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문제 정의
- 본 연구에서는 GFRP 복합재료로 횡 구속된 콘크리트 압축부재에 대하여 온도변화에 따른 함침수지의 특성변화로 인한 GFRP 횡구속 콘크리트 압축부재의 구속효과에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 GFRP 보강재 자체의 온도변화에 따른 인장특성을 우선적으로 조사하였으며 최종적으로 GFRP로 보강된 구조물의 거동을 조사하기 위하여 GFRP 횡구속 콘크리트 시편을 제작, 온도상승에 따른 성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 고온으로의 온도변화에 노출된 GFRP 보강재에 의하여 횡구속된 콘크리트 압축시편에 대한 강도실험을 수행하고, 그 결과를 제시하였다. 온도에 따른 복합재료 변형능력의 효과를 조사하기 위하여 가온온도별 시험체를 각각 제작하여 실험을 수행하였으며 본 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- FRP 제작 시 활용되는 수지의 경우 일반적으로 폴리에스테르와 에폭시 수지를 대표적으로 활용하는데 본 연구에서는 hand layup 제작을 통한 시험시편을 제작하였으므로 폴리에스테르 수지를 사용하였다. 온도변화에 대한 재료성능을 확인하기 위하여 GFRP시험 시편은 각각 20℃, 100℃, 200℃, 250℃의 열로 가온시킨 후, 온도를 유지한 상태로 만능재료시험기를 통하여 인장시험을 수행하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 온도에 따른 인장실험의 한계온도를 250℃로 설정, 실험을 수행하였다. 가온시간의 경우, 일반적으로 시간이 길수록 수지의 역학적 성질이 더욱 감소하고 열에 의해 손상되는 범위도 달라짐으로 온도에 따른 적정 가열시간을 결정하기 위하여 예비 시험을 수행하였다. 예비실험에서는 설정온도 중 최고온도의 가열시간이 30분을 경과하면서 시편의 급격한 손상변화가 관찰되었다.
- 이를 위하여 GFRP 보강재 자체의 온도변화에 따른 인장특성을 우선적으로 조사하였으며 최종적으로 GFRP로 보강된 구조물의 거동을 조사하기 위하여 GFRP 횡구속 콘크리트 시편을 제작, 온도상승에 따른 성능을 평가하였다. 각 실험 시 온도변화의 경우 인장시험에서는 시험기 내 고온가열장치를 이용, 가온하였으며 횡구속 성능평가에서는 준비된 고온로를 이용, 일정 시간동안 시편을 실험온도에 노출되도록 정치하였다.
- 노출온도별 구속력(⑦,⑧,⑨)을 각각 계산하여, 온도 노출에 따른 감소된 압축강도를 계산하였다. 감소된 압축응력을 비교하여 GFRP의 횡구속 효과의 감소를 비율적으로 검토하였다. 계산결과 100℃에서는 약 3.
- 비구속 실험체와 20℃ 실험체의 결과를 바탕으로 기준 구속량을 결정하였다(⑥). 노출온도별 구속력(⑦,⑧,⑨)을 각각 계산하여, 온도 노출에 따른 감소된 압축강도를 계산하였다. 감소된 압축응력을 비교하여 GFRP의 횡구속 효과의 감소를 비율적으로 검토하였다.
- GFRP재료는 저중량 고강도의 장점을 가지는 보강재료로써 외부보강 시 부식에 대한 저항성은 강하나 자외선 및 온도에 대한 저항성은 상대적으로 약하다. 따라서 GFRP에 의해서 횡구속을 받는 콘크리트 압축부재의 거동은 주변에서 발생되는 온도변화에 따라 그 성능이 저하될 것으로 예측되는바 이를 확인하기 위하여 온도변화에 노출된 GFRP로 횡구속 콘크리트 압축부재의 성능을 평가하였다. 본 연구에서 제시하는 연구내용은 실제 횡구속된 콘크리트 압축부재에서 발생 가능한 상황은 아니나 외부온도 변화에 따른 복합현상 발생 시 요구되는 복합소재의 신뢰성 확보측면에서 매우 중요하다고 판단된다.
