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문제 정의
- 본 연구에서는 사전내진평가 결과에 의해 강화된 설계지진하중에 대해 취약할 것으로 예상되는 H형강 휨재에 대해AFRP 스트립을 이용하여 보강한 후 휨강도 향상을 통해 보강효과를 검증한다. 실험에 사용된 변수는 FRP 보강재 종류(CFRP, AFRP), 보강길이 이다.
- 본 연구에서는 사전내진평가를 바탕으로 지진하중에 취약할 것으로 예상되는 화력발전소 철골 보부재에 FRP 스트립을 밑면 플랜지에 보강하고 휨성능을 평가하는 실험을 수행하였다. FRP스트립은 발전소 건물의 내진보강시 가장 적합할 것으로 사료되는 비전도체 재료인 아라미드 소재 타입을 비교하여 사용하였으며 FRP의 재료에 따른 휨성능을 비교하기 위해 CFRP스트립을 사용하였다.
- 본 연구에서는 화력발전소 대부분을 구성하고 있는 철골구조물에 내진보강을 수행하고자 섬유보강플라스틱(Fiber reinforced polymer plastic, 이하 FRP라 함)을 활용한내진보강안을 제시한다. 내진보강에 사용된 FRP의 종류는 탄소 섬유보강플라스틱(Carbon fiber reinforced polymerplastic, 이하 CFRP라 함)과 아라미드 섬유보강플라스틱(Aramid reinforced polymer plastic, 이하 AFRP라 함)이다.
- (4) FRP의 보강개념에서는 증가된 활하중에 대해 탄성상태를 유지하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 각 실험체에 대해 항복내력을 분석하였다. 분석결과, AFRP보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16%의 증가 효과가 있는 것으로 나타났으며, CFRP보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16～20%의 증가 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 특히 본 연구에서 초점을 맞추고 있는 보부재에 대해 2009년 이전에 준공된 발전소 건물은 현재 KBC 2009의 지진하중에 적용시 휨성능이 현저히 부족하므로 현 내진설계 규준에 적합하기 위해서는 휨보강이 필요하다는 결론을 도출하였다[15]. 이에 본 연구에서는 철골보의 FRP의 휨 보강효과를 검증하기 위해 내진보강 이전먼저 검토해야 될 정적하중 상태에서의 철골보에 대한 FRP보강효과를 검증한다. 보강에 사용될 재료는 2.
제안 방법
- Table 4에는 각 실험체의 항복하중, FRP 스트립이 탈락시 하중, 초기강성의 결과 값을 정리하였다. FRP 스트립을 이용한 휨성능 보강효과에 대한 정량적 평가를 위해 기준실험체 대비 항복시 하중(Py)과 FRP 스트립 탈락시 하중에 대해 각각 비교하였으며 이를 통해 내력상승에 대한 보강효과를 검증하였다. Schnerch et al.
- 본 연구에서는 사전내진평가를 바탕으로 지진하중에 취약할 것으로 예상되는 화력발전소 철골 보부재에 FRP 스트립을 밑면 플랜지에 보강하고 휨성능을 평가하는 실험을 수행하였다. FRP스트립은 발전소 건물의 내진보강시 가장 적합할 것으로 사료되는 비전도체 재료인 아라미드 소재 타입을 비교하여 사용하였으며 FRP의 재료에 따른 휨성능을 비교하기 위해 CFRP스트립을 사용하였다. 실험을 통해 도출한 결과는 다음과 같다.
- 국내 화력발전소의 경우 대다수가2000년 이전에 준공이 된 건물이어서 강화된 KBC 2009기준의 설계지진하중에 대해서는 만족하지 못하므로 내진보강이 필요한 것이 현실이다. 따라서 본 연구에서는 과거 AIK 2000 기준[1]에서의 설계지진하중과 KBC 2009 기준[2]에서의 설계지진하중을 국내 충청지방에 위치한 실제 화력발전소에 적용하여 MIDAS GEN 프로그램을 사용하여 사전내진평가를 수행하였으며 실제 대상건물모델링은 Fig. 3과 같다.
