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문제 정의
- 하지만 보강효과는 강판 보강공법과 마찬가지로 모재(콘크리트)와 보강재의 부착성능에 크게 영향을 받기 때문에 보강재 강도만큼의 보강효과를 얻기 힘들고, 정확한 보강효과를 예측하기 힘든 단점이 있다.6-10) 따라서 이 연구에서는 기존 탄소섬유보강재와 재료역학적인 성질은 동등하면서 내구성, 부착성능, 시공성 및 품질관리가 우수한 매입형 FRP봉과 보강철물을 개발하여, 이를 사용한 철근콘크리트 보의 구조성능을 평가하고, 향후 철근콘크리트 구조물의 보강설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
- 이 연구에서 철근콘크리트 구조물의 구조성능 향상을 위하여 매입형 FRP봉 및 보강철물을 개발하고, 이를 활용하여 매입형 FRP봉의 사용량, 보강철물 유무에 따른 철근콘크리트 보의 보강성능에 관한 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이 연구에서는 철근콘크리트 보의 구조성능 개선을 위하여 매입형 FRP봉과 보강철물로 보강된 철근콘크리트 보의 구조성능을 평가하였다. 이를 위하여 구조실험용 프레임을 제작하여 설치하였으며, 실험체의 설치상태 및 가 력장치는 Fig.
제안 방법
- 각 실험체에 작용하는 하중에 따라 표준 철근콘크리트 보 및 매입형 FRP봉과 보강철물로 보강한 철근콘크리트 보의 구조성능을 평가하기 위하여 위험단면과 보강재의 탈락이 예상되는 주요 부위에 10개의 변형률 게이지를 Fig. 3과 같이 부착하였고, 하중작용점에 작용하는 하중과 보의 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 변위계(LVDT)를 Fig. 2와 같이 설치하였다.
- 압축강도 실험용 원주형 공시체는 φ100 × 200 (mm) 몰드를 사용하여 KSF2405에 따라 몰드를 3개층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다. 공시체는 제작 후 즉시 비닐을 덮어 수분 증발을 방지하였으며, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 공시체의 압축강도 측정은 1,000 kN용량의 UTM으로 일방향 압축강도 시험을 하였다.
- 공시체는 제작 후 즉시 비닐을 덮어 수분 증발을 방지하였으며, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 공시체의 압축강도 측정은 1,000 kN용량의 UTM으로 일방향 압축강도 시험을 하였다. Table 3에 나타난 콘크리트 압축강도는 5개의 공시체의 시험 결과에 대한 평균값이다.
- 실험체에 사용된 자갈의 최대직경은 25 mm, 슬럼프는 150 mm, 콘크리트 배합강도는 배합설계에 의하여 약 24 MPa로 하였고, 콘크리트의 배합은 요구강도와 시공성 및 선정된 재료의 최적설계비에 따라 설계되었으며, 각 실험체의 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다. 압축강도 실험용 원주형 공시체는 φ100 × 200 (mm) 몰드를 사용하여 KSF2405에 따라 몰드를 3개층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다.
- 철근콘크리트 보에서 매입형 FRP봉과 보강철물의 보강효과를 규명하기 위하여 표준실험체에 대하여 매입형 FRP봉의 보강량과 보강철물 구속여부를 실험변수로 적용하여 구조성능을 평가하였다. 실험체의 크기는 폭 200 mm, 춤 300 mm, 유효춤 250 mm, 스팬 2,200 mm, 순스팬 2,000 mm, 인장철근비 0.
- 철근콘크리트 보의 구조성능 개선을 위한 매입형 FRP봉과 보강철물의 보강효과를 규명하기 위하여 표준 철근 콘크리트 보 실험체 BSS가 파괴될 때까지 재하하여 보의 거동을 관찰하였다. Fig.
- 2에서와 같이 유압잭을 실험체 중앙부에 설치하여 2점 가력하였다. 하중은 로드셀을 사용하여 인장 철근이 항복할 때까지는 하중제어로 재하를 하였고, 인장철근이 항복한 이후에는 보 중앙부의 처짐으로 변위제어를 하여 실험체가 최종 파괴시까지 재하하였다.
대상 데이터
- 설계강도는 24 MPa이며, 인장측 철근은 2-HD16, 1-HD13, 압축측 철근은 2-HD13을 사용하였다. 보강 실험체의 보강 재료의 길이는 1,800 mm로 설계하였다.
- 01이다. 설계강도는 24 MPa이며, 인장측 철근은 2-HD16, 1-HD13, 압축측 철근은 2-HD13을 사용하였다. 보강 실험체의 보강 재료의 길이는 1,800 mm로 설계하였다.
