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문제 정의
- 1(b) 에 나타내었다. 유공형 GFRP 판을 전단보강재로 적용하기 위해, 보강재 형상, 보강 면적, 보강재의 두께 및 폭의 영향, 보강재 종류를 변수로 하여 새로운 전단보강재 형상에 대한 역학적 거동 파악 및 이를 적용한 콘크리트 보의 전단거동을 평가하는데 이 연구의 목적을 두었다.
- 이 연구에서 철근 스터럽의 대체재인 매립형 유공 GFRP 판으로 전단 보강된 철근콘크리트 보의 전단거동을 분석하기 위하여 GFRP 판의 형상, 보강면적, 보강재 두께 및 폭의 영향을 변수로 하여 실험을 수행하였다. 이를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 현행 기준에서는 전단력을 받는 부재가 콘크리트의 압괴로 인한 취성파괴를 방지하기 위하여 전단보강철근양에 제한을 두고 있다. 이 연구에서는 철근 스터럽의 대체재인 GFRP 판으로 현행 기준에서 최대전단보강 요구사항을 만족하는지를 검토하기 위하여 시험체들의 전단 보강면적과 각 국가의 최대전단보강 요구사항을 비교하였다. ACI 318M-08 기준식,11) CSA-04 기준식,12) EC2-02 기준식13)에서 제한하고 있는 최대전단보강철근비(ρmax) 기준식은 다음과 같고, 이를 이용하여 최대전단보강면적 (Af,max)은 식 (9)와 같이 표현하였다.
가설 설정
- 8에 나타내었다. 이 실험은 철근 스터럽과 GFRP 판의 전단보강재로서의 성능을 비교 및 분석하기 위하여 전단보강재의 항복에 의하여 전단파괴가 발생하는 것으로 가정하였다. 이는 두 가지의 전단보강재가 최대내력을 발휘했을 때 전단성능 비교가 가능하기 때문이다.
제안 방법
- 이 연구에서는 Fig. 1(a)와 같이 FRP 중 GFRP(glass fiber reinforced polymer)를 판(plate) 형태로 제작하여, 철근 스터럽을 전단보강재로 사용하는 대신 GFRP 판을 콘크리트 보에 매립하여 전단보강재로 활용하는 방법을 제안하였다. 이 때, 콘크리트와 GFRP 판의 효과적인 부착을 위하여 유공의 판 형태를 고안하였다.
- 모든 시험체는 휨파괴를 방지하고 전단파괴가 발생하도록 설계하였다. GFRP 판 형상및 보강면적, 동일한 보강면적에서 보강재의 두께 및 폭의 영향을 실험변수로 선정하였다. 시험체 일람은 Table 3에 나타내었다.
- 또한 인장철근의 항복 여부를 판단하기 위하여 인장철근 중앙 하부에 변형률 게이지를 부착하여 철근의 변형률을 측정하였다. GFRP 판의 가로축과 세로축에 변형률 게이지를 부착하여 GFRP 판의 가로축 및 세로축의 변형률을 측정하였다. UCAM-500A를 사용하여 하중, 변위 및 변형률의 데이터를 수집하였다.
- 다음으로 철근 스터럽을 전단보강재로 사용한 현행 설계기준과 달리 GFRP 판의 전단강도는 위험단면구간에 존재하는 보강재의 보강면적과 보강재의 인장강도를 통해 산정할 수 있다. 따라서 형상이 다른 두 보강재의 전단성능을 비교하기 위하여 단위 보강면적을 맞추고 최대전단강도를 비교하였다. 철근 스터럽으로 보강한 S-207의 보강면적은 207 mm2이고 GFRP 판으로 보강한 GR15-45의 보강면적은 45 mm2이다.
- 콘크리트가 최대 변형률에 도달하는지의 유무를 파악하고 어떠한 파괴형태를 보이는지 분석하기 위하여 시험체 중앙부의 상부와 하부에 각각 변형률 게이지를 부착하여 콘크리트의 변형률을 측정하였다. 또한 인장철근의 항복 여부를 판단하기 위하여 인장철근 중앙 하부에 변형률 게이지를 부착하여 철근의 변형률을 측정하였다. GFRP 판의 가로축과 세로축에 변형률 게이지를 부착하여 GFRP 판의 가로축 및 세로축의 변형률을 측정하였다.
- 8로 하였다. 모든 시험체는 휨파괴를 방지하고 전단파괴가 발생하도록 설계하였다. GFRP 판 형상및 보강면적, 동일한 보강면적에서 보강재의 두께 및 폭의 영향을 실험변수로 선정하였다.
