구조물의 내력증진 방법으로 적용되는 섬유재료에는 탄소섬유와 아라미드섬유 브론섬유 및 유리섬유 등이 있다. 이 중에서도 탄소섬유는 가장 많이 쓰이는 재료로서 다른 종류의 섬유올이 2방향성인 반면 탄소섬유 올은 1방향성으로서 부착되는 섬유올 방향으로만 인장내력에 의해 보강되므로 현장적용 시 섬유올의 부착방향이 매우 중요한 요소이나 보강설계 시 이에 대한 뚜렷한 도시가 되지 않아 구조적 지식이 없는 현장기술자 또는 인부들의 무개념적인 시공으로 보강성능을 전연 확보하지 못하는 사례가 종종 발생되곤 한다. 본 연구는 콘크리트 기둥에 대한 탄소섬유쉬트 방향에 따른 보강성능을 파악코자 각 실험체별로 섬유 올의 경사, 수평 및 수직방향으로 보강한 후 가력을 통한 보강성능을 비교 분석하여 섬유올 방향이 보강성능에 미치는 영향을 대비분석함으로서 섬유방향에 대한 최적의 보강설계 방안을 제시하고자 하였으며, 실험결과 수평방향의 보강성능은 153.43%인 반면 수직보강은 겨우 104.61%로서 거의 보강효과가 없는 것으로 나타났다. 이는 섬유올 방향의 인장내력 증진에 따른 구속효과에 의한 보강효과로서 보강설계와 현장관리에 철저한 관리가 절대적이다.
구조물의 내력증진 방법으로 적용되는 섬유재료에는 탄소섬유와 아라미드섬유 브론섬유 및 유리섬유 등이 있다. 이 중에서도 탄소섬유는 가장 많이 쓰이는 재료로서 다른 종류의 섬유올이 2방향성인 반면 탄소섬유 올은 1방향성으로서 부착되는 섬유올 방향으로만 인장내력에 의해 보강되므로 현장적용 시 섬유올의 부착방향이 매우 중요한 요소이나 보강설계 시 이에 대한 뚜렷한 도시가 되지 않아 구조적 지식이 없는 현장기술자 또는 인부들의 무개념적인 시공으로 보강성능을 전연 확보하지 못하는 사례가 종종 발생되곤 한다. 본 연구는 콘크리트 기둥에 대한 탄소섬유쉬트 방향에 따른 보강성능을 파악코자 각 실험체별로 섬유 올의 경사, 수평 및 수직방향으로 보강한 후 가력을 통한 보강성능을 비교 분석하여 섬유올 방향이 보강성능에 미치는 영향을 대비분석함으로서 섬유방향에 대한 최적의 보강설계 방안을 제시하고자 하였으며, 실험결과 수평방향의 보강성능은 153.43%인 반면 수직보강은 겨우 104.61%로서 거의 보강효과가 없는 것으로 나타났다. 이는 섬유올 방향의 인장내력 증진에 따른 구속효과에 의한 보강효과로서 보강설계와 현장관리에 철저한 관리가 절대적이다.
Carbon, Aramid, Boron and Glass fibers are used as fibrous materials to promote structural bearing strength. Of these fiber types, carbon fiber is the most commonly used material, and is characterized by having a one-way direction, which is strengthened by tensile strength due to the attached direct...
Carbon, Aramid, Boron and Glass fibers are used as fibrous materials to promote structural bearing strength. Of these fiber types, carbon fiber is the most commonly used material, and is characterized by having a one-way direction, which is strengthened by tensile strength due to the attached direction only, while other types of fibers are two-way. Therefore, when applied in the field, the attachment direction of fiber is a very important factor. However, when fiber direction is not mentioned in the design drawing, there sometimes is no improvement in structural strength, as the fiber is being installed by a site engineer or workers who lack structural knowledge. The purpose of this study was to propose an optimal direction of carbon fiber through a comparison & analysis of reinforcing efficiency with reinforced experimental columns that used carbon fibers in each of the inclined, horizontal and vertical directions. According to the results, horizontal direction in the reinforced column was improved by 153.43%, but vertical direction was 104.61% only, and it was understood this was due to increased tensile strength along the fiber direction. For this reason, it is necessary to include information regarding fiber direction in design and site management.
