Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 22, No. 4, July 2018, pp.108-113
https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.4.108 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
외부 부착 탄소섬유를 사용한 I형 보의 전단 보강 효과 연구
김창혁1*
An Experimental Study on Shear Strengthening Effect of I-girder using Externally Bonded CFRP Strips
Changhyuk Kim
1*
Abstract:
Researches on strengthening and rehabilitation methods are being widely conducted due to the deterioration of existing concrete structures.Use of externally bonded Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) strips for the rehabilitation is a cost-effective and time-saving method. Generally, the CFRP layout for the shear strengthening was a uni-directional layout. Many researches have focused on the variables of the uni-directional CFRP layout such as the amount of material, angle, and spacing. Pilot tests indicated that the effective confinement of the concrete member can be provided with the bi-directional CFRP layout than the uni-directional layout. Therefore, the test was carried out after the uni- and bi-directional strengthening work using the same amount of CFRP material. CFRP anchors were installed to prevent unexpected premature CFRP delamination failure before reaching CFRP fracture strain. The effectiveness of the CFRP anchor and bi-directional CFRP layout for shear strengthening was verified based on the principal tensile strain contours.
Keywords:
Bi-directional layout, CFRP strengthening, Shear strengthening, Uni-directional layout1정회원, 성균관대학교 박사 후 연구원, 교신저자
*Corresponding author: [email protected] Sungkyunkwan University, Suwon, 16419, Korea
∙본 논문에 대한 토의를 2018년 8월 1일까지 학회로 보내주시면 2018년 9월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.
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1. 서 론
사용 하중의 증가와 기존 구조물의 노후화로 인하여 구조 물의 보수 및 보강의 필요성은 증가하고 있다. 탄소섬유 재료 를 구조물 외부에 부착하여 보강하는 방법은 콘크리트 구조 물의 보강에 널리 활용되고 있다. 탄소섬유를 사용한 구조물 의 보강은 경제적이고 빠른 시간에 작업이 이루어질 수 있으 면서 작업을 위하여 건물을 폐쇄할 필요 없이 구조물이 사용 되고 있는 동안 작업이 진행될 수 있다. 또한, 탄소섬유 재료 는 고강도, 내부식성, 경량 등의 특성이 있기 때문에 널리 사 용되고 있다.
이러한 장점을 가진 탄소섬유 보강에 관한 실험 연구는 많 이 이루어졌다. 휨과 전단을 받는 콘크리트 부재의 보강에 사 용되는 탄소섬유의 보강 방법은 한 방향으로만 보강하는 일 방 향 보강방법이 주를 이루고 있다. 전단 보강에 사용되는 일 방 향 보강 연구의 변수는 섬유의 종류, 탄소 섬유를 감싸는 방법, 탄소섬유의 양, 간격 및 각도에 관한 연구였다(Bousselham and
Chaallal, 2008; Cao et al., 2005; Chaallal et al., 1998; Deniaud and Cheng, 2003; Khalifa and Nanni, 2000; Monti and Liotta, 2007; Norris et al., 1997).
탄소섬유를 사용하여 보강할 때, 탄소섬유가 파단 변형률 에 도달하기 전에 섬유의 부착파괴가 선행되면 보강 효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 예상하지 못한 탄소섬유의 부착파 괴를 사전에 방지하기 위해 탄소섬유 앵커를 사용한다. 탄소 섬유 앵커를 사용하는 방법 이외에도 다양한 앵커의 적용성 에 관한 연구가 이루어졌다(Khalifa and Nanni, 2000; Kim et al., 2014; Tanarslan and Altin, 2010). 따라서 이 연구에서는 탄소섬유 보강재의 부착파괴를 방지하기 위하여 직접 제작된 탄소섬유 앵커를 사용하여 보강작업이 이루어졌다.