- 예비실험에서는 설정온도 중 최고온도의 가열시간이 30분을 경과하면서 시편의 급격한 손상변화가 관찰되었다. 따라서 본 연구에서는 재료시험 시 적정 가온시간을 30분으로 설정하고 각 온도별 3개씩 시편을 실험하였다.
- 이는 온도챔버에서 가해지는 온도의 영향이 너무 시편에 직접적으로 작용되기 때문으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 온도에 따른 인장실험의 한계온도를 250℃로 설정, 실험을 수행하였다. 가온시간의 경우, 일반적으로 시간이 길수록 수지의 역학적 성질이 더욱 감소하고 열에 의해 손상되는 범위도 달라짐으로 온도에 따른 적정 가열시간을 결정하기 위하여 예비 시험을 수행하였다.
- Table 5에서, GFRP로 구속된 실험체에서 온도 노출에 따른 최대압축응력의 감소량을 계산하였다. 비구속 실험체와 20℃ 실험체의 결과를 바탕으로 기준 구속량을 결정하였다(⑥). 노출온도별 구속력(⑦,⑧,⑨)을 각각 계산하여, 온도 노출에 따른 감소된 압축강도를 계산하였다.
- 시편에 대한 온도변화는 MTS 재료시험기에 부착된 고온챔버(최대온도 : 1450℃)를 사용하였다. 실험 시, 변형률(Strain) 측정은 신장률계(Etensometer: Gage length : 20 ㎜)를 사용하였으며 고온시험에 사용될 고온챔버가 부착된 재료시험 기는 Fig. 2와 같다.
- 실험체 제작에 앞서 주요 보강재료인 GFRP의 온도 상승에 따른 재료 물성치 변화를 평가하였다. 본 실험에서 제작된 인장시편의 경우 단방향 유리섬유를 사용하여 폴리에스테르 수지에 함침, 제작하였다.
- FRP 제작 시 활용되는 수지의 경우 일반적으로 폴리에스테르와 에폭시 수지를 대표적으로 활용하는데 본 연구에서는 hand layup 제작을 통한 시험시편을 제작하였으므로 폴리에스테르 수지를 사용하였다. 온도변화에 대한 재료성능을 확인하기 위하여 GFRP시험 시편은 각각 20℃, 100℃, 200℃, 250℃의 열로 가온시킨 후, 온도를 유지한 상태로 만능재료시험기를 통하여 인장시험을 수행하였다. 시편은 Fig.
- 온도변화에 따른 GFRP로 횡구속된 콘크리트 공시체의 압축강도를 평가하였다. 제작된 콘크리트 공시체에 대하여 GFRP보강재를 횡구속한 후 압축강도 테스트를 수행하였으며 그 결과는 Table 4와 같다.
- 온도변화에 따른 압축실험을 수행하기 위하여 만능재료시험기(UTM, Capacity : 1000kN)와 변형률 측정기를 사용하여 온도 변수에 따라 고온에 노출 후 압축 시험을 수행하였다. 하중 재하는 콘크리트 압축강도 시험방법 KS F 2405에 따라 공시체에 충격을 주지 않도록 똑같은 속도로 하중을 재하 하였으며 가력속도는 매초 0.
- 온도별 재료시험에 적용된 온도는 폴리에스테르 수지가 일반적으로 220 ~ 260℃에서 융점이 결정되는 것을 고려, 각각 20℃, 100℃, 200℃, 300℃로 계획하였다. 하지만 예비시험에서 250℃이상 온도를 증가하자 시편에서 연기가 분출되고 바로 연소될 위험이 발견되었다.
