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문제 정의
- 본 논문에서는 고온상태에서와 고온노출후 GFRP 보강근의 인장성능을 비교하였다. 보강근의 고온노출 조건은 120°C, 200°C, 300°C에서 3분 이하로 타 연구자에 비하여 경미한 고온노출조건을 적용하여 실험하였다.
- 또한 이정도의 온도에는 유리섬유 자체에는 전혀 고온에 의한 손상이 없다. 본 연구에서는 고온에서, 고온노출 후 GFRP 보강근의 인장실험을 수행하였다. 두 시험에서 고온노출강도조건은 경미한 수준으로 120°C, 200°C와 300°C의 온도에 3분간 노출하는 것으로 하였다.
- 본 연구에서는 상대적으로 경미한 고온노출조건에 대하여 GFRP 보강근의 고온상태와 고온노출후의 인장성능을 비교 고찰하였다. 경미한 고온노출조건에 대한 연구는 보다 실질적인 차원에서 그 의미를 부여할 수 있다.
제안 방법
- GFRP 보강근의 인장시험은 2차에 걸쳐 수행하였다. 1차는 AT 시험이며, GFRP 보강근이 가열되고 설정된 고온노출강도에 도달하였을 때 인장실험을 수행한 것을 의미한다.
- 먼저 단부앵커작업이 완료된 GFRP 보강근을 시험기에 세팅한 후 가열하였다. 고온가열방법과 보강근 표면의 온도 모니터링 방법은 AF 시험과 동일하며, 미리 설정된 고온노출이력에 도달하면 안전장갑을 착용한 시험자가 가열테이프를 제거한 후 바로 인장실험을 실시하였다.
- 두 시험에서 고온노출강도조건은 경미한 수준으로 120°C, 200°C와 300°C의 온도에 3분간 노출하는 것으로 하였다.
- Table 1은 고온과 고온노출 후의 GFRP 보강근의 인장성능을 연구한 대표적인 논문들을 제시하고 있으며, 각 연구에서 적용한 고온노출조건을 요약하고 있다. 또한 각 논문의 결과는 이후 본 논문의 고찰 그래프에 본 실험의 결과와 함께 제시하고 비교하였다.
- 보강근의 고온노출 조건은 120°C, 200°C, 300°C에서 3분 이하로 타 연구자에 비하여 경미한 고온노출조건을 적용하여 실험하였다. 또한 각 실험의 결과는 타 연구자의 실험결과와 비교하여 실험의 적정성을 평가하였다. 실험결과 획득한 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 이와 같은 실험결과를 기존의 연구결과와 비교한 결과, Vinyl-ester를 사용한 GFRP 보강근의 고온에서의 강도변화와 거의 일치하는 것으로 확인하였다. 또한 이러한 분석을 근거로 본 실험의 적정성을 확인하였다.
- 4(b)는 AT 시험체의 고온노출전경을 나타내고 있다. 먼저 단부앵커작업이 완료된 GFRP 보강근을 시험기에 세팅한 후 가열하였다. 고온가열방법과 보강근 표면의 온도 모니터링 방법은 AF 시험과 동일하며, 미리 설정된 고온노출이력에 도달하면 안전장갑을 착용한 시험자가 가열테이프를 제거한 후 바로 인장실험을 실시하였다.
- 모든 시험에서 고온노출조건은 동일하게 하였으며, 고온노출온도는 상온, 120°C, 200°C와 노출시간은 2분 40초로 하였다.
- 보강근의 고온노출 조건은 120°C, 200°C, 300°C에서 3분 이하로 타 연구자에 비하여 경미한 고온노출조건을 적용하여 실험하였다.
- 인장시험을 위한 보강근의 단부 정착방법은 ASTM D 3916에서 정하고 있는 방법을 준용하였다. 보강근의 직경에 따라 특수하게 제작된 알루미늄판을 Fig. 1과 같이 제작하고, GFRP 보강근의 양단 표면에 붙어 있는 가넷을 완전히 제거한 상태에서 알루미늄판에 넣고 볼트를 체결하여 앵커부를 제작하였다. Fig.