- 이후 시방서[16]에서 제시한 대로 10일간 양생을 한 후 실험체를 완성하였다. 또한 보강길이에 대한 실험변수로는 밑면 플랜지에 전 길이에 걸쳐 FRP 스트립으로 보강한 실험체와 최대모멘트가 발생되는 구간인 휨재 중앙부를 중심으로 Span길이의 1/2 정도 길이에 걸쳐 FRP 스트립으로 보강한 실험체를 각각 제작하였다. 실험체 변수 및 제원은 Table 1에 정리하였다.
- 7(a)과 같이 스트레인 게이지를 부착하였다. 또한 하중재하에 따른 휨재 중앙부위의 변위를 측정하기 위해 휨재중앙부 부위에 300mm급 LVDT를 설치하였다. Fig.
- 실험체는 3000kN급 만능시험기(Universal testing machine)에서 정정가력시험으로 수행되었으며, 분당 1.3mm의 가력속도로 재하 하였다. 실험체의 부착 및 휨거동을 파악하기 위해 실험체 중앙부 웨브 및 상하 플랜지부위에 Fig.
- 내진보강에 사용된 FRP의 종류는 탄소 섬유보강플라스틱(Carbon fiber reinforced polymerplastic, 이하 CFRP라 함)과 아라미드 섬유보강플라스틱(Aramid reinforced polymer plastic, 이하 AFRP라 함)이다. 연구진행방법은 먼저 실제 국내 화력발전소 1기를 모델링하여 AIK 2000 내진설계기준[1]과 내진설계규준이 강화된 KBC 2009 내진설계기준[2]으로 모델링하여 구조물의주요부재인 휨재의 응력변화를 분석하는 내진사전평가를 수행하여, 본 연구에서 보강효과를 검증할 휨재의 보강필요성을 확인하였다. 이후 휨재에 대해 스트립 타입의 CFRP와 AFRP를 사용하여 H평강 플랜지 하부에 증타하여 부착한 후 휨가력 실험을 수행하여 보강효과를 검증하였다.
- 따라서 본 연구에서는 Schnerch et al.의 보강 가이드라인에 근거하여 실험결과에서 항복강도(Py)를 비교 분석하였다.
- 상기 하중-변형률 곡선을 통하여 FRP 보강 후 휨재의 인장 부분인 하부 플랜지의 변형률이 감소되었으며, 변형을 증가시키기 위해서는 더 큰 하중이 소요되는 현상을 관찰하였으며 이를 통해 철골보에서의 FRP의 휨보강효과를 검증하였다. 또한 전면보강 실험체에 비해 1/2 보강실험체는 플랜지 하부에서 더 큰 변형이 일어남을 알 수 있으며, 이를 통해 전면보강이 휨보강 효과에 더 효율적임을 알 수 있었다.
- 2절에서 언급한 바와 같이 발전소 철골구조물에 가장 적합한 보강재료인 AFRP 스트립 타입을 사용하여 휨성능 실험을 수행하였으며, 재료에 따른 비교를 위해 CFRP 스트립을 사용하기도 하였다. 이를 통해 파괴거동, 강성, 내력 등을 분석한다.
- 연구진행방법은 먼저 실제 국내 화력발전소 1기를 모델링하여 AIK 2000 내진설계기준[1]과 내진설계규준이 강화된 KBC 2009 내진설계기준[2]으로 모델링하여 구조물의주요부재인 휨재의 응력변화를 분석하는 내진사전평가를 수행하여, 본 연구에서 보강효과를 검증할 휨재의 보강필요성을 확인하였다. 이후 휨재에 대해 스트립 타입의 CFRP와 AFRP를 사용하여 H평강 플랜지 하부에 증타하여 부착한 후 휨가력 실험을 수행하여 보강효과를 검증하였다.