- 본 연구에서는 고온으로의 온도변화에 노출된 GFRP 보강재에 의하여 횡구속된 콘크리트 압축시편에 대한 강도실험을 수행하고, 그 결과를 제시하였다. 온도에 따른 복합재료 변형능력의 효과를 조사하기 위하여 가온온도별 시험체를 각각 제작하여 실험을 수행하였으며 본 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
- 그 중 GFRP로 보강된 실험체는 12개이며 무보강 실험체는 3개이다. 유리섬유와 에폭시 구속 긴장력의 경우 동일한 구속력을 가할 수 있는 와인딩 장비를 사용하여 모든 공시체에 일정한 긴장력으로 제작하였다. 제작된 실험체는 아래의 Fig.
- 본 연구에서는 GFRP 복합재료로 횡 구속된 콘크리트 압축부재에 대하여 온도변화에 따른 함침수지의 특성변화로 인한 GFRP 횡구속 콘크리트 압축부재의 구속효과에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 GFRP 보강재 자체의 온도변화에 따른 인장특성을 우선적으로 조사하였으며 최종적으로 GFRP로 보강된 구조물의 거동을 조사하기 위하여 GFRP 횡구속 콘크리트 시편을 제작, 온도상승에 따른 성능을 평가하였다. 각 실험 시 온도변화의 경우 인장시험에서는 시험기 내 고온가열장치를 이용, 가온하였으며 횡구속 성능평가에서는 준비된 고온로를 이용, 일정 시간동안 시편을 실험온도에 노출되도록 정치하였다.
- 이를 토대로 본 연구에서는 각 설정온도별 시험체 노출시간을 1시간으로 결정하였으며 시험 시 안전을 고려하여 노출 가능 최대온도를 200℃로 선정하였다.
- 온도변화에 따른 GFRP로 횡구속된 콘크리트 공시체의 압축강도를 평가하였다. 제작된 콘크리트 공시체에 대하여 GFRP보강재를 횡구속한 후 압축강도 테스트를 수행하였으며 그 결과는 Table 4와 같다. 각각의 실험체에 대한 압축강도 측정 결과, GFRP로 횡구속된 실험체의 압축응력은 구속하지 않은 실험체(Normal)와 비교하여 평균 약 3.
- 최대 온도와 노출시간을 결정하기 위하여 별도의 예비실험을 수행하였다. 예비실험은 고온로의 온도를 300℃로 설정하고 실험체를 고온로에 설치 후 온도에 노출시켰다.
- 최종적으로 본 실험에서는 온도변수를 20℃, 100℃, 150℃, 200℃로 설정하고 각각의 시험체를 목표온도 도달 후 1시간동안 고온로 내에서 노출시켰으며 고온로는 항상 일정한 온도로 노출되도록 충분한 사전 예열시간을 가지도록 설정하였다. Fig.
- 4 MPa로 하였다. 축방향 변형률은 Fig. 8과 같은 변형률 측정장치(LVDT)를 사용하여 시편에 고정시킨 뒤 축방향 변형률을 계측하였다.
대상 데이터
- GFRP로 횡구속된 실험체를 제작하기 위하여 Φ100×200mm 원형 콘크리트 표준 공시체 15개를 제작하였다.
- GFRP로 횡구속된 실험체를 제작하기 위하여 Φ100×200mm 원형 콘크리트 표준 공시체 15개를 제작하였다. 그 중 GFRP로 보강된 실험체는 12개이며 무보강 실험체는 3개이다. 유리섬유와 에폭시 구속 긴장력의 경우 동일한 구속력을 가할 수 있는 와인딩 장비를 사용하여 모든 공시체에 일정한 긴장력으로 제작하였다.
- 실험체 제작에 앞서 주요 보강재료인 GFRP의 온도 상승에 따른 재료 물성치 변화를 평가하였다. 본 실험에서 제작된 인장시편의 경우 단방향 유리섬유를 사용하여 폴리에스테르 수지에 함침, 제작하였다. 유리섬유는 최대강도 1,213MPa, 최대 변형율 0.
