퍼포본드 FRP-콘크리트 합성보의 실험적 연구
An Experimental Study of Perfobond FRP-Concrete Composite Beam
유 승 운
1)
국 무 성2)*
Yoo, Seung Woon Kook, Moo Sung
Abstract
An experimental study of composite beam with perforated fiber reinforced polymer(FRP) plank as a permanent formwork and the tensile reinforcement was performed. A combined formwork and reinforcement system can facilitate rapid construction of concrete members since no conventional formwork is needed, which requires time consuming assembly and dismantling. In order for a smooth FRP plank to act compositely with the concrete, the surface of the FRP needs to be treated to increase its bond properties. Aggregates were bonded to the FRP plank using a commercially available epoxy and perforated web of plank. No additional flexural or shear reinforcement was provided in the beams.
For comparison, two control specimens were tested. One control had no perforated hole in the web of FRP plank and the other had internal steel reinforcing bars instead of the FRP plank. The beams were loaded by central patch load to their ultimate capacity. This study demonstrates that the perforated FRP plank has the potential to serve as a permanent formwork and reinforcing for concrete beam.
Keywords : Perfobond FRP plank, Permanent formwork, FRP reinforcement, Composite beam, Composite action
1) 정회원, 관동대학교 토목공학과 교수 2) 정회원, 경원 엔지니어링 구조부, 공학박사
* Corresponding author : [email protected] 02-2185-8371
• 본 논문에 대한 토의를 2010년 4월 30일까지 학회로 보내주시면 2010년 7 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
1. 서 론
현재 우리나라 전국에 가설되어 있는 도로교 중 바닥판 이 있는 거더교 형식의 교량은 전체의 약 30% 정도를 차 지하고 있으며, 교량 바닥판의 경우 대부분 철근 콘크리 트 구조로 가설하고 있다(건설교통부, 2005). 콘크리트 교량 바닥판의 경우 차량하중을 직접적으로 받는 부재로 서 동결, 융해, 습윤 및 건조 등을 반복적으로 받고, 제설 재인 염화칼슘과 같은 부식 촉진제와 직접 접촉하는 부재 로써 교량의 타 부재에 비해 쉽게 손상을 입는 경향을 보 여주고 있으며, 특히 철근 콘크리트 바닥판의 경우 철근 의 부식에 의한 내구성 저하가 큰 문제로 대두되고 있다.
국내외적으로 FRP가 건설재료로 인식되어 관심을 갖 게 된 것은 비교적 최근의 일이다(Bank, 2006). FRP는 다른 건설재료에 비해 고가이므로 주로 구조물의 보수보 강 재료로 활용(Teng et al., 2002)되다가 최근 주 구조 부재로의 활용이 시도되고 있다(Deskovic et al., 1995;
Hulatt et al., 2003). 교량 바닥판 건설에서 FRP 판의 이용은 처음 재래의 목재 및 강재 거푸집 대용으로 사용 하기 시작하였으나 상대적으로 내구성이 뛰어나고, 경량
이며, 방식성능이 뛰어난 FRP 판을 거푸집으로 적극 활 용하게 되었다. 그 후 점차 시공성을 향상시키기 위해 콘 크리트 양생 후에도 FRP 판을 제거하지 않는 영구 거푸 집으로 활용하게 되면서, 이를 거푸집 역할 외에 구조부 재로서 활용하고자 하는 연구가 최근에 많은 연구자에 의 해 진행되고 있다(Dieter et al., 2002; Hall and Mottram, 1998). FRP 합성 바닥판의 설계 개념은 콘크리트 타설 시 FRP 판으로 자중을 지탱하고, 콘크리트가 양생 된 후 에는 FRP 판과 콘크리트가 합성거동으로 자중과 활하중 을 지탱하는 시스템이다(유승운 et al., 2007; 주형중 et al., 2005; Bank et al., 2007).
