Ⅰ. 서론
지구 온난화 등의 영향으로 인해 전 세계적으로 기상 이변이 빈번하게 발생하고 있다. 폭설, 허리케인, 지진 등은 과거에 비하여 주기가 짧고 강도도 강해지고 있 다. 다른 기상이변에 비하여 지진은 예보가 거의 불가 능하고 지반을 통해 에너지가 전달되어 대부분의 피해 는 건설 구조물에 피해가 집중된다. 특히 강진에 뒤따 라오는 여진으로 인한 피해가 증대되므로 여진으로 인 한 2차 피해를 대비하여, 강진으로 인해 손상된 구조물 에 대한 신속한 내진보강이 필요하다. 하지만, 내진설 계가 되지 않은 철근콘크리트 구조물의 보수⋅보강공 법으로 과거 많이 사용된 단면증설법, 강판보강법 등의 내진보강공법은 용접작업 등으로 인해 보수⋅보강에 시간이 오래 소요된다. 또한 이 공법들은 건물중량이 증대되고, 건물의 이용공간이 좁아지며 앵커부재의 사
용으로 인하여 기존 기둥에 물리적 손상을 가하게 되는 등의 문제점도 있다. 이에 최근에는 재료가 경량이고, 내구성이 우수하며 시공성이 우수한 섬유보강재(FRP, Fiber Reinforced Polymer)를 이용한 보강이 많이 이루 어지고 있다.
본 기사에서는 긴급시공이 가능하도록 개발한 FRP 내진보강재을 소개하고자한다. 개발한 FRP 내진보강 재는 체결부를 가지므로써 기존 기둥에 손상없이 신속 하게 내진보강이 가능한 장점이 있다. FRP 내진보강 재의 내진성능평가를 위하여, 내진설계가 되어있지 않 은 국내 철근콘크리트 학교 구조물의 기둥을 참고하여 제작한 시험체에 보강하여 반복횡하중 실험을 실시하 였다.
권민호 (Min-Ho Kwon)｜경상대학교 토목공학과 교수｜[email protected]
서현수 (Hyun-Su Seo)｜경상대학교 토목공학과 박사과정｜[email protected] 임정희 (Jeong-Hee Lim)｜경상대학교 토목공학과 박사과정｜[email protected] 김진섭 (Jin-Sup Kim)｜텍사스알링턴주립대학교 연구원｜[email protected] 정우영 (Woo-Young Jung)｜강릉원주대학교 토목공학과｜[email protected]
Ⅱ. FRP 내진보강재
본 고의 FRP 내진보강재는 [그림 1(a)]와 같이 ㄷ자 형태로 두 개의 보강재를 맞물려 기둥을 보강한다. 두 개의 보강재를 앵커삽입이나 용접작업 없이 체결하기 위하여 ㄷ자 끝부분에 체결부를 적용시켰다. 체결부는 [그림 1(b)]와 같이 내부면에 쐐기돌기가 형성된 오목 부와 [그림 1(c)]와 같이 오목부의 쐐기돌기에 대응하는 볼록부로 구성된다. 오목부의 길이는 오목부에 삽입되 는 볼록부의 길이에 비하여 길게 설계되었는데 이는 볼 록부가 오목부에 삽입시 오목부의 벌어지는 범위가 재 료의 탄성범위 내에 있도록 하여 견고한 체결을 위함이 다. 또한, 쐐기돌기는 경사를 가지고 있도록 하여 삽입 은 용이하나 뽑힘은 어렵도록 하였다. 따라서 별도의 장치없이 볼록부를 오목부에 삽입하는 것만으로도 견 고한 연결이 이루어져 신속한 보강을 할 수 있도록 체 결부를 설계하였다.
FRP 내진보강재의 보강판은 유리섬유를 혼합적층한 것으로, 0.25mm 두께의 유리섬유를 12층 적층하여 3mm의 보강판을 제작하였다. 제작한 유리섬유복합재 료를 인장시험한 결과 최대응력은 447.7MPa, 탄성계수 는 38,300MPa로 측정되었다.
