일본 국토교토성이 책정한 <도로교 장수명화 수선계획사업>에 의하면, 주요 지역에 건설된 RC 상판의 심각한 손상 원인은 대형차량의 주행하중에 의한 피로열화와 재료의 경년열화 등으로 보고되어지고 있다. 따라서 이에 대한 대책으로 탄소섬유 시트를 이용한 하부 접착 보강공법이 많이 소개되어지고 있으나, 최근에는 CFS와 동등한 재료특성치를 보유하며, 시공성이 뛰어난 탄소섬유 스트랜드 시트가 새로운 보강재료로써 관심이 증폭되어지고 있다. 그러나 이러한 CFSS의 윤하중 피로실험을 통한 내피로성 평가는 현재 일부 연구기관에서만 그 성과가 보고되어지고 있는 실정이며, 국내에서는 아직까지 연구성과에 관한 보고 등이 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 RC 상판의 하부에 CFS를 전면접착 보강한 실험체와 CFSS를 격자형으로 보강한 실험체를 제작하여, 윤하중 피로실험을 실시하고 내피로성을 평가하였다.
일본 국토교토성이 책정한 <도로교 장수명화 수선계획사업>에 의하면, 주요 지역에 건설된 RC 상판의 심각한 손상 원인은 대형차량의 주행하중에 의한 피로열화와 재료의 경년열화 등으로 보고되어지고 있다. 따라서 이에 대한 대책으로 탄소섬유 시트를 이용한 하부 접착 보강공법이 많이 소개되어지고 있으나, 최근에는 CFS와 동등한 재료특성치를 보유하며, 시공성이 뛰어난 탄소섬유 스트랜드 시트가 새로운 보강재료로써 관심이 증폭되어지고 있다. 그러나 이러한 CFSS의 윤하중 피로실험을 통한 내피로성 평가는 현재 일부 연구기관에서만 그 성과가 보고되어지고 있는 실정이며, 국내에서는 아직까지 연구성과에 관한 보고 등이 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 RC 상판의 하부에 CFS를 전면접착 보강한 실험체와 CFSS를 격자형으로 보강한 실험체를 제작하여, 윤하중 피로실험을 실시하고 내피로성을 평가하였다.
According to the results of "Highway Bridges Long Life Repair Plan." The most serious damage to RC slabs is caused by fatigue deterioration, which results from the driving loads of large-sized vehicles, and aging of materials. In response to this, adhesion reinforcement using carbon fiber sheet is b...
According to the results of "Highway Bridges Long Life Repair Plan." The most serious damage to RC slabs is caused by fatigue deterioration, which results from the driving loads of large-sized vehicles, and aging of materials. In response to this, adhesion reinforcement using carbon fiber sheet is being adopted. In addition, carbon fiber strand sheet that holds the same material characteristics as CFS, but has superior workability, has been developed as a new reinforcement material. However, almost no studies have been conducted on CFSS in relation to fatigue resistance evaluation through fatigue tests under running wheel loads, with the exception of a few by some organizations. Therefore, in this study, specimens with front CFS adhesion reinforcement on the bottom surface of the RC slab and specimens with grid-type CFSS reinforcement were manufactured. Then, fatigue tests under running wheel loads were conducted, and thus fatigue resistance was evaluated using the specimens.
According to the results of "Highway Bridges Long Life Repair Plan." The most serious damage to RC slabs is caused by fatigue deterioration, which results from the driving loads of large-sized vehicles, and aging of materials. In response to this, adhesion reinforcement using carbon fiber sheet is being adopted. In addition, carbon fiber strand sheet that holds the same material characteristics as CFS, but has superior workability, has been developed as a new reinforcement material. However, almost no studies have been conducted on CFSS in relation to fatigue resistance evaluation through fatigue tests under running wheel loads, with the exception of a few by some organizations. Therefore, in this study, specimens with front CFS adhesion reinforcement on the bottom surface of the RC slab and specimens with grid-type CFSS reinforcement were manufactured. Then, fatigue tests under running wheel loads were conducted, and thus fatigue resistance was evaluated using the specimens.