탄소 섬유를 사용한 전단 보강의 효과를 규명하기 위하여
많은 실험 연구가 진행되었다. 하지만 대부분의 연구는 섬유
보강재의 양과 스트립의 각도에 관한 것이었으며, 이 방향 탄
소섬유와 탄소섬유 앵커를 사용한 연구는 많지 않았다. Kim
et al. (2016, 2017) 은 이 방향 탄소섬유와 앵커의 적용성을 검
증하기 위하여 콘크리트 패널을 사용한 소규모 실험을 진행
하였다. 하지만 실제 현장에 사용되는 교량에 적용하여 변수
를 검증하지 않았기 때문에 이 연구에서 실물 I형 보를 사용하
여 이 방향 탄소섬유를 사용한 전단 보강의 적용성을 검증하
였다. 실물 I형 보는 미국 텍사스에 있는 공장에서 조달되었던 보였으며, 실험은 The University of Texas at Austin의 Ferguson Structural Engineering Lab 에서 이루어졌다.
2. 실험 계획 및 방법
2.1 사용 재료
실험체는 실험이 계획되기 전에 텍사스에 있는 공장에서 제작되어 보관되어 있던 것이었다. 사용된 콘크리트의 설계 압축강도는 75MPa이었다. 콘크리트 공시체는 실험 전에 제 작되어있지 않았기 때문에, 실험을 마치고 실험체의 하중이 가해지지 않은 부분의 코어를 뚫어 압축 강도 실험을 진행하 였다. 공시체의 압축강도 실험 결과 콘크리트의 평균 압축 강 도는 78.4MPa이었다. 전단 철근의 재료 성질은 Table 1에 나 타나 있다.
Bar size Elastic modulus (MPa) Yield strength (MPa)
#13 (D13) 200,000 410
Table 1 Mechanical properties of transverse reinforcement
실험에 사용된 탄소섬유는 미국 F사에서 제작된 SCH-11UP 이었으며, 두께는 0.51mm, 폭은 600mm로 제작이 되었다. 동 일 회사에서 제작된 Typo S 에폭시를 사용하여 보수 및 보강 공 법이 이루어졌다. 탄소섬유와 에폭시의 역학적 특성은 Table 2 와 Table 3에 나타나 있다. 탄소섬유의 충분한 부착 강도 발현 을 위하여 72시간 이상의 경화시간을 확보하였다.
Specification Test results
Tensile strength (MPa) 990 1,030
Tensile modulus (GPa) 106 108
Elongation (%) 0.93 0.96
Table 2 Mechanical properties of CFRP
ASTM method Test results
Tensile strength (MPa) D-638 72.4
Tensile modulus (GPa) D-638 3.18
Elongation (%) D-638 5.0
Table 3 Mechanical properties of epoxy material
2.2 실험체 제작
이 방향 탄소섬유의 전단보강 효과를 규명하기 위하여 사 용된 보는 Fig. 1에 나타나 있다. Tx 46 I형 보의 길이는 30.5m
였으며 총 64가닥의 강연선을 통하여 긴장력이 작용되었다.
실험체는 실험 환경을 고려하여 반으로 잘렸으며 전단 철근 의 간격과 종류는 Fig. 2에 표시되어있다. 전단 철근은 실험체 전체 경간에 걸쳐 총 5구간으로 배근 되었다. 그림에서 확인 할 수 있듯이, 절단 전 실험체의 중간 부분(절단면)은 지름이 13mm 인 전단 철근이 457mm 간격으로 배근 되었으며, 단부 는 긴장재로 인한 정착 파괴를 방지하기 위하여 전단 철근이 76mm 간격으로 배근 되었다. Fig. 3(a)는 실험체의 단면 치수 를 나타내고 Fig. 3(b)는 단부와 중앙부에서의 긴장재 위치를 나타내고 있다. 탄소섬유 보강재의 부착파괴를 방지하기 위 하여 사용된 탄소섬유 앵커는 Fig. 3(a)에서 확인할 수 있다.