- 시험체는 단순지지하여 최대용량 5,000 kN의 유압식UTM을 사용하여 평균 5 kN/min의 속도로 하중을 재하 하였다. 양 지점으로부터 각각 613 mm 떨어진 가력점에서 2점 가력하였고 시험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 시험체의 수직 변위를 측정하였다.
- 시험체는 단순지지하여 최대용량 5,000 kN의 유압식UTM을 사용하여 평균 5 kN/min의 속도로 하중을 재하 하였다. 양 지점으로부터 각각 613 mm 떨어진 가력점에서 2점 가력하였고 시험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 시험체의 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트가 최대 변형률에 도달하는지의 유무를 파악하고 어떠한 파괴형태를 보이는지 분석하기 위하여 시험체 중앙부의 상부와 하부에 각각 변형률 게이지를 부착하여 콘크리트의 변형률을 측정하였다.
- 이 때, 콘크리트와 GFRP 판의 효과적인 부착을 위하여 유공의 판 형태를 고안하였다. 유공형 GFRP 판은 콘크리트와의 넓은 부착면적 형성 및 FRP 섬유의 높은 인장강도로 인한 부재의 전단강도 향상과 더불어, 기존 철근 스터럽과 같이 현장 배근 및 조립작업이 없이 판 형태의 보강재를 스페이서를 사용하여 주근에 끼움으로써 정착하여 시공성 향상이 가능하도록 설계하였다. 스페이서를 이용한 GFRP 판의 설치모습 상세는 Fig.
- 1(a)와 같이 FRP 중 GFRP(glass fiber reinforced polymer)를 판(plate) 형태로 제작하여, 철근 스터럽을 전단보강재로 사용하는 대신 GFRP 판을 콘크리트 보에 매립하여 전단보강재로 활용하는 방법을 제안하였다. 이 때, 콘크리트와 GFRP 판의 효과적인 부착을 위하여 유공의 판 형태를 고안하였다. 유공형 GFRP 판은 콘크리트와의 넓은 부착면적 형성 및 FRP 섬유의 높은 인장강도로 인한 부재의 전단강도 향상과 더불어, 기존 철근 스터럽과 같이 현장 배근 및 조립작업이 없이 판 형태의 보강재를 스페이서를 사용하여 주근에 끼움으로써 정착하여 시공성 향상이 가능하도록 설계하였다.
- 일반적으로 철근 스터럽 보강 시, 보에 수직으로 스터럽을 배근하는 방법과, 전단균열 방향에 수직으로 위치하도록 보에 45º로 스터럽을 배근하는 방법이 있다. 이를 고려하기 위해 GFRP 판을 보에 수직한 방향인 기본격자형과 전단균열방향에 수직한 방향인 평행사변형으로 제작하였으며 이에 대한 비교를 위해 기본격자형 GR15-45와 평행사변형 GP15-45는 형상만 다르게 하고 나머지 변수는 동일하게 하였다. Fig.
- 철근 스터럽을 전단보강재로 사용한 철근콘크리트 보의 전단강도를 산정하는 ACI 318M-08 기준식을 통해 GFRP 판으로 보강된 보의 전단강도를 평가하여 보았다. Table 5와 Fig.
- 양 지점으로부터 각각 613 mm 떨어진 가력점에서 2점 가력하였고 시험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 시험체의 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트가 최대 변형률에 도달하는지의 유무를 파악하고 어떠한 파괴형태를 보이는지 분석하기 위하여 시험체 중앙부의 상부와 하부에 각각 변형률 게이지를 부착하여 콘크리트의 변형률을 측정하였다. 또한 인장철근의 항복 여부를 판단하기 위하여 인장철근 중앙 하부에 변형률 게이지를 부착하여 철근의 변형률을 측정하였다.
대상 데이터
- 철근 스터럽으로 보강한 S207은 철근 스터럽의 항복에 의하여 전단파괴가 발생하였다. FRP는 항복하지 않는 재료적 특성을 가지고 있으므로 GFRP 판의 파단이 발생한 시점을 최대내력이 발현된 구간으로 보고 이를 동반하여 전단파괴가 발생한 GR15-45를 비교 대상으로 선정하였다. 다음으로 철근 스터럽을 전단보강재로 사용한 현행 설계기준과 달리 GFRP 판의 전단강도는 위험단면구간에 존재하는 보강재의 보강면적과 보강재의 인장강도를 통해 산정할 수 있다.
- GFRP 판으로 전단보강된 시험체 8개와 철근 스터럽으로 보강된 시험체 1개를 제작하여 총 9개의 시험체에 대하여 전단실험을 수행하였다. 철근 스터럽 및 GFRP 판의 일반적인 배치형태를 Fig.