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제안 방법
따라서, 본 연구에서는 RC 상판의 하부 전면에 CFS를 접착보강한 공시체 및 같은 양의 CFSS를 상판 하부에 격자형으로 접착한 공시체를 이용하여 윤하중 피로실험을 통해 내피로성을 평가하였다.
이상의 결과로 보아, 등가주행횟수는 증가하지만 균열과 박리는 감소하여 균열의 발생을 억제하여 내피로성이 증가하였다고 판단된다. 또한 CFSS를 격자 형태로 보강함으로써 보강 후의 균열 또는 박리를 확인하는데 유용하였다.
윤하중 피로실험은 주행 20,000회 마다 하중을 증가시키기 때문에 기준 하중과 재하 하중 그리고 실험 주행횟수의 관계로부터 등가주행횟수(Neq)를 산출, 보강 효과 및 내피로성을 평가하였다. 윤하중 주행에 의한 등가주행횟수 Neq는 마이너 측에 따른다고 가정하고 다음 식(식-1)으로 나타낼 수 있다.
대상 데이터
두 개의 실험체철근은 모두 SD295 A, D10을 사용하였다. RC 상판 실험체의 치수는 전장 1,470 mm, 지간 1,200 mm, 두께 130 mm로 한다. 철근은 복철근 배치로 하며, 인장측의 주철근(축 직각 방향)에는 D10을 100 mm 간격으로 배치하고, 유효높이 105 mm로 한다.
실험대상의 RC 상판 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 5 mm 이하의 잔골재, 그리고 5 mm~20 mm의 굵은 골재(JIS A 5005)를 사용하였다. 두 개의 실험체철근은 모두 SD295 A, D10을 사용하였다. RC 상판 실험체의 치수는 전장 1,470 mm, 지간 1,200 mm, 두께 130 mm로 한다.
본 실험에 사용하는 CFS는 단위중량 200 g/m2, 설계두께 0.111 mm, 인장강도 4,420 N/mm2, 영계수 235 kN/mm2의 재료특성을 보유한 섬유를 사용하고, CFSS는 단위중량 600 g/m2, 설계 두께 0.333 mm, 인장강도 4,310N/mm2, 영계수 245 kN/mm2의 재료특성을 보유한 섬유를 사용하였다. 여기서, CFS 및 CFSS의 접착 보강 순서를 나타낸 모식도를 Fig.
본 실험에서 사용한 실험체는 일본 도로교 시방서[10]의 규정에 기초하여 설계하고, 본 실험장치의 윤하중 즉, 차륜 폭과 도로교 시방서가 규정하는 윤하중 폭(500 mm)의 비율에 의해 모델화 한 것을 사용하였다. 즉, 본 실험장치에 대한 윤하중 폭이 300 mm의 차륜으로 실험하는 실험체를 3/5 모델(= 300/500)로 한다.
실험대상의 RC 상판 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 5 mm 이하의 잔골재, 그리고 5 mm~20 mm의 굵은 골재(JIS A 5005)를 사용하였다. 두 개의 실험체철근은 모두 SD295 A, D10을 사용하였다.
본 실험에서 사용한 실험체는 일본 도로교 시방서[10]의 규정에 기초하여 설계하고, 본 실험장치의 윤하중 즉, 차륜 폭과 도로교 시방서가 규정하는 윤하중 폭(500 mm)의 비율에 의해 모델화 한 것을 사용하였다. 즉, 본 실험장치에 대한 윤하중 폭이 300 mm의 차륜으로 실험하는 실험체를 3/5 모델(= 300/500)로 한다.
