Static Performance Test for New Wave Dissipating Block Reinforced with FRP

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FRP

Static Performance Test for New Wave Dissipating Block Reinforced with FRP

백인열*·오영민**

In Yeol Paik* and Young Min Oh**

요 지 :이연구에서는신형소파블록을대상으로실험및수치해석을수행하여역학적성능을평가하고적절한보

강재의배근에따른구조성능향상효과를검토하였다

.

.

(FRP)

.

350 kN

6.2

,

FRP

900 kN

이상의강도를보였다

.

.

핵심용어 :신형소파블록

,

,

,

(FRP)

Abstract :

In this study the mechanical performance of the new wave dissipating block is evaluated through experiment and numerical analysis. Also, by selecting adequate reinforcement, the improvement of the structural performance is examined. The reinforcement is designed by predicting the amount of tensile force and the location where the tensile stress develops in the new wave dissipating block through numerical analysis. The new wave dissipating block is reinforced with the ordinary steel bars and the fiber reinforced plastic(FRP) bars which have advantages in ocean environment in terms of corrosion and fatigue. The test result shows that the fracture resistance of the un-reinforced concrete block is 350 kN which is about 6.2 times that of the weight of the block. All the test blocks which are reinforced by either steel of FRP bars show strength capacity of over 900 kN which is the maximum load of the test equipment. Although the single reinforcement with larger-diameter bars has advantage in terms of construction convenience, it is recommended to use multiple number of smaller-diameter bars in order to reduce the crack width.

Keywords :

new-shape wave dissipating block, static experiment, numerical analysis, fiber reinforced plastic(FRP)

1. 서 론

최근 개정된 심해설계파가 기존에 비하여 크게 상향되어(한 국해양연구원, 2005), 방파제에 설치되는 소파블록의 크기와 중량이 증가하는 추세에 있다. 기존에 비하여 소파블록이 대 형화되면서 적재하중의 크기가 증가하게 되고 소파블록의 다 리에 균열이 발생하면서 부러지는 문제가 발생할 가능성이 커 지게 된다. 기존에 국내 방파제 시공에 널리 사용되고 있는 테트라포드(TTP)와 같은 무근 콘크리트 소파블록은 균열이 발생하면 곧바로 파단 되는 특성이 있어서, 실제로 최근 발 생한 강한 태풍으로 인한 파손 사례가 보고되고 있는 실정이 다(한국해양연구원, 2010).

방파제에 설치된 소파블록은 해양파에 의한 충격하중과 블 록이 쌓여서 발생하는 적재하중의 작용을 받게 되는데, 현 시 점에서는 소파블록이 이들에 대하여 만족하여야 하는 역학적 성능에 대한 명확한 규정이 없는 실정이다 (British Standard Institution 1991). 실제로 소파블록으로 피복된 사면의 안정성, 반사율, 처오름높이 등 수리학적 특성 평가에 관한 연구는 폭 넓게 수행되었지만, 소파블록 자체의 구조적 성능에 관한 연 구는 상대적으로 많지 않다. 특히, 테트라포드, 돌로스 등 오래 전부터 개발되어 사용된 소파블록의 구조역학적 특성을 규명 하는 연구는 몇몇 연구자들에 의해서 수행되었지만(Burcharth et al., 1991; Burcharth et al., 2000; Franco et al., 2000), 기타 소파블록에 관해서는 관련 연구 자료가 거의 없다. 신

*

(Corresponding author : Department of Civil and Environmental Engineering, Kyungwon University, Songnam, Kyunggi-Do, 131-751, Korea. [email protected])

**

(Coastal Engineering & Ocean Energy Department, Korea Ocean Research and Development Institute

형소파블록분야에서최근에수행된성능평가에관해서는

Noboru et al.(2008)의연구가있다.이연구에따르면적재하중의 영향이파력에의한영향에비하여크고, 따라서적재하중이소 파블록의설계를지배하게된다고보고하고있다. 또한실측을통 하여소파블록이받게되는적재하중의크기가소파블록자중 의 5배이상이면충분한강도를갖게된다고제시하고있다.