- 온도변화에 대한 재료성능을 확인하기 위하여 GFRP시험 시편은 각각 20℃, 100℃, 200℃, 250℃의 열로 가온시킨 후, 온도를 유지한 상태로 만능재료시험기를 통하여 인장시험을 수행하였다. 시편은 Fig. 1과 같이 인장 시험 시편규격인 ASTM D3039/D3039M의 규정에 따라 판형으로 제작 되었다. 시편의 종류는 Table 1과 같다.
- 온도변화에 따른 인장 실험을 위하여 100kN 용량의 재료시험기와 데이터 측정기가 사용되었다. 시편에 대한 온도변화는 MTS 재료시험기에 부착된 고온챔버(최대온도 : 1450℃)를 사용하였다.
- 본 실험에서 제작된 인장시편의 경우 단방향 유리섬유를 사용하여 폴리에스테르 수지에 함침, 제작하였다. 유리섬유는 최대강도 1,213MPa, 최대 변형율 0.026525이고 탄성계수는 47,400MPa인 재료를 사용하였고, 수지는 상온에서 인장 강도 63.8MPa이고, 탄성계수 3,000MPa인 재료를 사용하였다.
데이터처리
- 9는 고온 노출에 따른 GFRP로 횡구속된 압축시 편의 거동을 응력-변형률 관계로 정리한 그래프이다. 본 결과는 각각의 3개의 시험체에서 보여준 실험결과를 변형률을 기준으로 각 응력별 평균 데이터를 사용하였다. 본 실험결과에서 보이듯 구속 콘크리트 실험체의 초기강도는 콘크리트 설계강도에 따라서 발생되는 항복응력은 다르나 온도변화에 따른 패턴은 유사한 것으로 나타났다.
이론/모형
- 하중 재하는 콘크리트 압축강도 시험방법 KS F 2405에 따라 공시체에 충격을 주지 않도록 똑같은 속도로 하중을 재하 하였으며 가력속도는 매초 0.6±0.4 MPa로 하였다.
성능/효과
- 1) GFRP는 상온에서 고온으로의 온도상승 시 최대 인장강도와 탄성계수 및 파단변형률이 감소하며, 외부의 노출온도가 증가할수록 그 감소량은 커지는 것으로 조사되었다. 다만 200℃에서 측정된 구속효과의 경우 다소 그 값이 증가하였는데 이는 온도노출실험 시 발생된 콘크리트 폭열현상을 고려할 때 실제 횡 구속된 콘크리트 내부에서 발생한 열팽창에 의하여 시험체 내 구속력의 증가가 발생한 것으로 판단된다.
- 2) 상온에서 GFRP로 횡구속된 콘크리트 압축시편의 경우, GFRP 구속에 따른 압축강도 개선효과가 정량적인 패턴으로 그 효과가 나타났다. 실험결과, 상온(20℃)에서의 횡구속 콘크리트 압축시편인 경우, 평균 약 3.
- 온도증가에 따른 비구속 압축시편과 구속 콘크리트 압축시편을 비교한 결과 노출온도에 따라 다소 성능발현에 차이가 있음을 알 수 있었다. 20℃상온의 경우 일반적인 콘크리트 압축설계강도에 비례하여 GFRP보강재 구속에 따른 압축강도 증가가 동일한 패턴으로 나타났으나 설정온도 100℃ 이상의 온도에서는 고온으로의 온도변화에 의한 구속 콘크리트의 압축강도 변화가 점진적으로 감소하고 있는 것을 알 수 있었다. 특히 온도별 구속효과 저감이 완만한 구속저감 효과를 보여주는 것으로 나타났는데 이에 대한 연구결과는 향후, 다양한 콘크리트 설계압축강도와 FRP재료를 변수로 하여 다양한 온도분포에서의 실험을 수행하고, 그 결과분석을 바탕으로 제시할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 3) 고온으로 온도상승에 따른 GFRP 횡구속 콘크리트 압축시편의 경우, 상온에서의 성능효과와 비교할 때 100℃일 경우 약 8%정도 구속효과가 감소하는 것으로 나타났으며 150℃일 경우 약 29%, 200℃일 경우 약 27% 감소하는 것으로 조사되었다. 이는 상온실험체와 비교할 때, 온도증가에 따른 함침수지의 경화가 저하됨에 따라 함침수지-FRP 경계면의 결합력 저하에 의한 원인으로 복합재료 내 섬유의 성능이 충분히 발휘 되지 못한 것으로 판단된다.
