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문제 정의
- 본 연구에서는 상기 제시한 논문과 달리 노출순서를 바꾸어 먼저 고온으로 손상된 GFRP 보강근이 장기간 알칼리 용액에 노출되었을 때, 계면전단성능의 변화를 실험적으로 평가하고자 하였다. 이 실험의 결과는 화재노출 후에도 교체하지 않고 손상된 GFRP 보강근을 계속 사용할 경우에 계면전단성능의 변화를 평가할 수 있는 기초자료가 될 것이다.
- 이 실험의 결과는 화재노출 후에도 교체하지 않고 손상된 GFRP 보강근을 계속 사용할 경우에 계면전단성능의 변화를 평가할 수 있는 기초자료가 될 것이다. 특히, 본 연구에서는 계면전단강도 (Inter-laminar Shear Strength, 이하 ISS 강도) 변화를 고찰하였다. Abanilla et al.
제안 방법
- 본 연구에서는 Table 1과 같이 GFRP 보강근 시험편을 4가지로 분류하였다. 첫 번째 시험편은 NDS (Non-Damaged Specimen)로서, 고온과 알칼리에도 노출시키지 않은 시편이다.
- GFRP 보강근을 Table 1에 제시한 바와 같이 일정기간동안 알칼리 용액에 담근 후 ISS 강도 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 계면전단강도 측정시험법으로서 ASTM D4475에 제시되어있는 방법으로 ISS 강도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 계면전단강도 측정시험법으로서 ASTM D4475에 제시되어있는 방법으로 ISS 강도를 측정하였다. 실험결과의 분석은 최대강도, 하중-변위 곡선을 용액노출기간에 따라 비교하였으며, 폭로조건에 따른 실제열화기간에 대한 고찰을 수행하였다. 그리고 시편의 개수는 변수 당 5개씩 실험을 수행하였다.
- 실험결과의 분석은 최대강도, 하중-변위 곡선을 용액노출기간에 따라 비교하였으며, 폭로조건에 따른 실제열화기간에 대한 고찰을 수행하였다. 그리고 시편의 개수는 변수 당 5개씩 실험을 수행하였다.
- GFRP 보강근의 고온손상 방법으로는 1000℃까지 노출시킬 수 있는 고온전기로를 이용하였다. 고온 노출온도 및 노출시간은 Moon (2013)이 제시하고 있는 상온 ISS강도의 50%가 되는 임계온도 (270℃) 및 임계시간 (1시간)을 적용하였다. 본 연구에서 기준이 되는 NDS 시편과 TDS 시편을 5개씩 먼저 실험을 실시하였고, 이에 대한 결과는 Table 3에 나타내었다.
- NDS와 TDS 시편의 손상 상태를 파악하기 위하여 보강근의 단면을 연마하여 고온 손상 전과 후의 단면을 현미경으로 확인하였고, 배율은 50배로 촬영하였다. 이에 대한 사진은 Photo 2에서 확인할 수 있다.
- Bath에 침지한 시편은 왼쪽부터 상온 시편 다음에 열손상 시편 순으로 하여 용액에 노출시켰고, 해당 일수에 도달하면 시편을 꺼내어 실험을 실시하였다. 그리고 pH가 잘 유지되고 있는지를 확인하기 위하여, pH 체크 시험기를 이용하여 주기적으로 pH를 체크하였다.
- 2에서는 ADS 시편과 TADS 시편의 ISS 강도를 알칼리 노출시간에 대하여 비교하여 나타내고 있다. NDS 시편및 TDS 시편의 강도를 기준으로 하였고, 이후 장기 알칼리 노출에 따른 실험결과를 나타내었다. 그리고 실험결과를 1차 선형그래프로 보간하여 상호 비교하였다.
- ADS 시편과 TADS 시편을 장기 알칼리 노출에 따른 강성 변화를 확인하였다. 계산방법으로는 각 시험체 최대하중의 20% 지점과 80% 지점에 하중-변위 결과를 이용한 강성 변화를 Fig.
- 각 ISS 강도비의 결과를 회귀분석결과, ADS에 비하여 TADS가 실제열화 기간이 증가할수록 급격한 강도의 감소가 나타남을 확인할 수 있다. 부족한 데이터를 보충하기 위하여 실내시험에서의 시험편 노출일수 120일, 150일에 해당하는 실제열화일수를 계산하여 그래프에 추가하였다. 120일과 150일의 잔존 ISS 강도는 Fig.