- 두 시험에서 고온노출강도조건은 경미한 수준으로 120°C, 200°C와 300°C의 온도에 3분간 노출하는 것으로 하였다. 실험결과는 잔존인장강도와 잔존탄성계수에 대하여 비교, 분석하였다.
- 4(a)는 AF 시험체의 고온노출전경을 나타내고 있다. 우선 보강근의 표면에 온도를 측정하기 위하여 보강근 표면에 열전대(Thermo couple)를 테이프를 이용하여 부착한 후 가열테이프(Heating tape)를 중앙부를 기준으로 양방향으로 5cm씩 총 10cm 길이에 감아준다. 이때 가열테이프는 온도조절을 위한 조절박스(Contorol box)에 연결하고, 열전대는 Data logger에 연결한다.
- 온도조절박스를 켜고 미리 설정한 온도에 맞추고 가열한다. 이때, Data logger에 연결된 컴퓨터를 통해 보강근의 표면에 온도를 실시간으로 모니터링하며, 미리 설정된 고온노출이력에 도달한 후 가열을 멈추고 가열테이프를 제거한 뒤 상온에서 1일간 방치하였다.
- 전술한 바와 같이 AT 시험과 AF 시험은 각각 수행되었다. 모든 시험에서 고온노출조건은 동일하게 하였으며, 고온노출온도는 상온, 120°C, 200°C와 노출시간은 2분 40초로 하였다.
대상 데이터
- 고온노출은 250°C까지 가열이 가능한 가열테이프를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 GFRP 보강근은 표면에 가넷이 붙어 있는 직경 9.5mm의 보강근이다. 국내에서 생산된 제품이며, 콘크리트 구조물의 보강공법에 사용되고 있다.
데이터처리
- 1차는 AT 시험이며, GFRP 보강근이 가열되고 설정된 고온노출강도에 도달하였을 때 인장실험을 수행한 것을 의미한다. AT 시험은 각 고온노출조건에 대하여 동일한 시험체 3개를 시험하고 평균하였다. 2차 시험은 AF 시험으로 GFRP 보강근을 AT 시험과 동일한 고온노출강도에 노출시킨 후 1일이 경과할 때까지 상온에서 방치한 후 인장실험을 수행한 것을 의미한다.
- 2차 시험은 AF 시험으로 GFRP 보강근을 AT 시험과 동일한 고온노출강도에 노출시킨 후 1일이 경과할 때까지 상온에서 방치한 후 인장실험을 수행한 것을 의미한다. 동일한 시험체 10개를 시험하고 평균하였다.
이론/모형
- 인장시험을 위한 보강근의 단부 정착방법은 ASTM D 3916에서 정하고 있는 방법을 준용하였다. 보강근의 직경에 따라 특수하게 제작된 알루미늄판을 Fig.
성능/효과
- (1) 경미한 고온노출조건에도 불구하고 고온에서 GFRP 보강근의 인장성능은 명확한 감소를 나타내었다. 강도의 경우 120°C에서 12%, 200°C와 300°C에서 27% 감소하였으며, 탄성계수는 200°C와 300°C에서 약 10% 감소가 나타났다.
- (2) 동일한 고온노출조건에 노출된 후 1일이 경과한 시점에서 인장성능의 변화를 고찰한 결과, 잔존인장강도는 95% 이상이었으며, 잔존탄성계수도 100% 이상으로 확인되었다. 기존 연구자들의 실험결과와 비교하였을 때 그 영향이 미미한 것으로 확인되었다.
