기존 콘크리트 구조물의 노후화 또는 지진과 같은 외부 하중에 의하여 구조물의 구조 성능이 저하되기 때문에, 기존 건물의 보수 및 보강 연구는 중요하다. 외부부착 탄소섬유 보강 공법과 같은 효율적인 보수 공법을 사용하면 경제적으로 콘크리트 구조물의 구조 성능을 높일 수 있다. 따라서 외부부착 탄소섬유를 사용한 콘크리트 부재의 실험 연구는 많이 진행되었다. 특히, 콘크리트 보를 사용한 전단 보강에 관한 연구는 탄소섬유의 양, 부착 각도, 스트립의 폭, 그리고 재료간의 상호작용에 관한 것이었다. 하지만 선행된 연구에 비하여 탄소섬유의 이 방향 레이아웃에 관한 다양한 변수 연구는 부족한 상황이다. 따라서 이 연구에서는 이 방향 레이아웃 외부부착 탄소섬유 공법을 사용하여 콘크리트 보의 전단보강 효과를 검증하였다. 이 방향 레이아웃의 보강 효과는 스터럽과의 전단 기여도, 실험체의 전단 거동과 보강 시점에 따른 최대 내력의 비교를 통하여 이루어졌다.
기존 콘크리트 구조물의 노후화 또는 지진과 같은 외부 하중에 의하여 구조물의 구조 성능이 저하되기 때문에, 기존 건물의 보수 및 보강 연구는 중요하다. 외부부착 탄소섬유 보강 공법과 같은 효율적인 보수 공법을 사용하면 경제적으로 콘크리트 구조물의 구조 성능을 높일 수 있다. 따라서 외부부착 탄소섬유를 사용한 콘크리트 부재의 실험 연구는 많이 진행되었다. 특히, 콘크리트 보를 사용한 전단 보강에 관한 연구는 탄소섬유의 양, 부착 각도, 스트립의 폭, 그리고 재료간의 상호작용에 관한 것이었다. 하지만 선행된 연구에 비하여 탄소섬유의 이 방향 레이아웃에 관한 다양한 변수 연구는 부족한 상황이다. 따라서 이 연구에서는 이 방향 레이아웃 외부부착 탄소섬유 공법을 사용하여 콘크리트 보의 전단보강 효과를 검증하였다. 이 방향 레이아웃의 보강 효과는 스터럽과의 전단 기여도, 실험체의 전단 거동과 보강 시점에 따른 최대 내력의 비교를 통하여 이루어졌다.
Researches on strengthening and rehabilitation are important since structural capacity is degraded by deterioration or damage of structural members. An effective strengthening scheme such as an externally bonded Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) can improve the structural performance of a conc...
Researches on strengthening and rehabilitation are important since structural capacity is degraded by deterioration or damage of structural members. An effective strengthening scheme such as an externally bonded Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) can improve the structural performance of a concrete structure in a cost-effective way. Therefore, many experimental studies on strengthening methods have been widely carried out. In regards to the shear strengthening of a concrete beam, variables of the experimental studies were the amount of CFRP, the angle of the strip, the width of the strip, and the interaction between the materials. However, there are insufficient researches on bi-directional CFRP layout compared to the previous researches. In this study, a total of ten concrete beams were designed and tested to evaluate the shear strengthening effect using CFRP strips. The effectiveness of strengthening was investigated based on the shear contribution of materials, strain distribution of stirrup, and the maximum shear capacity of specimens.
Researches on strengthening and rehabilitation are important since structural capacity is degraded by deterioration or damage of structural members. An effective strengthening scheme such as an externally bonded Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) can improve the structural performance of a concrete structure in a cost-effective way. Therefore, many experimental studies on strengthening methods have been widely carried out. In regards to the shear strengthening of a concrete beam, variables of the experimental studies were the amount of CFRP, the angle of the strip, the width of the strip, and the interaction between the materials. However, there are insufficient researches on bi-directional CFRP layout compared to the previous researches. In this study, a total of ten concrete beams were designed and tested to evaluate the shear strengthening effect using CFRP strips. The effectiveness of strengthening was investigated based on the shear contribution of materials, strain distribution of stirrup, and the maximum shear capacity of specimens.
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문제 정의
하지만 탄소섬유 앵커를 사용한 이 방향 탄소섬유 전단보강에 관한 연구는 많이 진행되지 않았다. 따라서 이 연구를 통하여 탄소섬유 앵커를 사용한 이 방향 전단보강의 유효성을 검증하고자 하였다. 총 10개의 콘크리트 보가 제작되었고 전단보강에 관한 다양한 변수들이 검증되었다.
