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문제 정의
- GFRP 보강근은 현재 여러 종류의 제품이 생산되고 있어서 모든 보강근의 부착성능을 평가하기에는 실험적으로 제한이 따른다. 따라서 이 연구에서는 나선형과 모래분사형의 두 종류의 FRP 보강근의 부착성능을 검증하였다. GFRP의 보강근으로는 캐나다 A사의 모래분사형 GFRP 보강근(sand coating GFRP bars)과 미국 H사의 나선형 GFRP 보강근(herically raping GFRP bars)을 사용하였다.
- 이 연구에서는 섬유를 혼입한 콘크리트와 FRP 보강근의 부착 성능을 실험적으로 평가하였다. 실험에서는 섬유보강 콘크리트에 매립된 GFRP 보강근의 종류, 섬유의 종류, 섬유의 혼입량이 부착거동에 미치는 영향을 평가하였다. 실험을 통하여 얻은 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 섬유를 혼입한 콘크리트에 놓인 철근과 GFRP 보강근의 부착성능을 평가하기 위하여 뽑힘부착 실험을 수행하였다. 실험에서는 섬유의 종류와 혼입량에 따른 GFRP 보강근의 부착성능을 평가하고자 하였다. 실험체는 Fig.
- 따라서 FRP 보강근을 실제 건물에 적용하기 위해서는 적합한 부착강도의 평가 및 부착강도의 보강이 필요하다. 이 연구에서는 섬유를 보강하였을 때 달라지는 FRP 보강근의 부착성능을 평가하였다. 섬유를 보강하였을 때 콘크리트의 인장강도가 증가하고, 내구성이 개선된다는 것은 이미 많은 연구자들에 의해 증명되었다.
- 이 연구에서는 섬유를 혼입한 콘크리트와 FRP 보강근의 부착 성능을 실험적으로 평가하였다. 실험에서는 섬유보강 콘크리트에 매립된 GFRP 보강근의 종류, 섬유의 종류, 섬유의 혼입량이 부착거동에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 실험체의 상하 부위는 가력판에 직접 닿아 압축력이 작용하여 부착강도를 증대시킬 우려가 있으므로, 보강근 직경 5배를 제외한 위치에서는 보강근에 고무관을 끼워 비부착구간을 형성하였다.10) 각각 3개의 실험체를 제작하였으며, 실내에서 24시간 초기양생한 후 탈형하여 28일간 수중양생하였다. 실험은 변위 제어 방식으로 2,000 kN 용량의 만능시험기를 사용하여 가력하였으며, 변위측정을 위해 LVDT를 실험체의 상하 부분에 설치하였다.
- 강섬유는 Table 2에 나타낸 것과 같이 양단에 후크가 있는(hooked type) 섬유를 사용하였다. 또한 콘크리트와의 역학적 부착성능을 향상시키기 위해 표면을 절곡형으로 처리한 PP섬유와, 친수성으로 표면을 처리하여 화학적 부착성능을 향상시킨 PVA섬유를 사용하였다. 사용된 섬유의 형상 및 물리적 특성을 Table 2에 나타내었다.
- 섬유를 혼입한 콘크리트에 놓인 철근과 GFRP 보강근의 부착성능을 평가하기 위하여 뽑힘부착 실험을 수행하였다. 실험에서는 섬유의 종류와 혼입량에 따른 GFRP 보강근의 부착성능을 평가하고자 하였다.
- 섬유를 혼입한 콘크리트에 철근 및 GFRP 보강근과의 부착성능을 평가하기위하여 구조용 섬유를 사용하여 콘크리트를 배합하였다(Table 3 참조). 콘크리트는 1종 보통포틀랜드시멘트가 사용되었으며, 비중 2.
- 10) 각각 3개의 실험체를 제작하였으며, 실내에서 24시간 초기양생한 후 탈형하여 28일간 수중양생하였다. 실험은 변위 제어 방식으로 2,000 kN 용량의 만능시험기를 사용하여 가력하였으며, 변위측정을 위해 LVDT를 실험체의 상하 부분에 설치하였다. 실험체의 형상 및 실험 모습은 Figs.
- 압축강도 측정을 위해 100 × 200 mm인 원주형 공시체를 각각 3개씩 제작하였으며, 24시간 동안 초기양생을 실시한 후 탈형하여 28일간 수중양생을 실시하였다.
- 이와 같이 섬유보강 콘크리트를 이용한 FRP 보강근의 성능평가가 이루어지고 있지만 FRP 보강근은 표면 형상에 따라서 거동이 달라지므로 다양한 종류의 보강근에 대한 부착거동의 평가가 필요하며, 또한 FRP 보강근의 부착성능 개선에 대한 연구가 필요하다. 이 연구에서는 3가지 종류의 섬유(강섬유, PVA섬유, PP섬유)를 적용함으로써 섬유보강 콘크리트와 2종류의 FRP 보강근(모래분사형과 나선형) 표면 형상에 따른 부착 성능을 평가하였다.
