[논문]하이브리드 FRP-Concrete 복합말뚝의 연결부의 개발

이형규; 박준석

doi:10.11004/kosacs.2014.5.4.052

문제 정의

따라서 말뚝을 설계할 때 연결부가 고려되어야 하며, 연결부에 대한 구조적 안전성이 고려되어야 한다. 따라서, 이 연구에서는 기존의 말뚝 부재에 사용되던 연결방법을 조사하고, 소구경 및 중구경 HCFFT 단면에 적합한 연결방법을 제안하였다.
이 연구는 축방향 및 원주방향으로 보강섬유가 배치될 수 있도록 모듈화된 펄트루젼 FRP 부재를 제작하고 그 부재의 외부를 필라멘트 와인딩 FRP로 보강하는 이중구조로서 압축, 휨, 전단에 대해 뛰어난 성능을 확보할 수 있는 Hybrid FRP 복합재 말뚝의 연결 부에 대한 연구이다. 이 연구에서는 소구경과 중구경 HCFFT 말뚝으로 나누어 유한요소해석과 휨실험을 수행하였으며, 얻은 결론은 다음과 같다.

가설 설정

4에 각각 나타내 었다. 강재의 항복강도는 140MPa로 가정하였으며, 연결부가 항복할 때 HCFFT 말뚝에 재하되는 하중을 통하여 연결부의 성능을 평가하였다. 해석결과, 연결부 A와 연결부 B의 파괴하중은 휨실험강도와 비교했을때 각각 86.