이 시스템은 FRP 판을 재래의 임시 거푸집 대신 거더 위에 설치 한 후 철근 배근 없이 현장에서 콘크리트를 타 설하고 양생하여 콘크리트 교량 바닥판을 완성 시키는 구 조이다. 이러한 FRP 판의 영구 거푸집 및 인장 보강재로 의 병행이용은 기존 현장타설 콘크리트 구조물 건설에 필 수적으로 요구되는 거푸집 제작, 설치 및 탈형에 소요되 는 많은 인력, 시간 및 공사비를 획기적으로 절감하고 빠 른 시공을 할 수 있다(Berg et al., 2006; Oliva et al., 2007).
본 시스템이 효과적으로 기능하기 위해서는 FRP 판과 현장타설 콘크리트의 합성작용이 매우 중요한 역할을 담 당한다(유승운, 2008; 유승운 등, 2007). 본 연구에서는 타설 콘크리트와 FRP 판의 일체 거동을 증진시키기 위해 FRP 판에 에폭시를 이용하여 잔골재를 부착하며, FRP 판의 리브에 구멍을 뚫은 퍼포본드(perfobond) FRP를 활용하여 결합력을 증진시킨다. 여기서, 퍼포본드는 합성 구조에서 이종재간의 합성작용을 위한 전단연결재의 한 종류로서 최근 각종 구조물의 연결재로 사용되고 있다 (Oguejiofor and Hosain, 1994).
본 연구에서는 본격적인 바닥판 실험이전 합성보에 대 해 여러 실험 변수에 따라 각종 실험 시편을 제작하고, 3 점 재하 실험을 통해 파괴거동을 살펴보고 실험 결과를 비교 분석하고자 한다.
2. 실험체 제작 및 실험
본 연구에 사용한 FRP 판은 아래 Fig. 1에 나타내었으 며 역학적 성질은 Table 1에 나타내었다. 본 연구에 사용 한 실험 시편 및 비교 실험 시편의 제원은 Table 2에 자 세히 나타내었다. 본 실험에서는 인장 보강재 및 거푸집 으로 FRP 판을 사용하였고 그 외 추가적인 인장 및 전단 보강은 하지 않았다.
본 실험에서 실험시편의 제작은 먼저 FRP 판을 폭 150mm 길이 1200mm와 1700mm로 절단한 후 FRP 판 내부 상단, 하단 플랜지 부분에 에폭시를 도포한 후, 에폭 시가 경화되기 전에 구멍이 뚫린 버켓(bucket)을 이용하 여 전체 표면의 약 30% 정도를 골재 부착하였다. FRP 판에 골재를 부착 할 때 에폭시 두께가 너무 두꺼워 골재 를 완전히 덮는 경우가 없도록 하였고 골재 간격이 1.5cm
Table 1 Mechanical property of FRP Type Tensile strength
(MPa)
Compressive strength (MPa)
Modulus of elasticity (GPa)
GFRP 427 355 33.4
Table 2 Details of test specimens Specimen ID FRP treatment Length(mm) Remark
F1-1 No perfobond 1700 F1-2 No perfobond 1700 F1-3 Perfobond 1700 F1-4 Perfobond 1700
F1-5 - 1700 2-D16 steel reinforcement F2-1 No perfobond 1200
F2-2 No perfobond 1200 F2-3 Perfobond 1200 F2-4 Perfobond 1200
F2-5 - 1200 2-D16 steel reinforcement
이상 떨어지는 경우가 없도록 주의하여 제작하였다(Bank et al., 2007).
Fig. 1은 잔골재가 부착된 FRP 판의 완성된 모습을 보 여주고 있으며 Fig. 2는 잔골재가 부착된 FRP 판을 이용 하여 합성 바닥판을 제작하는 모습을 보여주고 있다. 실 험시편 제작에 사용한 콘크리트는 최대골재 치수 19mm, 28일 압축강도 21.1MPa이다.
본 실험 연구를 위해 실험시편 F1-1~5와 F2-1~5로 명명한 폭 150mm 높이 200mm의 총 10개의 실험시편 을 제작하였다. 실험시편 F1-x는 총 길이가 1700mm이 며 이 가운데 F1-1과 F1-2 실험시편은 FRP 판의 웨브 부분에는 구멍을 뚫지 않았고, F1-3과 F1-4 실험시편 은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 FRP 판의 웨브 부분을 일 정한 간격으로 구멍을 뚫어 사용하였다. F1-5 실험시편 은 깊이 160mm에 D16 2개의 철근만 보강한 경우로써 추가적인 전단 및 FRP 판 보강은 하지 않고 제작하였다.
