비닐용기 등에 주로 사용되는 PET 섬유는 강도는 아주 작은 반면, 변형성능에는 아주 우수하기 때문에 지진 발생시 구조물의 대변형에 효과적으로 저항할 수 있는 보강재료로 사용가능하며, 일본에서는 이미 PET 섬유를 이용한 연구를 진행하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 PET(polyethylene terephthalate) 섬유의 횡구속 효과를 파악하고, PET 섬유의 보강효과와 기존에 사용해왔던 탄소섬유시트 및 유리섬유시트의 보강효과를 비교함으로써 PET 섬유의 현장적용성 여부를 파악하기 위한 것이다. 이를 위해 무근 콘크리트 공시체에 탄소섬유시트와 유리섬유시트 및 PET 섬유 등으로 구분하고 각각에 대해 콘크리트 강도와 보강겹수를 달리하여 실험체 별로 각각 2개씩 동일하게 제작하여 실험을 실시하였다. 실험결과, 탄소섬유시트 및 유리섬유시트로 보강된 실험체는 기존연구결과들과 마찬가지로 시트가 파단된 후 급격한 내력저하로 최종파괴 되었다. 그러나 PET로 보강한 실험체들은 PET 섬유가 파단되지 않고 최대 강도 이후 급격한 내력저하 없이 서서히 감소되면서 최종파괴 되었다. 또한, 탄소섬유시트 및 유리섬유시트로 보강한 실험체에 비해 강도증진 효과는 크지 않았으나, 연성측면에서는 매우 우수하게 나타나 향후 보강재료로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
비닐용기 등에 주로 사용되는 PET 섬유는 강도는 아주 작은 반면, 변형성능에는 아주 우수하기 때문에 지진 발생시 구조물의 대변형에 효과적으로 저항할 수 있는 보강재료로 사용가능하며, 일본에서는 이미 PET 섬유를 이용한 연구를 진행하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 PET(polyethylene terephthalate) 섬유의 횡구속 효과를 파악하고, PET 섬유의 보강효과와 기존에 사용해왔던 탄소섬유시트 및 유리섬유시트의 보강효과를 비교함으로써 PET 섬유의 현장적용성 여부를 파악하기 위한 것이다. 이를 위해 무근 콘크리트 공시체에 탄소섬유시트와 유리섬유시트 및 PET 섬유 등으로 구분하고 각각에 대해 콘크리트 강도와 보강겹수를 달리하여 실험체 별로 각각 2개씩 동일하게 제작하여 실험을 실시하였다. 실험결과, 탄소섬유시트 및 유리섬유시트로 보강된 실험체는 기존연구결과들과 마찬가지로 시트가 파단된 후 급격한 내력저하로 최종파괴 되었다. 그러나 PET로 보강한 실험체들은 PET 섬유가 파단되지 않고 최대 강도 이후 급격한 내력저하 없이 서서히 감소되면서 최종파괴 되었다. 또한, 탄소섬유시트 및 유리섬유시트로 보강한 실험체에 비해 강도증진 효과는 크지 않았으나, 연성측면에서는 매우 우수하게 나타나 향후 보강재료로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
Although the strength of polyethylene terephthalate (PET) fibers which are generally used to make plastic bottles is low, the deformability of PET fibers is substantially high. Due to these material characteristics, a PET fiber can be used as a reliable strengthening material to resist a large defor...
Although the strength of polyethylene terephthalate (PET) fibers which are generally used to make plastic bottles is low, the deformability of PET fibers is substantially high. Due to these material characteristics, a PET fiber can be used as a reliable strengthening material to resist a large deformation caused by earthquake and research pertinent to application of PET fibers is actively conducted in Japan. Therefore, in this study, experiments have been carried out to investigate the lateral confinement effect of PET fibers and to assess the applicability of PET fibers to construction fields by comparing the strengthening effect of PET fibers to that of carbon and glass fiber sheets. For this purpose, concrete cylinder specimens with parameters of different concrete strength and strengthening layers of carbon fiber sheets, glass fiber sheets, and PET fibers were respectively tested using two sets of cylinders for each parameter. As a result, specimens strengthened with carbon fiber sheets and glass fiber sheets failed due to sudden decrease of strength as with existing studies. However, specimens with PET fibers reached their maximum strength and then failed after gradual decrease strength without failure of PET fibers. In addition, although the strength of specimens with PET fibers did not significantly increase in comparison with that of specimens with carbon fiber sheets and glass fiber sheets, specimens with PET fibers indicated considerable deformability. Thus, a PET fiber can be considered as an effective strengthening material.
