[논문]FRP 판으로 표면매입 보강된 철근콘크리트 보의 보강성능

서수연; 최기봉; 권영순

doi:10.11112/jksmi.2012.16.1.018

FRP 판으로 표면매입 보강된 철근콘크리트 보의 보강성능
Retrofit Capacity of Near-Surface-Mounted RC Beam by using FRP Plate 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.16 no.1, 2012년, pp.18 - 26

서수연 (충주대학교 건축공학과) , 최기봉 (가천대학교 건축공학과) , 권영순 ((주)재신건설)

초록
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최근 FRP를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강방법으로서, 표면매입 보강 (Near-Surface-Mounted Retrofit, NSMR)방법의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 방법은 콘크리트에 홈을 형성하는 추가의 작업이 필요하지만 보강효과를 높일 수 있고 FRP가 표면에 노출되지 않기 때문에 환경의 영향을 저감시킬 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 표면매입 보강공법 즉, FRP판을 세워서 표면에 매입보강하는 공법의 보강효과를 실험적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여 철근콘크리트 보를 제작한 뒤 기존의 표면부착 보강과 표면매입 보강을 실시한 뒤 실험을 통하여 보강성능을 비교하였다. 또한 매입보강의 경우에는 중앙부를 부분적으로 비부착시켜 그 효과를 관찰하였다. 연구결과, FRP판을 이용한 철근콘크리트 부재의 휨보강방법으로서 FRP판을 세워서 표면에 매입하는 보강방법은 기존의 판 부착보강에 비하여 높은 보강성능을 발휘하는 것으로 나타났다. ACI 440-2R의 휨보강시 내력산정방법을 따르고 정착부분의 세가지 파괴형태를 고려함으로써 표면매입 보강된 부재의 내력을 평가할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research about Near-Surface-Mounted Rertofit (NSMR) method has been being widely performed as a method for retrofit of RC structure using FRP. This method requires additional work to make grooves during retrofit but makes it possible to improve retrofit effect and reduce the attack by environment. In this paper, the retrofit effect of NSMR method, especially the method using FRP plate instead of bar is investigated through experiment. Six RC beams were made and retrofitted using by FRP plate following the planned methods; Surface-Bonding Retrofit (SBR), NSMR without debonding region and NSMR with debonding region. Flexural capacity of all specimens was evaluated by beam test with simple support condition. As a result, NSMR method with FRP plate had more improved structural capacity than SBR method. The calculation process of ACI 440-2R can be used to predict the member retrofitted by NSMR with FRP plate with consideration on the three anchorage failure mechanism.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 부착실험결과(서수연, 2011)를 토대로 철근콘크리트 보에 대하여 FRP 판 표면부착 보강과 표면매입 보강을 실시하고 휨실험을 실시함으로써 표면매입 보강시 거동특성을 관찰하고자 한다. 특히 FRP 판의 높은 단부 정착성능을 고려하여 중앙부 비부착 구간을 설정하고 비부착길이의 변화에 따른 거동을 연구하고자 한다.
본 연구에서는 이들의 연구결과를 토대로, 철근콘크리트 보를 대상으로 FRP 판을 이용한 표면매입 보강시의 보강효과, FRP 판의 정착효과를 실험적으로 연구하고자 한다. 특히 FRP 판의 높은 단부 정착성능을 고려하여 중앙부 비부착 구간을 설정하고 비부착 길이의 변화에 따른 거동을 연구하고자 한다.
본 연구에서는 이들의 연구결과를 토대로, 철근콘크리트 보를 대상으로 FRP 판을 이용한 표면매입 보강시의 보강효과, FRP 판의 정착효과를 실험적으로 연구하고자 한다. 특히 FRP 판의 높은 단부 정착성능을 고려하여 중앙부 비부착 구간을 설정하고 비부착 길이의 변화에 따른 거동을 연구하고자 한다.
본 연구에서는 이들의 연구결과를 토대로, 철근콘크리트 보를 대상으로 FRP 판을 이용한 표면매입 보강시의 보강효과, FRP 판의 정착효과를 실험적으로 연구하고자 한다. 특히 FRP 판의 높은 단부 정착성능을 고려하여 중앙부 비부착 구간을 설정하고 비부착 길이의 변화에 따른 거동을 연구하고자 한다.

