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문제 정의
- 이에 이 연구에서는 이질 보강근이 여러 열로 보강된 보에 대한 거동을 살펴보고, 또한 FRP 보강근 보강 보의 큰 변형 및 낮은 연성 문제에 대한 해결 방안을 모색하기 위해 총 10개의 고강도 콘크리트 보에 대한 실험을 수행하고 균열 후 강성, 처짐, 균열 양상, 연성 등에 대한 거동을 살펴보았다.
가설 설정
- 7은 모든 실험체의 사용 하중에서의 균열 양상을 도시하고 있다. FRP 보강근 보강 부재의 설계는 처짐과 균열의 지배를 주로 받는 것을 감안하여 사용 하중은 56 kN (0.33Mn)으로 가정하였다. Fig.
- 9). 또한, 극한 하중의 80%로 하중이 감소된 지점을 파괴점으로 가정하였다.
제안 방법
- UTM 단조하중을 천천히 가함과 동시에 하중, 처짐, 변형률을 자동으로 측정하였고, 각 하중 단계에서의 균열 양상 및 균열폭 역시 기록하였다. Fig. 1에 나타난 바와 같이 중앙 처짐 및 지점 처짐을 LVDT(linear voltage differential transformer)를 설치하여 측정하였고, 모든 휨 보강근 중앙에 변형률 게이지를 부착하여 보강근의 변형을 측정하였다.
- 1과 같이 모든 실험체는 500 kN 용량의 UTM (universal testing machine)을 이용하여 실험하였다. UTM 단조하중을 천천히 가함과 동시에 하중, 처짐, 변형률을 자동으로 측정하였고, 각 하중 단계에서의 균열 양상 및 균열폭 역시 기록하였다. Fig.
- 모든 FRP 보강근 보강보는 콘크리트의 압괴에 의해 파괴되도록 과대 보강보로 설계되었다. 모든 부재가 유사한 휨 강도를 가지도록 하기 위해 CFRP 보강근 배근 열에는 두 개의 9 mm CFRP 보강근이, GFRP 보강근 배근 열에는 세 개의 13 mm GFRP 보강근이, 철근 배근 열에는 D10, D13, D19 철근이 하나씩 각각 배근되었고, 철근 배근 열에서 발생될 수 있는 작은 비틀림의 영향은 무시하였다.
- 모든 FRP 보강근 보강보는 콘크리트의 압괴에 의해 파괴되도록 과대 보강보로 설계되었다. 모든 부재가 유사한 휨 강도를 가지도록 하기 위해 CFRP 보강근 배근 열에는 두 개의 9 mm CFRP 보강근이, GFRP 보강근 배근 열에는 세 개의 13 mm GFRP 보강근이, 철근 배근 열에는 D10, D13, D19 철근이 하나씩 각각 배근되었고, 철근 배근 열에서 발생될 수 있는 작은 비틀림의 영향은 무시하였다. 압축 철근으로 D10 철근이 사용되었고, 전단 철근으로 D10 철근을 80 mm간격으로 배근하였다.
- 모든 실험체의 콘크리트는 100 × 200 mm 공시체로 표준 압축강도(fcu), 쪼갬 인장강도(fsp) 실험이 수행되었고, 3등분점 재하 실험을 통해 휨강도(fr)를 구하였다.
- 이질 보강근의 조합 및 섬유의 혼입을 변수로 한 FRP 보강근 보강 고강도 콘크리트 보의 구조 실험 결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- Fig. 1 및 Table 1에 나타난 바와 같이 휨 보강근의 종류, 배열 조합 및 섬유 혼입을 변수로 하는 총 10개의 실험체를 제작하고 실험을 수행하였다. 모든 실험체는 2,300 mm 길이와 230 × 250 mm의 단면적으로 구성되어 있고, 외측 보강근 깊이(d1) 206 mm와 내측 보강근 깊이(d2) 162 mm를 가지고 철근, GFRP 보강근, CFRP 보강근의 조합으로 2단으로 배열되었다.