제안 방법

(1) 소구경(D=300mm) HCFFT 말뚝에 존재하는 연결부에 대하여 A-type과 B-type으로 나누어 제안하였으며, 연결부가 존재하지 않는 직경 300mm의 HCFFT 의 휨실험을 수행하고 그 결과와 연결부 A-type과 B-type의 유한요소해석 결과를 비교하였다. 그 결과 연결부 A와 연결부 B의 파괴하중은 휨실험강도와 비교했을 때 각각 86.
(2) 중구경(D=400mm) HCFFT 말뚝의 경우 퍼포본드 형태의 연결부를 제안하였으며, 연결부가 존재하는 경우와 존재하지 않은 경우에 대하여 휨실험을 수행 하여 제안된 연결부의 성능을 평가하였다. 휨실험 결과 HCFFT의 연결부는 모재에 비해 낮은 강도에서 파괴되었기 때문에 휨강도를 크게 기대할 수 없으나 약 28%의 강성 증가효과를 나타내었다.
HCFFT 휨강도 시험방법은 좌우로 500mm씩 내민보(overhang beam)의 형태로 시편을 거치하고 지점의 1/3, 2/3 지점에 같은 하중이 재하될 수 있도록 하여 순수휨(pure bending)이 발생할 수 있도록 하였다. 변형률게이지와 와이어게이지로부터 측정되는 데이터는 데이터로거(TDS-302)를 통하여 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다.
이 연구에서는 소구경 HCFFT에 대한 연결부 2종과 중구경 HCFFT 연결부 1종을 제안하였으며, 소구경 연결부는 유한요소해석, 중구경 연결부는 휨강도실험을 통해 휨성능을 검증하였다. 또한, 소구경 연결부의 경우 HCFFT의 휨강도 실험을 수행한 후 모재의 휨강도와 유한요소해석을 통한 연결부의 휨강도를 비교하여 성능을 검증하였다.
HCFFT 휨강도 시험방법은 좌우로 500mm씩 내민보(overhang beam)의 형태로 시편을 거치하고 지점의 1/3, 2/3 지점에 같은 하중이 재하될 수 있도록 하여 순수휨(pure bending)이 발생할 수 있도록 하였다. 변형률게이지와 와이어게이지로부터 측정되는 데이터는 데이터로거(TDS-302)를 통하여 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다. 휨시험의 결과는 Table 2에 정리하여 나타내었다.
소구경 HCTTF 말뚝의 연결부는 2가지 type으로 나누어 제안하였다.
소구경 연결부의 성능을 평가하기 위해 먼저 HCFFT 직경 300mm 말뚝에 대하여 휨시험을 수행하였다. 휨시험은 시험체의 FFRP 두께 변수는 압축시험체와 동일한 2.
소구경(300mm)HCFFT 말뚝에 사용될 연결부의 구조적 거동을 파악하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 ANSYS Ver.
HCFFT의 단면은 철근 용접 또는 이음과 같은 용이한 연결을 수행할 수 있는 소재가 없고 연결부의 휨강성을 확보할 수 있어야 하기 때문에, 별도의 소재가 연결부의 단면에 위치하여야 한다(Kang, 2012). 이 연구에서는 소구경 HCFFT에 대한 연결부 2종과 중구경 HCFFT 연결부 1종을 제안하였으며, 소구경 연결부는 유한요소해석, 중구경 연결부는 휨강도실험을 통해 휨성능을 검증하였다. 또한, 소구경 연결부의 경우 HCFFT의 휨강도 실험을 수행한 후 모재의 휨강도와 유한요소해석을 통한 연결부의 휨강도를 비교하여 성능을 검증하였다.
이 연구는 축방향 및 원주방향으로 보강섬유가 배치될 수 있도록 모듈화된 펄트루젼 FRP 부재를 제작하고 그 부재의 외부를 필라멘트 와인딩 FRP로 보강하는 이중구조로서 압축, 휨, 전단에 대해 뛰어난 성능을 확보할 수 있는 Hybrid FRP 복합재 말뚝의 연결 부에 대한 연구이다. 이 연구에서는 소구경과 중구경 HCFFT 말뚝으로 나누어 유한요소해석과 휨실험을 수행하였으며, 얻은 결론은 다음과 같다.
실험은 직경이 400mm인 HCFFT 실험체를 대상으로 수행하였으며, 각 실험체는 100mm의 용량의 변위계를 중앙부와 1/4 부분에 각각 1개씩 설치하여 횡하중에 의한 변위를 측정하였으며, 2000kN 용량의 UTM 을 이용하여 하중을 재하하였다. 하중은 변위제어방식으로 5mm/mi n의 속도로 재하하였으며, 변형률게이 지와 와이어게이지로부터 측정되는 데이터는 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다. 중구경 HCFFT 휨강도실험체와 실험 과정은 Fig.

대상 데이터

3에 나타내었다. Fig. 2와 Fig. 3에 나타낸 연결철물의 치수는 소구경 HCFFT의 직경 300mm를 기준으로 정하였다. 연결부 A는 PFRP 단면 내에 A-1 부품을 콘크 리트 타설 과정에서 매입한 후, 상부 말뚝과 하부 말뚝을 연결할 때 각 말뚝에 매입되어 있는 A-1 부품 내에 A-2 부품을 꽂아 넣는 형식이다.
중구경 HCFFT 연결부의 휨강도실험은 소구경 HCFFT의 휨강도실험과 유사한 방법으로 수행하였다. 실험은 직경이 400mm인 HCFFT 실험체를 대상으로 수행하였으며, 각 실험체는 100mm의 용량의 변위계를 중앙부와 1/4 부분에 각각 1개씩 설치하여 횡하중에 의한 변위를 측정하였으며, 2000kN 용량의 UTM 을 이용하여 하중을 재하하였다. 하중은 변위제어방식으로 5mm/mi n의 속도로 재하하였으며, 변형률게이 지와 와이어게이지로부터 측정되는 데이터는 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다.

데이터처리

소구경(300mm)HCFFT 말뚝에 사용될 연결부의 구조적 거동을 파악하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 ANSYS Ver. 11을 사용하였으며, HCFFT 휨실험과 동일한 경계조건 및 하중재하조건으로 해석을 수행하였다. 유한요소해석에 적용된 연결부의 모델은 3D 솔리드 모델이며, 연결부의 물성은 일반 구조용 강재의 물성을 적용하였다.