단면에서 붉은색으로 표현된 것은 전단 보강에 사용된 탄소 섬유를 나타내며, 파란색으로 표시된 것은 탄소섬유 양 끝단 에 설치된 탄소섬유 앵커를 나타낸다. 탄소섬유앵커는 길이 250mm 로 이루어져있으며, 보 실험체에 삽입되는 부분은 100mm 이고 탄소섬유와 겹침으로 이어지는 부분은 150mm이다. 겹 침으로 이어지는 부분은 부채꼴 형태로 탄소섬유 앵커가 탄 소섬유 스트립을 모두 감쌀 수 있도록 설치하였다.
Fig. 1 Test specimen
1168mm.
#13@457mm #13@305mm #13@203mm #13@152mm
Cut End Beam End
#13@76mm
1.0m.
3.0m.
3.0m.
4.6m.
3.5m.
15.2m.
Fig. 2 Transverse reinforcement of the specimen
813mm.
222mm.
197mm.
559mm.
191mm.
1168mm.
914mm.
51mm.
76mm.
CFRP anchor CFRP strip
(a) Cross section of the specimen (b) Tendon profile
(unit: in., 1 in.=25.4mm)
Fig. 3 Cross section and tendon profile (Jirsa et al., 2017)
2.3 실험 방법 및 장치
절단된 길이가 15m인 두 I형 PSC 보를 통하여 총 6번의 전단 실험을 계획하였다. 첫 번째 실험체를 사용하여 기준 실험 및 일 방향 탄소섬유 전단 보강 실험을 진행하였으며, 두 번째 실 험체를 사용하여 이 방향 탄소섬유 보강 실험을 진행하였다. 보 강된 일 방향과 이 방향 탄소섬유 스트립의 상세는 Table 4에 나와 있다. Fig. 4는 실험체에 보강된 탄소섬유 레이아웃과 실 험 구간을 나타낸다. 실험체명은 탄소섬유의 레이아웃과 전단 철근의 간격으로 구성되어있다. C는 기준 실험체를 의미하며, U 와 B는 각각 일 방향과 이 방향 탄소섬유 레이아웃을 의미한 다. 460, 300, 200은 실험구간에 배근 된 전단 철근의 간격을 나 타내고 있다. U-460R에서 R은 보강된 실험체를 의미하며, 기 준 실험체의 실험이 완료된 후 보강 작업이 이루어졌다.
Specimen
Spacing of stirrup
(mm)
CFRP
Spacing of CFRP (mm)
Width of CFRP strip (mm) Vertical Horizontal Vertical Horizontal
C-460 460 N/A
U-460R 460
Uni-
direction 460 N/A 250 N/A
U-300 300 U-200 200
B-460 460 Bi-
direction 300 250 130 130
B-300 300
Table 4 Test matrix of I beam
Fig. 4 에서 실험체 왼쪽 단부는 절단된 부분이며, 오른쪽 단 부는 절단되지 않았던 단부이다. 실험은 반력점과 가력점의 위치가 변경되어 가며 진행되었다. 전단 내력이 낮은 부분을 먼저 실험하고 전단 내력이 높은 부분은 나중에 실험되었다.
그림에서 실선 사각형으로 표시된 구간이 실험 구간이며, 실 험 구간의 반대편은 미리 탄소섬유를 사용하여 보강작업을 하였기 때문에 실험이 진행되는 동안 발생하는 균열을 최대 한 방지하고자 하였다.
Fig. 5(a) 와 (b)는 일 방향과 이 방향 탄소섬유 보강 작업에 사용된 시간과 탄소섬유 재료의 양을 나타낸다. 탄소섬유 보 강 작업 시간은 에폭시의 혼합 시작부터 모든 작업의 마무리 까지 걸린 총 시간이며, 인원은 두 명이 작업하였다. 탄소 섬 유의 양은 일 방향 및 이 방향 탄소섬유 스트립과 탄소섬유 앵 커 제작에 필요한 양을 나타내고 있다. 그림에서 확인할 수 있 듯이, 일 방향과 이 방향 탄소섬유 보강에 필요한 시간과 재료 의 양은 거의 유사한 것을 확인할 수 있었다.
