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문제 정의
- 강관 몰드의 외경별 실험은 강관 단면적이 정착 성능에 미치는 영향을 파악하는 것이 목적이다. 실험 결과, φ 21.
- 앞서 수행된 인장 시험을 통해서 채움재는 무수축 모르타르로 결정하였고 기존에 연구 개발된 다양한 CFRP 긴장재의 표피 형식과 제작 방식을 분석하여 부착 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다.
- 이 연구는 CFRP 긴장재의 정착을 위해 사용되는 강재 몰드에 사용될 최적의 채움재를 도출하고 도출된 채움재를 이용하여 몰드의 제원에 따른 정착 성능을 확인하는 연구로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
가설 설정
- 36 MPa 이상으로 15~20% 가량의 부착 강도가 증가하었다.6) 부착 강도는 몰드에 매립된 CFRP 긴장재 길이 전체에 동등하게 분배된다고 가정하면 CFRP 긴장재의 파단 하중을 적용하여 정착 길이를 다음과 같이 추정할 수 있다.
제안 방법
- B사의 탄소섬유 원사로 제작된 긴장재를 사용하였고, 강관의 직경은 φ34, 두께는 6.4 mm로 일정하며 열처리를 적용하였고 길이는 250~400 mm에 대해 정착 성능을 살펴보았다.
- CFRP 긴장재의 정착 성능을 확인하고 향상시키기 위한 방안으로 CFRP 긴장재를 정착하는데 사용되는 강관 몰드의 제원(외경, 두께, 길이, 열처리)을 다양하게 하여 예비 실험을 수행하였다. 앞서 예비 인장 시험에 사용되었던 강관 몰드는 기성 강관 중 열처리를 하지 않은 항복강도 343 MPa의 압력 배관용 탄소 강관으로서 인장 실험시 강관 몰드의 안정된 정착 성능을 유지하기 위해 몰드 제원에 대한 기본적인 설계 요소들을 변수로 하여 실험을 수행하였다.
- 이 연구에서는 CFRP 긴장재를 정착하기 위해 강관 몰드를 사용하여 예비 인장 시험을 실시하였다. 강관 몰드 내부에 채워지는 채움재의 종류에 따른 강연선의 인장 성능을 비교하고, 최적의 채움재를 도출하여 CFRP 긴장재의 인장 시험을 통해 정착 성능을 고찰하였다. 또한 앞선 실험으로 도출된 채움재를 이용하여 강관 몰드의 제원 및 긴장재 표면 처리에 따른 정착 성능을 확인하였다.
- 강관 몰드의 외경, 내경, 두께 및 열처리 변수는 긴장재가 파단에 이를 때까지 몰드가 충분히 견디는지와 정착시 취약부를 확인하고자 할 때 필요하며 경제적인 관점에서도 확인되어야 하는 요소이다. 강관의 열처리 후의 항복강도는 490 MPa이며 실험시 강관의 연성 감소에 의한 취성적인 파괴가 관측되는지 확인하였다(Figs. 5, 6).
- 7)의 길이는 1 m이며, 한쪽만 부착형 강관 몰드를 사용하였고, 반대쪽은 쐐기로 고정하였다. 강연선 중앙에는 변형률 게이지를 부착하였고 하중은 센터홀 로드셀로 측정하였다. 가력은 50톤 용량의 센터홀 잭을 이용하여 인장 시험을 수행하였다(Fig.
- 7). 그 방안의 하나로 긴장재 표면에 옥사이드 코팅을 하여 부착 성능을 향상시키는 방안이 사용되었으며 기존 연구의 부착 시험에서 얻은 결과를 바탕으로 하여 긴장재 표면에 일정한 분포를 가지도록 주의하면서 알루미늄 옥사이드를 코팅하였다(Fig. 8).
- 두 번째 몰드 길이 변수 실험은 B사의 탄소섬유 원사로 제작된 긴장재를 사용하였고, 강관의 직경은 φ 27.2로 일정하며 몰드 길이 250~400 mm에 대해 강관 두께를 3.9 mm 및 5.5 mm를 적용하여 정착 성능을 고찰하였다.
- 0835 mm/sec로 일정하게 유지하였다. 또한 시편 중앙에 긴장재의 표피를 평평하게 갈아 탄소원사 즉 코어 부분에 변형률 게이지를 부착하여 측정하였으며 변위와 하중은 하중 재하 장비에서 직접 측정한 값을 사용하였다.
