현재 우리나라 주변에서 지진 발생이 빈번하며 철근콘크리트 구조물에 적용할 수 있는 내진보강 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다. 최근 보수 보강 재료로 각광받고 있는 폴리우레아는 철근콘크리트 구조물 뿐 아니라 폭발 및 충격에도 우수한 성능을 검증된 바 있다. 폴리우레아를 이용하여 보강성능을 향상시킨 연질형 폴리우레아는 보수 보강의 한계점이 있기 때문에 연질형 폴리우레아의 주제와 경화제 함유량을 단계별로 달리하여 내진보강용 경질형 폴리우레아를 개발하였다. 개발된 재료의 성능을 검토하기 위하여 지속시간, 인장강도, 신장률, 부착성능, 경도 시험을 수행하였다. 내진보강용 폴리우레아의 경우 기존의 연질형 폴리우레아보다 높은 인장강도와 낮은 신장률의 성능을 나타냈다. 신장률이 높아지게 되면 보강된 구조물의 강성 효과가 저하되기 때문에 단계별 재료개발에서 낮은 신장률을 유도하였다. 따라서 내진보강용 폴리우레아 피막제의 제조는 피복에 의한 반영구적 제품을 제조할 수 있을 뿐 아니라 FRP, 강재, 부직포 등으로 보강된 기둥에 피복한다면 내진성 및 내구성을 최대로 할 수 있을 것이다.
현재 우리나라 주변에서 지진 발생이 빈번하며 철근콘크리트 구조물에 적용할 수 있는 내진보강 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다. 최근 보수 보강 재료로 각광받고 있는 폴리우레아는 철근콘크리트 구조물 뿐 아니라 폭발 및 충격에도 우수한 성능을 검증된 바 있다. 폴리우레아를 이용하여 보강성능을 향상시킨 연질형 폴리우레아는 보수 보강의 한계점이 있기 때문에 연질형 폴리우레아의 주제와 경화제 함유량을 단계별로 달리하여 내진보강용 경질형 폴리우레아를 개발하였다. 개발된 재료의 성능을 검토하기 위하여 지속시간, 인장강도, 신장률, 부착성능, 경도 시험을 수행하였다. 내진보강용 폴리우레아의 경우 기존의 연질형 폴리우레아보다 높은 인장강도와 낮은 신장률의 성능을 나타냈다. 신장률이 높아지게 되면 보강된 구조물의 강성 효과가 저하되기 때문에 단계별 재료개발에서 낮은 신장률을 유도하였다. 따라서 내진보강용 폴리우레아 피막제의 제조는 피복에 의한 반영구적 제품을 제조할 수 있을 뿐 아니라 FRP, 강재, 부직포 등으로 보강된 기둥에 피복한다면 내진성 및 내구성을 최대로 할 수 있을 것이다.
Recently, earthquakes have frequently occurred near Korean peninsula. An experimental study is needed for developing a reinforcing method for seismic strengthening to apply to RC structures. Recently, PolyUrea (PU) as structural reinforcement materials has been receiving great interest from construc...
Recently, earthquakes have frequently occurred near Korean peninsula. An experimental study is needed for developing a reinforcing method for seismic strengthening to apply to RC structures. Recently, PolyUrea (PU) as structural reinforcement materials has been receiving great interest from construction industry. The reinforcing effect of PU appeared to be excellent under blast and impact as well as earthquakes. In this study, Flexible Type PolyUrea (FTPU) developed in preceding studies was modified to develop Stiff Type PolyUrea (STPU) by varying the ratio of the components of prepolymer and hardener of FTPU. The material performance evaluation has been performed through hardening time, tensile strength and percent elongation test, pull-off test, and shore hardness test. The experimental results showed that STPU has higher tensile strength and lower elongation than FTPU. Therefore, STPU coating agent can be used for semi-permanent products. By using STPU with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) on concrete columns, confinement effect can be enhanced to maximize seismic strength and ductility.
Recently, earthquakes have frequently occurred near Korean peninsula. An experimental study is needed for developing a reinforcing method for seismic strengthening to apply to RC structures. Recently, PolyUrea (PU) as structural reinforcement materials has been receiving great interest from construction industry. The reinforcing effect of PU appeared to be excellent under blast and impact as well as earthquakes. In this study, Flexible Type PolyUrea (FTPU) developed in preceding studies was modified to develop Stiff Type PolyUrea (STPU) by varying the ratio of the components of prepolymer and hardener of FTPU. The material performance evaluation has been performed through hardening time, tensile strength and percent elongation test, pull-off test, and shore hardness test. The experimental results showed that STPU has higher tensile strength and lower elongation than FTPU. Therefore, STPU coating agent can be used for semi-permanent products. By using STPU with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) on concrete columns, confinement effect can be enhanced to maximize seismic strength and ductility.