- Fig. 1과 같이 모든 실험체는 500 kN 용량의 UTM (universal testing machine)을 이용하여 실험하였다. UTM 단조하중을 천천히 가함과 동시에 하중, 처짐, 변형률을 자동으로 측정하였고, 각 하중 단계에서의 균열 양상 및 균열폭 역시 기록하였다.
- 2)은 국내 D사에서 제작되었고, Table 3에 나타난 FRP 보강근의 물성치는 D사에서 제공한 동일 배치의 물성 자료를 이용하였다. GFRP 보강근은 E-glass 섬유 70%와 vinyl ester 레진 30%로, CFRP 보강근은 탄소 섬유 70%와 vinyl ester 레진 30%로 각각 구성되었다. 표면은 브레이딩 기술을 이용하여 리브를 주는 방식의 표면 처리 방법이 적용되었다.
- 모든 실험체는 2,300 mm 길이와 230 × 250 mm의 단면적으로 구성되어 있고, 외측 보강근 깊이(d1) 206 mm와 내측 보강근 깊이(d2) 162 mm를 가지고 철근, GFRP 보강근, CFRP 보강근의 조합으로 2단으로 배열되었다.
- Table 3은 실험체에 사용된 일반 철근과 FRP 보강근의 물성을 정리한 것이다. 실험에 사용된 FRP 보강근(Fig. 2)은 국내 D사에서 제작되었고, Table 3에 나타난 FRP 보강근의 물성치는 D사에서 제공한 동일 배치의 물성 자료를 이용하였다. GFRP 보강근은 E-glass 섬유 70%와 vinyl ester 레진 30%로, CFRP 보강근은 탄소 섬유 70%와 vinyl ester 레진 30%로 각각 구성되었다.
이론/모형
- GFRP 보강근은 E-glass 섬유 70%와 vinyl ester 레진 30%로, CFRP 보강근은 탄소 섬유 70%와 vinyl ester 레진 30%로 각각 구성되었다. 표면은 브레이딩 기술을 이용하여 리브를 주는 방식의 표면 처리 방법이 적용되었다.
성능/효과
- 1) 낮은 탄성 계수를 가지고 파괴시까지 선형 탄성 거동을 보이는 FRP 보강근의 특성 때문에 FRP 보강근 보강 보는 낮은 강성을 가지고 매우 큰 처짐을 나타내었고, 균열이 매우 빠르고 깊고 넓게 발생하였을 뿐만 아니라 취성적인 파괴 거동을 보였다.
- 2) FRP 보강근 내측에 철근을 처짐 및 균열 제어용으로 하이브리드 배근함으로써 FRP 보강근 보강 보의 낮은 강성, 큰 처짐, 낮은 연성, 깊은 균열 및 넓은 균열폭을 제어할 수 있었다.
- 3) 섬유의 혼입을 통해 FRP 보강근 보강 보의 빠르고 깊은 균열을 제어할 수 있고 연성을 증가시켜줄 수 있을 뿐만 아니라 내하력 역시 향상시킬 수 있었다.
- 4) 콘크리트의 압축 파괴에 의해 종국 파괴되도록 설계되었음에도 불구하고 섬유 혼입된 CFRP 보강근 보강 보는 FRP 보강근의 파단에 의해 종국 파괴되었다. 이는 섬유 보강 콘크리트의 증가된 극한 압축 변형률 때문으로, 섬유 혼입된 FRP 보강근 보강 콘크리트 부재 설계 시 섬유 혼입에 의해 증가된 콘크리트의 극한 압축 변형률에 대한 고려가 필요하다.