- 총 5개의 실험체에 대해 정적 휨가력 실험을 수행하였으며, 실험체 모두 강판에서 FRP 스트립이 Fig. 8과 같이 탈락(debonding)이 발생하며 실험체가 파괴되는 현상을 보이고 있다. 실험에서 변수로 계획되었던 FRP의 소재종류, 부착길이에 관계없이 FRP의 탈락이 발생되었으며, 강판에서 FRP가 급작스럽게 탈락되는 취성적 파괴거동을 보이고 있다.
대상 데이터
- 이에 본 연구에서는 철골보의 FRP의 휨 보강효과를 검증하기 위해 내진보강 이전먼저 검토해야 될 정적하중 상태에서의 철골보에 대한 FRP보강효과를 검증한다. 보강에 사용될 재료는 2.2절에서 언급한 바와 같이 발전소 철골구조물에 가장 적합한 보강재료인 AFRP 스트립 타입을 사용하여 휨성능 실험을 수행하였으며, 재료에 따른 비교를 위해 CFRP 스트립을 사용하기도 하였다. 이를 통해 파괴거동, 강성, 내력 등을 분석한다.
- [6]은 고탄성계 CFRP 스트립을 사용한 철골합성보 휨보강에 대한 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 CFRP스트립은 229GPa의 저탄성계 스트립와 457GPa의 고탄성계 스트립 2종류이다. 또한 일반적으로 스트립타입을 사용한 보강법은 보강재 끝부분이 모재에서 급격히 떨어져 나가는 박리파괴현상이 발생하게 된다.
- [7]은 하부플랜지부분을 절단한 손상된 철골합성보에 CFRP쉬트로 보강하여 구조성능 향상에 대한 검증을 실험을 통해 검증하였다. 실험에 사용된 변수는 CFRP 쉬트 보강겹수와 하부 플랜지에 대비 보강길이이다. 실험결과 하부 플랜지 손상을 통해 약54% 정도의 내력이 감소되었으나, CFRP 쉬트의 보강겹수가 증가함에 따라 52%의 내력상승과 26%의 강성이 상승됨을 검증하였다.
- 본 연구에서는 사전내진평가 결과에 의해 강화된 설계지진하중에 대해 취약할 것으로 예상되는 H형강 휨재에 대해AFRP 스트립을 이용하여 보강한 후 휨강도 향상을 통해 보강효과를 검증한다. 실험에 사용된 변수는 FRP 보강재 종류(CFRP, AFRP), 보강길이 이다. 먼저 Fig.
- 6(a)와 같이H-200×204×12×12 형강에 횡비틀림 좌굴을 방지하기 위하여 H형강 윗면 플랜지에 ㄷ-300×90×9 형강을 용접하여 결합한다. 이때 실험체의 길이는 4.0m이며, 총 5개를 제작하였다. 이후 H형강 하부 플랜지 하부에 두께 1.
성능/효과
- 이후 하중 330kN (하부플랜지 변형률 약 5500μ)부위에서는 변형률 상승폭이 감소하기 시작하였으며 하중 CFRP 탈락시점인 340kN(플랜지 하부부위 변형률 약 5500μ) 변형이 거의 발생하고 있지 않음을 관찰할 수 있다.
- (1) 정적가력시험을 통해 보강된 4개의 실험체 모두 플랜지 부위에서 FRP 소재의 종류에 관계없이 FRP 스트립이 급작스럽게 탈락(debonding)되는 취성적 파괴거동을 보이고 있다. 이중 플랜지 전면이 보강된 실험체는 중앙부부위는 FRP 탈락(debonding)이, 단부부위는 파단(rupture)이 발생하며 파괴되었다.
