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문제 정의
- 본 연구에서는 폴리머 모르타르로 압축부와 인장부를 보수한 철근콘크리트 보의 휨성능을 분석하기 위해 슬래브를 모형화한 실험체를 제작하여 휨실험을 실시하였다.
- 그러나 기존 연구에서는 폴리머 모르타르의 시간의존적 특성이 휨거동에 주는 영향이 평가되지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 폴리머 모르타르로 압축측을 다양한 깊이로 보수한 RC보의 휨실험을 폴리머 모르타르 재령 1일과 3일에 실시하여 모르타르의 시간 의존적인 특성이 휨거동에 주는 영향을 평가하였다. 더불어, 일반콘크리트보다 5배 이상의 인장강도를 발현하는 폴리머 모르타르를 인장측 보수에 적용하여 구조거동에 미치는 영향을 평가하였다.
가설 설정
- 8에 나타내었다. 콘크리트의 압축거동은 Kent-Scott-Park 모델을 적용하였으며, 인장거동은 선형 인장연화거동을 가정하였다. Fig.
제안 방법
- 모르타르 배합에는 A사의 2액형 폴리머가 사용되었다. 규사는 J사의 3호와 5호사를 함수율이 0.1%가 되도록 건조시켜 사용하였다. 모르타르에서 충진재는 규사 입자 사이의 공극을 채워 폴리머의 사용량을 감소시키고 강도를 증진시키는 역할을 담당한다.
- 7에 나타낸 것과 같이 2차원 뼈대요소를 이용하여 폴리머 모르타르로 보강된 RC 보의 휨거동 해석을 실시하였다. 단면은 비선형 거동을 묘사하기 위해서 2차원 화이버로 모델링하였다. 콘크리트, 철근, 폴리머 모르타르의 재료적 비선형을 고려하기 위해 Fig.
- 이에 본 연구에서는 폴리머 모르타르로 압축측을 다양한 깊이로 보수한 RC보의 휨실험을 폴리머 모르타르 재령 1일과 3일에 실시하여 모르타르의 시간 의존적인 특성이 휨거동에 주는 영향을 평가하였다. 더불어, 일반콘크리트보다 5배 이상의 인장강도를 발현하는 폴리머 모르타르를 인장측 보수에 적용하여 구조거동에 미치는 영향을 평가하였다.
- 8~10에 나타낸 응력-변형률 모델을 적용하였다. 또한 요소의 수를 줄이면서 해석의 정확도를 향상시키기 위해 각 뼈대요소당 5개의 적분점을 설정하였다. 구조해석은 범용구조해석 프로그램인 OpenSees (Mazzoni, 2006)을 이용 하여 수행하였다.
- 2 MPa이었다. 또한 인장철근으로 사용된 D10 철근의 항복강도와 탄성계수가 각각 560 MPa, 196 GPa 임을 인장시험을 통해 확인하였다.
- 하중 단계별 모르타르의 변형률도 콘크리트 변형률 게이지를 중앙부의 보수 위치에 부착하여 측정하였다. 또한, 실험체의 초기균열과 균열진행상황을 육안으로 관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서 발생되는 균열을 부재면에 기록하였다.
- 본 연구에서는 압축부와 인장부가 결손된 휨부재를 폴리머 모르타르로 보수하여 그 거동을 실험적·해석적으로 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 콘크리트 타설 전 손실부에 손실깊이와 폭 변수에 맞는 스티로폼을 설치하여 인위적으로 손실부를 형성하였다. 손실깊이는 20 mm, 40 mmm, 60 mm 3종류를 고려하였으며, 폴리머 모르타르의 재령은 1일과 3일을 변수로 고려하였다. 실험체명은 Table 1에 나타낸 것과 같이 순서대로 손실위치(C: Compressive zone, T: Tensile zone), 손실깊이(20:20 mm, 40:40 mm, 60:60 mm), 폴리머 모르타르 재령 (1D: 1 day, 3D: 3 days)을 의미한다.
- 폴리머 모르타르로 이 손실부를 보수하기 전 실험체 표면에 묻어있는 레이턴스를 샌드블라스트를 이용하여 제거하고 고압 세척을 실시하였다. 압축부 보수 실험체는 해체되었던 거푸집을 재조립하여 모르타르를 타설하였으며, 인장부를 보수하는 실험체는 실험체를 180도 회전시킨 뒤 거푸집을 조립하고 보수를 실시하였다.
