[논문]표면매립된 철계-형상기억합금 스트립으로 휨 보강된 RC보의 장기 휨거동

홍기남; 이수규; 한상훈; 강판승

doi:10.11112/jksmi.2018.22.3.103

표면매립된 철계-형상기억합금 스트립으로 휨 보강된 RC보의 장기 휨거동
Long-term Flexural Behavior of RC Beams Strengthened in Flexure with NSM Fe-SMA Strips 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.3, 2018년, pp.103 - 110

홍기남 (충북대학교 토목공학과) , 이수규 (충북대학교 토목공학과) , 한상훈 (충북대학교 토목공학과) , 강판승 (충북대학교 토목공학과)

초록
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표면매립공법으로 매립한 철계-형상기억합금으로 보강한 보의 휨 거동을 장기 하중 재하실험을 통해 평가하였다. 철계-형상기억합금 길이대비 2%와 4%의 사전변형 및 형상기억효과 활성화에 의한 프리스트레스 하중 도입을 실험변수로 설정하였다. 1 tonf의 콘크리트 추를 보 중앙에 거치한 후 6개월간의 보 중앙부의 장기 처짐을 측정하였다. 실험결과, 철계-형상기억합금으로 보강한 보의 휨 강성이 증대되었으며, 사전변형이 증가할수록 보강재의 강성감소로 인한 처짐이 증가하는 것으로 나타났다. 프리스트레스 하중 도입에 따른 처짐을 비교했을 때, 프리스트레스 하중을 도입하지 않은 실험체에 비해, 프리스트레스 하중을 도입한 실험체는 약 30%의 처짐 감소 효과를 보이는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The long-term flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams strengthened with an iron based-shape memory alloys (Fe-SMAs) by a near-surface mounted (NSM) method was evaluated. The pre-strained values of 2% and 4% and introduced prestressing force by an activation of a shape memory effect of the Fe-SMA strengthening material were considered as experimental variables. Deflections at the center of the RC beams were measured for six months after the 1 tonf concrete weight was loaded on the beam. Experimental results show that the deflections decreased because of the increased flexural stiffness of beams strengthened with the Fe-SMA strips. On the contrary, with increased pre-strained values, the deflection increased due to stiffness reduction of the strengthening material. It was confirmed that the specimens incorporating the prestressed force showed the deflection reduction of about 30%, compared to the ones without the prestressed force.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 철계-형상기억합금으로 휨 보강된 보에 대한 장기거동을 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 철계-형상기억합금을 표면매립공법으로 보강한 철근콘크리트 보의 초기 활성화 단계에서의 휨거동 및 6개월에 걸친 장기 휨거동을 평가하고자 실험을 계획하였다.
이에 본 연구는 철계-형상기억합금을 NSM 보강재로 사용하여 보강된 RC 보의 휨성능을 장거적으로 평가하고자 한다. 보의 장기 휨거동은 철계-형상기억합금의 사전변형 및 형상 기억효과 활성화에 의한 긴장력 도입여부를 변수로 보 중앙부의 처짐을 통해 분석되었다.

제안 방법

강재 프레임 위에 거치된 실험체에 콘크리트 블록을 매달고 즉시처짐이 안정화된 2일 후에 철계-형상기억합금 보강재 활성화 작업을 수행하였다. 철계-형상기억합금의 활성화 과정에 발생된 실험체 중앙부의 처짐은 보 중앙하단에 설치된 50mm 용량의 LVDT를 이용하여 측정되었다.
두께, 폭, 길이가 1.5mm, 20mm, 3,000mm로 절단된 철계-형상기억합금 보강재를 길이 대비 2%와 4%까지 사전변형시켰다. 철계-형상기억합금의 사전변형은 수평인장장치를 통해 실시하였다.
1에서 나타난 것과 같이 다이얼 변위 측정기를 사용하여 측정하였다. 또한, 실험체 중앙부 인장철근과 상부콘크리트에 부착된 변형률 게이지를 이용하여 인장철근과 콘크리트의 변형률도 측정하였다.
본 연구에서는 보강재의 사전변형량 및 철계-형상기억합금의 형상기억효과 활성화에 따른 프리스트레스 긴장력 도입 여부를 실험변수로 설정하였다. 실험변수를 정리하여 나타내면 Table 1과 같다.
상재하중을 재하시키고 2일 후에 실험체 인장부에 매립된 철계-형상기억합금의 긴장력 도입을 위해 전기저항가열로 합금의 형상기억효과를 활성화시켰다. 보강재에 전력을 공급하기 위하여 매립 전 철계-형상기억합금 보강재 양 끝단에 10mm 직경의 홀을 천공한 후 전력공급용 구리 클립을 연결하였다.

