[논문]FRP로 보강된 신형 소파블록의 정적 성능 실험

백인열; 오영민

doi:10.9765/kscoe.2011.23.4.285

FRP로 보강된 신형 소파블록의 정적 성능 실험
Static Performance Test for New Wave Dissipating Block Reinforced with FRP 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.4, 2011년, pp.285 - 291

백인열 (경원대학교 토목환경공학과) , 오영민 (한국해양연구원 연안개발.에너지연구부)

초록
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이 연구에서는 신형소파블록을 대상으로 실험 및 수치해석을 수행하여 역학적 성능을 평가하고 적절한 보강재의 배근에 따른 구조성능 향상 효과를 검토하였다. 수치해석을 통하여 신형소파블록에 인장응력이 발생하는 위치와 크기를 예측하여 보강재를 설계하였다. 보강재로는 일반 철근 및 해양환경에 적합하도록 부식과 피로에 장점을 지닌 섬유보강재(FRP)를 사용하였다. 실험을 통하여 보강재가 없는 무근 신형소파블록의 파괴하중은 350 kN으로 소파블록의 자중에 비하여 6.2배로 나타났으며, 철근이나 FRP보로 보강한 실험체는 모두 실험의 최고하중인 900 kN 이상의 강도를 보였다. 위험단면을 통과하는 보강재의 개수는 시공의 편의를 위해서는 굵은 지름의 단일 보강재를 사용하는 것이 유리하지만 가는 지름의 보강재 여러 개를 사용하여 균열 폭을 감소시키는 것이 바람직하다는 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study the mechanical performance of the new wave dissipating block is evaluated through experiment and numerical analysis. Also, by selecting adequate reinforcement, the improvement of the structural performance is examined. The reinforcement is designed by predicting the amount of tensile force and the location where the tensile stress develops in the new wave dissipating block through numerical analysis. The new wave dissipating block is reinforced with the ordinary steel bars and the fiber reinforced plastic(FRP) bars which have advantages in ocean environment in terms of corrosion and fatigue. The test result shows that the fracture resistance of the un-reinforced concrete block is 350 kN which is about 6.2 times that of the weight of the block. All the test blocks which are reinforced by either steel of FRP bars show strength capacity of over 900 kN which is the maximum load of the test equipment. Although the single reinforcement with larger-diameter bars has advantage in terms of construction convenience, it is recommended to use multiple number of smaller-diameter bars in order to reduce the crack width.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 소파블록이 하중을 받아 콘크리트에 균열이 발생한 후에도 곧바로 분리되지 않고 일체성을 유지할 수 있도록 콘크리트에 보강재를 배근한 신형 소파블록을 개발하였다. 신형소파블록의 공극율은 65%이며 수리실험을 통하여 높은 안정성(K_D = 11.
실험체는 그 중심에 대하여 대칭인 형상을 가지고 있으나, 이 연구에서는 편의상 실험체가 놓인 위치를 기준으로 하여, 상부 다리 연결부를 기둥(column)이라 하고, 세 개의 하부 다리 연결부를 보(beam)라고 하였다. 이 연구에서는 보의 중앙에 발생하는 인장응력이 신형소파블록의 설계를 지배하고 있으므로 이 부분에 중점을 둔다.
따라서 콘크리트로 제작된 구조물에 있어서 인장응력이 과도하게 발생할 부분을 미리 예측하여 이 부분을 인장에 강한 재료로 보강하면 구조물의 역학적인 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 이 연구에서는 신형소파블록 실험체의 내부에 인장응력이 크게 발생하는 위치를 예측하기 위하여 범용 유한요소프로그램인 MIDAS(MIDAS IT, 2010)를 이용하여 구조체를 3차원 모델링하였다. 구조해석을 통하여 실험과 동일한 조건의 하중을 수치모델에 가하여 콘크리트보에 발생하는 인장응력의 분포를 구하여 도시하면 Fig.
이 연구에서는 콘크리트에 보강재를 배근한 신형소파블록에 대한 역학적 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석을 통한 수치해석과 정적실험을 수행하고 결과를 제시하였다. 콘크리트만으로 제작한 신형소파블록 무근실험체에 대한 정적재하실험 결과로부터 균열하중은 약 350 kN이며 이는 신형소파블록 자중의 약 6.