- 콘크리트 혼합은 강제식 팬 믹서에 잔골재, 굵은 골재를 넣고 1분간 건비빔을 실시한 후 필요한 양의 1/2에 해당하는 물을 넣고 다시 1분간 재료를 혼합하였다. 이 후에 시멘트와 남은 물을 모두 넣고 2분간 재료를 혼합하였으며, 마지막으로 고성능감수제와 섬유를 첨가하고 1분간 추가적으로 재료를 혼합하여 실험체를 제작하였다.
- 그림에서 섬유를 보강한 경우 모래분사형 FRP 보강근의 하중-변위 곡선에는 두 개의 하중 변환점이 나타남을 알 수 있다. 즉 미끌림이 0.5 mm 이하에서 하중의 증감이 나타나고 미끌림이 약 12 mm일 때 하중의 증감이 나타난다(이 연구에서는 초기의 하중 증감을 초기 최대 부착하중, 미끌림이 약 12 mm일 때 하중의 증감을 후기 최대 부착하중으로 정의하였다). 그림에서 섬유가 보강된 경우에도 섬유가 없는 기준 실험체(SC-PC)와 비교해 초기 최대 부착하중은 거의 유사함을 알 수 있다.
- 또한 폴리카르본산계의 고성능감수제가 사용되었다. 콘크리트에 사용된 섬유의 혼입량은 각각 0%, 0.5%, 1.0%의 3종류로 하였다. 콘크리트 혼합은 강제식 팬 믹서에 잔골재, 굵은 골재를 넣고 1분간 건비빔을 실시한 후 필요한 양의 1/2에 해당하는 물을 넣고 다시 1분간 재료를 혼합하였다.
대상 데이터
- 이 중에서 이형철근은 FRP 보강근과 부착성능을 비교 평가하기 위하여 사용되었으며 국내 I사의 제품을 사용하였다. FRP 보강근은 실제 공사 현장에서 많이 사용되는 GFRP 보강근(glass fiber reinforced polymer bars)이 사용되었다. GFRP 보강근은 현재 여러 종류의 제품이 생산되고 있어서 모든 보강근의 부착성능을 평가하기에는 실험적으로 제한이 따른다.
- 따라서 이 연구에서는 나선형과 모래분사형의 두 종류의 FRP 보강근의 부착성능을 검증하였다. GFRP의 보강근으로는 캐나다 A사의 모래분사형 GFRP 보강근(sand coating GFRP bars)과 미국 H사의 나선형 GFRP 보강근(herically raping GFRP bars)을 사용하였다. 모래분사형 보강근은 Fig.
- 콘크리트를 보강하기 위한 섬유로는 실제 건설공사에서 많이 사용되는 구조용 강섬유와 PP섬유, PVA섬유를 사용하였다. 강섬유는 Table 2에 나타낸 것과 같이 양단에 후크가 있는(hooked type) 섬유를 사용하였다. 또한 콘크리트와의 역학적 부착성능을 향상시키기 위해 표면을 절곡형으로 처리한 PP섬유와, 친수성으로 표면을 처리하여 화학적 부착성능을 향상시킨 PVA섬유를 사용하였다.
- 실험체는 Fig. 3과 같이 102 × 152.4 × 190.5 mm의 입방형의 콘크리트 블럭이며 콘크리트 내부에 GFRP 보강근을 넣어 수평방향으로 타설하여 제작하였다.
- 실험체는 압축강도 실험체를 포함 Table 4와 같이 총 84개를 제작하였다. 실험체는 콘크리트의 압축강도를 고정하고 3가지 종류의 보강근(이형철근, 모래분사형 GFRP 보강근, 나선형 GFRP 보강근)과 3종류의 콘크리트 혼입용 섬유(강섬유, PP섬, PVA섬유) 및 섬유의 혼입량을 변수로 하였다.
- 실험체는 콘크리트의 압축강도를 고정하고 3가지 종류의 보강근(이형철근, 모래분사형 GFRP 보강근, 나선형 GFRP 보강근)과 3종류의 콘크리트 혼입용 섬유(강섬유, PP섬, PVA섬유) 및 섬유의 혼입량을 변수로 하였다. 실험체는 콘크리트 부착강도의 편차를 고려하여 동일 변수로 3개씩 제작하였다. Table 4에 표시된 실험체 이름의 S는 철근, SC는 모래분사형 FRP 보강근, HW는 나선형 FRP 보강근, ST는 강섬유를 나타낸다.