- 항복하중(Py) 결과 값을 분석하면, AFRP 보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16%의 증가효과가 있는 것으로 나타났으며, CFRP 보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16～20%의 증가효과가 있는 것으로 나타났다. (2) 또한 두 종류의 FRP는 비슷한 인장강도 값을 지니고 있어 FRP 소재의 종류에 따른 내력차이는 거의 없음을 보이고 있다. (3) 보강길이에 따른 분석결과를 살펴보면 전체보강 실험체와 보강길이1/2 실험체의 따른 내력차이는 약 6%로 보강길이가 내력에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- (2) 하중-변위곡선에서 FRP 보강 실험체는 하중재하 초기구간에서는 계속적으로 하중이 증가함을 보이고 있다가 FRP 스트립이 탈락(debonding)한 이후 하중이 급작스럽게 떨어지고 이후로는 무보강 실험체와 비슷한 거동을 보이고 있다. 이중 AFRP 보강실험체의 탈락 시점이 CFRP 보강실험체의 탈락시점보다 지연되어 연성적인 거동을 보이고 있다.
- (2) 또한 두 종류의 FRP는 비슷한 인장강도 값을 지니고 있어 FRP 소재의 종류에 따른 내력차이는 거의 없음을 보이고 있다. (3) 보강길이에 따른 분석결과를 살펴보면 전체보강 실험체와 보강길이1/2 실험체의 따른 내력차이는 약 6%로 보강길이가 내력에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- (3) 초기강성은 무보강 실험체 대비 최대 6.3% 증가하여 보강에 따른 초기강성 증가효과는 미비한 것으로 나타났다. 또한 초기강성은 FRP의 종류나 보강길이에 거의 영향을 받지 않음을 보이고 있다.
- (5) 하중-변형률 곡선을 통해 FRP 보강 후 휨재의 인장 부분인 하부 플랜지의 변형률이 감소되었으며, 변형을 증가시키기 위해 더 큰 하중이 소요되는 현상을 관찰하였다. 이를 통해 철골보에서의 FRP의 휨보강 효과를 검증하였다.
- (6) 본 연구에서 FRP 보강을 통해 강도적인 측면에서는 보강효과를 확인하였으나, 박리파괴가 발생하여 연성적인 측면에서는 불리함을 관찰하였다. 따라서 기존 철근콘크리트 보강에서 쓰이고 있는 박리파괴를 지연시킬 공법(Wrapping, 클램프 등)을 이용하여 박리파괴를 지연시켜 연성능력을 확보를 검증할 수 있는 추가적 연구가 진행되어야 할 것이다.
- B4C1.4H실험체는 하중 260kN 부근에서 (하부플랜지 변형률 약2200μ) 부근에서 중립축이 상승하기 시작했으며 이후 플랜지 하부부위는 계속적인 변형을 보이며 최종적으로 CFRP탈락하중 360kN (하부플랜지 변형률 약 10000μ)부근까지 계속적으로 변형이 증가됨을 보이고 있다.
- Fig. 4를 살펴보면 강화된 지진하중에 의해 각 층별로KBC 2009에 의한 각 층별 전단력 값이 AIK 2000의해 산정된 층별 전단력 값 보다 크며, 특히 최하층인 GL층에서는 60% 정도 전단력 값이 커져 강화된 설계지진하중을 바탕으로 보수보강이 필요함을 알 수 있다. Fig.
- 그러나 FRP 스트립이 탈락(debonding)한 이후 하중이 급작스럽게 떨어지고 이후로는 무보강 실험체와 비슷한 거동을 보이고 있다. 또한 FRP 스트립이 탈락된 시점을 보면, AFRP보강 실험체는 축하중 약 63mm 부근에서 FRP 스트립이 탈락되었으나, CFRP 보강 실험체는 축하중 약 53mm 부근에서 FRP 스트립이 탈락되어 AFRP 스트립이 사용하는 것이 CFRP 스트립을 사용하는 것에 비해 연성 측면에서 개선됨을 보이고 있다. 이는 2장에서 언급한 것처럼 AFRP가 CFRP에 비해 파단시 연실율 값이 커 상대적으로 연성적인 측면에서 유리하기 때문이다.