이론/모형

11을 사용하였으며, HCFFT 휨실험과 동일한 경계조건 및 하중재하조건으로 해석을 수행하였다. 유한요소해석에 적용된 연결부의 모델은 3D 솔리드 모델이며, 연결부의 물성은 일반 구조용 강재의 물성을 적용하였다. 연결부 A와 연결부 B의 유한요소해석모델은 Fig.

성능/효과

HCFFT 휨강도실험결과, 각 실험결과를 FFRP의 두께에 대한 휨강도로 회기분석하였을 때 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, 휨강도의 증가량의 매우 작고, 편차가 크기 때문에 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다.
(1) 소구경(D=300mm) HCFFT 말뚝에 존재하는 연결부에 대하여 A-type과 B-type으로 나누어 제안하였으며, 연결부가 존재하지 않는 직경 300mm의 HCFFT 의 휨실험을 수행하고 그 결과와 연결부 A-type과 B-type의 유한요소해석 결과를 비교하였다. 그 결과 연결부 A와 연결부 B의 파괴하중은 휨실험강도와 비교했을 때 각각 86.0%, 91.7%로 본체의 강도에 매우 근접한 휨강도를 나타내었다. 또한, 제안된 두가지의 type 중 B-type의 연결부가 모재의 강도와 유사하여 B-type의 연결부가 적용되는 것이 적절하다고 판단된다.
하지만, 휨강도의 증가량의 매우 작고, 편차가 크기 때문에 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다. 또한, HCFFT 휨실험 중 FFRP 두께 4.2mm 시험체의 경우 PFRP와 FFRP 사이의 부착이 떨어지는 현상이 발생되어 작용하중이 2.8mm의 시편들에 비해 작게 나타났다.
7%로 본체의 강도에 매우 근접한 휨강도를 나타내었다. 또한, 제안된 두가지의 type 중 B-type의 연결부가 모재의 강도와 유사하여 B-type의 연결부가 적용되는 것이 적절하다고 판단된다.
실험결과 중구경 HCFFT(직경=400mm)의 연결부는 모재에 비해 낮은 강도에서 파괴되었다. 하지만, 모재의 휨강성에 비해 약 28%의 강성 증가효과를 나타내 었다.
강재의 항복강도는 140MPa로 가정하였으며, 연결부가 항복할 때 HCFFT 말뚝에 재하되는 하중을 통하여 연결부의 성능을 평가하였다. 해석결과, 연결부 A와 연결부 B의 파괴하중은 휨실험강도와 비교했을때 각각 86.0%, 91.7%로 본체의 강도에 매우 근접한 휨강도를 나타내었다. Table 3은 해석결과와 HCFFT 휨실험의 결과를 비교한 것이다.
(2) 중구경(D=400mm) HCFFT 말뚝의 경우 퍼포본드 형태의 연결부를 제안하였으며, 연결부가 존재하는 경우와 존재하지 않은 경우에 대하여 휨실험을 수행 하여 제안된 연결부의 성능을 평가하였다. 휨실험 결과 HCFFT의 연결부는 모재에 비해 낮은 강도에서 파괴되었기 때문에 휨강도를 크게 기대할 수 없으나 약 28%의 강성 증가효과를 나타내었다. 따라서, 제안된 중구경 HCFFT의 연결부는 지중에서 발생하는 휨모멘트가 작은 구간에 배치하도록 설계 및 시공해야 할것으로 판단된다.