Although the strength of polyethylene terephthalate (PET) fibers which are generally used to make plastic bottles is low, the deformability of PET fibers is substantially high. Due to these material characteristics, a PET fiber can be used as a reliable strengthening material to resist a large deformation caused by earthquake and research pertinent to application of PET fibers is actively conducted in Japan. Therefore, in this study, experiments have been carried out to investigate the lateral confinement effect of PET fibers and to assess the applicability of PET fibers to construction fields by comparing the strengthening effect of PET fibers to that of carbon and glass fiber sheets. For this purpose, concrete cylinder specimens with parameters of different concrete strength and strengthening layers of carbon fiber sheets, glass fiber sheets, and PET fibers were respectively tested using two sets of cylinders for each parameter. As a result, specimens strengthened with carbon fiber sheets and glass fiber sheets failed due to sudden decrease of strength as with existing studies. However, specimens with PET fibers reached their maximum strength and then failed after gradual decrease strength without failure of PET fibers. In addition, although the strength of specimens with PET fibers did not significantly increase in comparison with that of specimens with carbon fiber sheets and glass fiber sheets, specimens with PET fibers indicated considerable deformability. Thus, a PET fiber can be considered as an effective strengthening material.
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문제 정의
PET 섬유의 보강효과를 파악하고, 기존에 사용해왔던 CFS및 GFS 보강효과를 비교함으로써PET 섬유의 현장적용성 여부를 파악하기 위한 실험적 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
즉, PET 섬유는 기존에 사용해 온 CFS 및 GFS와 비해 연성은 월등히 우수하나 보강량은 CFS 및 GFS와 비해 월등하게 많은 양을 필요로 하기 때문에 보강량 대비 성능을 실험적으로 규명할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 PET로 횡구속된 실험체의 보강효과를 파악하고, CFS 및 GFS로 보강된 실험체에 비해 어느 정도 보강효과가 있는지 파악하기 위해 실험적 연구를 진행하였다.
제안 방법
실험은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 1000 kN U·T·M을 이용하여 1초당 2 kN(0.25 MPa/초)의 속도로 하중을 가력하였고, 데이터로거(TDS 102)를 이용하여 변위 및 변형률을 실시간으로 계측하였다.
PET 섬유의 보강효과를 파악하고 CFS 및 GFS를 비교하기 위해 지름 100 mm, 높이 300 mm인 원형 실험체를 제작하였다. 원형실험체 제작은 Photo 1에 보는바와 같이 P.V.C 관을 이용하였으며, 동일한 조건으로 콘크리트를 타설하고 양생을 거친 후 보강을 실시하였다. Table 2에 나타나듯이 보강재 종류, 보강겹수, 콘크리트 강도 등을 주요변수로 하였으며, CFS와 GFS는 1겹 또는 2겹 보강한 것에 비해 PET 섬유는 최대 20겹까지 보강한 것을 알 수 있다.
대상 데이터
PET 섬유의 보강효과를 파악하고 CFS 및 GFS를 비교하기 위해 지름 100 mm, 높이 300 mm인 원형 실험체를 제작하였다. 원형실험체 제작은 Photo 1에 보는바와 같이 P.
실험체에 사용된 보강재료는 PET 섬유, CFS, GFS이며, 각각의 재료적 물성을 파악하기 위해 인장시험을 실시하였다. 인장시험에서 얻은 결과를 Table 1에 정리하여 나타내었으며, 응력도-변형률 곡선을 비교하여 Fig.
62)나 연성증가는 CFS 또는 GFS 에 비해 매우 우수한 것을 확인하였다. 여기서 PET의 k1과 k2값을 산정할 때에는 보강겹수가 20겹인 실험체(보강비 0.2%)를 대상으로 하였다. 그 이유는 보강겹수가 낮은 실험체의 경우에는 PET가 파단되지 않지만, 최대강도 이후 내력저하의 폭이 크게 나타났기 때문이다.
성능/효과
보강하지 않은 실험체(Con-N-40)에 비해 CFS로 1겹 및 2겹 보강한 실험체의 강도증가는 각각 247%와 64%로 나타났으며(Fig. 6(a)참조), GFS로 1겹 및 2겹 보강한 실험체의 강도증가는 20% 와 50%로 나타났다(Fig. 6(b)참조).
그러나 PET로 보강한 경우에는 Fig. 6(c)에 나타난 바와 같이 강도 증진이 거의 나타나지 않은 반면, 연성거동은 CFS 및 GFS로 보강한 실험체에 비해 우수한 것을 확인할 수 있다. 각 실험체의 최대하중(Pmax), 횡구속응력(fl), 횡구속에 의한 응력 및 변형률 증분상수(k1, k2 )등을 정리하여 Table 3에 나타내었다.
1) CFS 및 GFS로 보강한 실험체는 섬유파단으로 인해 최종 파괴 되었으며, 섬유파단 후 급격한 내력저하가 발생되었다. 그러나 PET 섬유로 보강한 실험체는 섬유파단 현상은 발생하지 않았으며, 최대 강도 후 내력저하는 발생하였지만 CFS 및 GFS로 보강한 실험체와 같이 완전 붕괴는 발생되지 않았다.