이 비교 실험시편은 일반적으로 사용하는 철근을 인장보 강재로 사용한 철근 콘크리트 보와 FRP 판을 보강재로 사용한 본 연구와의 비교를 위해 제작하였다.
F2-x 실험시편은 총 길이가 1200mm인 경우로써 앞 에서 제작한 F1-x 실험시편과 같은 방법으로 제작하였 다. F2-x 실험시편은 전단의 영향이 좀 더 지배적인 경 우를 살펴 보기위해 준비한 시편으로 길이 이외의 변수는
Fig. 1 Aggregate coated FRP planks
Fig. 2 Manufacture of test specimen
Fig. 3 Profile of FRP plank(unit mm)
F1-x 실험시편의 경우와 동일하다.
본 연구 목적 중의 하나는 골재가 부착되고 천공이 된 FRP 판을 보강재로 활용한 콘크리트 합성보가 기존의 철 근 콘크리트 보를 대체 할 수 있는가와 FRP 판의 리브에 천공을 한 경우 FRP 판과 콘크리트의 부착력이 증진되는 가를 살펴보는 것이다. 비교 실험시편을 포함한 실험시편 의 자세한 치수 및 형상은 Table 2에 나타내었다.
본 실험은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 100mm 폭의 지 지철판 아래에 롤러를 이용하여 단순 지지조건을 만들어 3점 재하 실험을 수행하였다. 지점사이의 순 간격은 실험 시편 F1-x는 1500mm이고, 실험시편 F2-x는 1000mm 이다. 지간 중앙에 유압장치를 이용하여 재하 하였으며, 중 앙에 설치한 LVDT를 이용하여 경간 중앙의 처짐 변위를 측정하였다. 전기 저항식 변형률게이지를 이용하여 FRP 판 및 콘크리트의 상부의 변형률을 측정하였다. 설치한 콘크리트 상부의 변형률게이지들은 하중 재하점을 피해
Fig. 4 Dimension and typical instrumentation (unit mm)
Fig. 5 Experimental setup for specimen F1-x
Fig. 6 Experimental setup for specimen F2-x
중앙에서 100mm 떨어진 곳에 설치하였다. Fig. 5와 Fig.
6은 길이 1700mm, 1200mm인 경우의 실험시편 설치 및 실험전경을 보여주고 있다.
3. 실험 결과
3.1 실험결과 분석3점 재하 실험 방법으로 하중을 시편이 파괴될 때 까지 재하하여 FRP 판과 타설 콘크리트 사이의 합성 작용을 관측하였다. 길이 1700mm, 1200mm 시편의 실험상황 및 파괴양상은 Fig. 7, 8에 나타내었으며, 다음과 같은 방 법으로 비교 분석하였다. 첫째는 실험 시편의 초기 균열 하중의 비교 검토이다. 초기 균열 하중은 FRP 하부의 변 형률게이지의 변형률의 급격한 변화와 보의 중앙부위의 처짐 급속한의 변화를 이용하여 판단하였다. 둘째는 균열 의 개수 및 분포이다. 하중이 증가됨에 따라 발생되는 균 열의 개수 및 크기를 세밀히 관찰 측정하였다. 마지막으 로 실험시편의 극한하중 및 파괴 형태를 관측하여 합성보 의 효과를 검토하였다.