이 실험 연구의 주된 목적은 이 방향 탄소섬유의 보강 효과와 보강 시점에 대한 검증이다. 이러한 변수를 검증하기 위하여 10개의 콘크리트 보 실험체가 제작되어 전단 실험이 진행되었다.
가설 설정
일 방향 레이아웃과 이 방향 레이아웃에 사용된 탄소섬유의 양은 동일하도록 이 방향 레이아웃에 사용된 수직과 수평 방향 탄소섬유의 폭은 50mm로 정하였다.
제안 방법
(1) 전단보강 재료의 전단 기여도 – 동일한 탄소섬유 레이아웃 보강된 실험체에 두 가지의 스터럽 간격을 적용하여 두 재료의 상호 작용을 확인하였다.
(2) 탄소섬유 레이아웃 – 동일한 탄소섬유 양을 사용하고, 일 방향과 이 방향 레이아웃의 전단보강 효과를 검증하였다.
(3) 보강 시점 – 동일한 스터럽 배근과 탄소섬유 레이아웃을 사용하고, 보강 시점이 다른 실험체 비교를 통하여 보강시점이 전단보강 효과에 미치는 영향을 검증하였다.
200 kN부터 50 kN 단위의 전단력이 작용하였을 때의 변형률 분포를 비교하였다.
ACI 318-14에 근거한 전단 강도와 측정된 최대 전단 내력을 정리하였으며, 두 값의 비율을 함께 표기하였다.
동일한 스터럽 간격과 탄소섬유 레이아웃을 사용하여 보강시점 검증을 위한 실험을 진행하였다. 실험체 명에 R이 없는 실험체는 선 보강작업이 이루어진 후 실험체가 파괴될 때까지 가력을 하였다.
첫 번째 그룹은 하중이 작용하기 전에 탄소섬유 보강작업이 이루어졌다. 두 번째 그룹은 탄소섬유 보강 없이 사용 하중 상태까지 먼저 가력되었고, 하중이 제거된 이후 탄소섬유를 사용하여 전단보강이 이루어졌다. 이 그룹을 통하여 탄소섬유 보강시점에 관한 영향력을 검증할 수 있다.
수직 방향 탄소섬유는 보 실험체 상부에서 겹침 이음을 하였고, 수평 방향 탄소섬유는 탄소섬유를 사용하여 탄소섬유 부착파괴를 방지할 수 있도록 하였다.
일 방향과 이 방향 레이아웃을 사용한 실험체를 통하여 전단보강에 대한 탄소섬유 레이아웃의 영향을 규명하였다. 스터럽에 발생한 변형률을 비교하여 탄소섬유 레이아웃의 전단보강 효과를 확인하였다. Fig.
탄소섬유에 부착된 스트레인 게이지는 예상 사인장 균열의 위치에 부착되었다. 스터럽의 변형률은 스터럽에 부착된 스트레인 게이지를 통해 계측하였다. 탄소섬유와 스터럽에 사용된 스트레인 게이지는 동일한 위치에 부착하여, 두 재료의 거동 비교를 할 수 있도록 하였다.
Pellegrino and Modena(2006)는 탄소섬유와 스터럽의 상호 작용을 일 방향 탄소섬유 보강된 실험체를 사용하여 연구하였다. 실험에 근거하여 해석 모델을 제안하였으며, 전단보강에 있어서 스터럽의 중요성을 언급하였다. 이 이외에도 많은 선행 연구에서 섬유 보강양에 관한 연구를 진행하였다.
실험체 명에 R이 표기된 실험체는 사용 하중 상태까지 가력이 진행된 후, 하중을 제거하고 보강 작업을 진행하였다.
외부부착 탄소섬유를 사용하여 전단보강의 효과를 검증하기 위하여 10개의 콘크리트 보 실험체가 제작되었다. 실험체는 다양한 변수를 반영하여 보강 작업이 이루어졌으며, 탄소섬유의 부착파괴를 방지하기 위하여 탄소섬유 앵커를 제작하여 부착하였다. 보강된 모든 실험체는 탄소섬유 파단에 의한 전단 파괴 모드를 나타냈으며 휨 파괴는 발생하지 않았다.
총 10개의 콘크리트 보가 제작되었고 전단보강에 관한 다양한 변수들이 검증되었다. 실험체는 모두 휨 철근의 항복이 발생하기 전에 전단 파괴 모드가 발생하도록 설계되었다.
이 연구에서는 외부부착 탄소섬유 공법을 사용하여 콘크리트 보의 전단보강 효과를 다음과 같은 세 가지 변수에 근거하여 검증하였다.
