로서 FRP 긴장재 사용에 대한 안전성과 타당성을 평가하는데 주 목적을 두고자 한다.
가설 설정
- 88 mm2로서, Table 1에 기본 제원을 나타내었다.6) FRP 긴장재는 철근과는 달리 소성 거동을 하지 않는다. FRP 긴장재의 거동은 Fig.
- 콘크리트 구조물에서의 피로 한계는 각국 기준에 따라 약 100만회~200만회인 경우를 나타내고 있으며 이 연구에서는 100만회를 피로한계로 가정하였다. Fig.
제안 방법
- 3) 이 실험에서는 정적 실험을 통해서 얻은 극한 하중의 40%를 최소 하중으로 일정하게 고정하고 최대 하중은 극한 하중의 60%, 70%, 80%로 변화시키면서 피로 실험을 실시하였다.
- FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험은 정적 실험 결과 통해서 나온 극한 하중 192 kN을 기준으로 40~60%, 40~70%, 40~80%로 나누어 실험을 실시하였다. FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 강도와 비교하기 위한 PS 강연선 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험은 극한 하중 179 kN을 기준으로 40~60%, 40~65%, 40~70%, 40~80%로 나누어 피로 실험을 실시하였다.
- Tables 7과 8은 피로 실험 결과를 정리한 표로서 FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보와 PS 강연선을 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험 결과를 나타낸 것이다. FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험은 정적 실험 결과 통해서 나온 극한 하중 192 kN을 기준으로 40~60%, 40~70%, 40~80%로 나누어 실험을 실시하였다. FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 강도와 비교하기 위한 PS 강연선 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험은 극한 하중 179 kN을 기준으로 40~60%, 40~65%, 40~70%, 40~80%로 나누어 피로 실험을 실시하였다.
- KICT 긴장재는 탄소섬유와 비닐에스터 수지를 결합시켜 생산하였다. FRP 긴장재에 폴리비닐알콜 섬유를 사용하여 피복하였고, KICT 긴장재는 부착력을 높이기 위해 피복 형상을 X형으로 제작하였으며, 형상은 Fig. 3과 같다. KICT 긴장재는 원형 단면의 공칭 직경 Ø9.
- 정적 실험에서 초기 재하 하중의 약 20 kN 마다 균열을 확인하여 표시하였고, 그 이후에 반복 횟수에 따른 정적 실험 시 반복 하중에 의해 발생한 추가 균열을 표시하고 균열 폭이 가장 큰 부분을 균열 측정기를 이용하여 측정하였다. Fig. 2와 같이 시험체의 변위를 측정하기 위하여 보의 중앙에 변위계(LVDT)를 설치하였고, 반복 횟수에 따른 보의 잔류 처짐을 측정하기 위해 변위계와 함께 다이얼 게이지를 설치하여 그 값들을 측정하였다.
- 이 연구에서 사용한 FRP 긴장재는 KICT 긴장재를 사용하였다. KICT 긴장재는 탄소섬유와 비닐에스터 수지를 결합시켜 생산하였다. FRP 긴장재에 폴리비닐알콜 섬유를 사용하여 피복하였고, KICT 긴장재는 부착력을 높이기 위해 피복 형상을 X형으로 제작하였으며, 형상은 Fig.
- 극한 하중의 40~80%의 가장 높은 단계의 반복 하중을 받은 PFU80의 시험체는 1~3 Hz로의 반복 속도로 실험을 실시하였다. PFU80 시험체의 피로 실험 결과 약 2,400회에서 중앙부의 균열부에서 내부 긴장재의 파단으로 인한 보의 파괴가 일어났다.
- 극한 하중의 40~80%의 반복 하중을 받은 PSU80 시험체는 2 Hz의 반복 속도로 실험을 실시하였다. 실험 결과 PSU80 시험체는 약 2,300회에서 긴장재와 콘크리트 사이의 미끄럼으로 인한 보의 부착 파괴가 일어났다.