- GFRP 구속 콘크리트의 파괴형태는 시험체의 최대 압축응력의 약 70% 도달 후 실험체 표면부의 GFRP 박리현상과 섬유 파단이 발생하였고, 콘크리트의 팽창에 의한 취성거동에 의하여 최종파괴 되었다. 이는 구속 실험체 내부의 콘크리트가 항복응력 이후에 균열 등이 발생된 후 GFRP에 의해 팽창력이 구속되고 전체 부재의 연성거동을 보이다 GFRP보강재 파단 이후 구속 실험체의 취성적 파괴가 발생한 것이다.
- 제작된 콘크리트 공시체에 대하여 GFRP보강재를 횡구속한 후 압축강도 테스트를 수행하였으며 그 결과는 Table 4와 같다. 각각의 실험체에 대한 압축강도 측정 결과, GFRP로 횡구속된 실험체의 압축응력은 구속하지 않은 실험체(Normal)와 비교하여 평균 약 3.15배 응력이 증가하였다. 또한, 가온에 따른 노출온도의 상승에 따라 GFRP에 의한 콘크리트의 구속 효과는 점진적으로 감소하는 경향이 나타났다.
- 또한, 가온에 따른 노출온도의 상승에 따라 GFRP에 의한 콘크리트의 구속 효과는 점진적으로 감소하는 경향이 나타났다. 노출온도가 150℃에서 200℃사이의 온도범위에서는 GFRP의 의한 구속 효과가 온도영향에 의하여 거의 유사한 것으로 나타났다
- 15배 응력이 증가하였다. 또한, 가온에 따른 노출온도의 상승에 따라 GFRP에 의한 콘크리트의 구속 효과는 점진적으로 감소하는 경향이 나타났다. 노출온도가 150℃에서 200℃사이의 온도범위에서는 GFRP의 의한 구속 효과가 온도영향에 의하여 거의 유사한 것으로 나타났다
- 본 실험결과, 온도가 높을수록 응력-변형률 관계는 점점 선형(linear)으로 변하고 있는데 이는 복합재료 내 수지가 고온에 약해짐에 따라 선형재료인 유리섬유의 역할이 상대적으로 뚜렷해지기 때문인 것으로 판단된다. Fig.
- 본 결과는 각각의 3개의 시험체에서 보여준 실험결과를 변형률을 기준으로 각 응력별 평균 데이터를 사용하였다. 본 실험결과에서 보이듯 구속 콘크리트 실험체의 초기강도는 콘크리트 설계강도에 따라서 발생되는 항복응력은 다르나 온도변화에 따른 패턴은 유사한 것으로 나타났다. 일반적으로 기존 선행연구에서는 GFRP 구속 콘크리트 실험체의 주요 압축거동은 콘크리트 공시체에서 지배하는 것으로 설명하고 있다[1],[6].
- 3에 대하여 계산된 각각의 온도 하에서의 탄성계수, 최대 강도와 최대 변형률은 Table 2와 같다. 본 실험에서 나타난 일반적인 패턴은 온도증가에 따른 시험시편들의 최종 변형률이 대체적으로 감소하는 경향으로 나타났으며 특히 200℃에서 250℃로 증가한 경우 최대 변형률의 변화는 없었으며 최대강도는 온도증가에 따라 지속적으로 감소하는 경향이 나타났다. Fig.