Fig. 7 Specimen F1-x after test
Fig. 8 Specimen F2-x after test
Table 3 Results of initial cracking and ultimate load Specimen
ID
Length (mm)
Initial cracking load (kN)
Failure load (kN)
No. of flex.
crack
F1-1 1700 18.0 58.9 22
F1-2 1700 17.0 60.8 26
F1-3 1700 18.0 59.7 26
F1-4 1700 18.0 55.8 23
F1-5 1700 15.0 39.4 24
F2-1 1200 23.0 76.9 13
F2-2 1200 20.0 77.4 12
F2-3 1200 23.0 69.3 13
F2-4 1200 22.0 72.9 16
F2-5 1200 18.0 53.2 8
Table 4 Strains of FRP and concrete
Specimen ID
Strain at initial cracking load (X10-6)
Strain at failure load (X10-6)
Concrete FRP Concrete FRP
F1-1 361 770 1810 3608
F1-2 313 721 1696 4061
F1-3 343 868 1796 3678
F1-4 418 743 2061 3783
F1-5 295 - 906 -
F2-1 269 513 73 2872
F2-2 245 430 862 3221
F2-3 238 527 1017 2790
F2-4 223 411 1630 2446
F2-5 274 - 1039 -
3.2 초기 균열 하중
초기 균열 하중은 FRP 판의 하부에 부착한 변형률 게 이지에서 측정된 하중-변형률 곡선의 기울기 변화와 지 점 중앙부 처짐의 급격한 변화를 참고하였으나, 육안 관 찰을 우선시하였다. 하부에 부착한 변형률 게이지에 의해 추정된 초기 균열하중의 크기는 육안 관찰에 의한 초기 균열 관측치 보다는 일반적으로 작은 값을 나타내고 있었 다. 초기 및 파괴 시 균열이 발생 될 때 관측된 하중 및 변형률은 Table 3, Table 4에 나타내었다.
모든 실험 시편의 초기 균열은 보의 중앙 부근에서 처 음 관찰되었다. FRP 판을 사용한 실험시편 F1-1 ~ F1- 4, F2-1 ~ F2-4는 기존의 철근을 인장 보강재로 사용 한 실험시편 F1-5, F2-5에 비해 다소 높은 초기 균열 하중 값을 보여 주고 있으며 FRP 판이 초기 균열 모멘트 저항 능력을 증가시켜 주는 것으로 특히 교량 바닥판 구 조단면의 사용성을 개선시킬 수 있다고 사료된다. 그리고 FRP 판에 구멍의 유무는 초기 균열 하중에는 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.
3.3 균열의 분포
현재 대부분의 시방서에서는 사용하중 상태에서 균열 은 허용하나 그 폭은 엄격히 제한하고 있다. FRP판에 구 멍을 뚫고 뚫지 않은 두 가지 경우에서 보듯이 균열 폭이 모두 고르게 잘 분산된 균열을 관찰 할 수 있었다. 이것은 FRP 판과 타설된 콘크리트사이에 미끄러짐이 없거나 아 주 미소한 미끄러짐만이 발생함을 의미한다고 사료된다.
본 실험에서는 균열의 수는 각각의 실험 시편이 완전히 파괴 될 때까지 관측된 균열의 개수로 계산하였다. 지간 이 긴 실험 시편은 즉 F1-1 ~ F1-4의 경우 22~26개의 균열이 측정되었고, 지간이 짧은 실험 시편 F2-1 ~ F2- 4는 12~16개의 균열이 관측되었다. Table 3에서 보는 바와 같이 비교 실험 시편 F1-5의 경우 이와 유사한 경 향을 보여 주고 있었으나, F2-5의 경우 균열의 개수가 다소 적게 발생하는 경향을 보여주었다. 이는 FRP 판을 영구 거푸집 및 보강재로 사용한 합성보가 재래의 철근 콘크리트 보와 같이 효과적으로 인장 보강재 역할을 할 수 있으며 균열을 분산시키는 역할도 함을 알 수 있었다.
3.4 극한 하중 및 파괴 형태
실험 시편은 다양한 파괴 형태를 보여 주고 있었다. 지 간이 긴 실험 시편 F1-1 ~ F1-4의 경우 FRP 판 웨브 부분에 구멍 여부에 상관없이 휨 균열 진행 후 휨/전단파 괴 형태를 보여 주고 있었으며, 지간이 짧은 실험시편 F2 -1 ~ F2-4은 초기 휨 균열 후 전단파괴 형태를 보여 주 고 있었다. 이에 비해 비교 실험 시편 즉 기존의 철근을 보강재로 사용한 F1-5의 경우 철근콘크리트 보에서 일 반적으로 발생하는 철근 항복 후 휨 파괴 형태를 보여 주 고 있었고, F2-5는 휨/전단파괴 양상을 보여주고 있었 다. 각각의 구체적인 실험 결과는 Table 3에 나타내었다.