- 데이터의 수집은 동적 변형률 측정기와 자동 데이터 수집 프로그램을 이용하였고, 균열 측정기 및 디지털 카메라 등을 사용하여 기록하였다.
- 여기서, A와 B는 실험에 의하여 결정되는 상수이며, 계산상의 편의상 최소 하중 40%를 0으로 하고 100만회 내에 피로 파괴된 시험체에 대해 위의 식과 같은 형태로 바꾸어 실험 결과로부터 얻은 결과 값을 극한 하중에 대한 피로하중 백분율(Y)인 피로 강도와 피로 수명(X)의 관계를 회귀 분석하면 다음 Table 9와 같은 피로 강도 추정 식을 얻을 수 있다. 두 시험체 모두 극한 강도의 40%를 기준으로 최대 80% 사이의 범위에 대해서 피로 실험을 실시하였다. PFU 시험체의 경우 70%, 80%의 하중 범위에서 파괴되었다.
- 반복 하중 범위를 산정하기 위하여 내부 부착 FRP 프리스트레스트 콘크리트 보 시험체(PFU0)에 대해 각각 정적 실험을 실시하였다. Fig.
- 피로 실험 시 반복 하중은 sine파를 이용하여 재하 속도에 큰 영향을 받지 않는 1~3 Hz로 재하하였다. 반복 하중의 범위는 FRP 긴장재 프리스트레스트 콘크리트 보의 정적 실험을 실시하여 얻은 결과로부터 극한 하중 값을 기준으로 반복 하중의 범위를 결정하였다.
- 실험은 4점 재하법으로 정적 실험인 경우 변위 제어 방식으로 1.5 mm/min의 속도로 재하하였고, 피로 실험은 하중 제어 방식으로 실시하였다. 피로 실험 시 반복 하중은 sine파를 이용하여 재하 속도에 큰 영향을 받지 않는 1~3 Hz로 재하하였다.
- 정적 실험에서 초기 재하 하중의 약 20 kN 마다 균열을 확인하여 표시하였고, 그 이후에 반복 횟수에 따른 정적 실험 시 반복 하중에 의해 발생한 추가 균열을 표시하고 균열 폭이 가장 큰 부분을 균열 측정기를 이용하여 측정하였다. Fig.
- 4 kN이다. 초기 실험 시 반복 속도를 3 Hz로 실시하였으나 미끄럼(slip)이 발생한 이후에 액츄에이터가 반복 하중의 최대 하중과 최소 하중 범위를 못 쫓아가는 현상으로 인해서 반복 속도를 2.5 Hz로 낮추어 실시하였다. Fig.
- 피로 실험 시 데이터 측정은 반복 횟수 1, 103, 104, 105, 2.5 × 105, 5.0 × 105, 7.5 × 105, 106회에 정적 실험을 실시하여 하중과 처짐, 콘크리트의 변형률, 내부 긴장재의 변형률 값들을 동적 변형률 측정기를 통해서 측정하였다.
- 피로 실험 전 반복 하중 범위를 산정하기 위하여 먼저 예비 실험을 실시하였다. 시험체의 사용 하중 범위 내인 반복 하중(극한 하중을 기준으로 최소 하중 10%에서 최대 하중 40%)을 가한 결과 피로 파괴를 보이지 않아 사용 하중 상태의 응력 범위 내에서는 안전한 것으로 판단되었다.
대상 데이터
- KICT 긴장재는 원형 단면의 공칭 직경 Ø9.5, 유효 면적 70.88 mm2로서, Table 1에 기본 제원을 나타내었다.
- PFU70 시험체는 극한강도의 40~70%(76.8 ~ 134.4 kN)를 반복 하중으로 실험을 실시하였다. Fig.
- PS 강연선는 국내 D철강에서 생산한 프리스트레싱용 강연선으로 SWPC7B등급의 직경 12.7 mm를 사용하였다. Table 2는 PS 강연선의 역학적 성질을 나타낸 것이다.