- 실험체는 압축강도 실험체를 포함 Table 4와 같이 총 84개를 제작하였다. 실험체는 콘크리트의 압축강도를 고정하고 3가지 종류의 보강근(이형철근, 모래분사형 GFRP 보강근, 나선형 GFRP 보강근)과 3종류의 콘크리트 혼입용 섬유(강섬유, PP섬, PVA섬유) 및 섬유의 혼입량을 변수로 하였다. 실험체는 콘크리트 부착강도의 편차를 고려하여 동일 변수로 3개씩 제작하였다.
- 1과 같이 3가지 종류이다. 이 중에서 이형철근은 FRP 보강근과 부착성능을 비교 평가하기 위하여 사용되었으며 국내 I사의 제품을 사용하였다. FRP 보강근은 실제 공사 현장에서 많이 사용되는 GFRP 보강근(glass fiber reinforced polymer bars)이 사용되었다.
- 섬유를 혼입한 콘크리트에 철근 및 GFRP 보강근과의 부착성능을 평가하기위하여 구조용 섬유를 사용하여 콘크리트를 배합하였다(Table 3 참조). 콘크리트는 1종 보통포틀랜드시멘트가 사용되었으며, 비중 2.65의 잔골재와 2.44의 굵은 골재가 사용되었다. 또한 폴리카르본산계의 고성능감수제가 사용되었다.
- 콘크리트를 보강하기 위한 섬유로는 실제 건설공사에서 많이 사용되는 구조용 강섬유와 PP섬유, PVA섬유를 사용하였다. 강섬유는 Table 2에 나타낸 것과 같이 양단에 후크가 있는(hooked type) 섬유를 사용하였다.
이론/모형
- 압축강도 측정을 위해 100 × 200 mm인 원주형 공시체를 각각 3개씩 제작하였으며, 24시간 동안 초기양생을 실시한 후 탈형하여 28일간 수중양생을 실시하였다. 실험은 KS F 2405 기준에 따라 2,000 kN 용량의 만능시험기를 사용하여 매초 0.2 MPa의 재하속도로 압축강도를 측정하였다. 실험 결과는 Fig.
성능/효과
- Fig. 7(a)에서 이형 철근의 에너지 소산 능력은 섬유의 혼입량이 증가할수록 증가하였으며, 특히 강섬유가 1.0% 보강되었을 때 이형 철근의 에너지 소산 능력이 가장 많이 증가하는 것을 알 수 있었다. Fig.
- 1) 섬유가 혼입될 경우에 FRP 보강근의 부착거동은 섬유의 종류와 양에 따라서 효과가 달라졌다. 콘크리트와의 부착력이 좋은 강섬유와 PVA섬유가 혼입되었을 때 FRP 보강근의 부착강도가 증진되었지만, 표면이 소수성을 갖는 폴리프로필렌 섬유의 경우에는 부착강도 증진 효과는 미비하였다.
- 2) PP섬유는 초기미소균열제어에 효과가 있었으며, PVA 섬유의 경우 PP섬유와 비교해 후반부로 갈수록 균열제어에 더 좋은 효과를 보였다. 이것으로 섬유가 갖는 성질에 따른 효과는 다르나 섬유혼입이 보강근의 부착강도 증진에 영향을 미쳤다.
- 3) 섬유가 혼입됨으로써 FRP 보강근의 부착강도에 상응하는 미끌림이 크게 증가하였다. 철근의 경우에는 섬유의 혼입과 상관없이 미끌림이 거의 일정하였지만, 모래분사형과 나선형 보강근의 경우에는 섬유가 혼입됨으로 부착강도에 상응하는 미끌림이 크게 증가하였다.
- 1,2) 그러나 FRP 보강근은 철근과는 다른 표면 형태를 갖고 있기 때문에 철근과 상이한 부착거동을 나타냄이 지적되었다.3,4) 즉, 리브나 마디를 갖고 있는 이형철근은 지압력이 작용하여 상대적으로 높은 부착강도를 나타내지만, 표면이 매끄럽거나, 모래 등이 부착된 FRP 보강근은 이형철근에 비하여 상대적으로 낮은 부착강도를 나타내었다. 따라서 FRP 보강근을 실제 건물에 적용하기 위해서는 적합한 부착강도의 평가 및 부착강도의 보강이 필요하다.
- 4) 부착강도가 낮고 취성적인 부착거동을 나타낸 모래분사형 FRP 보강근에 섬유를 혼입함으로써 부착성능이 개선되었다. 모래분사형 FRP 보강근은 초기 최대 하중 도달 이후에 섬유가 균열의 성장을 억제하는 가교 역할을 함으로써 부착하중이 다시 증가하였다.