제안 방법

각 실험체별로 보강효과를 평가하기 위하여 보강에 의한 내력증분을 산정하였다. 내력의 증분은 Fig.
본 실험에서의 변수는 FRP 판을 이용한 보강방법과 보강길이이다. 보강방법은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 표면 부착 보강과 표면매입 보강으로서 표면매입 보강방법은 부재 표면에 깊고 폭이 좁은 홈을 형성하고 FRP 판을 삽입하는 방법을 대상으로 하였다.
본 실험에서의 변수는 FRP 판을 이용한 보강방법과 보강길이이다. 보강방법은 Fig.
실험에서 연구하고자 하는 부분은 표면부착과 표면매입 보강에 따른 차이와 표면매입 보강에서의 부착길이 차이에 따른 거동특성이다. 이에 따라 무보강, 표면부착 보강, 그리고 부착길이가 서로 다른 매입보강으로 실험체를 계획하였다.
실험체 가력상황은 Photo 1에 나타낸 바와 같이 양단 부를 단순지지하고 중앙부를 점진적으로 하중을 가하여 실험체의 최종파괴시 까지 관찰하였다.
실험체의 변형을 측정하기 위하여 하부 중앙과 실험체 길의 1/4지점에 변위계를 설치하였고, 하부 철근 및 FRP의 변형도를 측정하기 위하여 Fig. 3과 같이 변형도 게이지를 부착하였다.
실험에서 연구하고자 하는 부분은 표면부착과 표면매입 보강에 따른 차이와 표면매입 보강에서의 부착길이 차이에 따른 거동특성이다. 이에 따라 무보강, 표면부착 보강, 그리고 부착길이가 서로 다른 매입보강으로 실험체를 계획하였다. Table 1은 실험체 일람을 나타낸다.

대상 데이터

항복하중의 경우에는 무보강에 비하여 모든 실험체가 높은 것으로 나타났다. 가장 높은 항복강도를 보인 실험체는 보하부 전체를 표면매입한 CP1600-1 실험체이었으며, 다음으로는 표면부착 보강한 BP1600 실험체로 나타났다. 표면매입 보강으로서 중앙부를 일부 비부착한 실험체의 경우에는 하중-변위곡선에서 언급한 바와 같이 비부착 길이가 길어질수록 항복이후 변위가 증가하는 양상을 보였다.
본 연구의 실험체에 사용된 콘크리트의 28일 압축강도는 21MPa이고 CFRP 보강재는 Sika사의 Carbodur-Plate S512/80이며 두께 1.2mm로서 인장강도는 2,800MPa. 탄성계수는 160,000MPa이다.
실험에 사용된 FRP 보강재는 탄소섬유계로서 두께 1.2mm 폭 50mm로서 표면부착 보강시에는 1매를 부착 보강하였고 표면매입 보강시에는 FRP 판을 16mm의 폭으로 삼등분하고 이를 1줄로 겹쳐 부착시킨 뒤 폭 7.1mm, 깊이 20mm의 홈에 매입하였다. 이에 따라 보강재의 단면적은 모든 실험체가 거의 유사하다.
탄성계수는 160,000MPa이다. 접착용 레진은 SikadurⓇ -30 2액형 레진으로서 Sika사에서 제시한 자료에 따르면, 압축강도 70MPa, 인장강도는 28MPa, 전단강도는 18MPa, 그리고 탄성계수는 128,000MPa이다. 주근으로 사용된 D10철근의 항복강도와 최대강도는 각각 486.
2mm로서 인장강도는 2,800MPa. 탄성계수는 160,000MPa이다. 접착용 레진은 SikadurⓇ -30 2액형 레진으로서 Sika사에서 제시한 자료에 따르면, 압축강도 70MPa, 인장강도는 28MPa, 전단강도는 18MPa, 그리고 탄성계수는 128,000MPa이다.