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문제 정의
내진보강용 폴리우레아 개발에 있어 고연성 및 고인성 효과를 판단하기 위해서 인장강도 및 신장률 평가 시험은 KS M 6518(가황 고무 물리 시험방법)에 준하여 측정하였다. FTPU의 조성비를 단계별로 변화시킨 STPU가 절단에 이르는 최대응력(인장강도) 및 절단 시의 신장률을 측정하는 데 목적이 있다. 시험시편은 KS M 6518에 나타나 있는 아령형 3호형 크기로 평행부분의 너비 5 mm, 평행부분의 길이 20mm, 평행부분의 두께3 mm 이하, 눈금 거리 20 mm이며, Fig.
신장률이 높으면 구조물의 강성 효과를 저하시키는 원인이 되기 때문에 이를 대체할 수 있도록 조성비를 변화시켰다. 따라서, 본 연구에서는 FTPU의 조성비를 변화시켜 최적의 내진보강용 재료를 개발하고 재료 성능을 검증하고자한다.
본 연구에서는 FTPU의 조성비를 변화시켜 최적의 내진보강용 폴리우레아를 개발하고 재료 성능을 실험적으로 검증하였다.
제안 방법
본 연구에서는 각각의 실험에 있어 STPU 경화제 중 소포제로 γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane 1%를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 대해서 실험을 진행하였으며 실험 결과는 다음과 같다.
FTPU의 주제 합성의 경우, Methylene Diphenyl Diisocyanate(MDI) 70%, Polyoxypropylene Glycol 20%, Propylenecarbonate 10%를 사용하였으며, 경화제의 경우, Polyoxypropylene Diamine 30～40%, Polyethertriamine 10～20%, Diethyltoluenedimine (DETDA) 5%, Secondary Amine 20～30%, Propylene Glycol 2%, Pigment 2%, UV 흡수제 2% 미만, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane 1%를 사용하였다. 이를 바탕으로 FTPU 주제와 경화제의 조성비를 변화시켜 25 MPa이상의 인장강도와 150%이하의 신장률을 목표로 단계별 6가지의 STPU를 개발하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용되는 Diamine 사슬 확장자는 Isocyanate와 빠르고 격렬하게 반응하여 Urea group과 Biuret 결합을 형성하게 되어 사슬간의 결합이 이루어진다. Biuret 결합이란 Urea group 내 질소 원자에 있는 반응성이 큰 수소가 Iocyanate와 반응하면서 만들어지는 물질을 말한다.
본 연구에서 Step 6에 해당하는 STPU를 내진보강용 폴리우레아로 선택하였다. 기존 FTPU와 거의 유사한 조성비를 가지고 있는 Step 1보다 우수한 물리적 성질을 나타내었으며, Table 3에 결과 값을 정리하여 나타내었다.
FTPU의 조성비를 단계별로 변화시킨 STPU가 절단에 이르는 최대응력(인장강도) 및 절단 시의 신장률을 측정하는 데 목적이 있다. 시험시편은 KS M 6518에 나타나 있는 아령형 3호형 크기로 평행부분의 너비 5 mm, 평행부분의 길이 20mm, 평행부분의 두께3 mm 이하, 눈금 거리 20 mm이며, Fig.3(a)에 나타냈다. 아령형 3호형 크기로 재단할 수 있는 틀칼은 Fig.
이론/모형
내진보강용 폴리우레아 개발에 있어 고연성 및 고인성 효과를 판단하기 위해서 인장강도 및 신장률 평가 시험은 KS M 6518(가황 고무 물리 시험방법)에 준하여 측정하였다. FTPU의 조성비를 단계별로 변화시킨 STPU가 절단에 이르는 최대응력(인장강도) 및 절단 시의 신장률을 측정하는 데 목적이 있다.
경도측정은 재료의 기계적 성질을 알아내는 가장 간단한 방법 중에 하나이다. 내진보강용 폴리우레아의 주제와 경화제 반응 상태나 열처리 상태 등을 판단하기 위하여 경도 평가 시험은 KS M ISO 7619-1(가황 고무 및 열가소성 고무-압입 경도 측정 방법)을 준하여 측정하였다. KS M ISO 7619-1에 제시된 듀로미터법(Shore 경도)으로 측정 시 사용되는 경도계는 A형과 D형이 있다.
