[논문]접착재 종류와 정착구 유무에 따른 탄소막대 매립보강 RC보의 휨 거동에 관한 실험적 연구

김성원; 이형근; 여환준; 박성무

doi:10.9712/kass.2014.14.4.073

접착재 종류와 정착구 유무에 따른 탄소막대 매립보강 RC보의 휨 거동에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Flexural Behaviour of CFRP-bar NSM R.C Beams depending on Adhesive and Anchorage 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.14 no.4, 2014년, pp.73 - 80

김성원 (영남대학교 건축학과) , 이형근 (영남대학교 건축학과) , 여환준 (영남대학교 건축학과) , 박성무 (영남대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

For the last decade many bridges and buildings have experienced flexural strengthening with the fiber reinforced polymer(FRP) bonding system, demands for increasing heavy traffic loads and the changing of the code application. Of the many strengthening systems, NSM(near surface mounted) system with FRP has become attractive and popular way of strengthening for the existed RC structures and many studies and applications of this technique have significantly increased all over the world. Meanwhile, polymer mortar that contains much of the same ingredients as cement but includes the addition of certain polymer resins for enhancing desired physical properties, has been used as an alternative adhesive. This paper focuses on flexural behaviour of CFRP-bar NSM system with variables such as kinds of adhesive, anchorage, sectional aspect ratio. Based on the test results and test-to-predicted ratio, this paper provides researchers and practical engineers a fundamental knowledge and intuition.

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문제 정의

따라서 본 연구는 탄소막대로 매립보강 RC 보의 접착재 종류에 따른 휨 성능 판별에 근거하여 폴리머모르터 접착재의 타당성을 평가하고, 탄소막대 보강재의 단면형상비에 따른 휨 성능을 비교분석한다. 또, 현장 여건상 Wide 단면의 탄소막대가 적용되어야 할 경우 및 정착성능 향상을 위한 탄소막대 단부 확장형 정착구의 유무에 따른 보강 효과를 휨 성능 평가에 근거하여 제시함으로서 기존 RC 구조물의 탄소막대 매립보강에 관한 기초 자료를 제공하고자 한다.
따라서 본 연구는 탄소막대로 매립보강 RC 보의 접착재 종류에 따른 휨 성능 판별에 근거하여 폴리머모르터 접착재의 타당성을 평가하고, 탄소막대 보강재의 단면형상비에 따른 휨 성능을 비교분석한다. 또, 현장 여건상 Wide 단면의 탄소막대가 적용되어야 할 경우 및 정착성능 향상을 위한 탄소막대 단부 확장형 정착구의 유무에 따른 보강 효과를 휨 성능 평가에 근거하여 제시함으로서 기존 RC 구조물의 탄소막대 매립보강에 관한 기초 자료를 제공하고자 한다.
본 연구는 접착재의 유무 및 단부정착구의 유무에 따른 탄소막대 매립보강 RC 보의 휨 거동평가에 관한 실험적 연구로서 탄소막대 보강량 및 형상에 따른 폴리머모르터 접착재의 적용성과 단부정착구의 효용성 판별을 위해 [Fig. 2]와 같이 복근 장방형 보를 계획하였다.
본 연구에서는 탄소막대 매립보강 RC 보의 휨 성능을 평가하기 위하여 총 15개의 실험체를 제작하여 접착재의 종류, 탄소막대의 단면형상비, 탄소막대의 보강량 및 정착구 유무에 따른 휨 실험을 수행하였고, 실험체의 하중-변위 관계, 파괴양상 등을 분석한결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

본 실험에 사용된 탄소막대는 국내 H사에서 매립보강용으로 시공하고 있는 인발성형 기성제품이며, ASTM D638-10 "Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics"에 근거하여 탄소막대 실험체를 제작, 복합재료피로시험기로 인장실험을 실시하였고 실험결과는 [Table 3]과 같다.
본 연구에 적용된 단부정착구는 현장시공성을 고려하여 탄소막대의 단부를 스크류볼트로 핏싱하여 볼트의 단면만큼이 확장되는 형태로, 볼트의 탈락방지를 위해 결속선으로 볼트의 양쪽부를 긴결 고정하여, 탄소막대 보강재의 단부가 확장됨으로써 정착효과를 발휘하도록 고안된 것이며, 형태 [Fig. 4] 및 [Fig. 5]와 같다.
탄소막대 매립보강 R.C 보 실험체의 형상 및 가력계획은 [Fig. 2~3]과 같으며, 보강길이는 모멘트 증가분에 의한 기본 정착길이와 단면의 유효춤에 따른 여장길이에 근거하여 지점거리의 80% 이상으로 계획하였다.