- 분석결과, AFRP보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16%의 증가 효과가 있는 것으로 나타났으며, CFRP보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16～20%의 증가 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 보강길이에 따라서는 6%정도의 내력변화가 나타나 보강길이가 휨내력에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 상기 하중-변형률 곡선을 통하여 FRP 보강 후 휨재의 인장 부분인 하부 플랜지의 변형률이 감소되었으며, 변형을 증가시키기 위해서는 더 큰 하중이 소요되는 현상을 관찰하였으며 이를 통해 철골보에서의 FRP의 휨보강효과를 검증하였다. 또한 전면보강 실험체에 비해 1/2 보강실험체는 플랜지 하부에서 더 큰 변형이 일어남을 알 수 있으며, 이를 통해 전면보강이 휨보강 효과에 더 효율적임을 알 수 있었다.
- 4에서 또한 각 실험체의 최대내력값(Pmax)을 비교 분석하였다. 먼저 1/2 길이로 보강한 실험체는 무보강 실험체와 최대내력이 거의 비슷하였으며, 전길이에 걸쳐 보강한 실험체는 6%, 4% 내력이 증가된 것으로 나타났다. 또한 Fig.
- Table 4에서 예상최대하중은 무보강 실험체인 경우 전소성모멘트 값으로, 보강실험체인 경우 전소성모멘트 값에FRP의 파단시 휨강도 값을 더하여 산정하였다. 무보강 실험체를 기준으로 FRP를 보 Span 전체에 부착한 경우, FRP 보강에 의해 예상되는 최대 하중 대비 AFRP와 CFRP각각 81%와 77%의 하중을 견디는 것으로 나타났다. 보span의 1/2 길이만 부착한 경우 또한, AFRP와 CFRP실험체 에서 각각 75%와 72%의 결과를 나타났다.
- 무보강 실험체를 기준으로 FRP를 보 Span 전체에 부착한 경우, FRP 보강에 의해 예상되는 최대 하중 대비 AFRP와 CFRP각각 81%와 77%의 하중을 견디는 것으로 나타났다. 보span의 1/2 길이만 부착한 경우 또한, AFRP와 CFRP실험체 에서 각각 75%와 72%의 결과를 나타났다. 실험 결과FRP 부착이 탈락되는 시점까지는 강성과 하중이 증가하는 것으로 나타나고 있으므로, 부착성능을 향상시킬 수 있는 보다 심도 있는 연구가 수행된다면 충분한 휨내력을 발휘할 것으로 사료된다.
- [5]는 철골보의 하부플랜지에 CFRP 스트립을 보강하여 휨실험을 수행하였다. 보강 후 최대 23% 정도의 내력상승효과를 검증하였다. Schnerch et al.
- 이에 본 연구에서는 각 실험체에 대해 항복내력을 분석하였다. 분석결과, AFRP보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16%의 증가 효과가 있는 것으로 나타났으며, CFRP보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16～20%의 증가 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 보강길이에 따라서는 6%정도의 내력변화가 나타나 보강길이가 휨내력에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 상기 하중-변형률 곡선을 통하여 FRP 보강 후 휨재의 인장 부분인 하부 플랜지의 변형률이 감소되었으며, 변형을 증가시키기 위해서는 더 큰 하중이 소요되는 현상을 관찰하였으며 이를 통해 철골보에서의 FRP의 휨보강효과를 검증하였다. 또한 전면보강 실험체에 비해 1/2 보강실험체는 플랜지 하부에서 더 큰 변형이 일어남을 알 수 있으며, 이를 통해 전면보강이 휨보강 효과에 더 효율적임을 알 수 있었다.