제안 방법

제작장에서 콘크리트를 28일 동안 양생하여 제작한 시작품을 실내 실험실로 운반하여 실험을 수행한다. 1차로 무근 콘크리트 실험체와 소량의 철근이 배근된 실험체 각각 1개씩에 대하여 재하실험을 수행하였으며, 이를 분석한 후 철근보강 실험체 1개와 FRP보강 실험체 3개를 결정하여 2차 실험을 수행하였다. 하중재하를 위한 가력기는 Fig.
1번 실험체는 기본적인 무근실험체이며, 2번과 3번 실험체는 항복강도가 각각 300 MPa과 400 MPa인 철근을 위험단면에 3개씩 배근한 실험체이다. 2번 실험체에는 작은 량의 철근만을 배근하여 보강의 효과를 알아보려 하였다. 4, 5번 실험체에는 지름이 9 mm인 FRP 보강재 3개를 배근하였으며, 6번 실험체에는 지름이 13 mm인 FRP 보강재 1개만을 배근하여 시공의 편의성을 살펴보았다.
2번 실험체에는 작은 량의 철근만을 배근하여 보강의 효과를 알아보려 하였다. 4, 5번 실험체에는 지름이 9 mm인 FRP 보강재 3개를 배근하였으며, 6번 실험체에는 지름이 13 mm인 FRP 보강재 1개만을 배근하여 시공의 편의성을 살펴보았다. 이 연구에서 사용한 유리섬유 FRP 보강재는 한국건설기술연구원(2008)에서 적용한 바 있는 Fig.
FRP 보강재를 배근한 실험체에 대하여 성능 실험을 수행하였으며 Fig. 13은 하중-처짐 곡선을 보여주고 있다. 3개의 실험체 모두 콘크리트에 균열이 발생한 400 kN 부근에서 실험체의 처짐이 순간적으로 증가하여 하중-처짐 곡선이 수평을 이루었다.
수치해석을 통하여 콘크리트에 균열이 발생하는 위험단면에서 균열 직후에 보강재가 받아주어야 하는 최소 인장력을 알 수 있으므로, Table 2의 결과를 적용하여 필요한 보강재의 면적을 구하였다. Table 3과 같이 강도와 지름이 각각 다른 철근 및 유리섬유 FRP 봉을 사용하여 위험단면에 필요한 보강재의 면적을 결정하였다. 1번 실험체는 기본적인 무근실험체이며, 2번과 3번 실험체는 항복강도가 각각 300 MPa과 400 MPa인 철근을 위험단면에 3개씩 배근한 실험체이다.
8은 보강재가 조립된 사진이며, 원형점선은 게이지가 설치된 위치를 나타낸다. 기둥에도 게이지를 설치하여 압축응력의 추이도 관찰하였으며, 재하실험 시에 실험체의 중앙 하부에 처짐계를 설치하여 하중의 증가에 따른 구조물의 처짐도 측정하였다.
다만, 이상적으로는 3개의 보가 서로 대칭이므로, 모두 동일한 거동을 보여야 하지만 실제 실험 과정의 오차에 의하여 3개의 보에서 계측되는 거동은 서로 약간의 차이를 보이게 된다. 따라서 균열을 일으키는 최초 하중도 3개의 보에 동일하게 발생하지 않고 약간의 편심을 가지고 한 곳에서 먼저 발생하게 되므로 각각의 보의 개별 계측값을 참고로 하고, 이들을 종합한 성격을 보이는 중앙부의 처짐값을 기준으로 균열하중을 정하였다. Fig.
또한, 3장에 기술한 바와 같이 무근 실험체에 대한 실험결과에서 균열이 발생하는 하중이 P = 350 kN이므로 이를 적용하여 해석을 수행한다. 이때 보의 중앙단면을 Fig.