- GFRP 판의 가로축과 세로축에 변형률 게이지를 부착하여 GFRP 판의 가로축 및 세로축의 변형률을 측정하였다. UCAM-500A를 사용하여 하중, 변위 및 변형률의 데이터를 수집하였다. 시험체 세팅 및 변형률 게이지의 부착 위치를 Fig.
- 시험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준 강도는 45 MPa이며 Table 1의 배합비를 사용하였다. KS F 2405의 기준에 따라 재령 28일 후 압축강도를 측정하여 평균 42.
- 3에 나타내었다. 시험체의 총 길이는 2,700 mm, 순경간은 2,100 mm이며 지점에서 양단으로 300 mm의 정착길이를 두었다. 피복두께는 40 mm로 하였다.
- 7 MPa의 압축강도를 확인하였다. 인장철근은 지름 29 mm의 이형철근을 사용하였으며, 스터럽은 지름 10 mm의 이형철근을 사용하였다. Table 2에 실험에 사용된 철근과 GFRP의 물성치를 나타내었다.
- 따라서 형상이 다른 두 보강재의 전단성능을 비교하기 위하여 단위 보강면적을 맞추고 최대전단강도를 비교하였다. 철근 스터럽으로 보강한 S-207의 보강면적은 207 mm2이고 GFRP 판으로 보강한 GR15-45의 보강면적은 45 mm2이다. 단위 보강면적당 최대전단강도를 비교한 결과 GFRP 판으로 보강한 보가 철근 스터럽으로 보강한 보에 비해 3.
이론/모형
- 시험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준 강도는 45 MPa이며 Table 1의 배합비를 사용하였다. KS F 2405의 기준에 따라 재령 28일 후 압축강도를 측정하여 평균 42.7 MPa의 압축강도를 확인하였다. 인장철근은 지름 29 mm의 이형철근을 사용하였으며, 스터럽은 지름 10 mm의 이형철근을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 철근 스터럽과 GFRP 판을 단위 보강면적당 전단강도로 비교한 결과, GFRP 판으로 보강한 보가 3.6배 우수한 것으로 나타났다. 또한 GFRP 판 형상에 따른 비교 결과 기본격자형 GFRP 판으로 보강하기 보다는 전단균열방향에 수직인 평행사변형의 GFRP 판으로 보강하는 것이 전단균열의 제어를 통한 연성 거동 확보에 더 효과적이라고 판단된다.
- 2) GFRP 판의 두께 및 폭의 영향을 분석한 결과 두께의 증가보다 보강재의 폭의 증가가 전단균열에 저항할 수 있는 접촉면의 증가로 전단균열 제어 측면에 있어 더 효과적이라고 판단된다. 따라서 GFRP 판의 두께보다 일정크기 이상의 폭을 확보하는 것이 더 효과적이다.
- 3) ACI 318M-08의 전단강도 산정식은 GFRP 판의 전단보강비가 균형보강비보다 작은 경우 전단성능을 과소평가하는 점을 보완한다면 GFRP 판 형상의 전단보강재를 사용한 경우의 전단강도 예측식으로 사용이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 추후, GFRP 판을 사용한 부재의 균형보강비 기준 정립을 통한 적합한 전단강도 식의 제안이 필요할 것으로 판단된다.
- 4) ACI 318M-08 및 CSA-04, EC2-02의 최대 전단보강비제한은 GFRP 판을 사용한 경우의 최대전단보강비 제한 시 적합하지 않은 것으로 판단된다. 추후, GFRP 판의 보강비에 관한 연구를 통해 최대전단보강비 요구사항을 충족시킬 수 있는 식의 제안이 필요할 것으로 판단된다.
- 7에서는 전단 균열이 발생되는 구간 내 GFRP 판의 변형률을 나타내었다. GFRP 판의 변형률은 초기전단 균열이 발생하기 전까지 탄성상태에 머물다 작용하중이 증가하면서 전단 균열이 발생하고, 전단 균열 발생시점에서 변형률이 크게 증가하는 것으로 나타났다. Fig.
- Table 4는 GFRP 판으로 보강된 철근콘크리트 보의 실험 결과를 보여주고 있다. GFRP 판의 파단이 발생한 경우는 기본격자형 GR15-45와 평행사변형 GP15-45로, 실험의 전단강도가 설계 전단강도에 비하여 약 95% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 GFRP 판이 파단하기 전까지 충분한 강도를 발현하여 전단성능 향상에 기여한 것으로 판단된다.