- 폴리머 모르타르의 시간의존적 재료비 선형을 고려하기 위해 재령 1일과 3일에 압축 및 인장강도 시험을 실시하였으나 재령에 따른 차이가 나타나지 않았다. 이에 구조해석에서는 재령의 영향을 고려할 수 없어 해석결과 에서는 재령 1일과 3일의 해석결과를 동일하게 제시하였다. Fig.
- 이러한 해석모델들은 매쉬형성 및 해석시간이 오래 걸려 실무에서 적용하기에 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 2차원 뼈대요소를 이용하여 폴리머 모르타르로 보강된 RC 보의 휨거동 해석을 실시하였다. 단면은 비선형 거동을 묘사하기 위해서 2차원 화이버로 모델링하였다.
- 실험을 통해 폴리머 모르타르의 재령은 실험체의 파괴모드에 큰 영향을 미치지 못함을 확인하였다. 이에 재령 3일 시험체를 기준으로 폴리머 모르타르 보수 휨부재의 파괴모드를 기술하였다.
- 콘크리트 타설 28일 후에 거푸집을 해체하고 손실부를 형성하기 위해 매설하였던 스티로폼을 제거하였다. 폴리머 모르타르로 이 손실부를 보수하기 전 실험체 표면에 묻어있는 레이턴스를 샌드블라스트를 이용하여 제거하고 고압 세척을 실시하였다. 압축부 보수 실험체는 해체되었던 거푸집을 재조립하여 모르타르를 타설하였으며, 인장부를 보수하는 실험체는 실험체를 180도 회전시킨 뒤 거푸집을 조립하고 보수를 실시하였다.
- 폴리머 모르타르에 대한 재료실험을 통해 얻어진 인장 및 압축 응력-변형률 곡선을 토대로 Fig. 10과 같이 폴리머 모르타르를 모델화하였다. 폴리머 모르타르의 시간의존적 재료비 선형을 고려하기 위해 재령 1일과 3일에 압축 및 인장강도 시험을 실시하였으나 재령에 따른 차이가 나타나지 않았다.
- 2000 kN 용량의 액츄에이터를 사용하여 1 mm/min 속도로 변위제어 방식으로 3점가력하였다. 하중 단계마다 실험체 중앙에 설치한 2개의 LVDT를 이용하여 변위를 측정하였으며, 각 인장철근의 중앙에 부착한 3개의 변형률게이지를 이용하여 인장철근의 변형률을 측정하였다. 하중 단계별 모르타르의 변형률도 콘크리트 변형률 게이지를 중앙부의 보수 위치에 부착하여 측정하였다.
- 하중 단계마다 실험체 중앙에 설치한 2개의 LVDT를 이용하여 변위를 측정하였으며, 각 인장철근의 중앙에 부착한 3개의 변형률게이지를 이용하여 인장철근의 변형률을 측정하였다. 하중 단계별 모르타르의 변형률도 콘크리트 변형률 게이지를 중앙부의 보수 위치에 부착하여 측정하였다. 또한, 실험체의 초기균열과 균열진행상황을 육안으로 관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서 발생되는 균열을 부재면에 기록하였다.
대상 데이터
- 레디믹스트 콘크리트를 사용하여 실험체를 제작하였다. 콘크리트 배합에 사용된 굵은 골재의 최대 치수는 25 mm이며, 목표 슬럼프는 120 mm로 설정하였다.
- 모든 실험체의 단면 크기는 300 × 130 mm이고, 전체길이와 순경간은 각각 2,200 mm, 1,800 mm이다.
- Table 3에 폴리머 배합을 모르타르 총중량에 대한 각 재료의 중량비로 나타내었다. 모르타르 배합에는 A사의 2액형 폴리머가 사용되었다. 규사는 J사의 3호와 5호사를 함수율이 0.
- 본 연구에서는 슬래브를 모형화한 13개의 실험체를 제작하였다. Fig.
- 모르타르에서 충진재는 규사 입자 사이의 공극을 채워 폴리머의 사용량을 감소시키고 강도를 증진시키는 역할을 담당한다. 본 연구에서는 중질탄산칼슘을 충진재로 사용하였다. 사용 중질탄산칼슘의 분말도는 2,500~3,000 cm2 /g이었다.
