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문제 정의
- CFRP의 단부부착상세 변화에 따른 보의 휨성능 실험을 수행하기에 앞서 본 연구에서는 각각의 부 착상세별 직접전단 실험을 실시하여 부착상세별 부착강도의 변화를 고찰하였다.
- 이 같은 부착방식 보강기술은 콘크리트와 보강재 사이의 계면거동이 보강 효과에 큰 영향을 미치고 계면에서의 파괴가 구조물의 휨성능을 좌우하는 예가 많은 것으로 보고되고 있으며 특히 단부에서의 응력집중은 이러한 계면파괴를 유발하는 중요한 인자로 인식되어 왔다. 따라서, 본 연구에서는 탄소섬유 폴리머를 이용한 기존의 보강기술에 대한 문제점을 파악하고 이를 개선시키기 위한 노력으로 CFRP 보강재 단부의 부착상세를 달리한 RC보에 대한 휨 실험을 실시하였 으며, 단부부착형태 및 정착형태에 따른 파괴모드와 횜보강 효과에 대해 검토하였다.
제안 방법
- CFRP쉬트 및 판에 의해 보강된 철근콘크리트보의 휨보강 성능을 파악하기 위하여 그림 2와 같이 폭:높이가 1:1.5, 단면높이 : 지간길이가 1:10인 철근콘크리트보를 제작하였다. 모든 시험체는 보강된 이후에도 휨파괴에 앞서 전단파괴가 발생하지 않도록 D10의 스터럽을 10cm 간격으로 배치하였으며 휨인장 파괴를 유도하기 위하여 D13 철근 3개를 압축철근으로 사용하였다.
- 보강에 사용된 CFRP 보강재료의 주 요 물성은 표 3~4에 나타내었다. 실험은 4점 재하 형태로 변위제어를 통해 진행하였으며, 변형률 게 이지와 변위계를 이용하여 하중 단계별 응답을 측정하였다.
- 예비시험은 5tonf의 만능시험기를 통해 Imm/min의 가력속도로 변위제어방법을 통해 실시하였다. 실험결과 모든 시험체는 콘크리트와 CFRP의 계면 또는 강판과 CFRP 계면에서의 부착파괴로 시험이 종료되었다.
- 철근콘크리트 보에 대해 CFRP쉬트 및 탄소섬유판을 이용하여 휨보강을 실시한 후 실시된 정적실 험을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 여기서 비부착 방식은 콘크리트와 CFRP 사이에 에폭시 접착제를 전혀 사용하지 않고 양 단에 설치된 정착장치를 통해 보강력이 전달되는 보강방법을 의미한다. 한편 본실험에서는 가력위치가 보강효과에 어떠한 영향을 미치는가를 파악하기 위해 두 가지 가력위치(지점에서 거리 105cm, 60cm) 에 대해 실험이 실시되었다. 동일한 CFRP로 보강하는 경우 보강길이, 보강매수, 보강폭은 모두 동일 하게 하였다.
대상 데이터
- (1) 본 연구에서 실험된 보강보는 내부 균열부에서 부착파괴가 시작되는 중간 부착파괴모드를 보였 다. 이러한 파괴모드로 인해 CFRP쉬트의 단부 부착형태를 변화시켜 보강한 보의 경우 보강효과는 일 반적인 부착형태의 보강보와 차이를 보이지 않았다.
- 5, 단면높이 : 지간길이가 1:10인 철근콘크리트보를 제작하였다. 모든 시험체는 보강된 이후에도 휨파괴에 앞서 전단파괴가 발생하지 않도록 D10의 스터럽을 10cm 간격으로 배치하였으며 휨인장 파괴를 유도하기 위하여 D13 철근 3개를 압축철근으로 사용하였다. 시험체 보강에는 국내 H 사의 무수지탄소섬유쉬트와 국외 C사의 CFRP판을 사용하였다.
- 모든 시험체는 보강된 이후에도 휨파괴에 앞서 전단파괴가 발생하지 않도록 D10의 스터럽을 10cm 간격으로 배치하였으며 휨인장 파괴를 유도하기 위하여 D13 철근 3개를 압축철근으로 사용하였다. 시험체 보강에는 국내 H 사의 무수지탄소섬유쉬트와 국외 C사의 CFRP판을 사용하였다. 실험체 제작에는 설계강도 270kg/cm2 의 콘크리트와 인장강도 4000kg/cm2 이상의 철근을 사용하였다.
- 시험체 보강에는 국내 H 사의 무수지탄소섬유쉬트와 국외 C사의 CFRP판을 사용하였다. 실험체 제작에는 설계강도 270kg/cm2 의 콘크리트와 인장강도 4000kg/cm2 이상의 철근을 사용하였다. 보강에 사용된 CFRP 보강재료의 주 요 물성은 표 3~4에 나타내었다.