Carbon, Aramid, Boron and Glass fibers are used as fibrous materials to promote structural bearing strength. Of these fiber types, carbon fiber is the most commonly used material, and is characterized by having a one-way direction, which is strengthened by tensile strength due to the attached direction only, while other types of fibers are two-way. Therefore, when applied in the field, the attachment direction of fiber is a very important factor. However, when fiber direction is not mentioned in the design drawing, there sometimes is no improvement in structural strength, as the fiber is being installed by a site engineer or workers who lack structural knowledge. The purpose of this study was to propose an optimal direction of carbon fiber through a comparison & analysis of reinforcing efficiency with reinforced experimental columns that used carbon fibers in each of the inclined, horizontal and vertical directions. According to the results, horizontal direction in the reinforced column was improved by 153.43%, but vertical direction was 104.61% only, and it was understood this was due to increased tensile strength along the fiber direction. For this reason, it is necessary to include information regarding fiber direction in design and site management.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 탄소섬유 올의 방향성에 대한 중요성을 재인식시킴과 아울러 기존의 연구가 수평 및 수직방향[4], 탄소섬유쉬트 튜브에 의한 원형단면[5], 60˚ 방향[6]의 실험체에 국한되었던 반면 현장에서의 제품 절단가공시의 절단조각 사용에 따른 수평 및 수직과 45˚ 경사방향을 변수로 실제구조물에 많이 적용되는 각형기둥을 채택하여 보강성능을 검토하였으며, 이를 통하여 올 방향에 대한 최적의 보강설계 방안을 제시하고자 하는 것을 목적으로 한다.
이에 따라 본 연구에서는 시공상 방향성에 대한 변수가 가장 많은 기둥을 대상으로 탄소섬유 올의 부착방향을 실험 변수로 보강성능을 비교 분석하여 섬유 방향에 대한 최적의 보강설계 방안을 제시코자 하는 목적으로 각 기둥 실험체별로 경사, 수평 및 수직방향으로 부착 보강하고 가력에 따른 파괴양상과 파괴강도 및 파괴시의 변형량을 무보강실험체와 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
보강실험체는 Table 6 및 Figure 2의 도시와 같이 탄소섬유 올의 방향에 따라 무보강과 45° 경사방향과 수평 및 수직방향의 4개 종류로 각 종류별 2개씩 8개의 보강실험체를 탄소섬유 전문용 에폭시 프라이머 및 수지를 이용하여 1겹으로 부착 제작하고 7일간 양생하였다.
본 연구에서는 시공상의 방향성에 대한 변수가 가장 많은 기둥부재를 대상으로 탄소섬유 올의 방향에 따라 무보강과 45° 경사방향과 수평 및 수직방향으로 보강된 4가지 종류로 각 종류별 2개씩 8개의 보강실험체를 제작하여 Figure 3〜6과 같이 10,000kN의 만능시험기(UTM)를 이용하여 압축가력에 따른 파괴양상 및 파괴하중과 변형량을 도출하고 이에 의한 하중-변위곡선을 작성하여 무보강 표준실험체와 보강실험체간 상호 대비분석하는 방법으로 섬유올 방향에 따른 보강성능을 분석하였다.
위 식의 변수인 k1과 p의 값을 카본쉬트의 배치각도에 따른 실험결과의 회귀분석을 수행하여 다음과 같은 카본쉬트의 각도와 쉬트의 장수에 따라 구속된 콘크리트의 압축응력을 계산하는 식을 제안하였다[5].
이에 따라 본 연구에서는 시공상의 방향성에 대한 변수가 가장 많은 기둥을 연구대상으로 탄소섬유 올의 부착방향을 실험변수로 하여 각기 방향에 따른 보강성능을 비교 분석하여 섬유올 방향에 대한 최적의 보강설계 방안을 제시코자 하는 것으로서 섬유올의 45˚ 경사, 수평 및 수직 방향별로 보강된 기둥 실험체를 Figure 3〜6과 같이 10,000kN의 만능시험기(UTM)를 이용하여 가력에 따른 파괴양상 및 파괴 강도와 변형량을 도출하고 무보강 표준실험체와 대비분석하는 방법으로 섬유올 방향이 보강성능에 미치는 영향을 대비 분석 하였다.
대상 데이터
14, 분말도가 3,250㎠/g인 국내 H사 제품의 제1종 포틀랜트 시멘트이며, 콘크리트의 사용재료 구성은 재령 20여년이 경과된 기존구조물들의 단위수량 등 당시의 현장 시공상황을 고려하여 21MPa의 일반강도 콘크리트를 기준으로 Table 3과 같이 하였으며, 기건양생 재령 28일로 하였다. 또한 보강섬유용 탄소섬유쉬트는 섬유중량 200g/m2의 무수지 고강도 탄소섬유쉬트(NR72)를 사용하였으며, 탄소섬유 부착 전용에폭시 프라이머 및 수지를 사용하였다. 본 실험에 사용된 탄소섬유쉬트 및 에폭시수지의 재료적 특성은 Table 4 및 5와 같다.