- 발포는 폴리머 모르타르의 강도를 저하시키는 원인이므로 이를 방지하기 위해 수분을 흡착하는 성질이 우수한 흡습제를 사용하여야 한다. 본 연구에서는 흡습제로 Silipolite 분말을 사용하였다. 폴리머 모르타르의 재령 1일의 압축강도와 휨강도는 각각 37.
- 손실깊이는 20 mm, 40 mmm, 60 mm 3종류를 고려하였으며, 폴리머 모르타르의 재령은 1일과 3일을 변수로 고려하였다. 실험체명은 Table 1에 나타낸 것과 같이 순서대로 손실위치(C: Compressive zone, T: Tensile zone), 손실깊이(20:20 mm, 40:40 mm, 60:60 mm), 폴리머 모르타르 재령 (1D: 1 day, 3D: 3 days)을 의미한다.
- 레디믹스트 콘크리트를 사용하여 실험체를 제작하였다. 콘크리트 배합에 사용된 굵은 골재의 최대 치수는 25 mm이며, 목표 슬럼프는 120 mm로 설정하였다. Table 2에 시험체 제작에 사용된 콘크리트의 배합설계를 나타내었다.
- 해석에 사용된 콘크리트의 재료모델을 Fig. 8에 나타내었다. 콘크리트의 압축거동은 Kent-Scott-Park 모델을 적용하였으며, 인장거동은 선형 인장연화거동을 가정하였다.
이론/모형
- 또한 요소의 수를 줄이면서 해석의 정확도를 향상시키기 위해 각 뼈대요소당 5개의 적분점을 설정하였다. 구조해석은 범용구조해석 프로그램인 OpenSees (Mazzoni, 2006)을 이용 하여 수행하였다. 비선형 해석은 하중재하점에 수직변위를 가하여 내력을 계산하는 Newton-Rahpson법에 기초한 변위제어법을 사용하였다.
- 구조해석은 범용구조해석 프로그램인 OpenSees (Mazzoni, 2006)을 이용 하여 수행하였다. 비선형 해석은 하중재하점에 수직변위를 가하여 내력을 계산하는 Newton-Rahpson법에 기초한 변위제어법을 사용하였다. 이때 변위의 증분은 한 스템당 0.
- 단면은 비선형 거동을 묘사하기 위해서 2차원 화이버로 모델링하였다. 콘크리트, 철근, 폴리머 모르타르의 재료적 비선형을 고려하기 위해 Fig. 8~10에 나타낸 응력-변형률 모델을 적용하였다. 또한 요소의 수를 줄이면서 해석의 정확도를 향상시키기 위해 각 뼈대요소당 5개의 적분점을 설정하였다.
- 해석에 사용된 철근의 재료모델은 Fig. 9과 같이 Bi-linear 모델을 적용하였다. 변형률경화 구간에서의 탄성계수는 초기 탄성계수의 0.
성능/효과
- 1) 압축측 결손부를 폴리머 모르타르로 보수한 실험체의 최대하중은 크게 증가하지 않았으나, 연성은 크게 개선되었다. 또한, 모체콘크리트와 모르타르 계면에서의 파괴는 발생하지 않았으며, 모르타르의 재령이 증가할수록 연성이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 2) 인장측 결손부를 폴리머 모르타르로 보수한 실험체의 사용상태의 휨강성은 Control과 비교하여 2배 이상 개선되었으나, 최대하중이후 인장철근이 항복하는 매우 취성적인 휨거동을 보였다.
- 3) 압축측과 인장측을 보수한 실험체 모두 폴리머 모르타르 의 두께가 증가함에 따라 파괴가 취성적으로 전환되었다. 따라서 폴리머 모르타르 보수시 적절한 연성확보를 위해서는 극한상태에서 폴리머 모르타르에 극한 인장변형률이 발생하지 않도록 보수두께를 적절하게 선정하는 것이 필할 것으로 판단된다.
- 4) 2차원 골조요소와 파이버 모델을 이용한 비선형 해석은 비교적 적절하게 폴리머 모르타르로 보수한 RC부재의 휨거동을 적절하게 예측하는 것으로 나타났다.