- 시험체 제작 시 사용한 콘크리트는 설계 강도가 35 MPa로 설계된 레미콘 제품을 사용하였다. 콘크리트는 굵은 골재 최대치수가 25 mm, 슬럼프 값은 150 mm이고 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 이 연구에서 사용한 FRP 긴장재는 KICT 긴장재를 사용하였다. KICT 긴장재는 탄소섬유와 비닐에스터 수지를 결합시켜 생산하였다.
- 철근은 SD400 등급 철근으로 압축 철근과 스터럽은 H10을 사용하였다. 철근의 인장 시험 결과는 Table 3과 같다.
- 시험체 제작 시 사용한 콘크리트는 설계 강도가 35 MPa로 설계된 레미콘 제품을 사용하였다. 콘크리트는 굵은 골재 최대치수가 25 mm, 슬럼프 값은 150 mm이고 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 공시체의 압축강도 시험 결과는 Table 4와 같다.
- 프리스트레스트 콘크리트 시험체의 주 인장재로 사용된 긴장재는 FRP 긴장재와 PS 강연선을 사용하여 T형 단면으로 Fig. 1과 같은 제원으로 제작하였다.
- 피로 실험 기준으로는 총 200만회 이상의 반복 하중 가력에 대하여 안전해야하나, 이 실험은 소형 실험체로서 실구조물의 재하 횟수인 1/2인 100만회를 기준으로 선정하였다.5)
이론/모형
- 피로 실험 방법은 ACI 440.3R에 제시된 방법 중 최소 하중을 일정하게 유지하고 최대 하중을 변화시키는 방법을 선택하여 실시하였다.3) 이 실험에서는 정적 실험을 통해서 얻은 극한 하중의 40%를 최소 하중으로 일정하게 고정하고 최대 하중은 극한 하중의 60%, 70%, 80%로 변화시키면서 피로 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험 결과 최소 하중 범위인 40~60%에 해당되는 시험체가 피로 파괴를 나타나지 않는 것으로 보아 사용 하중 상태에서의 반복 하중에 대해 안전한 것으로 나타났다.
- 2) FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 실험 결과 시험체 모두 최대 하중 및 반복 횟수가 증가함에 따라 최대 처짐과 긴장재의 변형률이 증가하였다.
- 3) FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로에 의한 균열 양상은 반복 횟수가 증가함에 따라 휨 균열이 확산되었고, 파괴 형태는 콘크리트 부착 파괴 및 균열부에서의 응력 집중으로 인한 내부 FRP 긴장재의 파단으로 나타났다.
- 4) 피로 실험 결과 피로한계 100만회에 대한 FRP 긴장재를 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 피로 강도는 시험체의 극한 강도에 약 69.2%에 해당되었다.
- 극한 하중의 40~80%의 가장 높은 단계의 반복 하중을 받은 PFU80의 시험체는 1~3 Hz로의 반복 속도로 실험을 실시하였다. PFU80 시험체의 피로 실험 결과 약 2,400회에서 중앙부의 균열부에서 내부 긴장재의 파단으로 인한 보의 파괴가 일어났다. Fig.
- 22는 반복 횟수에 따른 최대 처짐도를 나타낸 것이다. PSU 시험체의 경우 반복 하중 범위가 증가 할수록 최대 처짐량이 증가하는 것을 알 수 있었고, 하중 범위가 클수록 초기 반복 하중에 의해서 최대 처짐량이 증가하는 것을 알 수 있었다. PSU60, PSU65 시험체의 경우 반복 횟수에 따른 최대 처짐도는 초기 최대 처짐량은 조금씩 증가하였고, PSU70, PSU80 시험체는 높은 하중 범위로 인해서 초기 반복 횟수에서도 최대 처짐량이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
- PSU 시험체의 경우 반복 하중 범위가 증가 할수록 최대 처짐량이 증가하는 것을 알 수 있었고, 하중 범위가 클수록 초기 반복 하중에 의해서 최대 처짐량이 증가하는 것을 알 수 있었다. PSU60, PSU65 시험체의 경우 반복 횟수에 따른 최대 처짐도는 초기 최대 처짐량은 조금씩 증가하였고, PSU70, PSU80 시험체는 높은 하중 범위로 인해서 초기 반복 횟수에서도 최대 처짐량이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 32%보다 적게 나타났으나, 높은 하중 범위로 인해 초기 반복 횟수에서 콘크리트와 긴장재 사이의 부착력 저하가 발생하여 파괴되었다. PSU70 시험체와 PFU65 시험체의 경우 103회, 104회 이후에 콘크리트와 긴장재 사이의 부착력 저하로 인하여 변형률이 증가하였고, 2만회와 26만회에서 부착 파괴를 보였다.