- 이는 보강근의 역학적 성능이 장기적인 다양한 열화인자에 의하여 감소할 것을 감안한 강도감소계수이며, 설계를 위한 임계치에 해당한다. 이를 기준으로 ADS와 TADS 계면전단강도에 대한 내구수명을 평가하였다.
- 이 논문에서는 고온 손상이 없는 GFRP 보강근과 270℃에 1시간 동안 고온 노출된 고온손상이 있는 직경 9.5mm GFRP 보강근을 장기간 동안 강알칼리 용액에 노출시켜 계면전단강도의 변화를 관찰하였다. 본 연구를 통해 획득한 결론은 다음과 같다.
- (4) 실험결과를 토대로 고온손상이 있는 GFRP 보강근의 알칼리 환경에서 실제열화기간에 따른 잔존계면전단 강도의 평가를 위한 2차방정식을 제안하였다.
- 고온 노출온도 및 노출시간은 Moon (2013)이 제시하고 있는 상온 ISS강도의 50%가 되는 임계온도 (270℃) 및 임계시간 (1시간)을 적용하였다. 본 연구에서 기준이 되는 NDS 시편과 TDS 시편을 5개씩 먼저 실험을 실시하였고, 이에 대한 결과는 Table 3에 나타내었다. NDS 시편의 계면전단강도는 평균이 67.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Table 1과 같이 GFRP 보강근 시험편을 4가지로 분류하였다. 첫 번째 시험편은 NDS (Non-Damaged Specimen)로서, 고온과 알칼리에도 노출시키지 않은 시편이다. 두 번째는 ADS (Alkali Damaged Specimen)로서, 40℃의 pH 12.
- 실험에 사용된 GFRP 보강근은 Photo 1 및 Table 2에서 설명한 바와 같다. 직경 9.
- 실험에 사용된 GFRP 보강근은 Photo 1 및 Table 2에서 설명한 바와 같다. 직경 9.5mm로 국내에서 제작된 제품을 사용하였으며, 유리섬유와 비닐에스테르를 ROD 형태로 합성하고 표면은 가넷으로 함침하여 제조한 보강근이다. 섬유 주위의 가넷은 콘크리트와의 부착강도를 높이는 역할을 한다.
- ISS 실험방법으로는 ASTM D4475에 규정된 방법을 이용하여 실험을 수행하였다. 실험 시 경간은 5d (=47.5mm)로 하였고, 총 시편 길이는 8d (=76mm)이다. 재하속도는 변위 제어로 1.
데이터처리
- NDS 시편및 TDS 시편의 강도를 기준으로 하였고, 이후 장기 알칼리 노출에 따른 실험결과를 나타내었다. 그리고 실험결과를 1차 선형그래프로 보간하여 상호 비교하였다. 이때, 실선은 ADS 시편의 결과를 의미하고, 점선은 TADS 시편의 결과를 의미한다.
이론/모형
- GFRP 보강근을 Table 1에 제시한 바와 같이 일정기간동안 알칼리 용액에 담근 후 ISS 강도 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 계면전단강도 측정시험법으로서 ASTM D4475에 제시되어있는 방법으로 ISS 강도를 측정하였다. 실험결과의 분석은 최대강도, 하중-변위 곡선을 용액노출기간에 따라 비교하였으며, 폭로조건에 따른 실제열화기간에 대한 고찰을 수행하였다.
- ISS 실험방법으로는 ASTM D4475에 규정된 방법을 이용하여 실험을 수행하였다. 실험 시 경간은 5d (=47.
성능/효과
- Moon and Oh (2011)는 이와 같은 GFRP 보강근의 평가를 위하여 먼저 장기적인 알칼리 폭로 이후 고온노출로 인해 발생하는 계면전단강도 변화에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 연구결과에 의하면, 알칼리 노출이 없는 보강근의 고온에 의한 강도저하 보다 알칼리 노출 후 고온에 의한 손상이 10% 이상 크다고 제시하였다.
- 본 연구에서 기준이 되는 NDS 시편과 TDS 시편을 5개씩 먼저 실험을 실시하였고, 이에 대한 결과는 Table 3에 나타내었다. NDS 시편의 계면전단강도는 평균이 67.95MPa로 측정되었고, 표준편차 및 변동계수는 각각 1.5MPa과 2.3%로 나타났다. 그리고 TDS 시편의 ISS 강도는 평균 51.