성능/효과

(1) FRP판을 이용한 철근콘크리트 부재의 휨보강방법으로서 FRP판을 세워서 표면에 매입하는 보강방법은 기존의 판 부착보강에 비하여 높은 보강성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 이는 FRP판을 세워서 매입함으로써 FRP의 면적대비 높은 부착면적을 확보할 수 있기 때문인 것으로 사료된다.
(2) 이와 같은 높은 부착특성을 고려하여 보강재의 중앙부를 비부착 시킨 경우에도 소정의 보강효과가 발휘되는 것으로 나타났다. 또한 보강재인 FRP가 탈락되는 현상이 나타나지 않고 FRP 판이 파단 되는 파괴양상을 보였다.
(3) 그러나 FRP 판의 중앙부 비부착길이가 증가할수록 최대내력이 낮고 항복이후 최대하중까지의 강성이 낮아지는 현상을 보였다. 이는 비부착 구간이 길어짐에 따라 비부착 구간에서 보강재에 균일하게 변형이 증가하고 비부착길이가 길어질수록 변형이 커지기 때문으로 사료된다.
(4) ACI 440-2R의 휨보강시 내력산정방법을 따르고 정착부분의 세가지 파괴형태를 고려함으로써 표면 매입 보강된 부재의 내력을 평가할 수 있는 것으로 나타났다.
EI-Hacha 등은 동일 축강성을 갖는 표면 부착보강과 FRP 판, FRP 바를 이용한 표면매입보강에 대하여 각각 그 성능을 보 휨실험으로 평가하여 표면매입 보강이 표면 부착 보강에 비하여 훨씬 높은 보강성능을 보유하고 있음을 확인하였고 특히 FRP 판을 부재내에 세워서 삽입보강한 경우가 가장 우수한 성능을 발휘하는 것으로 발표하였다. Yost 등은 철근콘크리트 휨부재를 대상으로 주근비와 표면매입 보강 FRP 판의 보강량 등을 변수로 휨실험을 실시하여, 표면매입 보강을 함으로써 강도와 강성 등에서는 현격한 향상이 가능하지만, 에너지 연성과 변위 연성의 측면에서는 감소를 유발하는 것으로 밝혔다.
그림으로부터 동일 보강량임에도 불구하고, 표면부착 보강에 비하여 표면매입 보강된 실험체의 내력이 높고 부재의 최대내력 도달시 점도 지연됨을 알 수 있다. 또한 표면매입 보강에서 중앙부가 부분적으로 비부착된 실험체에서는 부착길이가 짧을수록 최대내력이 낮고 항복이후 최대하중까지의 강성이 낮아지는 현상을 보였다. 이는 비부착 구간이 길어짐에 따라 비부착 구간에서 보강재에 균일하게 변형이 증가하고 비부착길이가 길어질수록 변형이 커지기 때문으로 사료된다.
매입보강으로 중앙부를 부분적으로 비부착 시킨 실험체 에서도 비부착 구간에서 일정한 간격으로 균열이 형성되었으나 콘크리트가 탈락되는 현상이 발생하지 않고 무보강 실험체와 거의 유사한 파괴양상을 보였다. 실험체의 측면 파괴상황을 나타낸 Photo 2로부터 전체를 표면부착 보강한 BP1600과 표면매입 보강한 CP1600-1 실험체에서는 중앙하부 콘크리트가 탈락되는 현상이 발생하였으나, 나머지 실험체에서는 휨균열이 분산되면서 콘크리트가 탈락되는 현상이 없음을 알 수 있다.
반면에 매입으로 전 구간을 보강한 CP1600-1 실험체의 경우는 단순 부착보강인 BP1600실험체와 달리 중앙 부에 균열이 집중되어 파괴되는 양상을 보이지 않고, 무보강인 BC2000실험체와 같이 분산된 형태를 보였고 최대내력 부근에서 매입된 FRP가 피복콘크리트 일부와 함께 박락되는 양상을 보였다. 그 이후에는 BC2000실험체와 유사한 양상을 보였다.
보강구간 전체(1600mm)를 단순 부착형태로 보강한 BP1600 실험체의 경우에는 하중 증가에 따라 중앙부에서 휨균열로 시작하여 무보강인 BC2000 실험체에 비하여 균열이 중앙에서 집중되는 양상을 보였고, 최종적으로는 FRP가 탈락되는 파괴양상을 보였다.
매입보강으로 중앙부를 부분적으로 비부착 시킨 실험체 에서도 비부착 구간에서 일정한 간격으로 균열이 형성되었으나 콘크리트가 탈락되는 현상이 발생하지 않고 무보강 실험체와 거의 유사한 파괴양상을 보였다. 실험체의 측면 파괴상황을 나타낸 Photo 2로부터 전체를 표면부착 보강한 BP1600과 표면매입 보강한 CP1600-1 실험체에서는 중앙하부 콘크리트가 탈락되는 현상이 발생하였으나, 나머지 실험체에서는 휨균열이 분산되면서 콘크리트가 탈락되는 현상이 없음을 알 수 있다.
콘크리트 피복내에 홈을 형성한 뒤 FRP 보강재를 매입하여 보강하는 표면매입 보강법의 우수성은 Nami(2001) 가 실시한 고속도로 교량을 대상으로 한 휨실험으로부터 알 수 있다. 이 연구에서 CFRP 판을 외부표면에 부착시킨 경우에는 CFRP 판이 최종단계에서 박락되었으나, 바형태로 제작한 CFRP를 콘크리트 표면에 매입시킨 경우에는 CFRP 바가 인장 파단 되었고, 전체 내력에 대한 기여도도 각각 17%와 29%로서 표면매입 보강이 효과적인 것으로 나타났다.