- 철근콘크리트 보에서 매입형 FRP봉과 보강철물의 보강효과를 규명하기 위하여 표준실험체에 대하여 매입형 FRP봉의 보강량과 보강철물 구속여부를 실험변수로 적용하여 구조성능을 평가하였다. 실험체의 크기는 폭 200 mm, 춤 300 mm, 유효춤 250 mm, 스팬 2,200 mm, 순스팬 2,000 mm, 인장철근비 0.01이다. 설계강도는 24 MPa이며, 인장측 철근은 2-HD16, 1-HD13, 압축측 철근은 2-HD13을 사용하였다.
- 압축강도 실험용 원주형 공시체는 φ100 × 200 (mm) 몰드를 사용하여 KSF2405에 따라 몰드를 3개층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다.
- 이 실험체 보강에 사용된 강판은 항복강도 240 MPa인 국내산 SS400을 사용하였고, 강판의 역학적 성질은 Table 4와 같다.
- 이 실험체 보강에 사용된 매입형 FRP봉은 육각형 단면의 매입형 FRP봉을 사용하였고, 역학적 성질은 Table 5와 같다.
- 이 실험체에 사용된 철근은 국내에서 생산된 SD40철근이 사용되었으며, 보의 상부 주철근은 HD13, 하부 주철근은 HD16, HD13이 배근되었고 전단보강철근은 D10이 배근되었다. 그리고 이 실험에 사용된 철근의 재료 특성을 파악하기 위하여 KSB0801(금속재료 인장시험편 규정)에 따라 시험편을 제작하였으며 KSB0802의 금속재료 인장 시험방법에 따라 시험을 하였고 결과는 Table 2와 같다.
- 이 연구에서 사용된 접착용 에폭시수지는 국내산 C.E-33을 사용하였으며, 재료특성은 Table 6과 같다.
이론/모형
- 이 실험체에 사용된 철근은 국내에서 생산된 SD40철근이 사용되었으며, 보의 상부 주철근은 HD13, 하부 주철근은 HD16, HD13이 배근되었고 전단보강철근은 D10이 배근되었다. 그리고 이 실험에 사용된 철근의 재료 특성을 파악하기 위하여 KSB0801(금속재료 인장시험편 규정)에 따라 시험편을 제작하였으며 KSB0802의 금속재료 인장 시험방법에 따라 시험을 하였고 결과는 Table 2와 같다.
- 철근콘크리트 보의 설계는 ACI building code(318M-08) 및 국토부 제정 콘크리트 구조설계기준에 따라 설계되었고 철근콘크리트 보 실험체의 형태 및 변수는 Table 1과 같고, 각 실험체의 상세는 Fig. 1에 나타나 있다.
성능/효과
- 1) 매입형 FRP봉 보강실험체의 파괴 메커니즘은 부착 슬립 또는 피복분리 형태로 나타났는데, 보강된 고성능 FRP봉의 순간격이 충분히 넓거나 보강철물을 적절히 사용한 경우에는 부착슬립, 그렇지 못한 경우에는 피복분리 형태로 나타났다. 보의 내력 및 연성확보 측면에서 부착슬립 파괴가 피복분리 파괴에 비하여 더욱 바람직한 형태이므로 매입형 FRP봉의 매입간격이 좁은 경우(70 mm 이하)에는 구조성능 확보를 위하여 보강철물을 적절하게 배치하여야 할 것으로 판단된다.
- 2) 부착슬립이라는 새로운 형태로 파괴된 매입형 FRP봉 보강 실험체는 1차 파괴 후 내력이 표준실험체이상으로 증진되는 2차 보강 효과를 나타내었고, 이러한 2차 보강 효과는 매입형 FRP봉 주위의 접착재 및 피복 콘크리트의 구속 효과에 의한 기계적 부착력에 기인하는 것으로 판단된다.
- 3) 내력 증진 측면에서의 보강철물 효과는 매입형 FRP봉의 순간격이 좁을 경우 두드러지게 나타났으며, 순간격이 충분하여 피복 콘크리트의 조기 탈락 등이 염려되지 않는 경우에는 크지 않은 것으로 나타났으나, 연성 증진 측면에서는 이러한 조건에 관계 없이 효과가 큰 것으로 나타났다.