성능/효과
- (4) 단부를 정착시키면 보강효과가 개선되었으며 연성확보에도 효과적인 것으로 파악되었다.
- 실험결과 모든 시험체는 콘크리트와 CFRP의 계면 또는 강판과 CFRP 계면에서의 부착파괴로 시험이 종료되었다. CFRP쉬트 단부에 미리 강판을 매립하고 그 위에 쉬트를 부착한 경우에 가장 높은 부착 강도를 발현하는 것으로 나타났으며, 강판에 부착된 CFRP쉬트의 부착강도는 모두 에폭시의 인장강도 인 75kgf/cm2을 상회하는 것으로 나타났다. 또한 부착면적을 변화시키지 않고 단부 CFRP쉬트의 두께 만 증가시킨 Thick 시험체는 기준시험체에 비해 최대하중과 부착강도가 약 35% 증가하는 것으로 나 타났다.
- 단부 부착형태를 변수로 하여 실시된 실험결과 CFRP쉬트 및 CFRP판 보강보의 무보강 기준실험체 에 대한 보강효과비를 표 6에 정리하였다. CFRP쉬트 보강실험체의 경우, 단부 부착형태에 따라 무보 강 실험체에 비해 항복하중은 29〜41%까지 증가하는 것으로 나타났으며, 최대하중은 70〜74%까지 증 가하는 것으로 나타났다. 단부 부착형태를 변화시킨 실험체의 항복하중비는 부착형태를 변화시키지 않 은 일반적인 방법에 비해 항복하중비는 5-12% 증가되었지만, 최대하중비는 오히려 2〜4% 감소하는 것으로 나타났다.
- CFRP판 보강실험체의 경우에는 무보강 기준실험체에 비해 항복하중은 부착형태별로 각각 37, 54% 가 증가하는 것으로 나타났으며, 최대하중은 각각 53, 78%가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 부착형 태별로는 일반적인 부착방법으로 시공된 CON27PL 실험체에 비해 강판을 매립하고 부착한 PLSUB27 실험체의 최대하중비가 25% 증가하는 것으로 나타났다.
- CFRP쉬트 보강실험체의 보강길이 및 보강폭은 각각 290cm, 12cm로 모든 실험체가 동 일하며, 단부 부착형태에 의해 단부에서 두께가 변화되는 경우를 제외하고는 모든 실험체의 보강매수 도 2매로 동일하다. CFRP판 보강실험체의 경우에도 보강길이는 CFRP쉬트 보강실험체와 동일하며 모 든 실험체가 폭 5cm인 CFRP판 1매로 보강되었다.
- CFRP쉬트 보강실험체의 경우, 단부 부착형태에 따라 무보 강 실험체에 비해 항복하중은 29〜41%까지 증가하는 것으로 나타났으며, 최대하중은 70〜74%까지 증 가하는 것으로 나타났다. 단부 부착형태를 변화시킨 실험체의 항복하중비는 부착형태를 변화시키지 않 은 일반적인 방법에 비해 항복하중비는 5-12% 증가되었지만, 최대하중비는 오히려 2〜4% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 균열부에서 부착파괴가 진행되어 급속히 단부쪽으로 박리가 진행되는 경우, 단 순한 단부 부착형태의 개선만으로는 부착성능 및 보강효과를 향상시킬 수 없다는 것을 의미하기도 한 다.
- 즉, 단부정착에 의해서도 경간 내부에서의 휨 균열에 의한 보강재 부착파괴는 지연시키거나 방지할 수 없는 것으로 판단된다. 또한 CFRP판 보강실험체인 CPCWB27도 CFRP쉬트 보강실험체와 마찬가지로 일반적인 부착방법에 의해 시공된 CPLP227과 동일한 시점에서 경간 내부의 보강재가 부착파괴를 일으키는 것으로 나타났다.
- CFRP쉬트 단부에 미리 강판을 매립하고 그 위에 쉬트를 부착한 경우에 가장 높은 부착 강도를 발현하는 것으로 나타났으며, 강판에 부착된 CFRP쉬트의 부착강도는 모두 에폭시의 인장강도 인 75kgf/cm2을 상회하는 것으로 나타났다. 또한 부착면적을 변화시키지 않고 단부 CFRP쉬트의 두께 만 증가시킨 Thick 시험체는 기준시험체에 비해 최대하중과 부착강도가 약 35% 증가하는 것으로 나 타났다. 한편 Wide 시험체의 경우에 최대하중은 증가하는 것으로 나타났으나 확대된 면적과 비례하여 증가하지는 않는 것으로 나타났다.
