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문제 정의
- 이 연구에서는 고연성 PET 섬유를 다루므로, 접착제 역시 가능한 한 연성이 큰 접착제를 사용하고자 하였다. 국내외 총 4종의 상용 접착제에 대해 ASTM D638에 따라 인장시험을 각 5회 수행하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다(ASTM D638-08, 2008).
제안 방법
- 실험변수는 Table 3과 같이 섬유 종류와 보강량(CF 시트 1겹, GF 시트 1겹, PET 시트 10겹)이었다. 1,200 kN 용량의 Instron 4495 UTM을 사용하고 변위제어 방식으로 실험체 양단부에 축방향 인장력을 가하여 섬유의 인장파괴 혹은 계면의 부착파괴가 발생할 때까지 가력하여 콘크리트와 섬유간의 부착거동을 고찰하고 그 결과를 보 휨실험에 참고하였다.
- 부착 실험체(double shear test 혹은 pull bond test)는 140 x 150 x 275 mm 크기의 축방향으로 연속된 2개의 직사각형 콘크리트 블록으로 구성되고, 각 콘크리트 블록 내부에 Ø 16 mm steel bar를 설치하여 축방향 가력이 가능하도록 하였다. 2개 블록의 연결부(중앙부)에는 얇은 강판을 부분 설치하여, 가력시 연결된 2개 블록이 중앙부에서 먼저 파괴되도록 하였다. 또한 부착 실험체의 중앙부(Fig.
- 주요 실험변수는 보 단면의 연성비, 보강섬유 종류 및 보강량이었다. Fig. 4에 나타낸 것과 같이 휨파괴를 유도하기 위해 전단경간비를 2.5 이상으로 계획하여 모든 보의 길이는 2 m(경간 1.8 m), 보 단면은 200 x 250 mm으로 하였으며 충분한 양의 스터럽을 배근하였다. 또한 선행된 부착실험 연구를 참고하여 보강량에 따른 부착 및 휨 거동을 비교·고찰하기 위하여 PET 를 10겹, 20겹, 30겹으로 보강하였다.
- 4). PET 보강량을 세 가지(PET 시트 10, 20, 30겹)로 변화시켜서 PET 보강량의 변화에 따른 보강 효과를 고찰하고 무보강 보와 비교하였다. 또한 제 2차 휨실험에서는 보 단부에서 PET와 콘크리트 간 부착거동을 고찰하였다.
- PET는 탄성계수가 낮으므로 효과적인 보강을 위해서 많은 양의 섬유를 사용하여야 하는 반면에 보강섬유의 두께가 두꺼워지면 단부 박리 등의 문제가 발생할 수 있으므로 부착실험을 통하여 PET의 부착 특성을 고찰하였다. 부착실험은 CSA S806 Annex C에 따라서 Fig.
- RC 보의 휨실험을 2차에 걸쳐 총 8회 수행하였다. 주요 실험변수는 보 단면의 연성비, 보강섬유 종류 및 보강량이었다.
- 따라서 이 연구에서는 새로운 고연성 섬유 재료인 polyethylene terephthalate(PET)로 보강된 철근콘크리트 보의 부착실험과 휨실험을 통해 부착 특성 및 휨 거동을 고찰하였으며, 보의 단면해석을 병행하였다.
- 1(b)에 나타낸 섬유의 응력-변형률 관계, Table 2 의 접착제 물성을 이용하였다. 또한 Fig. 2에서 언급하였듯이 PET의 응력-변형률 곡선이 비선형이므로, 전술한바와 같이 PET 변형률 최대 4%까지의 응력-변형률 관계를 최소자승법을 이용한 다항식 형태의 수치 해석적 모델을 해석에 사용하였다.
- 2개 블록의 연결부(중앙부)에는 얇은 강판을 부분 설치하여, 가력시 연결된 2개 블록이 중앙부에서 먼저 파괴되도록 하였다. 또한 부착 실험체의 중앙부(Fig. 3의 steel plate 위치)로부터 보강섬유 단부까지 5 mm 스트레인게이지를 30 mm 간격으로 실험체 양면에 대칭으로 설치하여 하중의 증가에 따른 보강섬유 각 부위의 변형률 변화를 측정하였다. 보강 면을 제외한 나머지 2개 면에 1세트의 LVDT를 콘크리트 면에 설치하여 가력에 따른 변위를 계측하였다.
- 또한 선행된 부착실험 연구를 참고하여 보강량에 따른 부착 및 휨 거동을 비교·고찰하기 위하여 PET 를 10겹, 20겹, 30겹으로 보강하였다.