- 철근콘크리트 부재와는 달리 FRP 보강근 보강 콘크리트 부재는 과대 보강근 보일 경우 콘크리트의 극한 압축 변형률의 증가에 따라 내하력 역시 증가하기 때문에 섬유가 혼입된 FRP 보강근 보강 콘크리트 부재의 내하력 증가에 섬유의 혼입이 큰 영향을 끼침을 알 수 있다. Alsayed와 Alhozaimy에 의해 수행된 GFRP 보강근 보강보의 실험에서는 부피 대비 1.0%의 강섬유 혼입을 통해 약 38%의 극한 모멘트 증가가 나타났다.12)
- 그러나 120 kN 이후 하중에서는 최대 균열폭의 차이가 크게 나타나지 않았다. CC 시리즈에서는 섬유 혼입을 통해 하중 초기에 첫 균열 시점을 늦춰주는 효과는 있었지만, 사용 하중 이후부터 균열폭을 제어해주는 효과는 거의 나타나지 않았고 CC 실험체와 CC-SN, CC-ST 실험체의 최대 균열폭 차이는 파괴 시까지 일정하게 유지되었다.
- CS, GS 부재는 철근의 영향으로 CC, GG 보다 연성 지수가 약 2배 정도 증가하였다. CC-SN, CC-ST 부재의 경우 FRP 보강근의 파단에 의해 부재가 취성적으로 파괴되었기 때문에 섬유 혼입을 통한 연성의 증가는 나타나지 않았지만, 콘크리트의 압축 파괴를 보인 GG-SN, GG-ST 부재는 GG 보다 연성 지수가 각각 70%, 80% 증가하였다. 이를 통해 FRP 보강근 내측의 철근 배근 및 섬유의 혼입을 통해 취성 거동을 보이는 FRP 보강근 보의 연성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 6 Modes of failure 났고, FRP 보강근으로만 보강된 CC, GG, GC 부재는 그 균열 깊이가 매우 깊게 나타났다. FRP 보강근과 철근이 함께 보강된 CS, GS 부재는 내측에 배근된 철근의 영향으로 그 균열 깊이가 CC, GG 보다 얕게 나타났고, 섬유가 혼입된 CC-SN, CC-ST, GG-SN, GG-ST 부재는 섬유의 브리징 효과 및 인장응력 분담의 영향으로 CC, GG 보다 균열 깊이가 얕게 나타났다. 이를 통해 FRP 보강근 보강 보의 빠르고 깊은 균열의 전진을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
- 8은 하중과 최대 균열폭 관계를 도시한 것이다. FRP 보강근으로만 보강된 CC, GG, GC 실험체는 하중이 증가함에 따라 최대 균열폭이 매우 빠르게 커지는 것을 볼 수 있다. 그러나, GG 실험체의 경우는 80 kN 이후부터 최대 균열폭의 증가가 천천히 진행되고 추가적인 균열이 계속 발생되는 보다 훌륭한 균열 양상을 보였다.
- CS, GS 부재의 경우, 내측에 배근된 철근이 빠른 균열폭의 증가를 크게 제어해주었다. GG 시리즈의 최대 균열폭 양상을 살펴보면, 120 kN 이전 하중까지는 GG-ST와 GG-SN 실험체의 최대 균열폭은 GG 실험체의 최대 균열폭보다 매우 작게 나타났다. 그러나 120 kN 이후 하중에서는 최대 균열폭의 차이가 크게 나타나지 않았다.
- ASTM C16095)에서 정의하고 있는 L/600 처짐에서 잔류 강도(fD600), L/150 처짐에서 잔류 강도(fD150), L/150 처짐에서의 인성(TD150) 역시 섬유 보강 콘크리트의 3등분점 재하 실험 결과를 이용하여 구하였고 Table 4에 나타내었다. 강섬유 보강 콘크리트는 합성섬유 보강 콘크리트 보다 첫 균열 강도가 더 크고 균열 후 하중 감소가 더 작았으나, L/150 처짐에서의 잔류 강도 및 인성은 더 작게 나타났다. 이는 합성섬유의 탄성계수가 강섬유의 탄성계수보다 훨씬 작고, 절곡형 합성섬유가 인장력을 받으며 일자로 펴지는 현상 때문인 것으로 판단된다.