- 강관 몰드 내부에 채워지는 채움재의 종류에 따른 강연선의 인장 성능을 비교하고, 최적의 채움재를 도출하여 CFRP 긴장재의 인장 시험을 통해 정착 성능을 고찰하였다. 또한 앞선 실험으로 도출된 채움재를 이용하여 강관 몰드의 제원 및 긴장재 표면 처리에 따른 정착 성능을 확인하였다.
- 정착 성능을 너트로 지지할 경우 몰드 단부의 나사탭 부분의 두께가 나사 피치 거리만큼 줄어 취약해지고 여기에 응력 집중이 발생하여 생긴 결과로 판단된다. 몰드의 정착 성능을 높이기 위해 두께 5.5 mm, 길이 400 mm의 강관 몰드에 열처리를 추가하여 정착 성능을 수행한 결과 최대 정착 성능을 보이며 긴장재의 중앙 파단을 유도하였다(Fig. 15).
- 세 번째 몰드 길이 변수 실험은 앞의 두 실험들을 종합하여 강관 몰드의 제원을 확정하고 열처리를 한 후, 몰드의 길이에 대한 영향만을 고려하여 실험을 수행하였다. B사의 탄소섬유 원사로 제작된 긴장재를 사용하였고, 강관의 직경은 φ34, 두께는 6.
- 강관 몰드는 기성 강관의 제원 중에서 CFRP 긴장재 제원에 맞추어 적절히 적용할 수 있는 제원의 범위를 추려서 사용하였다. 실험 변수는 강관 몰드의 외경, 두께, 길이, 섬유 제조사, 긴장재 옥사이드 코팅, 몰드 열처리 등을 적용하였으며 시편에 사용된 CFRP 긴장재의 제원과 변수는 Tables 3과 4에 명시하였다.
- CFRP 긴장재의 정착 성능을 확인하고 향상시키기 위한 방안으로 CFRP 긴장재를 정착하는데 사용되는 강관 몰드의 제원(외경, 두께, 길이, 열처리)을 다양하게 하여 예비 실험을 수행하였다. 앞서 예비 인장 시험에 사용되었던 강관 몰드는 기성 강관 중 열처리를 하지 않은 항복강도 343 MPa의 압력 배관용 탄소 강관으로서 인장 실험시 강관 몰드의 안정된 정착 성능을 유지하기 위해 몰드 제원에 대한 기본적인 설계 요소들을 변수로 하여 실험을 수행하였다. 강관 몰드는 기성 강관의 제원 중에서 CFRP 긴장재 제원에 맞추어 적절히 적용할 수 있는 제원의 범위를 추려서 사용하였다.
- 이 연구에 사용된 긴장재에는 개발된 여러 형식의 표피 중 가장 우수한 부착 강도를 보여준 형식이 선정되었으며 ACI와 CSA 및 JSCE에서 공통으로 규정하고 있는 부착 실험을 수행하여 그 성능을 확인하였다.4,7,8) 선정된 표피 형식은 X형으로 제직사를 직조시킨 방식으로서 Fig.
- 이 연구에서는 CFRP 긴장재를 정착하기 위해 강관 몰드를 사용하여 예비 인장 시험을 실시하였다. 강관 몰드 내부에 채워지는 채움재의 종류에 따른 강연선의 인장 성능을 비교하고, 최적의 채움재를 도출하여 CFRP 긴장재의 인장 시험을 통해 정착 성능을 고찰하였다.
대상 데이터
- 1-3) 따라서 이 연구에서는 FRP 긴장재의 정착을 위한 최적의 채움재를 찾기 위해 Table 1과 같이 5종류의 채움재를 사용하였고, 강재 슬리브는 CSA(Canadian Standard Association)의 규격에 따라 제작하였다(Fig. 1).4)
- 앞서 예비 인장 시험에 사용되었던 강관 몰드는 기성 강관 중 열처리를 하지 않은 항복강도 343 MPa의 압력 배관용 탄소 강관으로서 인장 실험시 강관 몰드의 안정된 정착 성능을 유지하기 위해 몰드 제원에 대한 기본적인 설계 요소들을 변수로 하여 실험을 수행하였다. 강관 몰드는 기성 강관의 제원 중에서 CFRP 긴장재 제원에 맞추어 적절히 적용할 수 있는 제원의 범위를 추려서 사용하였다. 실험 변수는 강관 몰드의 외경, 두께, 길이, 섬유 제조사, 긴장재 옥사이드 코팅, 몰드 열처리 등을 적용하였으며 시편에 사용된 CFRP 긴장재의 제원과 변수는 Tables 3과 4에 명시하였다.