대상 데이터

본 실험에 적용된 철근콘크리트 보 실험체의 규격은 200mm×300mm×2700mm로 100tf 용량의 만능재료실험기(U.T.M)를 이용하여 2점지지-2점가력으로 계획하였으며, 단면의 유효 춤은 매립 홈 형성을 위한 컷팅 시 전단철근의 간섭을 제어하기 위해 피복두께를 40mm로 확보하여 242mm로 설정 하였다.
본 실험에서 탄소막대 매립보강에 대한 접착재 변수에 적용된 충진재는 에폭시수지와 폴리머모르터로 대별되며, 에폭시수지의 경우, H사에서 탄소 막대 매립보강용으로 제작하여 사용하고 있는 기성 제품을 사용하였고 강도 실험용 공시체는 KS M 3015-08 “열 경화성 플라스틱 일반 시험 방법”에 근거하여 제작하였다.
실험체 제작에 사용된 콘크리트는 일반 레디믹스트 콘크리트로 28일 기준 압축강도는 18.66Mpa이며, 사용철근의 항복강도는 400Mpa로 인장철근비를 균형철근비의 35%로 배근하여 탄소막대 보강 후 콘크리트 압괴에 의한 파괴를 제어하였다.
폴리머모르터는 국내 H사와 S사에서 단면복구용으로 사용되는 두 종류의 폴리머모르터를 각각 사용하였고 강도 시험용 공시체는 KS F 4042-12 “콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르”에 근거하여 제작하였으며, 실험 결과는 [Table 2]와 같다.