현재 구조물의 보수 ‧ 보강공법으로 가장 일반화되어 있는 FRP 표면 부착 공법의 경우 가장 큰 문제점중 하나는 콘크리트 모재와의 부착성능에 따라 보강공법의 성능이 크게 좌우되며, 시간의 경과에 따라 열화, 탈락과 같은 문제가 발생하여 보수 ‧ 보강 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 부착성능 평가 시험은 KS F 4922(폴리우레아 수지 도막 방수재)에 준하여 측정하였다. 시험용 밑판은 KS F 4922에 나타나 있는 콘크리트 평판으로 크기는 300 mm × 300 mm × 60 mm이다.
성능/효과
1) 내진보강용 폴리우레아는 인장강도 26 MPa, 신장률 150%로 FTPU의 인장강도보다 약 1.44배 향상된 성능을 발휘하였으며, 신장률의 경우 약 0.62배 감소된 성능을 발휘하였다. 높은 인장강도(25 MPa 이상)와 낮은 신장률(150% 이하)을 목표로 한 내진보강용 폴리우레아를 개발하였다.
2) 또한, 내진보강용 폴리우레아는 지속시간 20초, 경도 70, 부착강도 14 MPa로 FTPU보다 지속시간 2배, 경도 1.07배, 부착강도 1.16배 향상된 성능을 발휘하였다.
3) 경화제의 구성요소인 소포제의 사용에 따라 인장강도의 경우 1～2 MPa정도, 부착강도의 경우 3～5 MPa 정도로 높게 측정되는 것을 확인할 수 있고, 지속시간, 신장률, 경도에는 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
4) 부착강도를 제외한 지속시간, 인장강도, 신장률, Shore 경도부분에서 폴리우레아 경화제 배합의 구성요소 중 DETDA의 함유량과 Secondary Amine의 함유량이 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, Polyetheramine 역시 인장강도 및 Shore 경도를 향상시키는 역할을 하고 있는 것을 확인하였다.
Step 5의 인장강도는 소포제 사용 시 24 MPa 이상이며 사용하지 않았을 경우 22MPa 이하로 떨어졌으며, Step 6의 인장강도는 소포제 사용 시 26 MPa 이상이며 사용하지 않았을 경우 24 MPa 이하로 떨어졌다. Polyethertriamine보다 낮은 분자량인 Polyetheramine를 첨가한 Step 5, 6에서 인장가도가 훨씬 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 소포제를 사용하였을 경우 1～2 MPa 정도의 인장강도가 높게 측정되었음을 알 수 있다.
기존 FTPU와 거의 유사한 조성비를 가지고 있는 Step 1보다 우수한 물리적 성질을 나타내었으며, Table 3에 결과 값을 정리하여 나타내었다. STPU는 지속시간 20초, 인장강도 26 MPa, 경도 70, 부착강도 14 MPa, 신장률 150%로 FTPU와 비교해 볼 때 지속시간 200%, 인장강도 144%, 경도 107%, 부착강도 116%로 향상된 성능을 발휘하였으며, STPU의 신장률은 150%로 FTPU의 신장률보다 62.5% 감소된 성능을 발휘하였다.
Step 2의 주제 합성은 FTPU 주제 합성에서 MDI를 30%로 낮추고 지방족에 속하며 반응속도에 영향을 미치는 Methylene Biscyclohexyl Diisocyanate (H12MDI)를 40%를 첨가하였다. Step 2의 경화제 합성은 Step 1의 경화제 합성에서 신장률의 영향을 미치는 Polyoxypropylene Diamine을 50%로 증가하였고 인장강도에 영향을 미치는 Polyethertriamine을 10%로 감소하였다. 또한, 경도와 강도에 영향을 미치는 DETDA를 15%로 증가하였고 경화시간을 늦추는 Secondary Amine을 20%로 감소하여 반응시켰다.
Polyethertriamine은 망사구조의 형태로 함유량에 따라 탄성이 증가하며 강도에 영향을 미치는 구성요소이지만 Step 2에서 함유량을 증가하였을 때 인장강도가 증가한 반면 그 이후 단계별 배합에서는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다. 인장강도의 경우에도 DETDA가 증가함에 따라 인장가도가 향상되는 것을 확인하였으며 Step 2부터 4까지는 DETDA가 지배적이라고 판단하였다. Step 5의 인장강도는 소포제 사용 시 24 MPa 이상이며 사용하지 않았을 경우 22MPa 이하로 떨어졌으며, Step 6의 인장강도는 소포제 사용 시 26 MPa 이상이며 사용하지 않았을 경우 24 MPa 이하로 떨어졌다.