실험체의 가력 프레임은 Fig. 6에 도식화되어있다. 가력점 과 반력점에는 모두 램과 로드셀이 설치되어 실험이 진행되 는 동안의 하중 변화를 측정하였다. 실험이 진행되는 동안 실 험구간 외부의 내민 보 부분에 의하여 발생하는 부모멘트를
방지하기 위하여 계산된 하중이 추가로 설치된 램을 통하여 작용할 수 있도록 하였다.
C-460
U-460R
U-300
U-200
B-460
B-300
Fig. 4 CFRP strengthening layout
(a) Strengthening time
(b) Amount of CFRP material
Fig. 5 CFRP strengthening time and amount of CFRP material
Reaction point
Loading point
Reaction point Additional ram
Fig. 6 Test setup
Ferguson Structural Engineering Laboratory 에서 개발된 Digital Image Correlation (DIC) 방법을 사용하여 보 실험체의 표면에 부착된 타겟의 움직임을 측정하였다. 타겟의 간격을 일 정하게 배치하여 실험체 실험 구간에 부착하였다. 이 시스템을 활용하여 실험체에 부착된 타겟의 움직임을 50 의 정확도 측 정할 수 있다. 두 대의 카메라를 사용하여 1초 간격으로 타겟의 좌표를 측정하여 기록되었으며, 실험 후 결과 분석을 통하여 변형률 데이터를 얻을 수 있었다. 실험이 진행되는 동안 타겟 의 좌표와 데이터 수집 장치(Data Acquisition System)는 동기 화가 되기 때문에 하중 변형률 관계를 얻을 수 있었다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 파괴 모드와 처짐
첫 번째 I형 보를 사용하여 네 번의 실험이 진행되었고, 두 번째 I형 보를 사용하여 두 번의 실험이 진행되었다. 실험 결 과는 Table 5에 요약되어 있다.
Specimen Maximum shear force (kN)
Increase of load (kN)
Increase percentage
Failure mode
C-460 1,677 - - Shear
U-460R 1,854 176 10.5 Shear
U-300 1,551 -126 -7.5 Anchorage
U-200 1,460 -217 -13.0 Anchorage
B-460 1,870 192 11.5 Shear
B-300 1,324 -353 -21.2 Anchorage
Table 5 Test results
전단 구속 철근이 없었던 절단된 단부에서 발생한 긴장재 의 정착 파괴 때문에 몇몇 실험체의 최대 전단 내력을 얻을 수 없었다. 긴장재의 정착 파괴는 보강되었던 탄소섬유가 최대 변형률에 도달하기 전에 발생하였다. Fig. 7은 절단 단면으로 부터 시작된 긴장재에 의한 정착 파괴를 나타내고 있다. 정착 파괴는 실험 구간의 바깥쪽까지 영향을 미쳤으며, 휨 내력의 감소를 일으켰다. 따라서 탄소섬유의 보강 효과는 파괴 이전 웹에 발생한 변형률 분포를 비교하여 이루어졌다.
Fig. 7 CFRP strengthening time and amount of CFRP material
460mm 스터럽 간격 실험체의 결과를 통하여 가력 하중의 증가 경향을 확인하였다. 작용한 최대 하중의 비교를 통해 일 방향과 이 방향 전단 보강으로 각각 10.5와 11.5퍼센트의 하중 증가를 확인하였다. 일 방향과 이 방향의 하중 차이는 16 kN으 로써 거의 유사하였다. Fig. 8은 기준 실험체와 일 방향과 이 방 향 탄소섬유로 보강된 실험체의 가력점 처짐변화를 나타내고 있다. 최대 하중 도달 전의 실험체 거동은 유사하였다. 탄소섬 유로 보강된 실험체의 경우 1,860kN 지점에서 뚜렷한 사인장 균열이 발생함과 동시에 하중이 급격히 떨어지는 것을 확인하 였다. 사인장 균열이 발생하며 하부 플랜지에 실험체의 길이 방향으로 정착 균열이 발생하여 콘크리트가 떨어져 나가는 것 을 확인하였다. 파괴 모드와 하중 처짐 관계에서는 예측하지 못했었던 긴장재의 정착파괴로 인하여 일 방향과 이 방향 전단 보강에 관한 뚜렷한 차이점을 확인하지 못하였다.