성능/효과
1) CFS 접착보강 RC 상판 공시체 CFS-1,2의 평균등가주행횟수는 무보강 RC 상판 공시체 RC-1,2의 평균등가주행횟수에 비해 20.6배의 보강효과가 확인되었다. 또한 신재료, 신공법의 CFSS를 격자형으로 접착보강한 RC 상판 공시체 CFSS-1,2의 평균등가주행횟수는 무보강 RC 상판 공시체 RC-1,2에 비해 25.
2) 처짐과 등가주행횟수의 관계는 모든 공시체에 대하여 상판 지간 L/400 즉, 처짐 3.5 mm에서 처짐이 급격하게 증가한 후 파괴에 이르렀다. 처짐이 상판 지간 L/400에 도달한 시점의 등가주행횟수를 비교하면, 무보강 RC 상판 공시체 RC-1,2의 평균등가주행횟수를 기준으로 CFS 및 CFSS 접착보강 공시체가 각각 39.
3) 파괴형상은 무보강 RC 상판에 대하여 철근 배치위치에 2방향 균열과 다웰 효과의 영향범위에 박리가 발견되었다. CFS 전면접착보강 RC 상판의 경우, 다웰효과의 범위에 박리가 발견되었지만 CFS 전면접착으로 인해 균열이 억제되고 내피로성이 증가하였다.
7배 증가하였다. CFSS 격자접착 보강RC 상판 공시체 CFSS-1,2는 무보강 RC 상판 공시체에 비하여 처짐 및 균열의 발생이 억제되는 것을 확인할 수 있었다. CFSS-1,2 공시체가 처짐 3.
CFSS-1,2 공시체가 처짐 3.5 mm에 한하는 시점의 등가주행횟수는 각각 215.90 × 106회, 255.70 × 106회, 평균등가주행횟수는 235.80 × 106회로, 무보강 및 CFS전면접착보강에 비하여 각각 55.3배, 1.4배 증가한 결과를 확인할 수 있었다.
1 × 106회로 산출되었다. CFSS-1,2의 평균등가주행횟수를 분석한 결과 CFSS-1,2가 무보강 RC 상판 공시체에 비해 내피로성이 약 25.3배 높게 분석되었고, CFS 접착보강 RC 상판 공시체와 CFSS 격자접착보강 RC 상판 공시체의 평균등가주행횟수를 비교하여 본 결과 CFSS 격자접착보강의 공시체가 내피로성이 약 1.2배 높아 보강효과가 좋은 것으로 분석되었다. 따라서 CFS 접착보강 RC 상판 실험체와 마찬가지로 신재료, 신공법의 CFSS 격자접착보강방법의 등가주행횟수가 CFS접착보강방법의 등가주행횟수를 상회하는 결과가 나타났다.
CFS 전면접착보강 RC 상판의 경우, 다웰효과의 범위에 박리가 발견되었지만 CFS 전면접착으로 인해 균열이 억제되고 내피로성이 증가하였다. 그리고 CFSS 격자접착보강의 경우, 균열과 박리의 억제가 확인되었고, 보강 후의 육안을 통한 점검이 용이하였다. 모든 실험체에 대하여 파괴는 윤하중 주행 중 펀칭 전단파괴가 발생되며, CFS 및 CFSS의 파단은 발견되지 않았다.
다음으로 CFS 접착보강 RC 상판 공시체 CFS-1의 등가주행횟수는 258.1 × 106회, RC-2의 등가주행횟수는 269.5 ×106회이며, 평균등가주행횟수 Neq는 263.8 × 106회로, 무보강 RC 상판 공시체에 비하여 약 20.6배의 내피로성이 높은 것으로 분석되었다.
2배 높아 보강효과가 좋은 것으로 분석되었다. 따라서 CFS 접착보강 RC 상판 실험체와 마찬가지로 신재료, 신공법의 CFSS 격자접착보강방법의 등가주행횟수가 CFS접착보강방법의 등가주행횟수를 상회하는 결과가 나타났다.