4. 결과 분석
4.1 길이 1700mm의 경우
지간이 긴 실험 시편의 경우 FRP 판에 구멍을 뚫은 F1 -3, F1-4와 FRP판에 구멍을 뚫지 않은 F1-1, F1-2 의 실험시편의 경우 별다른 차이를 보이지 않았다.
실험시편 F1-1 ~ F1-4의 경우 초기 하중단계에서 분 산된 휨 균열 양상을 보이다 하중이 극한 하중에 도달함 에 따라 휨 균열이 전단 균열로 진행되고 마침내 Fig. 9 (a)~(d)에서 보는 바와 같이 휨/전단 혼성 파괴 형태로 최종 파괴가 발생함을 알 수 있었다. 또한 초기하중에서 하중이 증가함에 따라 보의 중앙 부근에서 FRP 판과 타 설 콘크리트 사이에 국부적인 분리 현상이 목격되었으며
(a) Specimen F1-1
(b) Specimen F1-2
(c) Specimen F1-3
(d) Specimen F1-4
(e) Specimen F1-5
Fig. 9 Failuer mode of specimen F1-x
이는 하중이 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 보여 주고 있다. 비교 실험 시편 F1-5는 Fig. 9(e)에서 보는 바와 같이 극한 하중 상태에서 국부적으로 하중 재하 지 점의 콘크리트가 압축파괴 양상을 보이면서 매우 큰 경사 균열이 발생하여 최종파괴에 이르는 양상을 보여주고 있 다. 콘크리트 상부의 압축파괴는 콘크리트 상부에 부착한 변형률 게이지 값에서도 확인 할 수 있었다.
Fig. 10은 각 실험 시편의 하중-처짐 관계를 나타내고 있으며 기존의 철근을 보강재로 사용한 비교 실험 시편 F1-5의 경우를 보면 FRP 판을 보강재로 사용한 실험시 편 F1-1 ~ F1-4에 비해 변형이 크게 발생함을 알 수 있 었지만 철근 배근 량에 따라 다소 변화가 있을 것으로 예 상된다.
극한하중의 경우 FRP 판을 보강재로 한 F1-1 ~ F1- 4 실험시편이 F1-5 실험시편에 비해 훨씬 더 큰 값을 보 여주고 있지만 배근 량에 따라 차이가 발생 할 수 도 있겠 다고 사료된다. 하중이 증가함에 따라 FRP 판과 콘크리 트에 발생되는 변형률을 Fig. 11에 나타내었으며 그림에 서 보는 바와 같이 압축력을 받는 실험시편의 상단부의 콘크리트 변형률은 0.001을 넘어서고 있었다. 비교 실험 시편 즉 F1-5의 경우는 전형적인 과소 철근 보 파괴형태
Fig. 10 Load-deflection plots for specimen F1-x
Fig. 11 Load-strain plots for specimen F1-2
인 철근이 먼저 항복한 후 콘크리트 파괴되는 양상을 보 여주고 있었다. 실험 결과를 통해서 FRP 판이 충분히 철 근 대신 인장 보강재로서 역할이 가능함을 보여주고 있다 고 사료된다.
4.2 길이 1200mm의 경우
Fig. 12(a)~(e)은 지간이 짧은 실험시편 중 FRP 판의 웨브 부분에 구멍을 뚫고, 구멍을 뚫지 않은 실험시편의 경우 즉 F2-1 ~ F2-4 및 비교 실험 시편 F2-5의 파괴 형태를 나타내고 있다.