- PET 보강량을 세 가지(PET 시트 10, 20, 30겹)로 변화시켜서 PET 보강량의 변화에 따른 보강 효과를 고찰하고 무보강 보와 비교하였다. 또한 제 2차 휨실험에서는 보 단부에서 PET와 콘크리트 간 부착거동을 고찰하였다.
- 3의 steel plate 위치)로부터 보강섬유 단부까지 5 mm 스트레인게이지를 30 mm 간격으로 실험체 양면에 대칭으로 설치하여 하중의 증가에 따른 보강섬유 각 부위의 변형률 변화를 측정하였다. 보강 면을 제외한 나머지 2개 면에 1세트의 LVDT를 콘크리트 면에 설치하여 가력에 따른 변위를 계측하였다.
- 보통강도 콘크리트(fck = 23.5 MPa)와 연성이 낮은 보 단면 (μ = 3.4)을 사용한 제 2차 휨실험에서는 PET 보강량에 따른 보강 효과를 검증할 목적으로 PET 10, 20, 30겹으로 변화시켜 실험을 수행하였다.
- 부착 실험체(double shear test 혹은 pull bond test)는 140 x 150 x 275 mm 크기의 축방향으로 연속된 2개의 직사각형 콘크리트 블록으로 구성되고, 각 콘크리트 블록 내부에 Ø 16 mm steel bar를 설치하여 축방향 가력이 가능하도록 하였다.
- 6 MPa(28days)이고 타설 후 7일간 습윤양생 한 뒤에 탈형하여 기건양생을 실시하였다. 실험 1주일 전에 보의 인장면을 그라인더로 약간 거칠게 처리한 후, K2 에폭시를 사용하여(섬유 체적의 200%) 섬유보강 하였다.
- 실험변수는 Table 3과 같이 섬유 종류와 보강량(CF 시트 1겹, GF 시트 1겹, PET 시트 10겹)이었다. 1,200 kN 용량의 Instron 4495 UTM을 사용하고 변위제어 방식으로 실험체 양단부에 축방향 인장력을 가하여 섬유의 인장파괴 혹은 계면의 부착파괴가 발생할 때까지 가력하여 콘크리트와 섬유간의 부착거동을 고찰하고 그 결과를 보 휨실험에 참고하였다.
- 4에 나타낸 보 실험체에서 인장철근, 압축철근의 중앙부에 각각 5 mm 스트레인게이지를 2세트 설치, 실험 시 콘크리트 압축단 및 보강섬유의 중앙부에 60 mm 스트레인게이지 각 2개를 설치하였다. 제 2차 실험 RC 보 중에서 PET 보강 보 3개는 보 한 쪽 중앙부와 단부에 걸쳐 60 mm 스트레인게이지를 85 mm 간격으로 보강섬유에 연속으로 설치, 하중의 변화에 따른 보강섬유 축방향 변형율의 변화로부터 부착 특성을 고찰하고자 하였다. RC 보는 1,000 kN 용량의 Instron PL 1.
- RC 보의 휨실험을 2차에 걸쳐 총 8회 수행하였다. 주요 실험변수는 보 단면의 연성비, 보강섬유 종류 및 보강량이었다. Fig.
- 0N 액츄에이터를 사용하여 변위제어 방식으로 4점 가력을 실시하였다. 중앙부 및 4등분점 위치에서 3개의 LVDT(1/4, 1/2 및 3/4 지점)를 사용, 보의 처짐을 계측하였다. 모든 데이터를 TDS 530 데이터로거를 사용하여 실시간으로 저장하였다.
- 콘크리트 압축강도 fck= 47.6 MPa(28days)이고 타설 후 7일간 습윤양생 한 뒤에 탈형하여 기건양생을 실시하였다. 실험 1주일 전에 보의 인장면을 그라인더로 약간 거칠게 처리한 후, K2 에폭시를 사용하여(섬유 체적의 200%) 섬유보강 하였다.
대상 데이터
- CF, GF는 섬유 roving 및 1방향 시트(CF/GF roving은 보 휨실험, CF/GF 시트는 부착실험에 각각 사용함), PET는 2방향(90°교차)으로 직조한 섬유 시트를 사용하였다.
- 각 접착제의 성능은 초기 재령에 따라 변화하였으나, 상온에서 7일 이후에는 모두 안정적이었다. Table 2에서 시간경과에 따른 물성변화가 작고, 강도 및 연성이 우수한 에폭시 계통의 접착제(이하 K2로 칭함)를 사용하였다.
- 0)을 사용하였다. 무보강 보 1개, CF 보강 보, GF 보강 보, PET 22겹 보강 보 각 1개를 제작하였다. 모든 보는 과소보강보이었다.