- 3%로 나타났다. 그리고 TDS 시편의 ISS 강도는 평균 51.80MPa이고 표준편차 및 변동계수는 9.2MPa와 13.5%로 측정되었다. 따라서 고온에 의한 ISS 강도 감소는 23.
- 5%로 측정되었다. 따라서 고온에 의한 ISS 강도 감소는 23.8%로 예측한 50%에 못 미치는 것으로 나타났다.
- GFRP 보강근 단면의 고온 손상 전과 후를 비교해 본 결과, NDS 시편에는 없었던 균열을 TDS 시편에서 확인할 수 있었다. 고온에 의하여 발생한 균열로, 균열폭은 0.
- GFRP 보강근 단면의 고온 손상 전과 후를 비교해 본 결과, NDS 시편에는 없었던 균열을 TDS 시편에서 확인할 수 있었다. 고온에 의하여 발생한 균열로, 균열폭은 0.006mm이며, 길이는 0.13mm의 균열이 수개 발생한 것으로 확인되었다. 각 균열은 실험하중 방향에 대하여 다양한 각도와 형상을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 8%의 강도감소가 있었다. TADS 시편은 30일 ~ 180일까지 강도감소는 33.1%, 36.7%, 42.8%, 60.5% 및 91.6%로 나타났다.
- 즉, 각 영향인자가 단순하게 중첩된다면 알칼리 용액과 열로 인한 강도 감소의 합은 열손상 후 알칼리 용액에 노출되었을 때 강도 감소와 같아야 한다. 그러나 60일차의 결과를 확인해보면, 알칼리에 의한 감소 4.8%, 열에 의한 감소 23.8%의 합(28.6%)과 TADS 60일 시편의 강도감소 42.8%는 상당한 차이가 있다. 따라서, 복합환경으로 인한 강도의 손상이 개별적인 영향에 의한 강도저하 보다 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있다.
- 8%는 상당한 차이가 있다. 따라서, 복합환경으로 인한 강도의 손상이 개별적인 영향에 의한 강도저하 보다 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있다. 개별의 영향에 인한 손상에 추가하여 발생한 강도저하는 30일의 경우 8.
- 따라서, 복합환경으로 인한 강도의 손상이 개별적인 영향에 의한 강도저하 보다 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있다. 개별의 영향에 인한 손상에 추가하여 발생한 강도저하는 30일의 경우 8.9%, 45일은 9.9%, 60일 14.2%, 80일 33.1%, 180일에는 47.4%에 달하는 것으로 확인할 수 있으며, 노출일수가 증가할수록 강도감소가 가속화되는 것을 명확하게 확인할 수 있다.
- 그래프를 통해 ADS 시편의 기울기보다 TADS 시편의 기울기가 더 커지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, GFRP 보강근이 알칼리 용액에만 노출되더라도 강도감소는 일어나지만 화재손상 후 알칼리 용액에 노출되면 강도감소는 가속화되는 것을 확인할 수 있었다.
- 한편, TADS의 경우 ADS의 하중-변위곡선과 다른 양상을 나타내었다. 우선, 최대하중 이후 급격한 하중의 감소가 나타나지 않고 계면전단파괴가 전단면으로 확장되면서 일시적인 하중증가, 감소가 반복되는 것을 확인할 수 있다. 특히 80일과 180일간 노출된 시험체의 경우 하중상승부의 강성이 크게 감소하는 것으로 나타났다.
- 또한, GFRP 보강근이 최대하중 도달 시에 해당하는 최대 하중 변위를 확인 해본 결과, ADS 시편은 2.5mm인 반면, TADS 시편은 60일까지는 변위 2.0mm에서 80일과 180일에서는 이보다 훨씬 적은 변위에서 계면전단파괴가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 장기간 알칼리에 노출될수록 최대하중이 발생하는 시점에서의 변위가 감소하는 것을 알 수 있다.
- 강성의 변화는 ADS 시편에 대해서는 알칼리 용액에 80일 동안 노출될 때 까지는 강성저하가 크지 않은 것으로 나타났다. 이후 180일에 본격적인 강성저하가 발생하며 약 15%에 이르는 것으로 나타났다.