6배의 보강효과가 확인되었다. 또한 신재료, 신공법의 CFSS를 격자형으로 접착보강한 RC 상판 공시체 CFSS-1,2의 평균등가주행횟수는 무보강 RC 상판 공시체 RC-1,2에 비해 25.3배의 보강효과가 확인되었다. 또한, CFS 접착보강 RC 상판 공시체에비교하여 약 1.
3배의 보강효과가 확인되었다. 또한, CFS 접착보강 RC 상판 공시체에비교하여 약 1.2배의 보강효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 CFSS 격자접착보강의 경우, 균열과 박리의 억제가 확인되었고, 보강 후의 육안을 통한 점검이 용이하였다. 모든 실험체에 대하여 파괴는 윤하중 주행 중 펀칭 전단파괴가 발생되며, CFS 및 CFSS의 파단은 발견되지 않았다.
30 ×106회이다. 무보강 RC 상판 공시체와 CFS 접착보강 RC 상판 공시체가 상판지간 L의 1/400에 도달하는 시점의 평균등가주행횟수를 비교하면 CFS 접착보강 RC상판 공시체가 39.7배 증가하였다. CFSS 격자접착 보강RC 상판 공시체 CFSS-1,2는 무보강 RC 상판 공시체에 비하여 처짐 및 균열의 발생이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과로 보아, 등가주행횟수는 증가하지만 균열과 박리는 감소하여 균열의 발생을 억제하여 내피로성이 증가하였다고 판단된다. 또한 CFSS를 격자 형태로 보강함으로써 보강 후의 균열 또는 박리를 확인하는데 유용하였다.
5 mm에서 처짐이 급격하게 증가한 후 파괴에 이르렀다. 처짐이 상판 지간 L/400에 도달한 시점의 등가주행횟수를 비교하면, 무보강 RC 상판 공시체 RC-1,2의 평균등가주행횟수를 기준으로 CFS 및 CFSS 접착보강 공시체가 각각 39.7배 55.3배 증가하여, 처짐의 억제를 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도로교 RC 상판이 발생하면 나타나는 문제점은?
도로교 RC 상판은 대형차량의 반복주행 작용에 의한 피로열화 및 콘크리트 재료의 경년열화로 인해 균열이 발생하며, 이로 인하여 내하력성능 및 내피로성의 저하가 급격히 증가되고 있는 추세이다[1, 2]. 이에 대한 대책으로, 도로교 RC 상판 균열의 손상에 따른 내하력성능 및 내피로성의 회복은 경량 및 시공성이 우수한 탄소섬유시트(이하, CFS) 접착보강공법이 많이 검토되어지고 있다[3-5].
도로교 RC 상판의 발생원인은?
도로교 RC 상판은 대형차량의 반복주행 작용에 의한 피로열화 및 콘크리트 재료의 경년열화로 인해 균열이 발생하며, 이로 인하여 내하력성능 및 내피로성의 저하가 급격히 증가되고 있는 추세이다[1, 2]. 이에 대한 대책으로, 도로교 RC 상판 균열의 손상에 따른 내하력성능 및 내피로성의 회복은 경량 및 시공성이 우수한 탄소섬유시트(이하, CFS) 접착보강공법이 많이 검토되어지고 있다[3-5].
참고문헌 (12)
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T. Abe, T. Kida, C.H. Won and A. Komori, "Evaluation of fatigue resistance and maintenance of RC slab reinforced by CFS under running wheel load", Cem. Sci. & Conc. Tech. 65 (2012) 493.
C.H. Won, T. Abe, M. Takano and A. Komori, "Evaluation of fatigue resistance of strenthened with CFS bonded RC slabs and proposal of an S-N curve equation", JSCE Committee of Struc. Eng. 59A (2013) 1075.
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C.H. Won, T. Abe, T. Kida, M. Takano and A. Komori, "The effect of reinforcement and fatigue resistance of the CFS- and CFSS-reinforced RC slabs", J. Struc. Eng. Vol. 58A (2012) 1189.
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