- (3) 고온과 고온노출 후 인장성능의 변화를 비교 분석한 결과, 200°C 이하의 온도에 3분 이하의 짧은 노출에도 고온에서 GFRP 보강근의 인장성능은 저하되지만 고온노출 후에는 시간 경과에 따라 저하된 인장성능이 대부분 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 화재로 손상 받은 GFRP 보강구조물의 상태평가에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
- Fig.11(a)의 강도결과를 살펴보면, 고온에서는 강도의 저하가 크게 나타나지만 이후 1일이 지난 후에는 강도가 회복되는 것을 확인할 수 있다. 120°C의 노출에서는 강도가 모두 회복되는 것으로 나타났으며, 200°C 노출에서는 25%의 강도회복이 발생하는 것으로 나타났다.
- 한편, Fig. 11(b)의 탄성계수의 경우에는 오히려 고온상태에서의 탄성계수보다 고온노출 후의 탄성계수가 오히려 큰 것으로 나타났으나, 탄성계수 측정치의 변동계수가 다소 큰 것을 감안할때, 이와 같은 결과는 고온노출 후에 탄성계수가 100% 회복되는 것으로 해석할 수 있다.
- 120°C 노출에서는 인장강도의 감소는 없으며, 탄성계수는 오히려 9GPa 증가하는 결과를 보였다.
- 120°C의 노출에서는 강도가 모두 회복되는 것으로 나타났으며, 200°C 노출에서는 25%의 강도회복이 발생하는 것으로 나타났다.
- 200°C 노출에서도 인장강도의 감소는 약 30MPa로 매우 제한적으로 감소하였으며, 탄성계수는 여전히 상온에서의 탄성계수보다 5GPa 큰 것으로 나타났다.
- 200°C 노출에서도 인장강도의 감소는 약 30MPa로 매우 제한적으로 감소하였으며, 탄성계수는 여전히 상온에서의 탄성계수보다 5GPa 큰 것으로 나타났다. AF 시험에서도 인장강도의 변동계수는 10%를 초과하지 않는 것으로 나타났으며, 탄성계수의 변동계수는 약 20%로 나타났다.
- 상온시험의 결과, 상온 시험체의 평균 인장강도와 인장탄성계수는 648MPa, 45GPa인 것으로 나타났다. 그러나 경미한 고온노출강도임에도 불구하고 노출온도가 증가할수록 상당한 인장강도의 감소가 확인되었다. 한편, 인장탄성계수의 경우 200°C노출과 300°C 노출에도 불구하고 40GPa 이상으로 큰 감소는 발생하지 않았다.
- 이와 같은 차이의 원인은 고온노출강도의 차이 때문으로 판단된다. 그러므로 본 실험과 같이 경미한 고온노출 강도에 노출된 후 GFRP 보강근의 잔존 인장성능의 손실은 미미한 것으로 파악되었다.
- (2) 동일한 고온노출조건에 노출된 후 1일이 경과한 시점에서 인장성능의 변화를 고찰한 결과, 잔존인장강도는 95% 이상이었으며, 잔존탄성계수도 100% 이상으로 확인되었다. 기존 연구자들의 실험결과와 비교하였을 때 그 영향이 미미한 것으로 확인되었다. 이와 같은 차이의 원인은 고온노출강도의 차이 때문으로 판단된다.
- (2013)은 poly-ester가 레진으로 사용된 제품에 대한 실험을 수행하였으며, 그 외 논문에서 시험한 보강근은 Vinyl-ester 레진으로 구성된 보강근임을 알 수 있다. 따라서 보강근에 사용된 레진의 종류에 따라 고온에서 강도감소 경향이 크게 달라지는 것을 확인할 수 있으며, poly-ester가 레진으로 사용된 경우 고온에서 강도의 저하가 큰 것을 확인할 수 있다.
- 따라서 본 연구에서 보강근 노출온도 120°C와 200°C는 유리전이온도와 이보다 80℃ 높은 수준에 불과하다.