- 강연선(φ12.7)의 길이는 1 m이며, 한쪽만 부착형 강관 몰드를 사용하였고, 반대쪽은 쐐기로 고정하였다.
- 시편 제작은 기존 인장 성능용 시편 제작 방법과 동일하며 정착을 위해 강재 재질의 몰드를 사용하였고 몰드를 제외한 순길이는 40D 이상을 확보하였다.4) 시편들은 강재 몰드에 삽입한 후 모르타르를 채워 40℃ 건조로에 3일간 양생하였으며 양생된 모르타르의 강도는 49 MPa 이상으로 확인되었다.
- 첫 번째 길이 변수 실험은 A사의 탄소섬유 원사로 제작된 긴장재를 사용하였고, 강관의 단면 제원은 φ42.7, 두께 3.6 mm로 일정하며 길이만 변화시켰다.
성능/효과
- 1) 예비 인장 시험 결과, 무수축 모르타르로 채워진 강재 슬리브의 정착 성능이 강연선의 인장강도 수준까지 나타났다. 따라서 FRP 긴장재의 경우도 무수축 모르타르로 채워진 강재 슬리브를 사용하면 FRP 긴장재의 정착 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단 된다.
- 2) 강관 몰드의 외경별 실험 결과, 몰드 변형에 의한 정착 성능은 의미가 없으므로 정착 성능에 적합한 몰드의 단면적이 필요하다. 이 연구에서는 φ34 이상에서 최대 정착 성능을 발현하였지만 φ27.
- 4) 부착형 정착 장치의 정착 성능을 너트로 지지할 경우 몰드 단부의 나사탭 부분의 두께가 나사 피치거리만큼 줄어 취약해지고 응력이 집중되어 변형이 발생할 수 있으므로 강관 몰드에 대해 열처리를 적용하여 정착 성능 향상을 확인하였다.
- 4) 시편들은 강재 몰드에 삽입한 후 모르타르를 채워 40℃ 건조로에 3일간 양생하였으며 양생된 모르타르의 강도는 49 MPa 이상으로 확인되었다.
- 4,7,8) 선정된 표피 형식은 X형으로 제직사를 직조시킨 방식으로서 Fig. 4에서 보여지는 바와 같이 마름모꼴의 홈들이 규칙적으로 배열되어있어 이 부분의 전단키 작용이 모르타르와 표피 사이의 부착 성능에 큰 기여를 하는 것으로 확인되었다. 부착 실험 결과 옥사이드 코팅을 하지 않은 경우의 부착 강도는 평균 14.
- 5) 이 연구에서 도출된 부착형 정착 장치의 최소 강재 몰드 길이는 350 mm로 나타났다. 실험 결과 긴장재 표면에 옥사이드를 코팅하면 부착 특성이 향상되므로 부착 길이 최적화에 도움이 될 것이다.
- 4에서 보여지는 바와 같이 마름모꼴의 홈들이 규칙적으로 배열되어있어 이 부분의 전단키 작용이 모르타르와 표피 사이의 부착 성능에 큰 기여를 하는 것으로 확인되었다. 부착 실험 결과 옥사이드 코팅을 하지 않은 경우의 부착 강도는 평균 14.08 MPa, 옥사이드 코팅을 한 경우에는 부착 강도가 평균 16.36 MPa 이상으로 15~20% 가량의 부착 강도가 증가하었다.6) 부착 강도는 몰드에 매립된 CFRP 긴장재 길이 전체에 동등하게 분배된다고 가정하면 CFRP 긴장재의 파단 하중을 적용하여 정착 길이를 다음과 같이 추정할 수 있다.
- 12에 나타냈다. 실험 결과 몰드 길이 200 mm인 경우 최대 정착 성능의 76%에서 슬립 파괴가 발생하였지만, 300 mm 및 400 mm의 경우는 각각 92%, 100%로 나타났다. 정착 길이는 식 (1)로 산정된 길이와 유사하므로 평균 부착 응력의 개념에 의하여 정착 길이를 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 정착 길이의 최적화를 위해서는 긴장재 표면 처리 등의 부착 특성을 높일 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.
- 실험 결과, φ 21.7, φ 27.2는 다른 시편과의 상대적인 단면적 감소로 인하여 강관이 항복하여 최대 정착 성능의 32~95%로 나타났다.
