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문제 정의
- 본 연구는 전단 내력 평가시 섬유시트 및 강판 등의 연속보강과 탄소섬유막대와 같이 띠보강된 경우에 적용이 가능한 다음과 같은 ACI Code에서 제시한 규준식에 의해 전단 내력을 평가하였다.
- 본 연구는 철근콘크리트 T형보를 제작하여 보강재 종류별로 전단보강을 실시하여 보강효과 및 구조적 특성을 파악하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 철근콘크리트 T형보에 대한 현재 실무에서 주로 사용되는 보강재료별로 전단 보강을 실시하여 실험을 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 보의 내력 및 압축 구속력 증대효과가 있는 철근콘크리트 T형보를 제작하여 철근콘크리트 T형보에 섬유시트(CFS, GFS), 탄소섬유막대(CB), 강판(Steel Plate ; 이하 SP) 등을 사용하여 전단 보강하였으며 전단실험을 통해 보강재별 보강 효과 및 거동, 구조적 특성을 파악한다. 철근콘크리트 T형보에 대한 적절한 보강방법을 검토하고 보강 설계 및 시공에 사용할 수 있는 기초자료를 제공하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 강판 보강 실험체는 두께 4.5 mm의 강판을 사용하여 판재의 특성상 보강겹수를 변수로 두지 않았으며 강판 보강 방법은 콘크리트의 표면 요철 제거 후 콘크리트 면에 정착앵커 구멍 뚫기를 하였다. 그리고 강판을 콘크리트 부착면에 앵커로 고정하여 에폭시를 충전하였다.
- 균열의 진행 상황은 하중을 가력하면서 하중 단계에 따라 발생되는 균열을 유성펜을 사용하여 위치와 하중을 표시하면서 파악하였다.
- 5 mm의 강판을 사용하여 판재의 특성상 보강겹수를 변수로 두지 않았으며 강판 보강 방법은 콘크리트의 표면 요철 제거 후 콘크리트 면에 정착앵커 구멍 뚫기를 하였다. 그리고 강판을 콘크리트 부착면에 앵커로 고정하여 에폭시를 충전하였다.
- 탄소섬유막대 보강은 두께 4×10 mm의 매입형 탄소섬유막대를 사용하여 보강 위치에 보강재의 간격(@150 mm, @300 mm)을 변수로 보강을 실시하였으며 탄소섬유막대 보강 방법은 먼저 콘크리트의 표면 요철 제거 및 탄소막대 보강 위치에 줄눈 작업을 후 탄소섬유막대 매입 부분을 커팅(Cutting)하여 홈을 형성하였다. 그리고 콘크리트와 탄소섬유막대의 부착을 위해 콘크리트 홈 부분에 프라이머를 도포하였으며 탄소섬유막대를 매입시킨 후 에폭시 도포 후 표면 고르기를 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 보의 내력 및 압축 구속력 증대효과가 있는 철근콘크리트 T형보를 제작하여 철근콘크리트 T형보에 섬유시트(CFS, GFS), 탄소섬유막대(CB), 강판(Steel Plate ; 이하 SP) 등을 사용하여 전단 보강하였으며 전단실험을 통해 보강재별 보강 효과 및 거동, 구조적 특성을 파악한다. 철근콘크리트 T형보에 대한 적절한 보강방법을 검토하고 보강 설계 및 시공에 사용할 수 있는 기초자료를 제공하는데 목적이 있다.
- 또한 가력된 상부에 Load cell을 설치하여 단계별 하중을 측정하였다.
- 보강재와 에폭시수지는 제조회사에서 공인시험기관에 의뢰하여 얻은 시험성적서의 물성값을 적용하였다.
- 실험체가 완전 파괴될 때까지 가력 후 극한 전단내력을 결정하였다.
- 실험체의 항복하중은 철근의 항복점이 명확하지 않아 부재실험에서 얻은 하중-처짐 곡선에서 탄성역의 초기강성을 연장한 직선과 소성역의 접선이 교차하는 점에서 수직선상의 하중을 항복하중으로 결정하였다.
- 예비실험에서는 강도별 기준실험체를 완전 파괴될 때까지 가력후 최대 내력을 파악하여 기준실험체의 최대내력으로 결정하였다.
- 전단 보강 실험체의 보강 단면적에 대한 보강효과는 보강재의 인장강도(ftf)에 실험체의 전단 보강 단면적(Af)을 곱하여 보강하중(Ps)을 구하였으며, 이를 Ptest(기준 실험체별 극한하중 - 보강실험체별 극한하중)과 비교 하였으며 보강 단면적에 대한 전단 보강 실험체의 보강효과는 Table 6 및 Fig. 7과 같다.