Fig. 8 Load vs. deflection response
3.2 하중-변형률 관계
DIC 시스템을 사용하여 실험체의 표면에 부착된 타겟들의 위치 변화를 추적하여 실험체의 변형을 계산하였다. 보 실험 체의 동일한 구간의 변형률을 측정하였고 식 (1)을 사용하여 평균 전단 변형률을 계산할 수 있었다.
(1)
여기서, 는 전단변형률, 는 방향의 변형률, 는 방향 의 변형률, 는 방향의 변형률, 는 전단변형률 계산 각도를 나타낸다.
는 방향 의 변형률, 는 방향의 변형률, 는 전단변형률 계산 각도를 나타낸다.
전단에 의한 파괴 모드를 나타낸 실험체의 전단 변형률 변 화는 Fig. 9에 나타냈다. 전단 변형률의 계산은 세 군데의 지점 을 기준으로 하여 계산된 값의 평균값을 적용하였다. C-460은 전단력이 783 kN이었을 때 균열이 발생하였으며 최대 전단 강도는 1,677 kN으로 측정되었다. U-460R의 경우 C-460의 실험 이후 일 방향 탄소섬유 레이아웃을 사용하여 보강되었 기 때문에 균열 하중은 확인할 수 없었다. C-460에 비교하였 을 때, 일 방향 전단 보강을 통하여 전단 강도는 약 10.5퍼센트 증가하였다. 하지만 보강 작업이 이루어지기 전에 균열이 발 생하였었기 때문에 실험체의 초기 강성은 기준 실험체보다 낮은 것을 알 수 있었다. Fig. 5에서 언급되었다시피, B-460은 U-460R 과 유사한 양의 탄소섬유를 사용하여 보강되었다. 이 방향 보강을 통하여 균열 하중은 기준 실험체보다 약 16퍼센 트 증가한 것을 확인할 수 있었다. B-460에 작용하였던 최대 하중은 U-460R에 작용하였던 최대 하중과 거의 유사하였다.
더 높은 하중을 예상하였지만, 콘크리트 부착 파괴로 인하여 하중 증가를 확보할 수 없었다. 하지만, 이 방향 탄소섬유 레 이아웃은 일 방향 레이아웃에 비하여 확연하게 더 작은 전단 변형률을 나타냈다. 이 방향 레이아웃에 의한 전단 구속 효과 는 일 방향에 비교하여 더 효율적인 것으로 판단된다.
Fig. 9 Load vs. shear strain response (Jirsa et al., 2017)
Fig. 10(a) 는 C-460의 최대 하중에서 C-460, U-460R, B-460 실험체의 주인장 변형률 분포를 나타내고 있다. 그림의 오른 쪽에는 변형률의 스케일이 표시되어 있다. 붉은색으로 표시 될수록 더 높은 주인장 변형률이 발생한 것을 나타낸다. 측정 된 변형률의 감소는 탄소섬유 레이아웃의 효과적인 전단 균 열과 균열 폭 구속을 나타낸다. C-460의 경우 전단 파괴를 일 으켰던 하나의 전단 균열이 뚜렷하게 발생하였다. U-460R은 C-460 과 유사한 균열 형태를 나타냈지만, 주인장 변형률의 값
과 균열의 폭은 줄어들었다. 일 방향 전단 보강에 사용된 탄소 섬유는 파단되지 않았지만, 탄소섬유의 최대 변형률은 0.01에 가까운 값을 나타냈다.
(a) strain contour at the load level of 1,680 kN
(b) strain contour at the load level of 1,860 kN Fig. 10 Strain contour of the test spans (Jirsa et al., 2017)
이 방향 레이아웃으로 보강된 실험체는 나머지 두 실험체 에 비교하여 더 작고 더 균일하게 분포된 변형률을 나타냈다.