- 4) 매입형 FRP봉의 보강간격이 너무 좁으면(70 mm 이하) 단면결손 및 응력집중현상으로 인해 피복 콘크리트가 조기 탈락하는 피복분리 현상으로 파괴되며, 내력과 연성능력이 동시에 감소하였으나, 이 때 보 강철물로 보강을 하면 내력과 연성능력이 우수하게 나타났다. 따라서 이 실험을 통하여 매입형 FRP봉의 최소 매입간격은 70 mm이상을 확보하여야 할 것으로 판단되며, 현장 사정상 그렇지 못할 경우에는 보강철물을 사용하면 우수한 구조성능을 확보하는 것으로 나타났다.
- 5) 매입형 FRP봉을 이용한 철근콘크리트 구조물 복합 보강기술은 철근콘크리트 구조물 내에 FRP보강재를 매입함으로써 보강재의 충분한 부착성능 확보를 통한 구조물과 보강재와의 완전 일체화를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 기존 보강공법에 비하여 구조성능이 매우 우수하고 시공 및 품질관리가 용이하며 보강 후 구조물 및 보강부분 내구성 확보 측면에서도 대단히 유리하므로 구조물 보강시 매우 효과적인 것으로 판단된다.
- 실험체 BCR2-AC의 경우는 실험체 BCR2와 유사하게 나타나 보강철물의 유무와 관계없이 비슷한 수준의 최대하중을 나타냈다. 그러나 실험체 BCR3-AC경우는 실험체 BCR1-AC 또는 실험체 BCR2-AC 경우와 달리 보강철물을 설치함으로써 BCR3가 최대하중 185.4 kN으로 표준실험체 내력 대비 32% 증가한 44.8 kN의 내력 증진, 실험체 BCR3-AC는 최대하중 218.2 kN으로 표준 실험체 내력 대비 55%증가한 77.6 kN의 내력 증진효과가 나타났다.
- 4) 매입형 FRP봉의 보강간격이 너무 좁으면(70 mm 이하) 단면결손 및 응력집중현상으로 인해 피복 콘크리트가 조기 탈락하는 피복분리 현상으로 파괴되며, 내력과 연성능력이 동시에 감소하였으나, 이 때 보 강철물로 보강을 하면 내력과 연성능력이 우수하게 나타났다. 따라서 이 실험을 통하여 매입형 FRP봉의 최소 매입간격은 70 mm이상을 확보하여야 할 것으로 판단되며, 현장 사정상 그렇지 못할 경우에는 보강철물을 사용하면 우수한 구조성능을 확보하는 것으로 나타났다.
- 따라서, 매입형 FRP봉을 2본 이상 보강할 경우 보강 간격이 좁고 부착슬립으로 파괴되기에 연성비가 감소하는 것으로 나타났으며, 보강철물을 사용한 경우에도 2본일 때의 보강이 단면상 가장 좋은 상황이었기에 보강철물의 효과가 나타나지 않는 것으로 판단된다.
- 8에 나타냈다. 매입형 FRP봉 1본 보강 실험체 BCR1는 최대하중 162.7 kN으로 표준실험체의 최대 내력 대비 16% 증가한 22.1 kN, 매입형 FRP봉 3본 보강 실험체 BCR3는 최대하중 185.4 kN으로 표준실험체의 내력 대비 32%증가한 44.8 kN의 내력 증진을 보여주었다. 보강량 2본까지는 매입형 FRP봉 보강 본수가 증가함에 따라 보강 내력이 선형적으로 증가하였으나, 실험체 BCR3은 실험체 BCR2보다 오히려 최대하중이 감소하는 현상이 나타났으며, 그 이유는 앞에서도 언급한 바와 같이 봉 사이의 순간격이 너무 좁았기 때문으로 판단된다.
- 매입형 FRP봉 1본과 보강철물을 보강한 실험체 BCR1-AC는 표준실험체 BSS와 비교한 결과 최대 내력까지의 거동은 두개의 실험체가 거의 동일하게 나타났다. 그 이후 실험체 BCR1-AC가 1차 파괴 시점까지의 변형능력이 크고 1차 슬립 이후의 보강효과도 훨씬 더 높음을 알 수 있다.
- 매입형 FRP봉 1본을 보강한 실험체의 경우에 보강철물을 사용하지 않은 경우와 보강철물을 사용한 경우의 연성 비를 비교하여 보면, 보강철물을 사용한 실험체 BCR1-AC 의 연성비가 사용하지 않은 실험체 BCR1보다 약 42%, 2본을 보강한 경우 6%, 3본을 보강한 경우 54% 증가하였다.