- 철근콘크리트 T형보의 단면설계는 국토해양부 고시 건축구조기준(2009)에 의해서 Fig. 2와 같이 독립 T형보로 설계하였으며 추가 압축면적을 제공하는 플랜지의 두께(tf)는 복부폭(bw)의 1/2이상의 기준에 의해 플랜지 두께(tf)를 100 mm로, 플랜지의 유효폭(b)은 복부폭(bw)의 4배 이하의 기준에 의해 플랜지 유효폭(b)을 500 mm로 설계하였다.
- 탄소섬유막대 보강은 두께 4×10 mm의 매입형 탄소섬유막대를 사용하여 보강 위치에 보강재의 간격(@150 mm, @300 mm)을 변수로 보강을 실시하였으며 탄소섬유막대 보강 방법은 먼저 콘크리트의 표면 요철 제거 및 탄소막대 보강 위치에 줄눈 작업을 후 탄소섬유막대 매입 부분을 커팅(Cutting)하여 홈을 형성하였다.
대상 데이터
- (a)는 700 mm, 유효깊이 (d)는 352 mm, 전단경간비(a/d)는 2.0로써 500(b) ×200(bw)×100(tf)×400(H)×2,400(L) mm로 철근 콘크리트 T형보를 제작하였다.
- 본 실험은 변수별로 보강한 실험체를 단순지지 상태의 내민 연속보의 형태로 설치하였다.
- 실험에 사용된 철근콘크리트 T형보의 철근은 HD10 (SD400), HD16(SD400)으로 KSB 0801과 KSB 0802에 따른 인장시험편을 제작하여 인장시험을 실시하였다. 각 철근의 인장시험결과는 Table 2와 같다.
- 실험에 사용된 콘크리트는 설계기준강도(fck) 21 ㎫이며, 콘크리트 현장 배합시 발생할 수 있는 강도 오차를 줄이기 위해 Table 3과 같은 레디믹스 콘크리트를 사용하였다.
- 실험체의 보강재는 탄소섬유시트(CFS), 유리섬유시트 (GFS), 매입형 탄소섬유막대(CB), 강판(SP) 등 국내에서 생산되는 것을 사용하였으며, 보강재료의 물리적 특성은 Table 4와 같다.
- 콘크리트 배합에 사용된 시멘트는 D사의 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하며 굵은골재의 최대 직경은 25 mm의 쇄석, 잔골재의 조립률 2.86의 강모래를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 전단 보강 실험체별 내력증가는 모든 보강 실험체가 기준 실험체보다 46.7～80.8% 정도 높게 나타났다.
- (2) 보강 실험체의 파괴 성상은 CFS, GFS 보강 실험체는 단부에서, SP 보강실험체는 보강재 주변에서 전단균열에 의해 보강재가 박리되면서 파괴되었다. CB 보강실험체의 경우 중앙부의 전단균열에 의해서 파괴되었다.
- (3) 보강 실험체의 초기강성은 전단 보강으로 인해 부재 항복 전의 처짐의 감소로 기준실험체에 비해 증가하였다. 소성역강성은 GFS 보강 실험체가 가장 높게 나타났으며 섬유시트와 탄소섬유막대의 보강량 증가로 인해 항복 이후의 처짐이 증대되어 기준 실험체에 강성이 저하되었다.
- (4) ACI Code에서 제안하고 있는 전단내력 평가식을 적용 결과한 결과, 보강재 겹수 증가와 보강 간격에 따른 보강의 부착성 저하로 인해 실험값이 이론 값에 비해 8～98% 정도의 차이를 보여 보강재의 종류 및 보강겹수, 보강 간격에 따라 0.37～1.08정도의 부분조정계수(βf)의 적용이 필요할 것으로 사료된다.
- ACI Code의 전단내력에 대한 이론값과 실험값을 비교한 결과, 보강재 겹수 증가와 보강 간격에 따른 보강의 부착성 저하로 인해 실험값이 이론값에 비해 8～98% 정도의 차이를 보여 보강재의 종류 및 보강겹수, 보강 간격에 따라 0.21～1.08 정도의 부분조정계수(βf)의 적용이 필요할 것으로 사료된다.