또한 본 실험체의 표준강도 산정을 위하여 KSF 2405에서 표준으로 제안하고 있는 ∅150×300 규격의 표준공시체 3개를 실험체 제작 시 동시에 제작하였다.
본 연구를 위한 실험체 제작용 시멘트는 비중 3.14, 분말도가 3,250㎠/g인 국내 H사 제품의 제1종 포틀랜트 시멘트이며, 콘크리트의 사용재료 구성은 재령 20여년이 경과된 기존구조물들의 단위수량 등 당시의 현장 시공상황을 고려하여 21MPa의 일반강도 콘크리트를 기준으로 Table 3과 같이 하였으며, 기건양생 재령 28일로 하였다. 또한 보강섬유용 탄소섬유쉬트는 섬유중량 200g/m2의 무수지 고강도 탄소섬유쉬트(NR72)를 사용하였으며, 탄소섬유 부착 전용에폭시 프라이머 및 수지를 사용하였다.
실험체는 Figure 1 의 단면상세 도시와 같이 규격은 150×150×550mm로서 4-D13규격의 이형철근을 주근으로 사용하였으며 띠철근은 #10 철선을 @120으로 배근하였고 콘크리트는 Table 3의 배합설계에 따라 제작하였다.
성능/효과
1) 탄소섬유쉬트보강은 섬유올 방향에 따라 무보강실험체에 비하여 내력증진효과를 나타내어 콘크리트기둥 부재에서 탄소섬유올 방향의 인장내력 증진에 따른 횡구속 효과에 의해 보강효과를 얻을 수 있다.
2) 섬유올의 방향이 수평 및 경사방향인 경우 153.43% 및 126.16%의 보강효과를 나타낸 반면 수직방향인 경우 불과 104.61%로서 구속효과가 거의 없다.
3) 보강부재의 하중가력시 변형량이 수평 및 경사방향 순으로 적었으나 수직방향인 경우 무보강인 경우와 거의 근사하게 거동하였다.
4) 수평보강인 경우 보강쉬트의 접착면이 먼저 이격되며 파괴되고 경사방향인 경우 이격과 파괴가 동시에 나타난 반면 수직보강인 경우에는 접합면보다 섬유올이 먼저 직교방향으로 튿어지며 파괴되는 양상을 보여 탄소섬유 보강 시 에폭시의 접착성보다 섬유방향성이 보강성능에 더욱 중요한 요소가 된다.
가력실험 결과 전체적으로 무보강 시험체에 비하여 보강 시험체의 파괴강도는 증가하지만, 수직방향 보강에 비해 경사 및 수평방향의 보강시험체가 더 증가함을 알 수 있었으며, 이러한 파괴강도의 증가에 비하여 변형량은 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 탄소섬유쉬트에 의한 콘크리트 횡보강 효과에 의한 것으로 사료된다.
보강 실험체별 보강효과와 변형량의 관계는 수평방향인 경우 보강효과가 153.43%로서 가장 우수한 반면 최대 변형량은 37.62%로서 가장 적었으며, 수직방향인 경우 보강효과가 104.61%로서 거의 없었으며 최대변형량 역시 83.77%로서 무보강인 경우와 별 차이가 없었다.
보강실험체의 하중가력 실험결과 파괴양상은 탄소섬유 올의 직교방향으로 인장응력이 작용하여 섬유올이 튿어지며 파괴되는 양상을 보였으며, 대표적으로 수직방향의 보강인 경우 섬유의 접합면보다 섬유올이 먼저 튿어지며 파괴되는 양상을 보인 반면 수평방향의 보강인 경우에는 접합면의 이격현상이 먼저 나타나면서 2차적으로 섬유올이 직교방향으로 튿어지는 양상을 보였다. 경사방향의 보강인 경우에는 접합면의 이격과 동시에 섬유올이 튿어지며 파괴되었다.
탄소섬유 올 방향에 따른 각 실험체에 대한 보강성능을 무보강 실험체의 평균 파괴하중 50.07ton을 기준으로 대비 분석한 결과 Figure 15 및 16과 같이 섬유 올 방향이 수평방향으로 보강된 경우 파괴하중 76.82ton으로서 무보강 실험체에 비하여 153.43%의 보강력 증진으로 보강효과가 가장 우수한 것으로 나타났으며, 경사방향으로 보강된 경우 파괴 하중 63.17ton으로서 126.16%의 보강증진 효과가 있는 반면 수직방향으로 보강된 경우에는 파괴하중이 겨우 52.38ton으로서 보강증진이 104.61%에 불과하여 수직방향 보강인 경우에는 거의 보강효과가 없는 것으로 볼 수 있다.