- 인장철근 항복이후에는 모르타르의 부착파괴나 압괴가 발생하지 않고 처짐이 계속적으로 증가하는 연성적인 거동을 보였다. C20-D1과 C20-D3 의연성지수는 각각 9.02와 8.24로 Control보다 2배 이상 연성이 개선된 결과를 나타내었다. C20-D3가 C20-D1보다 다소 연성이 감소하였으나 전체적인 거동에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 이후 하중을 계속적으로 가하자 2차 모르타르의 파열음과 함께 내력이 상실되었다. C60-D1과 C60-D3의 연성지수는 각각 5.24, 0.97로 모르타르 재령이 증가할수록 급격하게 연성이 감소하였다. 즉, 보수 깊이가 증가할수록 모르타르 재령 증가에 따른 연성 감소현상이 뚜렷하게 나타났다.
- 그 이후 거동은 Control과 유사하였다. T40-D1과 T40-D3 실험체의 연성지수는 각각 0.74, 0.85로 최대하중이 발현된 이후에 인장철근이 항복하는 매우 취성적인 거동을 보였다. 인장부를 60 mm 깊이로 보수한 T60-D1과 T60-D3는 각각 539.
- 2 kN-m2의 휨강성을 보였으며, 약5 mm 처짐이 발생한 시점까지 안정적으로 하중을 지지하다가 갑작스럽게 모르타르가 파단하면서 내력을 상실하였다. T60-D1과 T60-D3 실험체의 연성지수는 각각 0.56, 0.91로 최대하중이 발현된 이후에 인장철근이 항복하는 매우 취성적인 거동을 보였다.
- 인장부를 보강한 모든 실험체의 사용하중 상태에서의 휨강성은 Control 실험체와 비교하여 2배 이상 향상되었다. 극한 상태에서는 최대하중이후 인장부 모르타르가 파단하면서 내력을 상실하는 매우 취성적인 휨거동을 나타내었다. 또한, Fig.
- 1) 압축측 결손부를 폴리머 모르타르로 보수한 실험체의 최대하중은 크게 증가하지 않았으나, 연성은 크게 개선되었다. 또한, 모체콘크리트와 모르타르 계면에서의 파괴는 발생하지 않았으며, 모르타르의 재령이 증가할수록 연성이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 실험을 통해 폴리머 모르타르의 재령은 실험체의 파괴모드에 큰 영향을 미치지 못함을 확인하였다. 이에 재령 3일 시험체를 기준으로 폴리머 모르타르 보수 휨부재의 파괴모드를 기술하였다.
- C20-D3가 C20-D1보다 다소 연성이 감소하였으나 전체적인 거동에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 압축부를 40 mm 보수한 C40-D1과 C40-D3의 사용상태 휨강성과 최대하중은 Control 실험체와 큰 차이를 보이지 않았으며, 연성지수는 각각 8.13, 5.30으로 모르타르 재령이 증가할수록 뚜렷하게 감소하는 경향을 보였다. Fig.
- 인장부를 20 mm 보수한 T20-D1과 T20-D3의 사용상태 휨강성은 각각 539.3, 792.2 kN-m2으로 Control 실험체보다 크게 개선되는 결과를 나타내었다. 이후 약5 mm 처짐이 발생한 시점에서 갑작스럽게 인장부 모르타르가 파단되면서 하중이 감소하였다.
- 인장부를 보강한 모든 실험체의 사용하중 상태에서의 휨강성은 Control 실험체와 비교하여 2배 이상 향상되었다. 극한 상태에서는 최대하중이후 인장부 모르타르가 파단하면서 내력을 상실하는 매우 취성적인 휨거동을 나타내었다.
- 97로 모르타르 재령이 증가할수록 급격하게 연성이 감소하였다. 즉, 보수 깊이가 증가할수록 모르타르 재령 증가에 따른 연성 감소현상이 뚜렷하게 나타났다. 이는 폴리머 모르타르로 압축부를 보수하더라도 보수깊이가 깊어지게 되면 폴리머 모르타르 일부가 중립축 이하에 위치하게 되어 인장응력이 발생하기 때문으로 판단된다.
- 본 연구에서는 흡습제로 Silipolite 분말을 사용하였다. 폴리머 모르타르의 재령 1일의 압축강도와 휨강도는 각각 37.2와 26.7 MPa, 재령 3일의 강도는 각각 37.3과 26.9 MPa로 재령 증가에 따른강도 증진은 크게 보이지 않았다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에 서 제시한 해석모델은 폴리머 모르타르로 보수한 구조물의 휨거동을 예측하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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