이를 통하여 기존의 무근 소파블록보다는 하중에 대한 저항력이 우수함을 밝히고 차후에 동적하중에 대한 실험을 실시하여 신형 소파블록의 성능을 평가할 예정이다. 또한, 신형소파블록 실험체에 대한 유한요소해석을 수행하였으며, 이 결과로부터 최대 인장응력 발생 지점의 위치 및 인장응력의 크기를 구하여, 소파블록을 보강하는 보강재의 필요 면적과 배근 위치를 결정하였다. 철근 및 FRP 보강재를 배근한 신형 소파블록 및 무근 소파블록을 제작하여 성능평가 실험을 수행하고, 보강재의 효과를 중심으로 소파블록의 성능을 비교 분석하였다.
보강을 하지 않은 무근 실험체에 하중을 재하하여 소파블록의 기본적인 역학적 성능을 분석하였다. 무근 실험체는 약 350 kN의 하중을 재하 했을 때 균열이 발생하였고, 균열이 발생하면서 급작스럽게 실험체가 파괴되었으며, 이때의 하중은 무근 실험체 자중인 56.
일반적으로 테트라포드의 다리 부러짐 현상은 정적 하중보다는 순간적인 충격하중에 의하여 주로 발생하는 것으로 알려졌으며 내부에 보강재가 없어서 더욱 취약하다. 본 연구에서 제시한 소파블록은 보강재를 배근한 상태를 표준으로 하며 성능 평가를 위하여 우선 계량화가 쉬운 정적하중에 대한 파괴실험을 실시하였다. 이를 통하여 기존의 무근 소파블록보다는 하중에 대한 저항력이 우수함을 밝히고 차후에 동적하중에 대한 실험을 실시하여 신형 소파블록의 성능을 평가할 예정이다.
수치해석을 통하여 콘크리트에 균열이 발생하는 위험단면에서 균열 직후에 보강재가 받아주어야 하는 최소 인장력을 알 수 있으므로, Table 2의 결과를 적용하여 필요한 보강재의 면적을 구하였다. Table 3과 같이 강도와 지름이 각각 다른 철근 및 유리섬유 FRP 봉을 사용하여 위험단면에 필요한 보강재의 면적을 결정하였다.
2와 같이 정하였다. 실험체는 그 중심에 대하여 대칭인 형상을 가지고 있으나, 이 연구에서는 편의상 실험체가 놓인 위치를 기준으로 하여, 상부 다리 연결부를 기둥(column)이라 하고, 세 개의 하부 다리 연결부를 보(beam)라고 하였다. 이 연구에서는 보의 중앙에 발생하는 인장응력이 신형소파블록의 설계를 지배하고 있으므로 이 부분에 중점을 둔다.
재하실험을 통하여 소파블록의 역학적 성능인 균열 발생 시점 및 이후의 거동, 가로보 부분의 보강재 효과, FRP 보강 효과 등을 측정하기 위하여 콘크리트 및 보강재의 주요한 부분에 미리 계측용 센서를 배치한다. 무근 콘크리트 실험체는 Fig.
제작장에서 콘크리트를 28일 동안 양생하여 제작한 시작품을 실내 실험실로 운반하여 실험을 수행한다. 1차로 무근 콘크리트 실험체와 소량의 철근이 배근된 실험체 각각 1개씩에 대하여 재하실험을 수행하였으며, 이를 분석한 후 철근보강 실험체 1개와 FRP보강 실험체 3개를 결정하여 2차 실험을 수행하였다.
또한, 신형소파블록 실험체에 대한 유한요소해석을 수행하였으며, 이 결과로부터 최대 인장응력 발생 지점의 위치 및 인장응력의 크기를 구하여, 소파블록을 보강하는 보강재의 필요 면적과 배근 위치를 결정하였다. 철근 및 FRP 보강재를 배근한 신형 소파블록 및 무근 소파블록을 제작하여 성능평가 실험을 수행하고, 보강재의 효과를 중심으로 소파블록의 성능을 비교 분석하였다.