- CB 보강 실험체의 경우, 이론값에 ACB 전단 보강 실험체는 5% 정도, BCB 전단 보강 실험체는 2% 정도의 실험값을 보였으며 이는 전면이 보강되는 섬유시트와 강판에 비해 전단철근과 같이 매입됨에 따라 다른 보강재에 비해 실험값과 이론값이 큰 차이를 보이는 것으로 사료된다. CB 보강에 의한 전단강도(#)를 강도설계법의 Vs으로 전단강도를 산정 결과, 이론값에 비해 ACB 전단 보강 실험체는 65% 정도, BCB 전단 보강 실험체는 32% 정도의 실험값을 보여 탄소섬유막대 보강에 의한 전단강도 산정시 ACI 규준식 보다는 강도설계법의 Vs 개념으로 전단 강도를 산정하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
- CB 보강 실험체의 경우, 이론값에 ACB 전단 보강 실험체는 5% 정도, BCB 전단 보강 실험체는 2% 정도의 실험값을 보였으며 이는 전면이 보강되는 섬유시트와 강판에 비해 전단철근과 같이 매입됨에 따라 다른 보강재에 비해 실험값과 이론값이 큰 차이를 보이는 것으로 사료된다. CB 보강에 의한 전단강도(#)를 강도설계법의 Vs으로 전단강도를 산정 결과, 이론값에 비해 ACB 전단 보강 실험체는 65% 정도, BCB 전단 보강 실험체는 32% 정도의 실험값을 보여 탄소섬유막대 보강에 의한 전단강도 산정시 ACI 규준식 보다는 강도설계법의 Vs 개념으로 전단 강도를 산정하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
- 이론값과 실험값에 대하여 비교한 결과, 이론값에 비해 1CFS 전단 보강 실험체는 103% 정도, 2CFS 전단 보강 실험체는 78% 정도의 실험값을 보였으며 보강겹수 증가에 따라 25% 정도의 실험값과 이론값의 차이를 나타냈다. GFS 보강 실험체의 경우, 이론값에 비해 1GFS 실험체는 108% 정도, 2CFS 실험체의 경우 87% 정도의 실험값을 나타냈으며 보강겹수 증가에 따라 14% 정도의 차이를 보였다.
- SP 보강한 실험체의 강성의 경우 기준실험체에 비해 처짐에 비해 내력이 증대되어 초기강성은 200.0% 정도, 소성역강성은 46.1% 정도 높게 나타났다.
- 강판 보강 단면적에 대한 실험체의 전단 보강효과는 71.6% 정도 증대되는 것으로 나타났다.
- 강판 보강 실험체의 경우, 최대하중은 485.0 kN으로 기준실험체에 비해 80.7% 정도 내력이 증가하였으며 강판 보강 실험체와 다른 보강 실험체의 내력 증가를 비교했을 경우, CFS 보강 실험체에 비해 21.7% 정도, GFS 보강 실험체 비해 18.3% 정도, CB 보강 실험체에 비해 19.2% 정도 내력이 증가하였다.
- 무보강 기준실험체와 보강재별로 보강한 실험체에 대하여 실험 결과, 섬유시트와 강판으로 보강한 실험체 경우, 보의 중앙부 및 단부에서 가력 하중에 의한 전단균열로 인해 보강재가 박리되면서 파괴되었다.
- 보강 실험체중 SP 보강 실험체가 80.7% 정도 내력 증가율이 가장 높게 나타났으며, CFS, GFS, CB 전단 보강 실험체는 44.5～53.0% 정도로 유사한 내력 증가를 보였다.
- 보강 실험체중 강판 보강 실험체의 초기강성 및 소성역 강성이 높은 경향을 보였으며 이는 판재의 특성 및 보강단면적이 두꺼워서 초기강성 및 소성역강성의 증대가 가장 크게 나타났으며 섬유시트의 보강 겹수와 탄소섬유막대의 보강간격에 따른 보강량이 증가할수록 초기강성은 증대되었으며 소성역강성 경우는 증대된 내력 보다 처짐 량이 증가하여 강성이 감소하는 경향을 보였다.
- 섬유시트 보강 실험결과를 종합해보면 보강겹수에 증가에 따른 보강효과는 2.8～5.5% 정도로 다소 미비한 내력증가를 보여 섬유시트 2겹 이상의 보강 보다는 1겹으로 보강하는 것이 경제적일 것으로 판단되며 섬유시트를 사용하여 보강 할 경우 충분한 부착강도의 확보와 섬유시트의 단부박리파괴를 방지할 수 있다면 내력 증대 효과는 클 것으로 사료되며 탄소섬유막대 보강 실험체의 실험결과, 기준실험체에 비해 탄소섬유막대 300 mm 간격으로 보강한 ACB 실험체의 최대하중은 390.4 kN으로 48.7%정도 내력이 증가하였으며 탄소섬유막대 150 mm 간격으로 보강한 BCB 실험체의 경우, 최대하중은 406.8 kN으로 51.9% 정도 기준실험체에 비해 증가하였으며 탄소섬유막대 실험체는 섬유시트 보강 실험체의 최대내력과 2% 정도의 유사한 내력 증가를 보였다.
- (3) 보강 실험체의 초기강성은 전단 보강으로 인해 부재 항복 전의 처짐의 감소로 기준실험체에 비해 증가하였다. 소성역강성은 GFS 보강 실험체가 가장 높게 나타났으며 섬유시트와 탄소섬유막대의 보강량 증가로 인해 항복 이후의 처짐이 증대되어 기준 실험체에 강성이 저하되었다.