Step 4부터 6까지의 Shore 경도는 소포제 사용 유무를 떠나 각각 65, 70, 70 정도이다. 조밀한 분자구조인 DETDA, Secondary Amine, Polyetheramine의 함유량이 복합적으로 배합됨에 따라 경도에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 특히 Secondary Amine 함유량이 가장 적은 Step 5, 6에서 가장 높은 경도가 발생되었고 Polyetheramine가 첨가되면서 경도가 높아지는 것을 확인하였다.
후속연구
5) 본 연구에서 목표한 25 MPa 이상의 인장강도와 150% 이하의 신장률을 만족하는 내진보강용 폴리우레아는 기존의 FRP 표면 부착 공법을 대안할 수 있는 재료라고 사료되며, 열화된 RC 기둥구조물에 폴리우레아 단일 보강 또는 에폭시 파단을 방지하기 위한 FRP 함침 후 그 위에 폴리우레아를 도포하는 복합 보강은 RC 기둥의 구속력을 증진 시키거나 RC 구조물의 연성을 확보하여 지진하중에 대한 내진성능을 최대로 할 수 있을 것이라고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서는 철근콘크리트 구조물의 내진에 관한 보수, 보강 공법으로 무엇이 사용되는가?
이후 지진하중을 고려하여 다양한 구조물에 대한 보수·보강 방법에 대한 개발 및 연구가 진행되어져 왔다.2-6) 국내의 경우 철근콘크리트 구조물의 내진에 관한 보수·보강공법으로는 강판 접착공법, 섬유보강(Fiber-Reinforced Polymer, FRP) 표면부착 공법, 단면증가 공법 등이 사용되고 있다. 국외의 경우 가공이 용이한 강판을 사용하여 강판 접착 공법을 보수·보강의 목적으로 사용하였다.
해외에서 내진 보수 보강을 위해 사용되던 강판 접착 공법이 FRP 표면 부착 공법으로 대체된 이유는 무엇인가?
국외의 경우 가공이 용이한 강판을 사용하여 강판 접착 공법을 보수·보강의 목적으로 사용하였다.7) 하지만 강판 자체의 무게와 넓은 보강 면적 및 제한된 시공 공간이라는 문제점들로 인하여 1990년대에 개발된 FRP 표면 부착 공법으로 대체 되었다. 이는 토목 구조물의 강도증진과 내구성 향상에 있어서 다른 재료 및 공법들에 비하여 국 ‧ 내외적으로 널리 적용되어 왔으며, 구조물에 상당한 효과를 나타내는 것으로 수많은 연구결과가 보고된 바 있다.
폴리우레아가 접착제, 코팅제 등 복합재료로 널리 사용되는 이유는 무엇인가?
현재 폴리머계 고연성 재료를 활용한 기법이 대안으로 제시되고 있으며 고분자 화합물인 폴리우레아(PolyUrea, PU)는 비구조용 보수재료로써 다양한 분야에 적용이 가능하다. PU는 광범위한 물성의 조절이 가능하며 뛰어난 계면접착성과 기계적 물성 등으로 인해 접착제, 코팅제 등 복합재료로 널리 사용되고 있다. PU는 기존에 FRP와 달리 구조물과 보수재료 사이에서 탈락이 발생하지 않아 구조물과 보수재료가 일체거동을 유도할 수 있다. 또한, 스프레이형식 급속시공이 가능하고 구조물에 직접 분사하여 보강하는 방법으로 균일한 품질을 유지할 수 있다는 장점이 있다. PU를 이용하여 보강 성능을 향상시킨 연질형 폴리우레아(Flexible Type PolyUrea, FTPU)를 개발하고 이를 구조물에 적용한 선행 연구에서 보강 성능은 미미한 것으로 나타났다.
참고문헌 (22)
KMA, Korea Meteorological Administration, Earthquake, http://www.kma.go.kr/mini/earthquake/main.jsp
Woo, W.T., Kown, Y.H., and Chung, L., "Evaluation of the Seismic Performance of Existing Building Structures", Journal of the earthquake engineering society of Korea, Vol.4, No.4, 2000, pp.105-110.