대상 데이터

Table 3과 같이 강도와 지름이 각각 다른 철근 및 유리섬유 FRP 봉을 사용하여 위험단면에 필요한 보강재의 면적을 결정하였다. 1번 실험체는 기본적인 무근실험체이며, 2번과 3번 실험체는 항복강도가 각각 300 MPa과 400 MPa인 철근을 위험단면에 3개씩 배근한 실험체이다. 2번 실험체에는 작은 량의 철근만을 배근하여 보강의 효과를 알아보려 하였다.
1은 이 연구에서 성능 실험에 사용한 신형소파블록을 정면과 상부에서 본 모습을 보여주는 도면이다. 신형소파블록은 설계파고에 따라 적절하게 적용할 수 있도록 크기와 중량면에서 다양한 제원을 가지고 설계되어 있으며, 이 연구에서는 Table 1과 같이 높이 2.5 m, 실중량 56.4 kN의 제원을 가진 소파블록을 실험 대상으로 하였다.
철근으로 보강한 실험체는 균열발생 부근이나 그 이후의 거동에 있어서 매우 안정적인 성능을 보여주고 있으나, 균열 발생 후에 철근이 해양환경에 노출될 것이므로 부식 문제가 발생하게 된다. 이 문제를 개선하기 위하여 이 연구에서는 유리섬유 FRP보강재를 사용하였다. 콘크리트와 FRP봉과의 기계적 부착을 향상시킨 이형 FRP봉을 배근하여 철근을 배근한 소파블록과 비슷한 성능을 발휘함을 확인할 수 있었다.
4, 5번 실험체에는 지름이 9 mm인 FRP 보강재 3개를 배근하였으며, 6번 실험체에는 지름이 13 mm인 FRP 보강재 1개만을 배근하여 시공의 편의성을 살펴보았다. 이 연구에서 사용한 유리섬유 FRP 보강재는 한국건설기술연구원(2008)에서 적용한 바 있는 Fig. 5와 같이 표면에 이형마디가 있어 콘크리트와의 부착성능을 향상시킨 보강재이다.

성능/효과

무근 콘크리트 소파블록의 성능을 향상시키기 위하여 위험단면에 보강재를 배근한 실험체에 대하여 역학적 성능실험을 수행한 결과 파괴하중이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 철근 및 FRP로 보강한 실험체 모두 이 실험의 최대 재하하중인 900 kN 이상의 하중을 받았다.
본 연구에서는 소파블록이 하중을 받아 콘크리트에 균열이 발생한 후에도 곧바로 분리되지 않고 일체성을 유지할 수 있도록 콘크리트에 보강재를 배근한 신형 소파블록을 개발하였다. 신형소파블록의 공극율은 65%이며 수리실험을 통하여 높은 안정성(K_D = 11.8)을 확인하였다. 일반적으로 테트라포드의 다리 부러짐 현상은 정적 하중보다는 순간적인 충격하중에 의하여 주로 발생하는 것으로 알려졌으며 내부에 보강재가 없어서 더욱 취약하다.
이 문제를 개선하기 위하여 이 연구에서는 유리섬유 FRP보강재를 사용하였다. 콘크리트와 FRP봉과의 기계적 부착을 향상시킨 이형 FRP봉을 배근하여 철근을 배근한 소파블록과 비슷한 성능을 발휘함을 확인할 수 있었다. 이 연구를 통하여 기존의 무근 소파블록의 문제점인 하중 증가에 대한 파괴 발생 문제에 효과적으로 대응하여 방파제의 안정 확보에 기여할 것으로 기대된다.