- 초기 균열 이후 서서히 강성에 차이가 발생하고 전단균열이후 그 차이가 더욱 두드러졌다. GR30-300을 기준으로 보강재의 폭은 감소하고 두께가 증가한 GR25-300의 경우는 GFRP 판이 최대내력에 도달하기 전에 콘크리트 압괴로 인한 취성파괴 때문에 충분한 내력을 발휘하지 못하였으나, 보강재의 두께는 감소하고 폭이 증가한 GR50-300의 경우는 충분한 최대내력을 발휘하였다. 동일한 보강면적에서 GR25-300의 경우만 콘크리트 압괴로 GFRP 판이 최대내력에 도달하지 못한 것을 통해 두께의 증가는 제한적인 것을 알 수 있었다.
- Table 6은 GFRP 판을 전단보강재로 사용한 철근콘크리트 보의 국가별 최대전단보강면적 요구사항을 계산한 결과와 시험체들의 GFRP 판 보강면적을 나타낸 것이다. 국가별 최대전단보강면적 요구사항은 GFRP 판의 최대전단보강면적보다 ACI 318M-08은 2.5배, CSA-04는 5.1배, EC2-02는 4.9배 크게 평가하는 것으로 나타났다. 현행 기준을 적용하여 GFRP 판의 최대전단보강면적을 제한하는 것은 적합하지 않은 것으로 판단된다.
- 철근 스터럽으로 보강한 S-207의 보강면적은 207 mm2이고 GFRP 판으로 보강한 GR15-45의 보강면적은 45 mm2이다. 단위 보강면적당 최대전단강도를 비교한 결과 GFRP 판으로 보강한 보가 철근 스터럽으로 보강한 보에 비해 3.6배 우수한 것으로 나타났다. 따라서 GFRP 판이 충분한 전단성능을 발휘한다면 철근 스터럽보다 전단성능 향상에 더 효과적이라고 판단된다.
- GR30-300을 기준으로 보강재의 폭은 감소하고 두께가 증가한 GR25-300의 경우는 GFRP 판이 최대내력에 도달하기 전에 콘크리트 압괴로 인한 취성파괴 때문에 충분한 내력을 발휘하지 못하였으나, 보강재의 두께는 감소하고 폭이 증가한 GR50-300의 경우는 충분한 최대내력을 발휘하였다. 동일한 보강면적에서 GR25-300의 경우만 콘크리트 압괴로 GFRP 판이 최대내력에 도달하지 못한 것을 통해 두께의 증가는 제한적인 것을 알 수 있었다. 또한 보강재의 폭이 넓어질수록 전단균열에 저항할 수 있는 접촉면이 더 증가하기 때문에 전단균열 제어측면에 있어 더 효과적이라고 판단된다.
- “1”을 내외하는 값을 나타낸 시험체들은 균형보강비 이상의 GFRP 판으로 보강되었고 높은 보강면적으로 인해 GFRP 판이 최대내력에 도달하기 전에 콘크리트 압괴로 인한 취성파괴가 먼저 발생하였기 때문에 충분한 전단성능을 발휘하지 못하였다. 따라서 ACI 318M-08 기준식은 GFRP 판의 보강비가 균형보강비보다 작은 경우에서 전단성능을 과소평가하는 점을 보완한다면 GFRP 판 형상의 전단보강재를 사용한 경우의 전단강도 예측식으로 사용이 가능한 것으로 판단된다.
- 6배 우수한 것으로 나타났다. 따라서 GFRP 판이 충분한 전단성능을 발휘한다면 철근 스터럽보다 전단성능 향상에 더 효과적이라고 판단된다.
- 최대전단강도는 GP15-45가 GR15-45에 비해 약 5% 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 같은 면적으로 전단 보강한 경우 기본격자형 GFRP 판으로 보강하기보다는 전단균열방향에 수직인 평행사변형 GFRP 판으로 보강 하는 것은 최대전단강도에 미치는 영향은 미미하지만 최대전단강도 도달 후 전단균열의 제어를 통한 연성 거동 확보에 더 효과적이라고 판단된다.
- 6배 우수한 것으로 나타났다. 또한 GFRP 판 형상에 따른 비교 결과 기본격자형 GFRP 판으로 보강하기 보다는 전단균열방향에 수직인 평행사변형의 GFRP 판으로 보강하는 것이 전단균열의 제어를 통한 연성 거동 확보에 더 효과적이라고 판단된다.