이상과 같은 기존 연구를 통하여 표면부착 보강에 비하여 표면매입 보강이 보강효율의 측면에서 우수함을 알 수 있다. 그러나 실제 철근콘크리트 부재의 보강에서는 FRP 판의 강성이 지나치게 큼으로 인하여 부재와 같이 변형하지 않게 되고 이에 의한 영향으로 보강재가 탈락될 가능성이 있고, 이에 의해 보강효율이 저감될 가능성이 있다.
표면매입 보강된 실험체는 모두 비부착길이와 상관없이 비부착 구간에서 FRP 판이 최종파단되는 파괴양상을 보였다.
표면매입 보강된 실험체에 대하여, 부착길이 400mm이 상인 경우에는 실험결과를 안전측으로 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 부착길이 300mm인 경우에는 매입된 FRP의 부착강도가 지나치게 과소평가되는 것으로 나타났다.
가장 높은 항복강도를 보인 실험체는 보하부 전체를 표면매입한 CP1600-1 실험체이었으며, 다음으로는 표면부착 보강한 BP1600 실험체로 나타났다. 표면매입 보강으로서 중앙부를 일부 비부착한 실험체의 경우에는 하중-변위곡선에서 언급한 바와 같이 비부착 길이가 길어질수록 항복이후 변위가 증가하는 양상을 보였다. 이는 전체길이에 대하여 완전부착 될 경우, 균열부위에 있는 FRP에 집중적으로 변형이 발생하는 반면에 중앙부 비부착 길이가 증가함에 따라 비부착 구간의 FRP가 균등하게 변형을 일으킴으로서, 전체적으로 변형량이 증가된 것으로 사료된다.
표면매입 보강된 실험체에서는 비부착길이가 짧아질수록 (부착길이가 길어질수록) 보강에 의한 내력증분이 커짐을 알 수 있다. 표면부착 보강된 BP1600실험체와 비교할 경우, 양단 부착길이 300mm인 경우에는 표면매입 보강과 최대내력이 유사하지만, 양단 부착길이 400mm 이상인 경우에는 표면매입 보강이 우수한 것으로 나타났다. 이는 단부에서 FRP 판의 정착정도가 높음으로 인하여 FRP가 충분히 내력발현이 되었기 때문으로 사료된다.
하중이 작용함에 따라 보강재에서 발생하는 변형도를 파악하기 위하여 Fig. 3과 같이 일정한 간격으로 부착한 변형도 게이지의 값을 관찰한 결과, 최대내력까지 FRP에서 충분한 변형이 발생하였고, 중앙부에 가까워질수록 높은 변형도를 나타내었다. 중앙부를 부분적으로 비부착시킨 실험체에서는 비부착 구간에서의 변형도가 높은 양상을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면매입 보강 방법의 장점은 무엇인가?	최근 FRP를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강방법으로서, 표면매입 보강 (Near-Surface-Mounted Retrofit, NSMR)방법의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 방법은 콘크리트에 홈을 형성하는 추가의 작업이 필요하지만 보강효과를 높일 수 있고 FRP가 표면에 노출되지 않기 때문에 환경의 영향을 저감시킬 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 표면매입 보강공법 즉, FRP판을 세워서 표면에 매입보강하는 공법의 보강효과를 실험적으로 규명하고자 하였다.
	표면매입 보강 방법은 무엇인가?	철근콘크리트 구조물의 보강을 위하여 최근 콘크리트의 피복부분에 홈을 형성하고 이 홈내부에 FRP 바를 삽입한 후 에폭시 모르터 등으로 보강하는 방법, 즉 표면매입 보강 (Near-Surface-Mounted Retrofit, NSMR) 방법의 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이 방법은 콘크리트에 홈을 형성하는 추가의 작업이 필요하지만 보강효과를 높일 수 있고 FRP가 표면에 노출되지 않기 때문에 환경의 영향을 저감시킬 수 있다.
	표면매입 보강법의 우수성은 기존의 어떤 연구를 통해 알 수 있는가?	콘크리트 피복내에 홈을 형성한 뒤 FRP 보강재를 매입 하여 보강하는 표면매입 보강법의 우수성은 Nami(2001) 가 실시한 고속도로 교량을 대상으로 한 휨실험으로부터 알 수 있다. 이 연구에서 CFRP 판을 외부표면에 부착시킨 경우에는 CFRP 판이 최종단계에서 박락 되었으나, 바형태로 제작한 CFRP를 콘크리트 표면에 매입시킨 경우에는 CFRP 바가 인장 파단 되었고, 전체 내력에 대한 기여도도 각각 17%와 29%로서 표면매입 보강이 효과적인 것으로 나타났다.