Fig. 12(a)~(d)에서 보는 바와 같이 초기 하중 단계에 서 분산된 초기 휨 균열 양상을 보이다 하중이 증가함에 따라 균열이 전단균열로 진행되고 마침내 경사 전단 균열 에 의해 전단 파괴 형태로 최종파괴가 발생함을 알 수 있 었다. 하중이 증가함에 따라 보의 중앙 부근에서 FRP 판 과 타설 콘크리트 사이에 국부적인 분리 현상은 앞 절과 달리 크게 일어나지 않았고 이는 하중이 증가하여 파괴 시점까지도 유사한 형태를 보여주었다.
하중-처짐 곡선을 Fig. 13에 나타내었고, 하중이 증가 함에 따라 FRP 판과 타설 콘크리트에 발생되는 변형률의 변화는 Fig. 14에 나타내었다. 본 실험 시편의 경우 앞 경 우와 유사하게 FRP 판 웨브 부분에 구멍을 뚫은 것과 뚫 지 않은 경우를 비교하면 별다른 차이는 없는 것으로 관 측되었다.
(a) Specimen F2-1
(b) Specimen F2-2
(c) Specimen F2-3
(d) Specimen F2-4
(e) Specimen F2-5 Fig. 12 Failuer mode of specimen F2-x
Fig. 13 Load-deflection plots for specimen F2-x
Fig. 14 Load-strain plots for specimen F2-2
5. 결 론
본 연구에서는 타설 콘크리트와 FRP 판의 일체 거동을 증진시키기 위해 FRP 판에 잔골재를 에폭시를 사용하여 부착하였고, FRP 판의 리브에 구멍을 뚫어 콘크리트 부 착력 증진효과를 실험적으로 살펴보았다.
FRP 판을 사용한 실험시편은 기존의 철근을 인장 보강 재로 사용한 실험시편에 비해 다소 높은 초기 균열 하중 값을 보여 주고 있으며, FRP 판이 초기 균열 모멘트 저항 능력을 증가시켜 주는 것으로 판단된다. 또한 균열 폭이 고르게 잘 분산된 균열을 관찰 할 수 있었는데 이것은 FRP 판과 타설된 콘크리트사이에 미끄러짐이 없거나 아 주 미소한 미끄러짐만이 발생함을 의미한다고 사료된다.
실험 결과 FRP 판의 리브에 구멍을 뚫은 경우 저항 능 력은 크게 개선된 모양은 보여주지 않으나 구멍을 통한 골 재의 삽입 및 콘크리트의 연속 등을 통해 보다 안정적인 역할을 하리라 짐작된다. 이러한 결과를 조합하여 볼 때 퍼포본드 FRP 판은 콘크리트 구조물의 영구 거푸집으로 사용 및 인장 보강재로도 활용 할 수 있는 가능성을 보여 주었다.
감사의 글
본 연구는 산학공동기술개발지원사업의 지원으로 수행 되었으며, 이에 감사드립니다.
참고문헌
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요 지
퍼포본드 FRP 판을 영구 거푸집 및 인장 보강재로 이용한 합성보에 대한 실험을 수행하였다. FRP 판을 영구 거푸집 및 인장 보강 재의 합성이용은 재래적인 방법에서 필요한 거푸집 조립 및 탈형 등의 작업이 수반되지 않으므로 빠른 시공이 가능하다. FRP 판과 콘 크리트가 합성 구조체로 작용하기 위해서는 FRP 판의 표면처리가 필요하다. 이를 위해 FRP 판에 잔골재를 현장에서 많이 사용하는 에폭시를 이용하여 부착하고 FRP 판의 웨브에 구멍을 천공하였다. 합성보에 추가적인 휨 및 전단보강은 하지 않았다. 비교를 위해 두 가지 종류의 비교 실험시편을 제작하였다. FRP 판의 웨브에 구멍을 천공하지 않은 비교 실험시편과 FRP 판 대신에 철근으로 보강한 비교 실험시편이다. 모든 시험체는 중앙에 집중하중을 재하하여 파괴까지 실험하였다. 본 연구 결과 퍼포본드 FRP 판은 콘크리트 구조 물의 영구 거푸집 대용 및 인장 보강재로도 활용 할 수 있는 가능성을 보여주었다.
핵심 용어 : 퍼포본드 FRP 판, 영구 거푸집, FRP 보강재, 합성보, 합성작용
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