- 그러나 온도상승 시 구속효과의 저감은 구속된 GFRP 보강재의 형상 및 재원이 동일한 점을 고려할 때 콘크리트 설계강도 이외에 구속 GFRP보강재의 재료변화에 의해서도 기여하는 구속효과의 차이는 다르게 나타낼 것으로 예상된다. 본 실험은 콘크리트의 압축응력을 구속하는 GFRP보강재가 파단이 발생할 시점까지 실험체의 압축응력은 지속적으로 증가하였으며 이때 응력-변형률 상의 거동은 초기거동에 비하여 다소 완만한 기울기를 보여주었다. 이는 GFRP 구속 보강재의 경우 여러 lamina로 적층된 상태에서 전체적인 파괴보다는 지속적인 하중 증가에 의하여 각 layer별로 부분적인 파괴가 연속되어 진행되기 때문인 것으로 사료된다.
- 예비실험은 고온로의 온도를 300℃로 설정하고 실험체를 고온로에 설치 후 온도에 노출시켰다. 실험결과 200℃ 까지는 1시간 이상 노출 시 별 문제가 발생하지 않았으나 250℃ 이상의 고온에서는 약 40분이 지나자 횡 구속된 콘크리트 내부에서 폭렬현상이 발생하여 GFRP 실험체가 파괴되었다. Fig.
- 2) 상온에서 GFRP로 횡구속된 콘크리트 압축시편의 경우, GFRP 구속에 따른 압축강도 개선효과가 정량적인 패턴으로 그 효과가 나타났다. 실험결과, 상온(20℃)에서의 횡구속 콘크리트 압축시편인 경우, 평균 약 3.15배 증가하는 것으로 나타났다.
- 온도증가에 따른 비구속 압축시편과 구속 콘크리트 압축시편을 비교한 결과 노출온도에 따라 다소 성능발현에 차이가 있음을 알 수 있었다. 20℃상온의 경우 일반적인 콘크리트 압축설계강도에 비례하여 GFRP보강재 구속에 따른 압축강도 증가가 동일한 패턴으로 나타났으나 설정온도 100℃ 이상의 온도에서는 고온으로의 온도변화에 의한 구속 콘크리트의 압축강도 변화가 점진적으로 감소하고 있는 것을 알 수 있었다.
- 이는 GFRP 구속 보강재의 경우 여러 lamina로 적층된 상태에서 전체적인 파괴보다는 지속적인 하중 증가에 의하여 각 layer별로 부분적인 파괴가 연속되어 진행되기 때문인 것으로 사료된다. 최종적으로 본 시험체 파괴는 GFRP 파단과 동시에 콘크리트 압축파괴가 발생하였다.
후속연구
- 따라서 GFRP에 의해서 횡구속을 받는 콘크리트 압축부재의 거동은 주변에서 발생되는 온도변화에 따라 그 성능이 저하될 것으로 예측되는바 이를 확인하기 위하여 온도변화에 노출된 GFRP로 횡구속 콘크리트 압축부재의 성능을 평가하였다. 본 연구에서 제시하는 연구내용은 실제 횡구속된 콘크리트 압축부재에서 발생 가능한 상황은 아니나 외부온도 변화에 따른 복합현상 발생 시 요구되는 복합소재의 신뢰성 확보측면에서 매우 중요하다고 판단된다.
- 20℃상온의 경우 일반적인 콘크리트 압축설계강도에 비례하여 GFRP보강재 구속에 따른 압축강도 증가가 동일한 패턴으로 나타났으나 설정온도 100℃ 이상의 온도에서는 고온으로의 온도변화에 의한 구속 콘크리트의 압축강도 변화가 점진적으로 감소하고 있는 것을 알 수 있었다. 특히 온도별 구속효과 저감이 완만한 구속저감 효과를 보여주는 것으로 나타났는데 이에 대한 연구결과는 향후, 다양한 콘크리트 설계압축강도와 FRP재료를 변수로 하여 다양한 온도분포에서의 실험을 수행하고, 그 결과분석을 바탕으로 제시할 필요가 있을 것으로 사료된다. 본 연구의 경우, 각 case별로 3개의 시편을 제작, 실험을 수행하였는데 이들 실험에서 도출된 같은 시험변수별 최대 강도의 차이는, 실험체의 제작과 콘크리트 품질상이에 의하여 발생한 것으로 생각된다.
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