참고문헌 (8)

서수연, 윤승조, 권영순, 최기봉, "표면매입보강방법으로 콘크리트내에 매입된 FRP판과 콘크리트 사이의 부착거동", 한국콘크리트학회 논문집, 제23권 5호, 2011.8, pp.675-682.

원문보기 상세보기
임동환, "표면매입 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 거동에 관한 실험연구", 구조물진단학회지, 제12권 6 호, 2008.11, pp.89-96.
정우태, "CFRP로 표면매립 보강된 철근콘크리트 보의 등가 단면 모델을 고려한 휨거동 분석", 명지대학교 박사학위논문, 2009.
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Nami, A., "FRP Reinforcement for Bridge Structures, Proceedings, Structural Engineering Conference Beams", Journal of Composites for Construction, ASCE, vol. 5, No. 1, 2000, pp.12-17.
Joseph Rovert Yost, Shawn P. Gross, David W. Dinehart, and Jason J. Mildenberg, "Flexural Behavior of Concrete Beams Strengthened with Near-Surface- Mounted CFRP Strips", ACI Structural Journal, vol. 104, No. 4, July-Aug., 2007, pp.430-437.

상세보기
Raafat EI-Hacha and Sami H. Rizkalla, "Near-Surface- Mounted Fiber-Reinforced Polyumer Rein- forcements for Flexural Strengthening of concrete Structures", ACI Structural Journal, vol. 101, No. 5, Sept-Oct., 2004, pp.717-726.

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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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