- 모든 보는 과소보강보이었다. 전술한 바와 같이 CF, GF는 섬유로빙, PET는 2방향으로 직조한 시트를 사용하였고(2방향 PET 시트의 각 방향 물성은 동일하나, 축 방향 섬유만 보강에 기여함) 보강 길이는 1.6 m로서 경간의 대부분을 보강하였다. PET의 탄성계수가 낮으므로 많은 양의 PET를 사용하였음에도 불구하고, 축방향 강성(EfAf)는 PET 22겹 보강 보가 CF 및 GF 보강 보의 약 42% 수준이었다.
- 제 1차 실험 보와 유사한 방법으로 RC 보 실험체 4개(무보강 보 1개 및 PET 보강 보 3개)를 제작하였다. 콘크리트 압축 강도fck = 23.
이론/모형
- 이 연구에서는 고연성 PET 섬유를 다루므로, 접착제 역시 가능한 한 연성이 큰 접착제를 사용하고자 하였다. 국내외 총 4종의 상용 접착제에 대해 ASTM D638에 따라 인장시험을 각 5회 수행하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다(ASTM D638-08, 2008). 각 접착제의 성능은 초기 재령에 따라 변화하였으나, 상온에서 7일 이후에는 모두 안정적이었다.
성능/효과
- 1) 부착실험의 결과, CF 및 GF 시트 1겹의 유효부착길이는 각각 120, 60 mm이었다. CF의 최대 및 평균 부착응력은 각각 3.
- 2) PET 시트 10겹 보강 시험체 부착실험의 결과, 부착응력 분포길이는 60 mm였으며 최대 부착응력 및 평균응력은 각각 2.30 MPa, 2.10 MPa이었다. 또한, CF 및 GF 시트 보강 실험체는 작은 변위에서 시트가 박리하였지만 PET 부착 실험체는 CF, GF 에 비해 큰 변위를 나타내었고 최대하중은 33.
- 3) 부착실험에서 최대 강도 시 CF, GF, PET의 변형율은 각각 0.36%, 0.49%, 6.29%였으며 CF, GF 부착실험체는 계면에서 시트가 최종적으로 탈락하였다. 반면에 PET 부착 실험 체에서 박리현상은 나타나지 않았다.
- 4) 모든 보강 보의 휨강도 및 휨강성은 무보강 보에 비해 증가 하였다. CF, GF 보강 보의 최대처짐은 무보강 보에 비해 감소하였고 취성적인 파괴양상을 나타내었으나, PET 보강 보는 무보강 보와 유사한 연성적인 휨 거동을 보였다.
- 5) 고연성과 낮은 탄성계수를 갖는 PET를 적절한 양으로 사용하면, CF 혹은 GF 보강과 유사한 휨강도 증진 효과를 얻을 수 있었다. 이 연구에서 PET를 CF 및 GF의 축방향 강성 (E f A f )비 약 42%로 사용한 PET 22겹 보강의 경우, 휨강도는 각각 CF, GF 보강 보의 99%, 86%이었다.
- 6) 휨실험에서 극한단계 PET의 변형률은 2.5~5%를 나타내었다. PET 보강 보의 휨강도는 PET의 고연성으로 인한 추가적인 처짐을 통해 발휘된다.
- 7) 고연성 PET를 사용한 보강 시 극한단계에서도 콘크리트와 섬유 간 부착이 유지되어 보강효과가 나타날 수 있도록 연성이 우수한 접착제를 사용하여야 한다.
- 8) CF, GF, PET 보강 보 단면해석의 결과는 휨실험 결과와 비교적 일치하였다. 단 PET의 낮은 탄성계수로 인하여 접착제 물성을 해석에 포함시키면 정확도가 더욱 향상되는 것으로 나타났다.
- 4) 모든 보강 보의 휨강도 및 휨강성은 무보강 보에 비해 증가 하였다. CF, GF 보강 보의 최대처짐은 무보강 보에 비해 감소하였고 취성적인 파괴양상을 나타내었으나, PET 보강 보는 무보강 보와 유사한 연성적인 휨 거동을 보였다.
- 이 연구에서 PET를 CF 및 GF의 축방향 강성 (E f A f )비 약 42%로 사용한 PET 22겹 보강의 경우, 휨강도는 각각 CF, GF 보강 보의 99%, 86%이었다. CF, GF 보강과 달리 PET 보강보는 모두 연성적인 휨파괴 양상을 보였고, 모든 PET 보강 보에서 PET의 파단, 박리 또는 rip-off 파괴는 나타나지 않았다.
- 국내외 총 4종의 상용 접착제에 대해 ASTM D638에 따라 인장시험을 각 5회 수행하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다(ASTM D638-08, 2008). 각 접착제의 성능은 초기 재령에 따라 변화하였으나, 상온에서 7일 이후에는 모두 안정적이었다. Table 2에서 시간경과에 따른 물성변화가 작고, 강도 및 연성이 우수한 에폭시 계통의 접착제(이하 K2로 칭함)를 사용하였다.