- 그 이후 실험체 BCR1-AC가 1차 파괴 시점까지의 변형능력이 크고 1차 슬립 이후의 보강효과도 훨씬 더 높음을 알 수 있다. 매입형 FRP봉 2본과 보강철물을 보강한 실험체 BCR2-AC는 보강철물의 유무에 따른 내력 증진은 크지 않았으나 파괴시점까지 변형능력이 향상되었으며 피복 콘크리트 구속효과로 피복 분리현상을 감소시키고 연성 능력을 증대시킨 것을 알 수 있었다. 매입형 FRP봉 3본과 보강철물을 보강한 실험체 BCR3-AC는 실험체 BCR2-AC 및 실험체 BCR2-AC와 달리 파괴시점까지의 변형능력 뿐만 아니라 최대내력이 크게 증가함을 알 수 있다.
- 매입형 FRP봉과 보강철물을 보강한 실험체 BCR-AC 시리즈는 모두 부착슬립의 형태로 파괴가 발생하였고, 보강철물의 구속효과로 최대하중 시점의 처짐이 증가하고 실험체의 1차 파괴 후 2차 보강효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
- 매입형 FRP봉의 보강효과를 규명하기 위하여 매입형 FRP봉 1본~3본을 보강한 실험체 BCR 시리즈의 파괴 형태는 보강재와 접착재의 계면에서 부착균열이 발생하는 양상을 나타났다. 표준실험체와 달리 매입형 FRP봉을 보강한 실험체는 처짐량이 많은 상태에서 최대하중에 도달하였다.
- 8 kN의 내력 증진을 보여주었다. 보강량 2본까지는 매입형 FRP봉 보강 본수가 증가함에 따라 보강 내력이 선형적으로 증가하였으나, 실험체 BCR3은 실험체 BCR2보다 오히려 최대하중이 감소하는 현상이 나타났으며, 그 이유는 앞에서도 언급한 바와 같이 봉 사이의 순간격이 너무 좁았기 때문으로 판단된다.
- 보강에 따른 각 실험체의 파괴 형태를 파악하기 위하여 BSS 실험체를 파괴시까지 가력하여 각 하중 단계에 따른 균열 진전상황을 고찰한 결과, 순수 휨 구간에서휨 균열이 먼저 발생하였고 하중이 증가함에 따라 전단 스팬 구간에 휨 균열 및 휨전단 균열이 발생하여 진전된 다음 변형이 상당히 증가한 후 압축부 콘크리트가 파괴되는 전형적인 휨인장파괴가 발생하였다.
- 보강철물은 실험체의 피복 콘크리트 부분을 구속하여 피복 콘크리트가 조기 탈락하는 현상을 막아주고, 마찰력에 의한 기계적 부착력이 충분히 발휘할 것으로 예상하고 실시한 실험 결과, 실험체 BCR1-AC의 내력 증가량은 22.3 kN으로 보강철물을 사용하지 않은 실험체 BCR1과 유사하였다. 실험체 BCR2-AC의 경우는 실험체 BCR2와 유사하게 나타나 보강철물의 유무와 관계없이 비슷한 수준의 최대하중을 나타냈다.
- 매입형 FRP봉 보강 본수별 연성비를 Table 9에 나타냈다. 실험체 BCR1는 연성비는 4.45이고, 실험체 BCR2의 연성비는 3.54로 실험체 BCR1에 대비하여 80%, 실험체 BCR3의 연성비는 1.47로 실험체 BCR1에 대비하여 33% 수준으로 나타났다.
- 매입형 FRP봉 2본 이상 보강한 실험체의 경우 완전 피복분리 현상이 보강철물 보강시 나타나지 않았다. 실험체 BCR2-AC는 실험체 BCR2에 비하여 내력의 증가는 없었으나 보강철물의 구속효과로 변형능력이 증진되 었으며, 최대하중에 도달한 이후 바로 파괴가 발생하지 않는 특징이 나타났다. 실험체 BCR3-AC는 실험체 BCR3에 비하여 내력이 큰 폭으로 증가하고 최대하중일 때의 처짐도 증가하였다.
- 실험체 BCR2-AC는 실험체 BCR2에 비하여 내력의 증가는 없었으나 보강철물의 구속효과로 변형능력이 증진되 었으며, 최대하중에 도달한 이후 바로 파괴가 발생하지 않는 특징이 나타났다. 실험체 BCR3-AC는 실험체 BCR3에 비하여 내력이 큰 폭으로 증가하고 최대하중일 때의 처짐도 증가하였다.
- 1 mm에서 인장철근의 항복과 전단균열이 발생하였다. 최대하중 134.36 kN에서 콘크리트 파괴가 진행되면서 변형이 크게 증가하였으며, 균열폭 확장이 진행되면서 실험체는 파괴되었고, 전형적인 휨파괴 거동을 하였다.
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