성능/효과

1) 보강효과의 측면에서 에폭시 접착재를 적용한 실험체의 경우, 무보강 실험체 대비 133%~157%, 폴리머모르터 접착재를 적용한 경우, 무보강 실험체대비 93%~122% 내력증가를 보였다. 한편, 탄소막대 매립보강 실험체의 파괴양상은 전자의 경우, 피복분리파괴양상을 나타내었고, 후자의 경우, 탄소막대와 접착재 계면의 부착슬립파괴가 발생되어 충진 재로 사용되는 접착재의 부착강도가 탄소막대 매립 보강이 적용된 보 실험체에 대한 휨 보강효과 결정에 정착구의 유무에 관계없이 가장 중요한 매개변수인 것으로 사료된다.
2) 탄소막대 보강재의 형상별 변수에 대해 단면의 형상비가 큰 Narrow형 탄소막대의 성능이 상대적으로 우수한 것으로 나타났는데, 이는 단면의 폭이 넓은 Wide형 탄소막대 보다 단면적에 대한 접합면적이 크므로 부착강도 증가에 따른 매립 홈의 구속력 향상에 의해 모체 콘크리트와의 일체거동이 유리해진 것으로 판단된다.
3) 본 연구에서는 탄소막대 매립보강 실험체의 일체성 확보를 위해 시공성 및 현장적용성이 우수하고 간편한 단부확장형 정착구를 적용하였으며 에폭시수지 접착재를 적용한 실험체의 경우 정착구가 부착슬립을 제어하는 효과를 발휘하여 정착구를 설치하지 않은 실험체 보다 약 11%의 강도증진 효과를 보인 반면, 폴리머모르터 접착재를 적용시킨 실험체의 경우에서는 정착구를 설치하였음에도 불구하고 접착재와 탄소막대 계면에서 부착슬립파괴에 의해 보강효과를 얻지 못하는 결과를 보여 단부정착구의 효과를 극대화하기 위해서는 충진재로 사용되는 접착재의 부착강도에 대해 에폭시수지와 동등 이상의 품질이 확보되어야 할 것으로 사료된다.
[Table 4]에서 에폭시수지 접착재가 적용된 실험체는 이론값을 초과하는 휨강도를 보이며 양호한 보강성능을 보여주었으며, 폭이 넓은 Wide형 탄소막대 형상보다 폭이 좁은 Narrow형 탄소막대가 보강효과에 더 유리한 것으로 관찰되었다.
10]은 접착재 종류에 따른 탄소막대 형상비의 하중-처짐곡선으로서 E, P, N, W는 각각 에폭시, 폴리머모르터, Narrow형, Wide형 단면의 탄소 막대를 나타낸다. 실험결과, 보강실험체는 전체적으로 보강전 대비 보강성능의 향상을 보이기는 하지만, [Fig. 11]에 나타난 바와 같이 에폭시 충진재가 적용된 실험체에서 이론치를 상회하는 보강성능을 보여준 반면, 폴리머모르터 충진재의 실험체는 이론치의 70~87% 수준으로 보강효과가 미미하고, 폴리머모르터의 부착강도 저하로 단면 형상비 변수에 대한 평가가 불가한 실험결과를 나타냈으며, 한편, 에폭시 충진재의 경우, 형상비 2.86의 Narrow 단면이 0.43의 Wide 단면보다 보강성능이 우수한 것으로 나타나 단면형상비가 높을수록 매립 홈에 의한 구속성능 및 보강성능에 유리한 실험결과를 보였다.
탄소막대 보강량 증감에 대한 보강효과의 기여도를 접착재의 종류에 따라 분석하고자 단면적비(Sectional Area Ratio)에 따른 휨 내력비로 표현한 결과, 보강단면적 증가에 따라 내력 감소의 경향을 나타내었다. 이는 탄소막대 보강재의 단면적 증가률만큼의 부착면적 증가가 확보되지 못한데서 기인된 탄소막대와 접착재 계면의 부착응력 감소가 원인인 것으로 판단된다.
폭이 넓은 Wide형의 탄소막대를 사용한 경우, EW계열 및 PW계열과 P’W계열 실험체 모두에서 부착슬립파괴의 양상이 관찰되었으며 상대적으로 낮은 최대강도를 보이는 것으로 나타나 Wide형의경우, 단부정착구에 의한 추가적인 정착력의 확보가 요구되는 것으로 판단되었다.
8]은 각 실험체별로 최대하중의 이론값에 대한 실험값을 나타낸 것으로 에폭시 접착재가 충진재로 적용된 실험체 중 Narrow형의 탄소막대가 적용된 실험체와 Wide형의 탄소막대 중 단부정착구가 적용된 실험체는 피복분리파괴양상을 보이며, 파괴하중이 이론치를 상회하는 결과를 보였다. 한편, 폴리머모르터가 충진재로 사용된 PN계열 실험체는 충진재로 사용된 폴리머모르터의 압축강도 증가에 따라 최대하중이 증가하는 추세를 보였으나, 부착슬립파괴양상과 함께 이론치에 미치지 못하는 실험결과를 보여 충진재로 사용되는 접착재의 부착 강도가 탄소막대 매립보강 실험체에 대한 휨 보강 성능을 결정에서 정착구의 유무에 관계없이 가장 중요한 매개변수인 것으로 사료된다.