대부분의 전단 균열 각도는 40~45도 사이의 값을 가졌다. 일 방향과 이 방향 레이아웃의 차이를 명확히 확인하고자 1,860 kN 에서의 변형률 분포 그림을 Fig. 10(b)에 나타냈다. U-460R 과 B-460의 하중 상태는 동일하였으며, 명확하게 이 방향 보 강 실험체의 변형률이 일 방향 보강 실험체의 변형률보다 낮 은 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
I 형 보를 사용한 탄소섬유의 전단 보강 효과는 예상하지 못
한 정착 파괴로 인하여 명확하게 규명할 수 없었다. 하지만 I
형 단면의 경우 추가적인 앵커가 없으면 효과적인 보강의 효
과를 얻을 수 없다는 것을 확인하였다. I형 단면의 두 오목한
요 지 : 기존 구조물의 노후화로 인하여 보수 및 보강에 관한 연구는 활발히 이루어지고 있다. 탄소섬유를 사용한 외부 부착공법은 경제적 이고 짧은 시간에 보강 작업이 이루어질 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 탄소섬유를 사용한 전단 보강에는 일 방향 레이아웃이 많이 사용되고 있으며, 재료의 양, 섬유의 각도 그리고 간격 등에 관한 실험 연구가 많이 진행되었다. 하지만 예비 실험 결과를 통하여 이 방향 전단보강 레이아웃은 일 방향 전단보강보다 좀 더 효율적으로 부재를 구속하는 것을 확인하였다. 따라서, 유사한 재료의 양을 사용하여 일 방 향과 이 방향 전단 보강 작업이 이루어진 후 실험을 통하여 두 보강작업의 효과가 검증되었다. 탄소섬유 보강 작업을 할 때는 탄소섬유의 부착 파괴를 방지하기 위하여 탄소섬유 앵커가 설치되었다. 탄소섬유 앵커와 탄소섬유 레이아웃의 전단보강 효과는 실험 경간에 발생한 주인장 변 형률의 분포를 통하여 검증되었다.
핵심용어 : 이 방향 레이아웃, 탄소섬유 보강, 전단 보강, 일 방향 레이아웃 모서리는 탄소섬유 시트의 부착을 어렵게 하였다. 콘크리트 표면에서 탄소섬유가 떨어져 나가는 부착 파괴를 방지하기 위하여 모든 모서리에는 탄소섬유 앵커가 필요하였다. 스터 럽 간격이 460mm였던 세 실험체를 비교하였을 때, 일 방향 보 강에 의한 하중 증가는 약 11퍼센트였으며, 이 방향 보강에 의 한 하중 증가는 약 12퍼센트였다. I형 보의 짧은 복부 깊이와 단부 절단면의 정착 파괴는 내력의 감소와 전단과는 다른 파 괴 모드를 일으켰다.
실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 일 방향과 이 방향 전단 보강 실험체는 긴장재의 정착 파괴로 인하여 파괴 모드가 정해졌기 때문에 두 실험체 의 최대 하중은 비교할 수 없었다.
(2) 이 방향 전단 보강을 통하여 기준 실험체보다 균열 하중 이 16퍼센트 증가하였다.
(3) 일 방향 전단 보강에 비하여 이 방향 전단 보강을 통하 여 더 높은 균열 제어가 가능하였다. 이 방향 전단 보강 작업이 이루어졌을 때 전체적으로 주인장 변형률의 값 은 명확하게 낮았으며, 더 균등하게 변형률이 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단 이공분야 학문후속세대양성사업 (NRF-2016R1A6A3A11931420) 과 Texas Department of Trans- portation 0-6783 과제의 지원을 받아 수행하였습니다. 또한, 많 은 조언을 주신 Dr. James O. Jirsa와 Dr. Wassim M. Ghannoum 께 감사드립니다.
References