일 방향 보강 실험체에 사용된 수직 방향 탄소섬유의 양은 스터럽의 전단 강도와 거의 유사하게 정해서 전단 강도 기여도를 비교할 수 있도록 하였다.
일 방향과 이 방향 레이아웃을 사용한 실험체를 통하여 전단보강에 대한 탄소섬유 레이아웃의 영향을 규명하였다. 스터럽에 발생한 변형률을 비교하여 탄소섬유 레이아웃의 전단보강 효과를 확인하였다.
제일 아래에 위치한 그래프는 스터럽에 의한 전단 내력이고, 중간에 위치한 그래프는 탄소섬유에 의한 전단 내력이다. 콘크리트의 기여도는 실험체에 작용한 하중에서 스터럽과 탄소섬유의 전단 내력을 제거하여 계산하였다. 모든 실험체에서 전단 내력 기여도 경향은 유사하였기 때문에 대표적인 실험체 U-200과 U-100의 결과만 나타냈다.
탄소섬유에 의한 전단보강 효과는 스터럽의 양에 따라 변화하였다.
탄소섬유와 스터럽에 사용된 스트레인 게이지는 동일한 위치에 부착하여, 두 재료의 거동 비교를 할 수 있도록 하였다.
R 표시가 없는 실험체는 선 보강작업이 이루어진 실험체이며, R 표시가 있는 실험체는 후 보강 작업이 이루어진 실험체이다. 후 보강 실험체의 경우, 설계 하중의 60퍼센트까지 가력이 진행되었고, 그 이후 탄소섬유를 사용하여 보강작업이 이루어졌다.
대상 데이터
(a)에 나타난 것과 같이 동일한 탄소섬유 레이아웃과 두 개의 스터럽 간격을 가진 두 개의 실험체 그룹이 제작되었다.
실험에 사용된 콘크리트의 설계 강도는 30MPa이었고 28일 강도는 28MPa로 측정되었다. Table 2는 실험에 사용된 철근의 재료실험 결과를 나타낸다.
실험체의 주철근은 D25를 사용하였고, 스터럽은 D6 철근을 사용하였다.
외부부착 탄소섬유를 사용하여 전단보강의 효과를 검증하기 위하여 10개의 콘크리트 보 실험체가 제작되었다. 실험체는 다양한 변수를 반영하여 보강 작업이 이루어졌으며, 탄소섬유의 부착파괴를 방지하기 위하여 탄소섬유 앵커를 제작하여 부착하였다.
이 실험 연구의 주된 목적은 이 방향 탄소섬유의 보강 효과와 보강 시점에 대한 검증이다. 이러한 변수를 검증하기 위하여 10개의 콘크리트 보 실험체가 제작되어 전단 실험이 진행되었다. Fig.
탄소섬유는 ASTM D 3039에 따라 인장실험이 진행되었으며, 인장강도와 탄성계수는 각각 4,600MPa과 288,900MPa으로 측정되었다.
성능/효과
(1) 유사한 전단 기여도를 갖도록 설계된 실험체 (U-200, U-200R)의 비교를 통하여 탄소섬유에 의한 전단 기여도가 스터럽에 의한 전단 기여도보다 약 84 퍼센트 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
(2) 이 방향 탄소섬유 레이아웃을 사용하였을 때 스터럽의 변형률이 더 작은 값을 나타내고 변형률이 고르게 분포한 것을 확인할 수 있었다.
(3) 보강 작업 시기에 따라 전단 강도가 변화한 것을 알 수 있었다.
(4) 탄소섬유 앵커를 사용하여 탄소섬유 보강 작업이 이루어졌을 경우, 파괴 하중에 도달하기 전까지 탄소섬유 시트의 탈락은 일어나지 않았다. 탄소섬유 앵커를 사용하였을 경우 효과적으로 부착 파괴를 방지할 수 있었다.
대부분의 스터럽은 최대 하중에 도달하기 전에 항복하였고, 탄소섬유 스트립의 전단 기여도는 스터럽의 항복과 동시에 더 증가하는 것을 확인하였다.
또한 항복 이전의 변형률 분포를 보면, 일 방향 레이아웃으로 보강된 실험체에서는 특정 지점에서 변형률이 높은 것을 볼 수 있었지만, 이 방향 레이아웃을 사용한 실험체에서는 변형률의 분포가 고른 것을 알 수 있었다.
모든 실험체에서 최대 전단강도는 후 보강작업이 이루어졌을 때가 선 보강작업이 이루어졌을 때보다 증가한 것을 확인하였다.