- 상온시험에서 보강근의 중앙부가 파단되며 전형적인 인장파괴의 모습을 확인할 수 있다. 또한, 고온에 노출된 시험체의 경우 파단부에 가열테이프를 감아서 고온에 노출시킨 부분과 일치하는 것을 확인할 수 있다. 특히 200°C 노출 시험체의 경우 그림에서 확인할 수 있듯이 고온노출부의 보강근 표면이 검은색으로 변색된 것으로 확인할 수 있으며, 이 부분에서 보강근이 파단되었다.
- 따라서, 이와 같은 차이는 본 연구에서 적용한 고온노출의 강도가 타 연구자의 고온노출조건에 비하여 상대적으로 경미하기 때문으로 해석될 수 있다. 본 실험의 결과를 통해 동일한 온도라 할지라도 GFRP 보강근이 받은 고온의 노출이력에 따라 고온노출 후 잔존강도 및 잔존탄성계수에는 큰 차이가 발생할 수 있다. 또한 노출강도가 본 실험과 같이 경미한 경우에는 강도와 탄성계수의 손실이 미미하다.
- 7은 각 노출온도별 시험체의 평균 잔존인장강도와 잔존탄성계수를 나타내고 있다. 상온시험의 결과, 상온 시험체의 평균 인장강도와 인장탄성계수는 648MPa, 45GPa인 것으로 나타났다. 그러나 경미한 고온노출강도임에도 불구하고 노출온도가 증가할수록 상당한 인장강도의 감소가 확인되었다.
- 강도와 마찬가지로 poly-ester가 사용되었을 때 탄성계수의 감소가 큰 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 종합할 때, 본 연구에서 고온상태의 실험결과는 적정하게 수행된 것으로 판단된다.
- 강도의 경우 120°C에서 12%, 200°C와 300°C에서 27% 감소하였으며, 탄성계수는 200°C와 300°C에서 약 10% 감소가 나타났다. 이와 같은 실험결과를 기존의 연구결과와 비교한 결과, Vinyl-ester를 사용한 GFRP 보강근의 고온에서의 강도변화와 거의 일치하는 것으로 확인하였다. 또한 이러한 분석을 근거로 본 실험의 적정성을 확인하였다.
- 인장강도는 120°C에서 12%, 200°C와 300°C에서 약 27%의 감소가 발생하는 것으로 나타났다.
- 한편, 인장탄성계수의 경우 200°C노출과 300°C 노출에도 불구하고 40GPa 이상으로 큰 감소는 발생하지 않았다. 인장강도의 표준편차는 최대 56MPa로 변동계수가 10%를 초과하지 않는 것으로 나타났으며, 탄성계수의 표준편차는 최대 약 9GPa로 변동계수가 약 20%에 달하는 것으로 나타났다.
- 탄성계수의 경우, 120°C에서는 20%, 200°C에서 10% 증가하는 것으로 나타났다.
- 탄성계수의 경우, 120°C에서는 변화가 없으나, 200°C와 300°C에서 10% 이내의 감소가 확인되었다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서 보강근 노출온도 120°C와 200°C는 유리전이온도와 이보다 80℃ 높은 수준에 불과하다. 이 기준은 설계기준이지만 화재 손상 받은 GFRP 보강 구조물의 성능평가를 위한 평가기준을 정하는 데에도 유효한 참고자료가 될 것이다. 그러므로 실질적인 차원에서 GFRP 보강근으로 보강된 구조물의 화재 후 손상평가에서 의미 있는 GFRP 보강근의 고온노출강도는 경미한 수준이 될 것이다.
- (3) 고온과 고온노출 후 인장성능의 변화를 비교 분석한 결과, 200°C 이하의 온도에 3분 이하의 짧은 노출에도 고온에서 GFRP 보강근의 인장성능은 저하되지만 고온노출 후에는 시간 경과에 따라 저하된 인장성능이 대부분 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 화재로 손상 받은 GFRP 보강구조물의 상태평가에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
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