- 046이다. 결과적으로 섬유두께를 고려하면 Fig. 9(a)에서 PET-10 시험체의 부착 파괴시 섬유 변형률 0.063에 거의 근접한 것을 알 수 있다.
- 8) CF, GF, PET 보강 보 단면해석의 결과는 휨실험 결과와 비교적 일치하였다. 단 PET의 낮은 탄성계수로 인하여 접착제 물성을 해석에 포함시키면 정확도가 더욱 향상되는 것으로 나타났다.
- 또한 고연성 PET로 보강된 보는 CF, GF 보강 보에 비해 우수한 하중-처짐 거동을 보였다. Table 6 및 Fig.
- 4% 수준의 보강이 적절하다. 또한 이 연구에서 보 단면의 연성 차이에 따른 PET 보강 효과의 차이는 뚜렷이 나타나지 않았다.
- 9(a)의 점선은 실험 시 측정된 최대 변형률을 나타냄). 또한, 부착응력의 분포구간은 60 mm이고 최대 부착응력 및 평균 부착응력은 각각 2.33 MPa, 2.10 MPa이다. 따라서 부착응력의 분포구간은 CF보다 작고 GF와 비슷하며 최대부착 응력은 CF, GF 보다 작다.
- 5% 범위이다. 반면 접착제의 영향을 고려하면(즉, K2 에폭시의 물성을 해석에 포함하면) PET 보강 보의 항복모멘트는 해석값 대비 실험값이 87.0~102%의 범위에 있으며, 극한모멘트는 해석값 대비 실험값이 88.8~100% 범위로 오차범위 10% 내외의 정확성을 보이고 있다. 이와 같은 해석결과는 탄성계수가 매우 낮은 PET 보강 보의 해석에서 K2 접착제의 탄성계수가 PET와 비교할 수 있는 수준이며 또한 접착제의 양이 섬유량의 2배이므로 접착제의 영향을 무시할 수 없는 결과를 나타낸 것으로 판단되며(단, Table 7에서 PET 보강 보의 경우 해석에 의한 극한단계 휨강도의 산정은 Table 2의 접착제(K2) 최대 변형율인 2.
- 5) 고연성과 낮은 탄성계수를 갖는 PET를 적절한 양으로 사용하면, CF 혹은 GF 보강과 유사한 휨강도 증진 효과를 얻을 수 있었다. 이 연구에서 PET를 CF 및 GF의 축방향 강성 (E f A f )비 약 42%로 사용한 PET 22겹 보강의 경우, 휨강도는 각각 CF, GF 보강 보의 99%, 86%이었다. CF, GF 보강과 달리 PET 보강보는 모두 연성적인 휨파괴 양상을 보였고, 모든 PET 보강 보에서 PET의 파단, 박리 또는 rip-off 파괴는 나타나지 않았다.
- 8~100% 범위로 오차범위 10% 내외의 정확성을 보이고 있다. 이와 같은 해석결과는 탄성계수가 매우 낮은 PET 보강 보의 해석에서 K2 접착제의 탄성계수가 PET와 비교할 수 있는 수준이며 또한 접착제의 양이 섬유량의 2배이므로 접착제의 영향을 무시할 수 없는 결과를 나타낸 것으로 판단되며(단, Table 7에서 PET 보강 보의 경우 해석에 의한 극한단계 휨강도의 산정은 Table 2의 접착제(K2) 최대 변형율인 2.58%를 기준으로 하였음) 해석 시 PET의 응력-변형률 관계를 나타낸 수치 해석적 모델의 적용은 적합한 것으로 사료된다.
- 즉 B-2-PET10(ρf = 0.19%), B-2-PET20(ρf = 0.38%), B-2-PET30(ρf = 0.57%)의 휨강도는 B-2-Control보다 각각 10%, 24%, 41% 증가하는 반면에 최대처짐은 B-2-Control의 46.5 mm에 비하여, B-2-PET10, B-2-PET20, B-2-PET30에서 각각 57.6, 48.5, 35.9 mm를 나타내어 보강량의 증가에 따라서 보 단면의 연성이 감소하는 경향을 나타내고 있다.
- 휨강성은 B-2-PET10, B-2-PET20, B-2-PET30에서 B-1-Control에 비해 각각 11%, 25%, 15% 증가하였다. 최종파괴모드는 모든 PET 보강 보에서 보강량에 관계없이 휨파괴를 나타내었고 섬유의 파단 또는 박리현상은 나타나지 않았다. 다만, Fig.
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