후속연구

콘크리트와 FRP봉과의 기계적 부착을 향상시킨 이형 FRP봉을 배근하여 철근을 배근한 소파블록과 비슷한 성능을 발휘함을 확인할 수 있었다. 이 연구를 통하여 기존의 무근 소파블록의 문제점인 하중 증가에 대한 파괴 발생 문제에 효과적으로 대응하여 방파제의 안정 확보에 기여할 것으로 기대된다.
본 연구에서 제시한 소파블록은 보강재를 배근한 상태를 표준으로 하며 성능 평가를 위하여 우선 계량화가 쉬운 정적하중에 대한 파괴실험을 실시하였다. 이를 통하여 기존의 무근 소파블록보다는 하중에 대한 저항력이 우수함을 밝히고 차후에 동적하중에 대한 실험을 실시하여 신형 소파블록의 성능을 평가할 예정이다. 또한, 신형소파블록 실험체에 대한 유한요소해석을 수행하였으며, 이 결과로부터 최대 인장응력 발생 지점의 위치 및 인장응력의 크기를 구하여, 소파블록을 보강하는 보강재의 필요 면적과 배근 위치를 결정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 방파제 시공에 널리 사용되고 있는 테트라포드와 같은 무근 콘크리트 소파블록은 어떤 특성이 있는가?	기존에 비하여 소파블록이 대형화되면서 적재하중의 크기가 증가하게 되고 소파블록의 다리에 균열이 발생하면서 부러지는 문제가 발생할 가능성이 커지게 된다. 기존에 국내 방파제 시공에 널리 사용되고 있는 테트라포드(TTP)와 같은 무근 콘크리트 소파블록은 균열이 발생하면 곧바로 파단 되는 특성이 있어서, 실제로 최근 발생한 강한 태풍으로 인한 파손 사례가 보고되고 있는 실정이다(한국해양연구원, 2010).
	방파제에 설치된 소파블록은 무엇의 작용을 받게되는가?	방파제에 설치된 소파블록은 해양파에 의한 충격하중과 블록이 쌓여서 발생하는 적재하중의 작용을 받게 되는데, 현 시점에서는 소파블록이 이들에 대하여 만족하여야 하는 역학적 성능에 대한 명확한 규정이 없는 실정이다 (British Standard Institution 1991). 실제로 소파블록으로 피복된 사면의 안정성, 반사율, 처오름높이 등 수리학적 특성 평가에 관한 연구는 폭넓게 수행되었지만, 소파블록 자체의 구조적 성능에 관한 연구는 상대적으로 많지 않다.
	콘크리트에 보강재를 배근한 신형 소파블록에 대한 역학적 성능을 검증하기 위하여 유한 요소해석을 통한 수치해석과 정적실험을 수행한 결과는?	이 연구에서는 콘크리트에 보강재를 배근한 신형소파블록에 대한 역학적 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석을 통한 수치해석과 정적실험을 수행하고 결과를 제시하였다. 콘크리트만으로 제작한 신형소파블록 무근실험체에 대한 정적재하실험 결과로부터 균열하중은 약 350 kN이며 이는 신형소파블록 자중의 약 6.2배이다. 일반적으로 자중의 5배 이상이면 충분한 강도를 갖게 된다고 보고되어 있으므로 신형소파블록은 보강재 없이도 정적 하중에 대하여 만족스러운 성능을 보유한다고 평가할 수 있다. 무근 콘크리트 소파블록의 성능을 향상시키기 위하여 위험단면에 보강재를 배근한 실험체에 대하여 역학적 성능실험을 수행한 결과 파괴하중이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 철근 및 FRP로 보강한 실험체 모두 이 실험의 최대 재하하중인 900 kN 이상의 하중을 받았다. 철근으로 보강한 실험체는 균열발생 부근이나 그 이후의 거동에 있어서 매우 안정적인 성능을 보여주고 있으나, 균열 발생 후에 철근이 해양환경에 노출될 것이므로 부식 문제가 발생하게 된다. 이 문제를 개선하기 위하여 이 연구에서는 유리섬유 FRP보강재를 사용하였다. 콘크리트와 FRP봉과의 기계적 부착을 향상시킨 이형 FRP봉을 배근하여 철근을 배근한 소파블록과 비슷한 성능을 발휘함을 확인할 수 있었다. 이 연구를 통하여 기존의 무근 소파블록의 문제점인 하중 증가에 대한 파괴 발생 문제에 효과적으로 대응하여 방파제의 안정 확보에 기여할 것으로 기대된다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

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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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