Ⅲ. FRP 내진보강재로 보강된 시험체의 반복횡하중 실험개요
체결부를 적용한 FRP 내진보강재의 내진성능향상을 확인하기 위하여 반복횡하중 실험을 수행하였다. 시험 체는 기존에 건축된 국내 철근콘크리트 학교 구조물의 기둥을 대상으로, 실험실 여건에 맞춰 축소하여 제작하 였고, FRP 내진보강재의 보강재 높이를 달리한 시험체 에 반복 횡하중을 적용하였다.
시험체는 [그림 2]와 같이 하부높이 640mm, 기둥높 이 1000mm로, 전체높이 2040mm이다. 사용된 콘크리 트의 설계강도는 24MPa, 철근의 항복강도는 300MPa 이고, D22, D19, D10을 사용하였다. [그림 3]은 시험체 의 보강상세를 나타낸 것으로, 높이 75mm, 225mm, 600mm의 보강재를 이용하여 각 시험체별로 보강량을 달리하여 보강하였다. 시험체 제작에 사용된 콘크리트 및 철근의 재료물성치는 [표 1]과 같다.
[그림 4]는 실험 가력장치를 나타낸 것이다. 기둥과 반력바닥을 고정한 후 50t 용량의 엑츄에이터를 상단 가력부에 고정하였고, 압축하중을 가력한 후 횡방향 가력을 위하여 하중가력장치를 설치하였다. 상단 가력 부에 가력판을 2개의 풀링잭과 연결하였고, 실험시작 과 동시에 0.1×Ag×fck만큼의 축력이 일정하게 가력되 (a) FRP 내진 보강재
(b) 오목부 (c) 볼록부
그림 1. FRP보강재 상세
도록 하였다.
시험체의 횡하중 반복사이클은 [그림 5]와 같이 항 복변위를 증분하여 각 변위별 2회씩 반복하였다. 이 때, 항복변위는 보강되지 않은 시험체에 대한 단조하 중 실험수행 시 얻은 최대하중의 80%에 해당하는 변 위이다.
Ⅳ. FRP 내진보강재로 보강된 시험체의 반복횡하중 실험결과
1. 각 시험체별 파괴형태
[그림 6(a)]는 ORC 시험체의 최종 파괴형태를 나타 낸 것이다. 4번째 사이클( )에서 기둥 측면에 전단
Material Design strength (MPa) Yield strength (MPa) Young’s modulus (MPa) Poisson’s ratio
Concrete 24 - 23,025 0.2
Rebar - 300 200,000 0.3
표 1. 콘크리트 및 철근의 재료물성치 그림 2. 시험체 상세
(a) RC_G1 (b) RC_G2 (c) RC_G3 그림 3. 시험체 보강 상세
그림 4. 시험체 설치 개념도
0 2 4 6 8 10 12 14 16
-150 -100 -50 0 50 100 150
=2 =3
=1
Displacement (mm)
Number Of Cycles
=4
그림 5. 변위제어이력
균열이 발생하기 시작하였다. 9번째 사이클( )에 서 전단균열의 증가 및 균열 폭이 커짐에 따라 전단균 열을 중심으로 콘크리트 피복의 박리가 진행되었다. 이 후 강도감소가 발생하기 시작하였고, 압축부에서 급격 한 강도감소가 발생하였다.
[그림 6(b)∼(d)]는 보강한 시험체의 최종파괴형태를 나타낸 것으로, ORC 시험체에 비하여 균열의 발생이 감소하였고 특히, FRP 내진보강재의 높이가 높을수록 균열이 확연히 감소함을 볼 수 있다. 보강된 시험체는 최종적으로 FRP 내진 보강재의 파괴로 인하여 콘크리 트가 더 이상 구속받지 못하여 하중이 감소하였다.