- 5) 섬유의 에너지 소산능력 평가에서 섬유의 혼입이 증가할수록 연성이 증가하는 결과를 보였으며, 연성효과는 강섬유 > PVA섬유 > 폴리프로필렌 섬유 순으로 3가지 보강근 모두 강섬유를 혼입했을 때 높은 연성효과가 나타났다. 이것은 강섬유의 양단을 후크 처리함으로써 콘크리트와의 부착력이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 이것은 초기부착강도 발생 이후 섬유의 균열제어 효과로 인한 부착강도 증가와 함께 미끌림이 증가하였기 때문으로 판단된다. 섬유를 보강함으로써 내부균열 발생 이후 섬유가교효과로 인해 부착강도가 증가하였고 부착강도에 상응하는 미끌림도 증가하였다.
- 0%가 함유된 경우 기준 실험체와 비교해 높은 연성 효과를 나타냈다. 세 가지 종류 보강근의 에너지 소산 능력을 비교했을 때 강섬유를 보강하는 것이 에너지 소산 능력에 가장 효과적임을 알 수 있다.
- 2에 나타내었다. 실험 결과 기존 연구자의 실험 결과처럼 낮은 혼입률로 인한 압축강도의 영향은 콘크리트 모체의 영향이 더 크기 때문에 섬유의 혼입으로 인한 압축강도의 영향이 미비하여 압축강도의 변화는 크지 않았다.10)
- 그러나 인발 하중을 가했을 때 이 부분에서 콘크리트 균열의 진행됨에 따른 할렬파괴로 인해 보강근과 콘크리트 사이의 부착파괴가 발생하게 되는데 섬유를 보강 해줌으로써 균열 진행을 제어하여 할렬파괴를 억제해줌으로써 부착강도를 증가시킬 수 있다. 이 실험에서 섬유를 보강하여 부착실험을 한 결과 이형철근의 경우에는 Fig. 5(a)와 같이 강섬유와 PP섬유가 0.5% 혼입되었을 때 섬유가 혼입되지 않은 기준 실험체보다 최대 부착하중이 다소 증가하였지만, 최대 하중에 도달한 이후의 거동은 거의 유사하였다. 강섬유가 1.
- 2) PP섬유는 초기미소균열제어에 효과가 있었으며, PVA 섬유의 경우 PP섬유와 비교해 후반부로 갈수록 균열제어에 더 좋은 효과를 보였다. 이것으로 섬유가 갖는 성질에 따른 효과는 다르나 섬유혼입이 보강근의 부착강도 증진에 영향을 미쳤다.
- 5의 하중 및 미끌림 관계에서 설명한 것과 같이 초기 최대 하중에 도달한 이후에 섬유가 부착응력을 지지하지 못하고 급도 비교를 통하여 섬유보강은 실험체의 균열 성장을 억제함으로써 부착강도를 증가시키는데 영향을 주지만 보강근의 종류에 따라 상이한 영향을 줌을 알 수 있다. 절곡형 PP 섬유와 표면을 친수성 처리한 PVA를 1.0% 사용했을 때의 부착거동을 비교해보면, PP섬유가 PVA섬유보다 초기 균열을 억제하는데 효과가 좋으나 지속적으로 발생하는 균열을 억제하는데는 PVA섬유가 더 효과적인 것으로 나타났다. Fig.
- 그러나 섬유가 보강됨에 따라서 후기 최대 부착하중은 크게 증가하였다. 즉 기준 실험체(SC-PC)는 초기 최대 부착하중만 나타났지만, 섬유가 보강된 FRP 보강근에는 후기 최대 부착하중이 나타나며 이 값은 초기 부착하중의 거의 1.5배였다. 또한 최대 하중에 상응하는 미끌림도 섬유가 사용됨으로써 증가하였다.
- 섬유가 보강된 경우에도 나선형 FRP 보강근의 하중-미끌림 관계는 섬유가 보강되지 않는 실험체의 하중-미끌림 관계와 유사한 거동을 보이지만 최대 하중은 섬유의 양에 따라서 다소 증가하였다. 즉, 혼입량이 증가할수록 다량의 섬유들로 인해 균열제어 효과가 증대되어 부착강도 증진에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 근년 Won8) 등은 FRP 보강근에 대한 부착강도 평가 실험을 통하여 PVA섬유가 혼입된 콘크리트와 브레이딩 기술로 표면 처리한 FRP 보강근의 부착 거동을 평가하였다. 이와 같이 섬유보강 콘크리트를 이용한 FRP 보강근의 성능평가가 이루어지고 있지만 FRP 보강근은 표면 형상에 따라서 거동이 달라지므로 다양한 종류의 보강근에 대한 부착거동의 평가가 필요하며, 또한 FRP 보강근의 부착성능 개선에 대한 연구가 필요하다. 이 연구에서는 3가지 종류의 섬유(강섬유, PVA섬유, PP섬유)를 적용함으로써 섬유보강 콘크리트와 2종류의 FRP 보강근(모래분사형과 나선형) 표면 형상에 따른 부착 성능을 평가하였다.
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