- PFU 시험체의 경우 70%, 80%의 하중 범위에서 파괴되었다. S-N 곡선으로부터 반복 횟수 100만회에 대한 FRP 긴장재를 이용한 시험체(PFU)의 피로 강도는 시험체의 극한강도의 약 69.2%이며 PS 강연선을 이용한 시험체(PSU)는 약 59.8%에 해당함을 알 수 있었다.
- 24는 PS 강연선를 이용한 시험체(PSU60, PSU65, PSU70, PSU80)의 반복 횟수에 따른 PS 강연선의 변형률을 나타낸 것이다. 모든 시험체에서 반복 횟수가 증가함에 따라 PS 강연선의 변형률이 증가하는 것을 알 수 있다.
- 피로 실험 전 반복 하중 범위를 산정하기 위하여 먼저 예비 실험을 실시하였다. 시험체의 사용 하중 범위 내인 반복 하중(극한 하중을 기준으로 최소 하중 10%에서 최대 하중 40%)을 가한 결과 피로 파괴를 보이지 않아 사용 하중 상태의 응력 범위 내에서는 안전한 것으로 판단되었다. 그러나 반복 하중 횟수에 따른 S-N curve를 작도하기 위해서는 시험체의 파괴 또는 긴장재의 파단 등 피로 파괴 양상을 가져야 하므로 피로 파괴를 유도하기 위해 반복 하중의 범위를 극한으로 설정하는 것이 필요하다고 판단되었다.
- 극한 하중의 40~80%의 반복 하중을 받은 PSU80 시험체는 2 Hz의 반복 속도로 실험을 실시하였다. 실험 결과 PSU80 시험체는 약 2,300회에서 긴장재와 콘크리트 사이의 미끄럼으로 인한 보의 부착 파괴가 일어났다. Fig.
- 이 연구에서 사용한 PS 강연선의 부착성능이 FRP 긴장재의 부착성능보다 약하여 콘크리트와 PS 강연선 사이의 부착력 저하에 의한 부착 파괴를 보였다.
- 파괴 형태를 비교하여 보면 FRP 긴장재를 이용한 시험체의 경우 반복 횟수에 따른 부분 부착 파괴 및 내부 FRP 긴장재의 파단으로 인한 파괴로 이어졌고, PS 강연 선을 이용한 시험체의 경우 콘크리트와 긴장재 사이의 부착 파괴로 인한 콘크리트 압축 파괴로 이어졌다.
- 하중 범위가 가장 큰 PSU80 시험체의 경우 초기 긴장력 도입 후의 변형률이 0.0065이고, 파괴 전 정적 실험에서의 변형률이 0.0063으로 전체 변형률이 1.28%로 PS 강연선의 항복 변형률 4.32%보다 적게 나타났으나, 높은 하중 범위로 인해 초기 반복 횟수에서 콘크리트와 긴장재 사이의 부착력 저하가 발생하여 파괴되었다. PSU70 시험체와 PFU65 시험체의 경우 103회, 104회 이후에 콘크리트와 긴장재 사이의 부착력 저하로 인하여 변형률이 증가하였고, 2만회와 26만회에서 부착 파괴를 보였다.
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