Chung, L., Park, T.W., and Lee, S.G., "Retrofitting Effects on Seismic Resistance Capacity of Reinforced Concrete Framed Structure", Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 20, No. 9, 2004, pp. 37-44.
Kim, T.H., Seong, D.J., and Shin, H.M., "Seismic Performance Assessment of Hollow Reinforced Concrete and Prestressed Concrete Bridge Columns", International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol.6, No.3, 2012, pp.165-176.
Heo, Y.A., and Kunnath, S.K., "Damage-Based Seismic Performance Evaluation of Reinforced Concrete Frames", International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol.7, No.3, 2013, pp.175-182.
Kim, S.D., "Seismic Evaluation and Retrofit of Low-rise RC Buildings in Korea", Ministry of Land Infrastructure and Transport, Business of Research and Development Annual Report, 2002.
Chen, J.F., and Teng, J.G., "Anchorage Strength Models for FRP and Steel Plates Bonded to Concrete", Journal of Structural Engineering, Vol.127, No.7, 2001, pp.784-791.
Bonacci, J.F. and Maalej, M., "Behavioral Trends of RC Beams Strengthened with Externally Bonded FRP", Journal of Composites for Construction, Vol.5, No.2, 2001, pp.102-113.
Lee, S.K., Chen, Z.F., Ng, M., Tang, J.M., Wan, L. L., Liu, M., and Lee, L., "Evaluation of CFRP, GFRP and BFRP Material Systems for the Strengthening of RC Slabs", Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2008, pp.1233-1243
Kang, T.H.K., Kim, W.S., Ha, S.S., and Choi, D.U., "Hybrid Effects of Carbon-Glass FRP Sheets in Combination with or without Concrete Beams", International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol.8, No.1, pp.27-41.
Kang, T.H.K., and Ibrahim Ary, M., "Shear- Strengthening of Reinforced & Prestressed Concrete Beams Using FRP: Part II - Experimental Investigation", International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol.6, No.1, 2012, pp.49-57.
Seo, S.Y., and Kim, M.S., "Bond Strength of Near Surface- Mounted FRP Plate in Concrete Corresponding to Space and Bond Length", Journal of the Korea Concrete institute, Vol.25, No.1, 2013, pp.37-43.
Hong, S.N., Park, J.M., Park, S.K., Park, J.S., and Park, Y.H., "An Experimental Study on Flexural Behavior of RC Beams Strengthened with Near Surface Mounted Prestressed FRP", Journal of the Korea Concrete institute, Vol.18, No.6, 2006, pp.737-742.
Jang, H.N. and Lee, J.Y., "Case Study of Earthquake Damage in Korea and Other Countries", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.55, No.4, 2007, pp.133-139.
Rodrigues, H., Varum, H., Arede, A., and Costa, A.G., "Behaviour of Reinforced Concrete Column Under Biaxial Cyclic Loading-state of the Art", International Journal of Advanced Structural Engineering, Vol.5, No.1, 2013, pp. 1-12.
Kim, S.B., Kim, J.H.J., Choi, H.S., and Heo, G., "Development and Applicability Evaluation of High Performance Poly-urea for RC Construction Reinforcement", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.30, No.2, 2010, pp.169-176.
Kim, J.H.J., Park, J.C., Lee, S.W., and Kim, S.B., "Evaluation of Strengthening Performance of Stiff Type Polyurea Retrofitted RC Slab Based on Attachment Procedure", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.23, No.4, 2011, pp.511-520.
Park, J.C., Lee, S.W., Kim, S.B., and Kim, J.H.J., "Performance Evaluation of RC Slabs Strengthened by Stiff Type PolyUrea", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.31, No.6, 2011, pp.457-464.
Lamba, N.M.K., Woodhouse, K.A., and Cooper, S.L., "Polyureathanes in Biomedical Applications", CRC PRESS, United States of America, 1998, pp.14-23.
Ha, J.H., Yi, N.H., Cho, Y.G., and Kim, J.H.J., "Experimental Study on Bond Behavior of Retrofit materials by Bond-Shear Test", Journal of the Korea Concrete institute, Vol.24, No.1, 2012, pp.45-52.
Greene, C.E., and Myers, J.J., "Flexural and Shear Behavior of Reinforced Concrete Members Strengthened with a Discrete Fiber-reinforced Polyurea System", Journal of Composites for Construction, Vol.17, No.1, 2012, pp.108-116.
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