대상 데이터

보의 단면치수는 300mm × 200mm이며, 인장 및 압축부 콘크리트 피복두께는 모두 30mm로 동일하게 설정하였다. 보의 총 길이는 3,000mm 이며, 순지간은 2,700mm으로 계획하였다. 모든 보에 SD400등급의 D10 철근 3개를 인장철근으로 배근하였으며, 동일 등급의 D13 철근 2개를 압축철근으로 배근하였다.
인장부 홈에 충전한 초속경 모르타르를 1개월간 충분히 양생시킨 이후 실험체를 강재 프레임에 설치하고, 실험체 중앙에 약 1 tonf 중량의 콘크리트 추를 매달아 상재하중을 재하하였다. 본 실험에서 상재하중으로 재하된 추는 가로 1,000mm, 세로 1,080mm, 폭 300mm의 직사각형 콘크리트 블록이었다. 길이 1,200mm, 폭 100mm의 강재판을 이용하여 강재프레임에 거치된 실험체의 중앙에 하중블록을 매달았다.
본 연구에서 보강재로 사용된 철계-형상기억합금은 스위스 R사에서 제조된 것으로 폭 100mm와 두께 1.5mm의 스트립 형상이었다. 인장실험을 위하여 폭 10mm, 길이 330mm로 스트립을 절단하였다.
본 연구에서는 총 7개의 보를 제작하였다. 보의 단면치수는 300mm × 200mm이며, 인장 및 압축부 콘크리트 피복두께는 모두 30mm로 동일하게 설정하였다.
본 연구를 위해 사용된 각 재료의 재료실험은 KS규정과 ASTM 규정에 맞추어 실시하였다. 콘크리트는 30.0MPa의 설계 압축강도를 갖는 레디믹스 콘크리트를 사용하였으며, 사용된 콘크리트의 배합설계를 Table 2에 나타내었다. 굵은 골재의 최대치수는 23mm이고, 잔골재율은 50.

이론/모형

본 연구를 위해 사용된 각 재료의 재료실험은 KS규정과 ASTM 규정에 맞추어 실시하였다. 콘크리트는 30.
인장실험을 위하여 폭 10mm, 길이 330mm로 스트립을 절단하였다. 절단 시 마찰에 의한 형상기억합금의 손상을 최소화하기 위해 물과 연마제를 이용하는 워터젯 컷팅 시스템을 사용하였다. Fig.