- 실험에 사용된 변수는 CFRP 쉬트 보강겹수와 하부 플랜지에 대비 보강길이이다. 실험결과 하부 플랜지 손상을 통해 약54% 정도의 내력이 감소되었으나, CFRP 쉬트의 보강겹수가 증가함에 따라 52%의 내력상승과 26%의 강성이 상승됨을 검증하였다. 보강길이에 따른 분석결과 내력은 상승하였으나 강성에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 8과 같이 탈락(debonding)이 발생하며 실험체가 파괴되는 현상을 보이고 있다. 실험에서 변수로 계획되었던 FRP의 소재종류, 부착길이에 관계없이 FRP의 탈락이 발생되었으며, 강판에서 FRP가 급작스럽게 탈락되는 취성적 파괴거동을 보이고 있다. FRP 탈락(debonding)은 휨변형이 가장 큰 휨재 중앙부 부위에서 단부부위로 확대되어 가고 있으며(Fig 8.
- 우선 초기강성 결과 값을 분석하면, 무보강 실험체 대비최대 6.3% 증가하여 보강에 따른 초기강성 증가효과는 미비한 것으로 나타났다. 또한 초기강성은 FRP의 종류나 보강길이에 거의 영향을 받지 않음을 보이고 있다.
- (1) 항복하중(Py)은 하중변위곡선상에서 초기 선형구간에 대한 강도 값으로 정의한다. 항복하중(Py) 결과 값을 분석하면, AFRP 보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16%의 증가효과가 있는 것으로 나타났으며, CFRP 보강 실험체는 무보강 실험체에 비교하여 항복강도는 약 16～20%의 증가효과가 있는 것으로 나타났다. (2) 또한 두 종류의 FRP는 비슷한 인장강도 값을 지니고 있어 FRP 소재의 종류에 따른 내력차이는 거의 없음을 보이고 있다.
후속연구
- 이와 같이 보강실험체에서 예상되는 하중보다 실험값이 적게 나타나고, 최대내력값에서 보강실험체와 보강실험체의 내력값이 비슷한 이유는 휨가력 중 FRP의 부착성능 저하로 탈락하여 FRP가 충분한 휨강도를 발휘하지 못하기 때문이라 사료된다. 따라서 기존 철근콘크리트 보강에서 쓰이고 있는 박리파괴를 지연시킬 공법(Wrapping, 클램프 등)을 이용하여 박리파괴 시점을 지연시켜 부착성능을 개선한다면 강도와 연성능력을 확보를 동시에 확보할 수 있을 것으로 사료되며, 이에 대해 검증할 수 있는 추가적 연구가 진행되어야 할 것이다.
- (6) 본 연구에서 FRP 보강을 통해 강도적인 측면에서는 보강효과를 확인하였으나, 박리파괴가 발생하여 연성적인 측면에서는 불리함을 관찰하였다. 따라서 기존 철근콘크리트 보강에서 쓰이고 있는 박리파괴를 지연시킬 공법(Wrapping, 클램프 등)을 이용하여 박리파괴를 지연시켜 연성능력을 확보를 검증할 수 있는 추가적 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 이는 2장에서 언급한 것처럼 AFRP가 CFRP에 비해 파단시 연실율 값이 커 상대적으로 연성적인 측면에서 유리하기 때문이다. 만약 FRP 스트립 탈락시점을 지연시킨다면, 연성능력을 개선시킬 수 있을 것으로 예상되며, 향후 클램프나 볼트체결 등을 이용해 FRP 스트립의 탈락시점을 지연시킬 수 있는 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것이다.
- 보span의 1/2 길이만 부착한 경우 또한, AFRP와 CFRP실험체 에서 각각 75%와 72%의 결과를 나타났다. 실험 결과FRP 부착이 탈락되는 시점까지는 강성과 하중이 증가하는 것으로 나타나고 있으므로, 부착성능을 향상시킬 수 있는 보다 심도 있는 연구가 수행된다면 충분한 휨내력을 발휘할 것으로 사료된다. Table.
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