후속연구

4) 실무적으로 수(水)사용공간에서도 사용가능하며, 내화성 및 우수한 현장적용성에도 불구하고 폴리머모르터를 충진용 접착재로 사용하여 탄소막대 매립 보강된 보 실험체의 휨 성능은 이론치의 70~87%에 그쳐 전술한 바와 같이 부착성능이 확보된 폴리머모르터 충진재의 개발 및 적용이 요구되며, 부착슬립파괴를 제어할 수 있도록 탄소막대 보강재의 표면처리와 아울러 단부 정착장치에 의한 향상된 보강성능을 확보하기 위한 강력한 기계적 정착 장치의 개발이 요구된다.
최근에는 합성수지가 첨가 되어 부착 및 압축강도가 강화되고 물리적 성능이 증진된 폴리머모르터가 에폭시 접착재의 대안으로 사용되고 있는데, 기존 콘크리트 모체와의 호환성이 양호하고 수(水)사용공간에서도 사용가능하며, 시공성 및 화재 저항성도 우수한 것으로 평가된다. 폴리머모르터의 경우, 계면 부착성능이 에폭시 접착재에 비해 상대적으로 취약하여 부착슬립의 발생가능성이 있으나, 매립홈에 의한 추가적인 구속력과 아울러 탄소막대 보강재의 단부를 확장시켜 단부정착을 유도하는 단부확장형 정착구를 도입하여 보강재 단부구속력을 증진시키고 피복분리파괴를 유도하여 파괴에너지 및 휨 성능 개선을 유도 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RC 구조물에 대한 보수, 보강이 필요한 원인은?	철근콘크리트 구조물은 그 사용연한이 반영구적인 것으로 알려져 왔으나, 시공상의 오류와 환경적 요인, 유지관리의 소홀에 따른 노후화 및 성능향상의 사회적 요구에 따라 RC 구조물에 대한 보수, 보강의 필요성이 요구된다. 기존 RC 구조물의 보강에 있어 부식 저항성, 경량성, 시공성, 경제성, 공법의 안정성이 탁월한 것으로 알려진 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 일반적인 보강공법은 보강이 요구되는 콘크리트 모체의 표면에 Plate 혹은 Sheet의 형태로 부착하여 추가적인 강도발현을 유도하는 외부부착보강공법(Externally Bonded Reinf orcement)이 주류를 이루어 왔다.
	FRP의 특징은?	철근콘크리트 구조물은 그 사용연한이 반영구적인 것으로 알려져 왔으나, 시공상의 오류와 환경적 요인, 유지관리의 소홀에 따른 노후화 및 성능향상의 사회적 요구에 따라 RC 구조물에 대한 보수, 보강의 필요성이 요구된다. 기존 RC 구조물의 보강에 있어 부식 저항성, 경량성, 시공성, 경제성, 공법의 안정성이 탁월한 것으로 알려진 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 일반적인 보강공법은 보강이 요구되는 콘크리트 모체의 표면에 Plate 혹은 Sheet의 형태로 부착하여 추가적인 강도발현을 유도하는 외부부착보강공법(Externally Bonded Reinf orcement)이 주류를 이루어 왔다. 그러나 외부부착 보강공법의 경우, 균열부 및 보강재 단부의 응력집중으로 보강재의 성능발현이 충분히 구현되기 전에 조기박락파괴가 발생되는 사례가 여러 선행연구5),6) 에서 보고되고 있다.
	현재 FRP의 문제점은 무엇인가?	기존 RC 구조물의 보강에 있어 부식 저항성, 경량성, 시공성, 경제성, 공법의 안정성이 탁월한 것으로 알려진 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 일반적인 보강공법은 보강이 요구되는 콘크리트 모체의 표면에 Plate 혹은 Sheet의 형태로 부착하여 추가적인 강도발현을 유도하는 외부부착보강공법(Externally Bonded Reinf orcement)이 주류를 이루어 왔다. 그러나 외부부착 보강공법의 경우, 균열부 및 보강재 단부의 응력집중으로 보강재의 성능발현이 충분히 구현되기 전에 조기박락파괴가 발생되는 사례가 여러 선행연구5),6) 에서 보고되고 있다.

참고문헌 (6)

김성원, 탄소막대(CFRP-rod)로 매립 보강된 RC보의 휨 보강효과에 관한 실험적 연구, 영남대학교 석사학위논문, 2004
서수연, 콘크리트 내에 표면매입 보강된 FRP판의 부착강도, 한국콘크리트학회 논문집 24권, 4호, 2012.

원문보기 상세보기
De Lorenzis L, Nanni A. Characterization of FRP rods as near-surface mounted reinforcement. ASCE J Compos Construct 2001;5(2):114-121

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Seracino R, jones NM, Ali MSM, Page MW, Oehlers DJ. Bond strength of near-surface mounted FRP-to-concrete joints. Journal of Composites for Construction (ASCE) 2007;11(4):401-9

상세보기
Tarek K. Hassam, Bond Mechanism of NSM FRP Bars for Flexural Strengthening of Concrete Structures, 2004
A.Sharaky, A Study of the Bond and Flexural Behaviour of Reinforced Concrete Elements Strengthened with Near Surface Mounted FRP Reinforcement, University of Girona, 2014

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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