- FRP 보강근으로만 보강된 CC, GG, GC 실험체는 하중이 증가함에 따라 최대 균열폭이 매우 빠르게 커지는 것을 볼 수 있다. 그러나, GG 실험체의 경우는 80 kN 이후부터 최대 균열폭의 증가가 천천히 진행되고 추가적인 균열이 계속 발생되는 보다 훌륭한 균열 양상을 보였다. 이는 GG 부재가 CC, GC 부재 보다 인장 증강(tension stiffening) 효과가 뛰어나고 주 균열 부위에서 FRP 보강근이 받는 집중된 인장응력을 균열이 나지 않은 부위로 잘 분배하는 것을 나타낸다.
- GG-SN, GG-ST 실험체의 경우, CC-SN, CC-ST 실험체와는 달리 콘크리트의 압괴에 의해 종국 파괴되었다. 섬유 보강 콘크리트의 연화된 최대 하중 이후 거동으로 인해 파괴 시점에서 뚜렷한 비선형적인 연성 거동을 보였고, 섬유 보강 콘크리트의 증가된 극한 압축 변형률과 증가된 압축강도로 인해 극한 하중은 GG 실험체 보다 11%, 25% 각각 증가되었다(Fig. 5(b)).
- 섬유를 혼입하지 않은 부재의 경우, 모든 실험체의 첫 휨균열은 거의 동일하게 나타났으나 철근이 배근된 실험체(SS, CS, GS)가 FRP 보강근으로만 배근된 실험체(CC, GG, GC) 보다 다소 높은 첫 균열 하중을 나타내었다. 섬유가 혼입된 부재는 섬유가 혼입되지 않은 부재보다 더 큰 균열 하중을 나타내었고, 특히 강섬유가 혼입된 CC-ST, GG-ST 부재는 CC, GG 부재보다 2배 더 큰 균열 하중을 나타내었다. 첫 균열 이후 모든 부재의 강성은 감소하였고, 각 부재는 휨 보강근의 조합 및 섬유의 영향으로 서로 다른 거동을 보이기 시작하였다.
- CC-SN, CC-ST 부재의 경우 FRP 보강근의 파단에 의해 부재가 취성적으로 파괴되었기 때문에 섬유 혼입을 통한 연성의 증가는 나타나지 않았지만, 콘크리트의 압축 파괴를 보인 GG-SN, GG-ST 부재는 GG 보다 연성 지수가 각각 70%, 80% 증가하였다. 이를 통해 FRP 보강근 내측의 철근 배근 및 섬유의 혼입을 통해 취성 거동을 보이는 FRP 보강근 보의 연성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 섬유가 혼입된 부재는 섬유가 혼입되지 않은 부재보다 더 큰 균열 하중을 나타내었고, 특히 강섬유가 혼입된 CC-ST, GG-ST 부재는 CC, GG 부재보다 2배 더 큰 균열 하중을 나타내었다. 첫 균열 이후 모든 부재의 강성은 감소하였고, 각 부재는 휨 보강근의 조합 및 섬유의 영향으로 서로 다른 거동을 보이기 시작하였다. Table 1에 나타난 바와 같이 축방향 강성의 차이로 인해 FRP 보강근으로만 보강된 CC, GG, GC 실험체의 균열 이후 강성이 SS보다 훨씬 더 작게 나타났다((nρ)SS≒5(nρ)CC ≒5(nρ)GG, 여기서 n=보강근의 철근 대비 탄성계수비, ρ = 보강근 비).
후속연구
- 비록 FRP 보강근의 파단에 의한 파괴 보다는 콘크리트의 압괴에 의한 파괴가 조금 덜 취성적인 파괴이지만, 콘크리트 그 자체가 취성 재료이고, 고강도 콘크리트는 훨씬 더 취성적이기 때문에, FRP 보강근 보강 고강도 콘크리트 보는 철근 보강 보 보다 연성이 매우 작아 이에 대한 사전 검토가 필요하다. 또한, FRP 보강근 보강 콘크리트 구조물에 대한 몇몇 나라의 가이드라인에서도 단일 종류의 FRP 보강근이 한 열로만 배근된 경우로 그 가이드라인의 활용을 제한하고 있기 때문에 이질의 보강근이 여러 열로 배근된 경우에 대해서는 보다 많은 연구 자료가 필요하다.1)
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