성능/효과

1) 보강하지 않은 실험체와 보강된 실험체의 처짐을 비교했을 때, 철계-형상기억합금 보강재는 약 50∼65%의 처짐을 감소시키며 휨 강성을 증가시키는 것으로 나타났다.
2) 철계-형상기억합금의 사전변형 증가에 따라 즉시처짐이 16.8%, 39.9% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 사전변형으로 인한 철계-형상기억합금의 강성감소가 원인인 것으로 생각된다.
3) 2%와 4% 사전변형된 철계-형상기억합금 보강재를 활성화한 실험체 이론처짐/실험처짐이 각각 1.04와 1.08로 철계-형상기억합금의 회복응력이 철근콘크리트 부재에 적절하게 긴장력으로 전달됨을 확인할 수 있다.
4) 2%와 4%의 사전변형을 가지며, 전기저항으로 회복응력을 활성화시킨 보강재로 보강된 실험체에는 6개월 이후 추가적으로 약 2.0mm, 2.16mm의 처짐이 발생하였다. 이는 활성화하지 않은 보강재를 사용한 실험체에 비해 각각 26%, 38% 감소한 값으로 프리스트레싱 효과에 기인한 것으로 생각된다.
5) 6개월간의 장기재하 실험을 통해 형상기억효과의 활성화를 통한 긴장력 도입이 형상기억합금의 릴락세이션에큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
49mm 발생하였다. Control에 비해 보강한 실험 체는 50.78∼65.1% 처짐 감소를 보였으며, 이는 보강재에 의한 휨성능 향상의 결과로 생각된다. 또한, 철계-형상기억 합금 보강재의 사전변형이 증가할수록 즉시처짐은 16.
이는 PS2-N와 PS4-N에 비하여 각각 26%, 38% 감소한 값으로 프리스트레싱 효과에 기인한 것으로 생각된다. 또한, 본 실험을 통해 형상기억효과의 활성화를 통한 긴장력 도입이 형상기억합금의 릴락세이션에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
1% 처짐 감소를 보였으며, 이는 보강재에 의한 휨성능 향상의 결과로 생각된다. 또한, 철계-형상기억 합금 보강재의 사전변형이 증가할수록 즉시처짐은 16.8%와 39.9% 증가하는 경향을 보였다. 이는 사전변형 증가에 따른 철계-형상기억합금의 강성이 감소하기 때문인 것으로 판단된다(Yeon, 2018).
49mm의 처짐이 발생하였다. 사전변형을 하지 않은 보강재와 비교하여 사전변형이 큰 보강재를 사용할수록 장기처짐이 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 형상기억합금의 사전변형이 증가할수록 탄성계수가 감소하고, 응력이완이 크게 발생하기 때문인 것으로 생각된다.
49mm 으로 나타났다. 이론값/실험값은 PS2-P, PS4-P 실험체에서 각각 1.04와 1.08로 철계-형상기억합금의 회복응력이 철근콘크리트 부재에 적절하게 긴장력으로 전달됨을 확인할 수 있다.
철계-형상기억합금 보강재를 사용하여 보강한 보의 휨거 동은 (1) 1 tonf의 상재하중 재하 직후 발생한 즉시처짐; (2) 철계-형상기억합금의 형상기억효과 활성화로 인한 처짐회복; (3) 6개월 후의 장기처짐으로 분석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강판보강공법이란?	외부에 강판을 부착하여 보강하는 강판보강공법과 섬유시트로 보강하는 섬유보강공법은 구조물의 내구력을 복원시키고 강성을 증가시키는 대표적인 보강 공법이다(Loreto et al., 2013;Elsanadedy et al.
	철근콘크리트 구조물의 문제점에 따른 해결책은?	하지만, 철근콘크리트로 건설된 구조물의 내구력은 시간경과에 따른 노후화와 외부요인에 의한 손상으로 저하되게 된다. 이에 따른 해결책으로, 구조물 보강에 관한 많은 연구와 적용이 이루어지고 있다(Triantafillou and Plevris, 1992; Chajes et al., 1994; Norris et al.
	강판보강공법의 문제점은?	, 2013). 하지만, 강판보강공법의 경우 부식, 강판 자중에 의한 사하중 증가 및 취급의 어려움 등의 문제점을 나타내고 있으며, 섬유보강공법의 경우 부착재로 사용되는 에폭시와 콘크리트 모체의 상이한 열팽창계수로 인한 계면의 부착력 저하 및 보강재 박리 등의 한계점을 가지고 있다. 또한 에폭시의 낮은 유리전이온도로 인해 낮은 내화성능을 가지고 있다 (Kim, 2005; Park, 2003; Choi et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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