- 유리섬유시트 보강 실험체별 보강 단면적에 대한 실험체의 보강효과는 S-1GFS 실험체는 69.7% 정도, S-2CFS 실험체는 41.0% 정도의 보강효과를 보였으며, 보강겹수에 따라 비교했을 경우 1겹으로 전단 보강한 실험체가 2겹으로 전단 보강한 실험체보다 58.8% 정도 높은 보강효과를 나타내어 앞의 CFS 보강효과와 마찬가지로 GFS도 보강겹수가 증가할수록 보강하는 콘크리트 모체와 섬유 시트가 부착성이 떨어져 보강효과는 저하하는 것으로 나타나 보강겹수에 증가에 대한 부분감소계수 적용이 필요할 것으로 사료된다.
- 3% 정도 감소하는 경향을 보였다. 유리섬유시트 보강 실험체의 강성의 경우, 보강겹수 증가에 따라 처짐 증가율에 비해 내력 증가율이 감소하여 초기강성은 3.7% 정도, 소성역강성은 30.2% 정도 낮은 경향을 보였다.
- 유리섬유시트 보강 실험체의 실험결과, 1GFS 실험체의 최대하중은 389.3 kN으로 44.9% 정도, 2GFS 실험 체의 경우, 최대하중은 410.6 kN으로 53.0% 정도 기준 실험체에 비해 높게 나타났다.
- 이론값과 실험값에 대하여 비교한 결과, 이론값에 비해 1CFS 전단 보강 실험체는 103% 정도, 2CFS 전단 보강 실험체는 78% 정도의 실험값을 보였으며 보강겹수 증가에 따라 25% 정도의 실험값과 이론값의 차이를 나타냈다. GFS 보강 실험체의 경우, 이론값에 비해 1GFS 실험체는 108% 정도, 2CFS 실험체의 경우 87% 정도의 실험값을 나타냈으며 보강겹수 증가에 따라 14% 정도의 차이를 보였다.
- 철근콘크리트 T형 보의 보강재별 전단 보강한 실험 결과, 기준실험체의 최대하중 268.3 kN에 비해 전단 보강 실험체가 최대하중은 44.5～80.7% 정도 증가하였다.
- 탄소섬유막대 300 mm 간격으로 보강한 ACB 실험체가 108.8% 정도로 가장 높고 탄소섬유시트 2겹으로 보강한 2CFS 실험체는 27.8% 정도로 보강 단면적에 대한 보강효과가 가장 낮게 나타났다.
- 탄소섬유막대 보강 실험체의 강성의 경우, ACB 보강한 실험체의 강성의 경우 기준실험체에 비해 처짐에 비해 내력이 증대되어 초기강성은 3.8% 정도, 소성역강성은 14.5% 정도 높게 나타났으며 BCB 보강 실험체의 강성의 경우 기준실험체에 비해 보강량이 증가로 처짐증가율에 처짐 증가율이 감소하여 초기강성은 2.1% 정도, 소성역강성은 25.5% 정도 낮은 경향을 보였다.
- 탄소섬유막대 보강 실험체의 경우, ACB 실험체는 108%정도, BCB 실험체는 61.8% 정도로 다른 보강재에 비해 이는 보강재인 탄소섬유막대와 모체인 콘크리트와의 일체 거동으로 보강 단면적에 대한 보강효과는 높은 경향을 보였게 나타났으며 앞의 섬유시트와 마찬가지로 보강재의 간격의 증가로 인한 보강단면적이 증가할수록 보강효과는 43.2% 정도 저하하는 것으로 사료된다.
- 탄소섬유시트 보강 실험체별 보강 단면적에 대한 실험체의 보강효과는 1CFS 실험체 경우 50.9% 정도, 2CFS 실험체는 27.8% 정도로 1겹으로 전단 보강한 실험체 보다 54.6% 정도 높은 보강효과를 나타냈었다.
- 탄소섬유시트 보강 실험체별 실험결과, 1CFS 실험체의 최대하중은 387.7 kN으로 44.6% 정도, 2CFS 실험체의 경우 최대하중은 398.6 kN으로 48.7% 정도 기준실험체에 비해 증가하는 경향을 보였다.
- 탄소섬유시트 보강 실험체의 강성의 경우, 보강겹수가 증가에 따라 초기강성은 14.6% 정도 증대되었으며 소성역 강성은 항복 이후의 내력 증가율에 비해 처짐 증가율이 증대되어 강성은 8.3% 정도 감소하는 경향을 보였다. 유리섬유시트 보강 실험체의 강성의 경우, 보강겹수 증가에 따라 처짐 증가율에 비해 내력 증가율이 감소하여 초기강성은 3.
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