후속연구

하지만, 모재의 휨강성에 비해 약 28%의 강성 증가효과를 나타내 었다. 따라서, 제안된 HCFFT의 연결부는 지중에서 발생하는 휨모멘트가 작은 구간에 배치하도록 설계 및 시공해야 할 것으로 판단된다. 또한, 연결부의 핸드레이업 부분을 보강 한다면 휨강도의 증가 또한 증가할 것으로 기대된다.
휨실험 결과 HCFFT의 연결부는 모재에 비해 낮은 강도에서 파괴되었기 때문에 휨강도를 크게 기대할 수 없으나 약 28%의 강성 증가효과를 나타내었다. 따라서, 제안된 중구경 HCFFT의 연결부는 지중에서 발생하는 휨모멘트가 작은 구간에 배치하도록 설계 및 시공해야 할것으로 판단된다.
따라서, 제안된 HCFFT의 연결부는 지중에서 발생하는 휨모멘트가 작은 구간에 배치하도록 설계 및 시공해야 할 것으로 판단된다. 또한, 연결부의 핸드레이업 부분을 보강 한다면 휨강도의 증가 또한 증가할 것으로 기대된다.
HCFFT 휨강도실험결과, 각 실험결과를 FFRP의 두께에 대한 휨강도로 회기분석하였을 때 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, 휨강도의 증가량의 매우 작고, 편차가 크기 때문에 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다. 또한, HCFFT 휨실험 중 FFRP 두께 4.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 FRP-콘크리트 복합말뚝은 무엇으로 구성되는가?	이 연구에서 고려되고 있는 하이브리드 FRP-콘크리트 복합말뚝(Hybrid Concrete Filled FRP Tube, HCFFT)은 축방향 및 원주방향으로 보강섬유가 배치될 수 있도록 모듈화된 펄트루젼 FRP 부재를 제작하고 그 부재의 외부를 필라멘트 와인딩 FRP로 보강하는 복합재 이중구조로서 압축, 휨, 전단에 대하여 뛰어난 성능을 확보할 수 있는 복합말뚝의 한 종류이다. 하이브리드 FRP-콘크리트 복합말뚝은 심부콘크리트와 콘크리트에 작용하는 압축력에 의한 구속압력으로 압축강도를 증가시켜주는 역할을 하는 필라멘트 와인딩 FRP(FFRP)와 편심하중이 재하되었을 때 휨 및 전단 거동에 저항하는 펄트루전 FRP(PFRP)로 구성되게 된다(Choi, 2014).
	하이브리드 FRP-콘크리트 복합말뚝은 무엇인가?	이 연구에서 고려되고 있는 하이브리드 FRP-콘크리트 복합말뚝(Hybrid Concrete Filled FRP Tube, HCFFT)은 축방향 및 원주방향으로 보강섬유가 배치될 수 있도록 모듈화된 펄트루젼 FRP 부재를 제작하고 그 부재의 외부를 필라멘트 와인딩 FRP로 보강하는 복합재 이중구조로서 압축, 휨, 전단에 대하여 뛰어난 성능을 확보할 수 있는 복합말뚝의 한 종류이다. 하이브리드 FRP-콘크리트 복합말뚝은 심부콘크리트와 콘크리트에 작용하는 압축력에 의한 구속압력으로 압축강도를 증가시켜주는 역할을 하는 필라멘트 와인딩 FRP(FFRP)와 편심하중이 재하되었을 때 휨 및 전단 거동에 저항하는 펄트루전 FRP(PFRP)로 구성되게 된다(Choi, 2014).
	GFRP-콘크리트 충전 합성말뚝의 휨 및 전단성능 향상을 위해서는 무엇이 필요한가?	하지만, 이러한 GFRP-콘크리트 충전 합성말뚝은 외부에 형성되있는 GFRP 때문에 구속효과에 의한 압축강도는 향상시킬 수 는 있으나 휨 및 전단에 대한 저항성능은 부족하다 할 수 있겠다. 이러한휨 및 전단성능을 향상시키기 위해서는 콘크리트 심부에 철근 또는 FRP rod 등의 별도의 보강재가 필요하다(Park, 2010).

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