2. 각 시험체별 하중이력곡선
[그림 7]은 각 시험체별 하중-변위관계곡선을 나타낸 것으로, 비보강 시험체에 비하여 보강 시험체의 연성이 증가한 것을 확인할 수 있다. 최대강도의 경우 FRP 내
진보강재로 보강시 증가하나 변위증가량에 비하여 다 소 작은 경향을 보인다.
ORC 시험체의 경우 주철근은 에서, 전단철근 은 에서 항복하기 시작하였다. 보강 시험체의 경우 주철근은 모두 에서 항복하기 시작하였고, 전 단철근은 RC_G1, RC_G2의 경우 에서, RC_G3 의 경우 에서 전단철근이 항복하기 시작하였다.
이를 통하여 75mm, 225mm FRP 내진보강재로 보강 할 때 전단철근의 항복을 지연시킬 수 있는 것으로 보 인다.
3. 성능평가
[표 2]는 시험체별 최대강도 및 최대변위를 나타낸 것이다. 보강시험체는 비보강 시험체에 비하여 최대강 도가 RC_G1은 약 1.06배, RC_G2는 약 1.14배, RC_G3은 약 1.10배 증가하였다. 최대변위의 경우 (a) ORC (b) RC_G1 (c) RC_G2 (d) RC_G3
그림 6. 각 시험체별 최종 파괴형태
RC_G1은 약 1.66배, RC_G2는 약 1.98배, RC_G3는 약 1.68배 증가하였다. 이를 통하여 FRP 내진보강재로 시험체 보강시, FRP 내진보강재가 시험체의 전단강도 를 증가시켜 시험체가 가진 휨강도를 발휘함을 통해 최 대강도가 증가한 것으로 사료된다.
Ⅴ. 맺음말
최근 강진을 뒤따르는 여진으로 인하여 긴급한 보수, 보강에 대한 관심이 높아짐에 따라 과거 단면증설법, 강판보강법 등의 단점이 보완된 FRP 보강재를 이용한 보강법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 -180
Displacement (mm)
ORC
(a) ORC
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 -180
Displacement (mm)
RC_G1
(b) RC_G1
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 -180
-120 -60 0 60 120 180
Load (kN)
Displacement (mm)
RC_G2
(c) RC_G2
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 -180
-120 -60 0 60 120 180
Load (kN)
Displacement (mm)
RC_G3
(d) RC_G3 그림 7. 각 시험체 별 하중-변위관계곡선
Specimen Ultimate load (kN) Ultimate displacement (mm) Ultimate load ratio Ultimate displacement ratio
ORC 145.20 41.81 - -
RC_G1 154.62 69.45 1.06 1.66
RC_G2 165.33 82.65 1.14 1.98
RC_G3 159.58 70.20 1.10 1.68
표 2. 각 시험체별 최대강도 및 최대변위
본 고에서는 보강재를 고정시키기 위하여 사용되는 앵커볼트로 인해 기둥과 보강재에 손상을 가하는 등의 기존 공법의 단점을 보완하는 FRP 내진보강재의 내진 성능을 실험을 통해 확인하였다. 그 결과 비보강 시험 체의 경우 균열이 다수 발생하고 전단파괴로 인하여 시 험체가 급작스럽게 파괴되었으나, 보강 시험체의 경우 비보강 시험체에 비하여 균열이 확연히 줄어들고, 최대 강도 및 최대변위가 증가하였다. 이는 FRP 내진보강재 로 시험체 보강시, FRP 내진보강재가 시험체의 전단강 도를 증가시켜 시험체가 가진 휨강도를 발휘함으로써 최대강도가 증가하고, 이에 최대변위 또한 증가한 것으 로 사료된다. 하지만 보강재의 보강량을 증가시킬수록 최대강도 및 최대변위가 증가하는 것이 아니라 적절한 보강량으로 보강할 경우 내진보강이 효과적으로 이루 어질 것으로 판단된다.
참고문헌
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