- 4 mm로 일정하며 열처리를 적용하였고 길이는 250~400 mm에 대해 정착 성능을 살펴보았다. 실험 결과, 몰드 길이별 최대 하중은 증가하는 경향을 나타냈으며, 몰드 길이 300 mm 이하는 슬립 파괴가 발생하였고, 350 mm 이상에서는 중앙부 파단이 발생하여 최대 정착 성능을 보였다(Fig. 16). 이 실험은 긴장재 표면에 옥사이드 코팅을 하지 않은 상태에서 수행되었으며 긴장재가 그 고유의 최대 인장 성능을 발현할 수 있게 하는 최소의 부착 길이는 350 mm인 것으로 판단된다.
- 16). 이 실험은 긴장재 표면에 옥사이드 코팅을 하지 않은 상태에서 수행되었으며 긴장재가 그 고유의 최대 인장 성능을 발현할 수 있게 하는 최소의 부착 길이는 350 mm인 것으로 판단된다. 추후에 옥사이드 코팅을 한 실험체를 제작하여 부착 길이를 더 감소시킬 방안에 대한 연구가 요구된다.
- 이 연구에서는 φ 34 이상에서 최대 정착 성능을 발현하였지만 φ 27.2도 95%의 정착 성능을 보이므로 몰드의 두께 조절 및 열처리 등으로 정착 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 연구에서는 φ34 이상에서 최대 정착 성능을 발현하였지만 φ27.2도 95%의 정착 성능을 보이므로 몰드의 두께 조절 및 열처리 등으로 정착 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- Table 2는 예비 시험 결과의 최대 하중과 파괴 형상을 요약하였다. 채움재를 에폭시로 할 경우 에폭시가 깨지면서 강연선이 빠지는 파괴를 보였고, 최대 하중은 강연선 인장강도의 20~48% 수준이었다. 무수축 모르타르의 경우는 강연선의 인장강도 수준까지 정착하였고 강재 슬리브에는 어떠한 슬립도 발생하지 않았다(Fig.
후속연구
- 3) 정착 길이는 평균 부착 응력의 개념에 의하여 정착 길이를 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 정착 길이의 최적화를 위해서는 긴장재 표면 처리 등의 부착 특성을 높일 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.
- 5) 따라서 강연선을 이용하여 정착 성능을 확보한다면 FRP 긴장재의 정착 성능 역시 확보될 것으로 판단된다.
- 토목 분야의 대표적인 프리스트레스트 콘크리트 구조물에서 긴장재가 부식되어 긴장력이 저하되면 구조물의 내하력이 감소되어 구조물의 안전성에 문제가 발생된다. 강재의 부식 문제를 해결하기 위한 다양한 시도들(에폭시 도막, 전기 방식, 아연 도금 등)이 연구되고 개발되었으나 아직까지 큰 진전을 보이지 못하고 있으며, 최근 선진국들을 중심으로 유리나 탄소 등 내부식성이 강한 섬유 복합 재료(fiber reinforced polymer composites)를 활용한 보강근 및 긴장재의 개발이 활발히 진행되어 콘크리트 구조물에 성공적으로 적용된 사례가 증가하면서 향후 그 이용이 급속히 확대될 것으로 예상된다.
- 5) 이 연구에서 도출된 부착형 정착 장치의 최소 강재 몰드 길이는 350 mm로 나타났다. 실험 결과 긴장재 표면에 옥사이드를 코팅하면 부착 특성이 향상되므로 부착 길이 최적화에 도움이 될 것이다. 향후 부착 특성을 향상시킬 수 있는 다양한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 실험 결과 몰드 길이 200 mm인 경우 최대 정착 성능의 76%에서 슬립 파괴가 발생하였지만, 300 mm 및 400 mm의 경우는 각각 92%, 100%로 나타났다. 정착 길이는 식 (1)로 산정된 길이와 유사하므로 평균 부착 응력의 개념에 의하여 정착 길이를 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 정착 길이의 최적화를 위해서는 긴장재 표면 처리 등의 부착 특성을 높일 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.
- 이 실험은 긴장재 표면에 옥사이드 코팅을 하지 않은 상태에서 수행되었으며 긴장재가 그 고유의 최대 인장 성능을 발현할 수 있게 하는 최소의 부착 길이는 350 mm인 것으로 판단된다. 추후에 옥사이드 코팅을 한 실험체를 제작하여 부착 길이를 더 감소시킬 방안에 대한 연구가 요구된다.
- 실험 결과 긴장재 표면에 옥사이드를 코팅하면 부착 특성이 향상되므로 부착 길이 최적화에 도움이 될 것이다. 향후 부착 특성을 향상시킬 수 있는 다양한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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