- CFRP판 보강실험체의 경우에는 무보강 기준실험체에 비해 항복하중은 부착형태별로 각각 37, 54% 가 증가하는 것으로 나타났으며, 최대하중은 각각 53, 78%가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 부착형 태별로는 일반적인 부착방법으로 시공된 CON27PL 실험체에 비해 강판을 매립하고 부착한 PLSUB27 실험체의 최대하중비가 25% 증가하는 것으로 나타났다.
- 또한 보강재 단부에 강판을 매립하여 부착강도를 증가시키고자 했던 SHSUB27의 경우에도 실제 부착파괴의 시작이 보강재 단부가 아닌 하중재하점 하단부에서 발생하면 서 단부의 강판이 부착파괴 억제에 기여하지 못하는 것으로 나타났다. 부착파괴가 일어난 모든 실험체 는 하중가력점 하단부 또는 중앙부에서 부착파괴의 진행이 시작되었으며 파괴 양상은 하중의 재하위 치와는 무관하게 동일한 양상으로 파괴되는 것으로 나타났다.
- 예비시험은 5tonf의 만능시험기를 통해 Imm/min의 가력속도로 변위제어방법을 통해 실시하였다. 실험결과 모든 시험체는 콘크리트와 CFRP의 계면 또는 강판과 CFRP 계면에서의 부착파괴로 시험이 종료되었다. CFRP쉬트 단부에 미리 강판을 매립하고 그 위에 쉬트를 부착한 경우에 가장 높은 부착 강도를 발현하는 것으로 나타났으며, 강판에 부착된 CFRP쉬트의 부착강도는 모두 에폭시의 인장강도 인 75kgf/cm2을 상회하는 것으로 나타났다.
- 실험결과에 따르면, SHLP227이 부착파괴가 발생한 시점과 유사한 시점에서 SHCWB27 또한 부착 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 단부정착에 의해서도 경간 내부에서의 휨 균열에 의한 보강재 부착파괴는 지연시키거나 방지할 수 없는 것으로 판단된다.
- CFRP판 시험체에서는 강판과의 부착강도가 평균 60kgf/cn?인 것으로 나타나 CFRP쉬트에서와 같 이 탁월하게 부착성능이 향상되지는 않는 것으로 나타났다. 표 2에는 CFRP쉬트 및 CFRP판 예비시험 체의 최대하중 및 부착강도를 나타내었다.
- 한편, 단부 정착 실험체중 비부착 실험체는 무보강 실험체에 비해 항복하중 증가비가 약 10% 이내 인 것으로 나타나 비합성된 보강재는 철근의 응력을 거의 분담하지 못하고 있는 것으로 나타났다. 최 대하중에 있어서는 SHCWU27의 경우 일반적인 부착방법에 의해 시공된 SHLP227보다 오히려 최대하 중이 낮아지는 것으로 나타났으며, CPCWU27 및 CPCBU27은 CPLP227과 동일한 최대하중 증가비율 을 나타내었다.
- 또한 부착면적을 변화시키지 않고 단부 CFRP쉬트의 두께 만 증가시킨 Thick 시험체는 기준시험체에 비해 최대하중과 부착강도가 약 35% 증가하는 것으로 나 타났다. 한편 Wide 시험체의 경우에 최대하중은 증가하는 것으로 나타났으나 확대된 면적과 비례하여 증가하지는 않는 것으로 나타났다.
- 그러나 단부 정착으로 인한 항복하중의 증가율은 단부가 정착되지 않은 실험체와 거의 유사한 것으로 나타났다. 한편, 단부 정착 실험체중 비부착 실험체는 무보강 실험체에 비해 항복하중 증가비가 약 10% 이내 인 것으로 나타나 비합성된 보강재는 철근의 응력을 거의 분담하지 못하고 있는 것으로 나타났다. 최 대하중에 있어서는 SHCWU27의 경우 일반적인 부착방법에 의해 시공된 SHLP227보다 오히려 최대하 중이 낮아지는 것으로 나타났으며, CPCWU27 및 CPCBU27은 CPLP227과 동일한 최대하중 증가비율 을 나타내었다.
후속연구
- (5) 비부착 보강방식은 보강재를 유효하게 사용할 수 있다는 점, 연성확보에 유리하다는 점, 시공을 간편화시킨다는 점 등 다양한 이점이 있는 보강공법이므로 이를 보완시키기 위한 기계적 정착장치 등 에 대한 연구 , 검토가 필요하다고 사료된다.
- 이와 같이 CFRP 쉬트가 파단되었으나 보강효과가 향상되지 못한 원인은 쉬트에 발생된 인장응력의 증가로 쉬트가 파 단되지 않고 박리가 급격히 진행되면서 발생되는 충격이 원인이라고 판단된다. 이 같은 파괴 메커니즘 에 대해서는 향후 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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