스트레인 게이지 값을 통하여 전단 경간에 위치한 모든 스터럽이 항복한 것을 알 수 있었다.
실험을 통하여 스터럽이 과 보강되었을 때에는 섬유보강에 의한 효과가 크지 않다는 것을 확인하였다.
실험을 통하여 탄소섬유 앵커가 사용되면 탄소섬유 시트의 파단 변형률까지 도달하는 것을 알 수 있었다.
이 실험 연구를 통하여 스터럽과 탄소섬유 재료의 전단 기여도와 탄소섬유 레이아웃에 따른 전단보강 효과 그리고 보강 시점에 관한 효과를 검증할 수 있었다. 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
이 연구들을 통하여 콘크리트 보는 탄소섬유 시트를 사용하였을 때보다 스트립을 사용하였을 때 전단 보강 효과가 큰 것으로 확인되었다.
최대 전단 강도는 후 보강작업이 이루어졌을 때 모두 증가한 것을 확인하였다.
콘크리트의 균열 이후 (약 200 kN)에는 스터럽과 탄소섬유에 의한 전단 기여도가 높아지는 것을 알 수 있었다.
탄소섬유로 보강이 된 실험체의 경우 스터럽의 대부분은 항복하는 것으로 나타났다.
이러한 결과는 탄소섬유에 의한 보강 효과가 전단보강근의 양에 따라 변화하는 것을 의미한다. 탄소섬유의 보강 효과는 전단보강근의 양이 더 많았을 때 큰 것을 확인하였다.
U-200의 경우, 탄소섬유의 양은 탄소섬유의 전단 기여도가 스터럽의 전단 기여도 보다 약18퍼센트 크게 설계되었다. 하지만 실험 결과 스터럽에 의한 전단 기여도보다 탄소섬유에 의한 전단 기여도가 약 35퍼센트 크게 측정되었다. 스터럽의 간격이 좁을 때는 Vf,test/Vs,test의 값이 Vf,ACI/Vs,ACI에 비교하여 큰 것을 알 수 있었다.
효율적인 보수 공법을 사용하면 더 적은 비용으로 콘크리트 구조물의 구조 성능을 기존 설계 강도보다 더 높게 발휘할 수 있도록 할 수 있다.
최대 전단 강도는 후 보강작업이 이루어졌을 때 모두 증가한 것을 확인하였다. 후 보강작업을 통해 스터럽 간격이 200mm와 100mm일 경우에 내력은 각각 10.2퍼센트, 4.6퍼센트 증가하였다. 이와 같은 현상은 균열각도에 의한 전단보강 재료의 기여도가 변화한 것으로 판단된다.
후 보강작업이 이루어졌을 때 최대 강도가 증가한 것을 확인할 수 있다.
후 보강작업이 이루어졌을 때 거의 동일하거나 근소한 항복강도 증가를 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
외부부착 탄소섬유 공법의 장점은?
효율적인 보수 공법을 사용하면 더 적은 비용으로 콘크리트 구조물의 구조 성능을 기존 설계 강도보다 더 높게 발휘할 수 있도록 할 수 있다. 외부부착 탄소섬유 공법은 경량, 고강도, 내 부식성, 낮은 열 전도성 및 취급의 용이성과 같은 특성으로 인해 콘크리트 구조물을 빠르고 효율적으로 보강할 수 있는 공법이다.
실험 결과 전단보강 효과에서 스터럽과 탄소섬유 재료는 어떤 관계를 나타내었는가?
(1) 유사한 전단 기여도를 갖도록 설계된 실험체 (U-200, U-200R)의 비교를 통하여 탄소섬유에 의한 전단 기여도가 스터럽에 의한 전단 기여도보다 약 84 퍼센트 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 탄소섬유에 의한 전단보강 효과는 스터럽의 양에 따라 변화하였다. 일반적으로 스터럽의 양이 더 많을 때, 탄소섬유의 전단보강 효과가 더 큰 것을 알 수 있었다.
선행 연구에서 콘크리트 보는 어떤 경우에 전단 보강 효과가 더 좋았는가?
, 2005; Zhang and Hsu, 2005; Mofidi and Challal, 2014). 이 연구들을 통하여 콘크리트 보는 탄소섬유 시트를 사용하였을 때보다 스트립을 사용하였을 때 전단 보강 효과가 큰 것으로 확인되었다. 또한, 실험체 크기 효과의 영향은 명확하지 않았지만, 앵커의 부재로 인한 탄소섬유 재료의 탈락이 관측되었다.
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