- 강성감소의 양상은 강도감소와 같이 노출일수에 대하여 선형적인 감소를 나타냄을 확인할 수 있다. 제시된 선형보간식의 경사를 비교해보면, TADS의 강성감소율은 ADS의 7배로 강도에 비하여 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 한편 종축은 잔존 ISS 강도의 비로서, ADS와 TADS의 ISS 강도를 NDS의 ISS 강도로 나누어 비로 나타내었다. 각 ISS 강도비의 결과를 회귀분석결과, ADS에 비하여 TADS가 실제열화 기간이 증가할수록 급격한 강도의 감소가 나타남을 확인할 수 있다. 부족한 데이터를 보충하기 위하여 실내시험에서의 시험편 노출일수 120일, 150일에 해당하는 실제열화일수를 계산하여 그래프에 추가하였다.
- 우선, ADS 결과를 살펴보면, 60년이 경과하여도 잔존 계면전단강도가 70% 이상으로 영구적인 사용이 가능하다. 그러나, TADS는 고온손상으로 인해 ISS 강도가 23.
- 우선, ADS 결과를 살펴보면, 60년이 경과하여도 잔존 계면전단강도가 70% 이상으로 영구적인 사용이 가능하다. 그러나, TADS는 고온손상으로 인해 ISS 강도가 23.8% 저하된 후 잔존 강도 70%까지 6.2%의 추가적인 손상이 발생하는데 2년밖에 걸리지 않는 것으로 평가되었다.
- (1) 콘크리트와 유사한 강알칼리환경에서, 고온손상이 있는 GFRP 보강근의 계면전단강도 감소가 고온손상이 없는 GFRP 보강근의 강도 감소보다 큰 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 알칼리 노출기간이 증가할수록 강도 감소가 증가되는 것으로 나타났다.
- (2) 알칼리 노출기간에 따른 계면전단강도의 감소율을 상대 비교한 결과, 고온손상이 있는 GFRP 보강근은 고온 손상이 없는 GFRP 보강근에 비하여 강도의 감소율이 5배 증가하는 것으로 확인되었다.
- (3) 하중-변위곡선으로부터 강성을 비교한 결과, 고온손상이 있는 GFRP 보강근의 강성 감소율은 고온손상이 없는 GFRP 보강근의 강성 감소율의 7배에 달하는 것으로 나타났다.
- (5) ACI 440.1R-06에서 제시하고 있는 환경계수 70% (외기노출 조건, GFRP 보강근)의 임계점에 도달하는 실제열화기간을 분석한 결과, 유리전이를 상당히 상회 (270도)하는 고온에 노출된 GFRP 보강근의 알칼리 내구연한은 2년에 불과한 반면, 고온손상이 발생이 없는 경우 영구적인 사용이 가능한 것으로 판단된다. 이와 같은 실험결과를 통해 현재 ACI에서 제시하고 있는 환경계수에 대한 평가 보다 정량적인 평가기준과 근거자료를 제시할 수 있다고 판단된다.
- 그래프를 통해 ADS 시편의 기울기보다 TADS 시편의 기울기가 더 커지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, GFRP 보강근이 알칼리 용액에만 노출되더라도 강도감소는 일어나지만 화재손상 후 알칼리 용액에 노출되면 강도감소는 가속화되는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구에서는 상기 제시한 논문과 달리 노출순서를 바꾸어 먼저 고온으로 손상된 GFRP 보강근이 장기간 알칼리 용액에 노출되었을 때, 계면전단성능의 변화를 실험적으로 평가하고자 하였다. 이 실험의 결과는 화재노출 후에도 교체하지 않고 손상된 GFRP 보강근을 계속 사용할 경우에 계면전단성능의 변화를 평가할 수 있는 기초자료가 될 것이다. 특히, 본 연구에서는 계면전단강도 (Inter-laminar Shear Strength, 이하 ISS 강도) 변화를 고찰하였다.
- 1R-06에서 제시하고 있는 환경계수 70% (외기노출 조건, GFRP 보강근)의 임계점에 도달하는 실제열화기간을 분석한 결과, 유리전이를 상당히 상회 (270도)하는 고온에 노출된 GFRP 보강근의 알칼리 내구연한은 2년에 불과한 반면, 고온손상이 발생이 없는 경우 영구적인 사용이 가능한 것으로 판단된다. 이와 같은 실험결과를 통해 현재 ACI에서 제시하고 있는 환경계수에 대한 평가 보다 정량적인 평가기준과 근거자료를 제시할 수 있다고 판단된다.
- (6) 향후 고온손상정도, 직경, 섬유와 레진의 종류 등 다양한 인자에 대한 영향분석을 통해 보다 일반적인 예측 식의 제안이 필요하다.
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