파괴시 실험체별 변형량은 Figure 17과 같이 수평방향 보강실험체가 10.78mm로서 무보강 실험체 변형량 28.65mm의 37.62%로 가장 적었으며, 경사방향 실험체의 변형량은 16.34mm로서 57.03%로 나타났다. 그러나 수직 방향 실험체의 변형량은 24mm로서 83.
후속연구
본 실험은 중량 200g/m2의 고강도 탄소섬유 1겹 보강실험체에 대한 것으로서 중량 300g/m2 제품 또는 2겹의 보강과 같이 탄소섬유쉬트의 보강비가 증진하게 되면 보강성능도 함께 향상될 것으로 기대되며, 이에 따라 섬유 방향에 따른 보강성능도 차이가 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 구조물의 단점은 무엇인가?
철근콘크리트 구조물은 시공직후 또는 사용 중 시간의 경과에 따라 화학적, 물리적 요인에 의한 노후화가 진행되어 단면감소 또는 내력저하 등의 성능이 저하되는 경우가 빈번하며, 특히 압축력을 받는 기둥부재의 경우 콘크리트의 강도가 증가할수록 증대되는 재료의 취성적 특성의 영향을 받아 급격한 파괴거동을 나타내므로 보수 및 보강을 필요로 하는 경우가 발생한다[1].
구조물의 내력증진 방법으로 적용되는 섬유재료에는 무엇이 있는가?
구조물의 내력증진 방법으로 적용되는 섬유재료에는 탄소섬유와 아라미드섬유 브론섬유 및 유리섬유 등이 있다. 이 중에서도 탄소섬유는 가장 많이 쓰이는 재료로서 다른 종류의 섬유올이 2방향성인 반면 탄소섬유 올은 1방향성으로서 부착되는 섬유올 방향으로만 인장내력에 의해 보강되므로 현장적용 시 섬유올의 부착방향이 매우 중요한 요소이나 보강설계 시 이에 대한 뚜렷한 도시가 되지 않아 구조적 지식이 없는 현장기술자 또는 인부들의 무개념적인 시공으로 보강성능을 전연 확보하지 못하는 사례가 종종 발생되곤 한다.
구조물의 내력증진 방법으로 적용되는 섬유재료 중 가장 많이 쓰이는 재료는 무엇인가?
구조물의 내력증진 방법으로 적용되는 섬유재료에는 탄소섬유와 아라미드섬유 브론섬유 및 유리섬유 등이 있다. 이 중에서도 탄소섬유는 가장 많이 쓰이는 재료로서 다른 종류의 섬유올이 2방향성인 반면 탄소섬유 올은 1방향성으로서 부착되는 섬유올 방향으로만 인장내력에 의해 보강되므로 현장적용 시 섬유올의 부착방향이 매우 중요한 요소이나 보강설계 시 이에 대한 뚜렷한 도시가 되지 않아 구조적 지식이 없는 현장기술자 또는 인부들의 무개념적인 시공으로 보강성능을 전연 확보하지 못하는 사례가 종종 발생되곤 한다. 본 연구는 콘크리트 기둥에 대한 탄소섬유쉬트 방향에 따른 보강성능을 파악코자 각 실험체별로 섬유 올의 경사, 수평 및 수직방향으로 보강한 후 가력을 통한 보강성능을 비교 분석하여 섬유올 방향이 보강성능에 미치는 영향을 대비분석함으로서 섬유방향에 대한 최적의 보강설계 방안을 제시하고자 하였으며, 실험결과 수평방향의 보강성능은 153.
참고문헌 (8)
Jang JS, Jo SC, Joo SS. A Study on the Strength Characteristics of Reinforced Concrete Columns Confined with Carbon Fiber Sheets. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. 2001 May;5(3):163-71.
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Lee KH, Kim HC, Hong WK. Capacity Evaluation of Compressive Member Confined by Carbon Sheet Tube. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. 2006 May;10(3):152-8.
Yoo YJ, Lee KH, Kim HL, Lee YH, Hong WK. Experimental Study on Compressive Strength of Concrete Column Retrofitted by Carbon FRP Sheet. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. 2008 May;12(3):119-26.
Korea Institute for Structural Maintenance Inspection(KR). [Korea Structural Maintenance and Inspection Engineering]. Seoul (Korea): Kumiseokan; 2006. p. 383-90. Korean.
Na JM. Retrofitting Effectiveness for Reinforced Concrete Members using Carbon Fiber Sheet [dissertation]. Seoul (Korea): HanYang University; 2002. p. 86-97.
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