- 동일한 보강면적에서 GR25-300의 경우만 콘크리트 압괴로 GFRP 판이 최대내력에 도달하지 못한 것을 통해 두께의 증가는 제한적인 것을 알 수 있었다. 또한 보강재의 폭이 넓어질수록 전단균열에 저항할 수 있는 접촉면이 더 증가하기 때문에 전단균열 제어측면에 있어 더 효과적이라고 판단된다. 따라서 높은 전단강도 확보를 위해서 두께보다 일정크기 이상의 폭을 확보하는 것이 더 효과적이다.
- 보강면적이 증가함에 따라 전단강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 모든 변수가 동일하고 보강면적만 다르게 한 GP30-225와 GP 30-300 시험체를 전단강도에 따라 비교한 결과 보강면적이 약 33% 증가한 것에 비해 전단강도는 약 20%가 증가한 것으로 나타나 보강면적의 증가량에 비해 전단강도의 증가량은 크지 않음을 확인할 수 있었다. 이것은 보강면적이 증가하여도 GFRP 판이 최대내력에 도달하기 전에 콘크리트 압괴로 인한 취성파괴가 발생하기 때문이라고 판단된다.
- 12는 ACI 318M-08 기준식에 의해 설계된 최대 전단강도(Vcal)와 실험에 의해 나온 최대전단강도(Vexp)를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 비교 결과 전단강도비(Vexp/ Vcal)는 평균 1.25, 표준편차는 0.42로 나타났다. 일반적으로 철근 스터럽으로 보강한 S-207 시험체와 같이 실험에 의한 최대전단강도는 기준식에 의한 최대전단강도보다 크게 나타난다.
- 5 이상인 일반보는 사인장 균열로 인하여 전단파괴가 발생한다. 실험 결과 모든 시험체에서 사인장 균열로 인한 파괴가 발생하였다. 초기 균열은 휨 인장응력에 의한 휨 균열로 나타났다.
- 앞서 GFRP 판의 파괴양상에서 시험체의 보강면적에 따른 시험체의 파괴양상을 분석한 결과 보강면적이 225 mm2, 300 mm2, 525 mm2일 경우, GFRP 판이 최대내력에 도달하기 전에 콘크리트 압괴로 인한 취성파괴가 발생하였으며, 이보다 적은 보강면적을 가질 경우의 파괴양상을 보이는 실험체가 전단성능 향상에 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 전단보강면적이 225 mm2 이상은 GFRP 판을 과보강한 경우로 판단된다.
- 이와 달리 Fig. 12에서 GFRP 판의 보강비가 균형보강비 이하인 GR15-45와 GP15-45는 기준식에 의해 설계된 최대전단강도보다 실험에 의한 최대전단 강도가 95% 이상 크게 나타나면서 우수한 전단성능을 보였으나 나머지 시험체들은 기준식에 의한 최대전단강도와 실험에 의한 최대전단강도를 비교한 결과 “1”을 내외하는 값을 나타내었다.
- 10에서 보는 바와 같이, 최대전단강도에 도달하고 난 후 GP15-45는 GR15-45에 비해 취성적으로 파괴가 발생하였다. 최대전단강도는 GP15-45가 GR15-45에 비해 약 5% 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 같은 면적으로 전단 보강한 경우 기본격자형 GFRP 판으로 보강하기보다는 전단균열방향에 수직인 평행사변형 GFRP 판으로 보강 하는 것은 최대전단강도에 미치는 영향은 미미하지만 최대전단강도 도달 후 전단균열의 제어를 통한 연성 거동 확보에 더 효과적이라고 판단된다.
후속연구
- 이를 제외한 나머지 시험체는 GFRP 판이 충분한 내력을 발현하기 전에 콘크리트 압괴에 의해 파괴되었기 때문에 전단보강비가 균형보강비보다 큰 경우인, 압축파괴로 판단된다. 따라서 최소전단보강비 이상, 균형보강비 이하로 GFRP 판을 전단보강하는 경우에 더 효과적인 전단보강이 될 것이라 판단된다.
- 3) ACI 318M-08의 전단강도 산정식은 GFRP 판의 전단보강비가 균형보강비보다 작은 경우 전단성능을 과소평가하는 점을 보완한다면 GFRP 판 형상의 전단보강재를 사용한 경우의 전단강도 예측식으로 사용이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 추후, GFRP 판을 사용한 부재의 균형보강비 기준 정립을 통한 적합한 전단강도 식의 제안이 필요할 것으로 판단된다.
- 4) ACI 318M-08 및 CSA-04, EC2-02의 최대 전단보강비제한은 GFRP 판을 사용한 경우의 최대전단보강비 제한 시 적합하지 않은 것으로 판단된다. 추후, GFRP 판의 보강비에 관한 연구를 통해 최대전단보강비 요구사항을 충족시킬 수 있는 식의 제안이 필요할 것으로 판단된다.
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