2) PET 섬유는 탄성계수가 매우 낮기 때문에 많은 양의 보강이 필요하며, 본 실험결과 최소 20겹 이상(횡 보강비 0.2% 이상) 확보했을 때 강도증진과 함께 연성거동을 보여주었다. 또한 보강량이 작은 경우에는 강도증진을 기대할 수 없는 없었으나, 완전 붕괴는 발생하지 않아 지진시 대변형을 막아주는데 기여할 것으로 판단된다.
3) 일반강도에 대해 CFS 및 GFS로 보강한 실험체의 강도는 보강하지 않은 실험체에 비해 최소 65%∼최대 243%(평균 215%) 높게 나타났으나, PET 섬유로 보강한 실험체는 최소 8%∼최대 48%(평균 21%)로 나타나 CFS 및 GFS에 비해 강도증진 효과가 평균대비 약 10% 로 미미한 것으로 나타났다.
4) 일반강도에 대해 PET로 보강한 실험체의 변형성능은 최소 21.7배∼최대 66.6배(평균39.1배)인 반면, CFS 및 GFS의 경우는 최소 3.6배∼최대 8.1배(평균 5.9배)로 나타나 PET로 보강한 실험체가 CFS 및 GFS로 보강한 실험체보다 약 6.6배로 매우 우수하게 나타났다.
5) 고강도로 보강한 실험체들은 일반강도로 보강한 실험체들에 비해 보강효과는 상대적으로 작게 나타났으며 특히, PET 섬유를 20겹 보강한 실험체의 응력증진 및 변형증진 효과가 각각 10%와 4.6배로 일반강도에 비해 상대적으로 매우 작은 값을 보여주었다.
6) CFS 및 GFS로 보강된 k1및k2 값은 기존 연구자들이 제시한 값과 크게 벗어나지 않았으나, PET 섬유로 보강한 실험체는 k1와 k2 값이 각각 2.62, 128.7로 나타나 기존 대비 k1은 64%로 작게 나타난 반면, k2는 9.82배로 매우크게 나타났다.k1및k2 값을 보면 알 수 있듯이 PET 섬유는 강도는 기존의 CFS 및 GFS에 비해 낮지만, 변형성능을 매우 우수하기 때문에 PET 섬유를 현장에 적용가능할 것으로 판단된다.
CFS 및 GFS로 보강한 실험체들은 모두 보강재가 파단되면서 최종파괴 되었으며, 파단과 동시에 강도가 급격하게 저하되었다. 그러나 PET 섬유로 보강한 모든 실험체들은 PET가 파단되는 경우는 나타나지 않았다.
각 실험체의 최대하중(Pmax), 횡구속응력(fl), 횡구속에 의한 응력 및 변형률 증분상수(k1, k2 )등을 정리하여 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 음영으로 표시한 부분은 CFS, GFS 및 PET 섬유의 보강근비가 1.4%로 모두 동일한 실험체로서, 강도증진은 CFS가 가장 높게 나타났으며, GFS 및 PET에 비해 각각 1.4배와 2.4배 높게 나타났다. 그러나 PET 섬유로 보강한 실험체의 변형률 증진효과는 CFS 및 GFS 에 비해 각각 8.
82배로 매우크게 나타났다.k1및k2 값을 보면 알 수 있듯이 PET 섬유는 강도는 기존의 CFS 및 GFS에 비해 낮지만, 변형성능을 매우 우수하기 때문에 PET 섬유를 현장에 적용가능할 것으로 판단된다.
87배 증가하였다. 그러나 PET 5겹, 7겹, 10겹, 20겹으로 보강한 실험체는 보강하지 않은 실험체에 비해 각각 21.7배, 33.4배, 66.6배, 34.8배로 CFS에 비해 최대 17.3배, GFS에 비해 약 8.5배로 연성적인 측면에서는 매우 우수하게 나타났다(Table 2 참조). Fig.
4배 높게 나타났다. 그러나 PET 섬유로 보강한 실험체의 변형률 증진효과는 CFS 및 GFS 에 비해 각각 8.2배, 4.4배로 월등히 우수하게 나타났다.
동일한 방법으로 GFS로 1겹 보강한 실험체(GFS-1-20) 및 2겹 보강한 실험체(GFS-2-20)의 강도증진은 각각 84%와 143% 높게 나타났다. 그러나 PET로 보강한 실험체는 20겹으로 보강한 실험체(PET-20-20)의 경우에만, 보강하지 않은 실험체에 비해 48% 증가하고 있음을 확인하였고, 나머지 5겹, 7겹, 10겹으로 보강한 실험체들은 강도증진이 미미하였다(Fig. 5(c) 참조).
그러나 PET의 경우는 k2값이 128.7로 나타나 k2 = 49.1k1(49.1 = 128.7/2.62)나 연성증가는 CFS 또는 GFS 에 비해 매우 우수한 것을 확인하였다.
그러나 PET 섬유로 보강한 실험체는 섬유파단이 발생되지 않기 때문에 급격한 내력저하는 발생하지 않고 최대강도 이후 서서히 감소되는 경향을 보여주었다. 또한, 보강량이 클수록 최대강도 이후 내력이 감소되는 폭이 작아 매우 우수한 연성능력을 보여주었다.
6은 40 MPa로 계획한 실험체들의 응력도-변형률 곡선을 보강재료 별로 비교하여 나타낸 것이다. 보강하지 않은 실험체(Con-N-40)에 비해 CFS로 1겹 및 2겹 보강한 실험체의 강도증가는 각각 247%와 64%로 나타났으며(Fig. 6(a)참조), GFS로 1겹 및 2겹 보강한 실험체의 강도증가는 20% 와 50%로 나타났다(Fig.
본 연구에서 산정된 k1 값은 Table 2에 나타내었듯이, CFS와 GFS인 경우, 3.87∼6.62에 분포하고 있으며, 그 평균은 5.35로 나타나 기존 연구 결과와 유사하게 나타났다.
Photo 2는 실험체의 최종파괴 상황을 나타낸 것이다. 사진에서 보듯이 보강하지 않은 실험체는 콘크리트의 전형적인 압축파괴로 최종파괴 되었으며, CFS 및 GFS로 보강한 실험체는 보강재가 파단되면서 최종파괴 되었다.
5(c) 참조). 연성 증진 효과에 대해 CFS 보강한 실험체는 보강하지 않은 실험체에 비해 약 3.84배 증가하였으며, GFS의 경우는 약 7.87배 증가하였다. 그러나 PET 5겹, 7겹, 10겹, 20겹으로 보강한 실험체는 보강하지 않은 실험체에 비해 각각 21.
후속연구
7) PET 섬유로 보강할 경우, 보강겹수가 20겹이상(횡보강비 0.2% 이상) 확보되어야 강도 및 연성증진 효과가 있기 때문에 여러 겹으로 보강하는 시공상 문제점을 추후에 보완할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다.
2% 이상) 확보했을 때 강도증진과 함께 연성거동을 보여주었다. 또한 보강량이 작은 경우에는 강도증진을 기대할 수 없는 없었으나, 완전 붕괴는 발생하지 않아 지진시 대변형을 막아주는데 기여할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PET 섬유가 구조물의 대변형에 저항할 수 있는 보강재료로 사용될 수 있는 이유는?
비닐용기 등에 주로 사용되는 PET 섬유는 강도는 아주 작은 반면, 변형성능에는 아주 우수하기 때문에 지진 발생시 구조물의 대변형에 효과적으로 저항할 수 있는 보강재료로 사용가능하며, 일본에서는 이미 PET 섬유를 이용한 연구를 진행하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 PET(polyethylene terephthalate) 섬유의 횡구속 효과를 파악하고, PET 섬유의 보강효과와 기존에 사용해왔던 탄소섬유시트 및 유리섬유시트의 보강효과를 비교함으로써 PET 섬유의 현장적용성 여부를 파악하기 위한 것이다.
구조물 안정성 확보를 위해 주로 사용되는 시트보강 재료의 장단점은?
시트보강 재료로는 탄소섬유시트(CFS), 유리섬유시트(GFS), 아라미드섬유시트(AFS)등이 주로 사용되어 왔다. 이러한 보강재료는 강도 및 강성이 우수하고 경량으로 인한 시공성이 우수하지만, 낮은 변형률로 인해 연성확보가 어렵고, 파괴시 취성파괴가 발생하기 때문에 구조물의 대변형에 저항하는 데 한계가 있다. 따라서 대변형에 저항할 수 있는 높은 변형률을 가진 고연성 재료로 보강하는 것이 바람직하다.
구조물 안정성 확보를 위한 정확한 외력을 산정하는 것이 불가능한 이유는?
구조물 설계 시, 구조물에 작용하는 외력보다 더 큰 저항성능을 갖도록 하여 구조물의 안전성을 확보한다. 그러나 외력은 시공상의 오차와 불확실한 요소, 여러 경험치와 그에 따른 기준 등이 포함되어 있기 때문에 구조물의 안전성을 확보하기 위한 정확한 외력을 산정하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 외력보다 더 큰 저항성능을 확보한다 하더라도 실제 외력이 저항성능을 초과하는 경우가 발생되어 구조물 손상이나 붕괴는 언제든 발생할 가능성이 있다.
참고문헌 (8)
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