콘크리트의균열과동시에소파블록의다리가부러지는현 상을방지하기위한보강재로는일반적으로철근을사용하거 나, 소파블록이해양환경에상시노출되는특성을감안하여 부식과피로에대하여장점을지닌섬유보강재(Fiber Reinforced Plastic, FRP)를사용할수있다. 최근 FRP 보강재의개발및 적용이확대됨에따라 FRP보강콘크리트구조의설계에관한 기준서가제시되어있으며(American Concrete Institute, 2006),

국내에서도콘크리트와의부착성을확보하기위하여표면이

이형마디로처리된 FRP 보강재가개발되었으며, 이를적용

한연구결과와실무적용자료가제시되어있다(^{한국건설기술}

연구원, 2007; 2008).

본연구에서는소파블록이하중을받아콘크리트에균열이 발생한후에도곧바로분리되지않고일체성을유지할수있 도록콘크리트에보강재를배근한신형소파블록을개발하였 다. 신형소파블록의공극율은 65%이며수리실험을통하여높은

안정성(KD= 11.8)^{을확인하였다}. ^{일반적으로테트라포드의다}

리부러짐현상은정적하중보다는순간적인충격하중에의 하여주로발생하는것으로알려졌으며내부에보강재가없 어서더욱취약하다. ^{본연구에서제시한소파블록은보강재를}

배근한상태를표준으로하며성능평가를위하여우선계량 화가쉬운정적하중에대한파괴실험을실시하였다. 이를통 하여기존의무근소파블록보다는하중에대한저항력이우 수함을밝히고차후에동적하중에대한실험을실시하여신형 소파블록의성능을평가할예정이다. 또한, 신형소파블록실 험체에대한유한요소해석을수행하였으며, 이결과로부터최대 인장응력발생지점의위치및인장응력의크기를구하여, 소 파블록을보강하는보강재의필요면적과배근위치를결정

하였다. 철근및 FRP 보강재를배근한신형소파블록및무근

소파블록을제작하여성능평가실험을수행하고, 보강재의효 과를중심으로소파블록의성능을비교분석하였다.

2. 수치해석 및 보강재 설계

2.1 실험체 제원

Fig. 1^{은이연구에서성능실험에사용한신형소파블록을}

정면과상부에서본모습을보여주는도면이다. 신형소파블 록은설계파고에따라적절하게적용할수있도록크기와중량 면에서다양한제원을가지고설계되어있으며, ^{이연구에서는} Table 1과같이높이 2.5 m, 실중량 56.4 kN의제원을가진 소파블록을실험대상으로하였다.

실험체각부의명칭은편의상 Fig. 2^{와같이정하였다}. ^실

험체는그중심에대하여대칭인형상을가지고있으나, 이 연구에서는편의상실험체가놓인위치를기준으로하여, 상부

Fig. 1.

Test specimen of new wave dissipating concrete block (a) Front view (b) Plan view (mm).

Table 1.

Properties of test block Nominal Weight

[kN] Actual Weight

[kN] Height

[m] Concrete Strength,

fck

, [MPa]

61.8 56.4 2.50 21

Fig. 2.

Parts of block

다리연결부를기둥(column)이라하고, 세개의하부다리연

결부를보(beam)라고하였다. 이연구에서는보의중앙에발

생하는인장응력이신형소파블록의설계를지배하고있으므로 이부분에중점을둔다.

2.2 수치 해석

구조재료로널리사용되고있는콘크리트는역학적으로압 축응력에대하여는강하지만인장응력에대하여는취약한특 성을가지고있다. 따라서콘크리트로제작된구조물에있어서 인장응력이과도하게발생할부분을미리예측하여이부분을 인장에강한재료로보강하면구조물의역학적인성능을크게 향상시킬수있다. 이연구에서는신형소파블록실험체의내 부에인장응력이크게발생하는위치를예측하기위하여범용 유한요소프로그램인 MIDAS(MIDAS IT, 2010)를이용하여 구조체를 3차원모델링하였다. 구조해석을통하여실험과동 일한조건의하중을수치모델에가하여콘크리트보에발생하는 인장응력의분포를구하여도시하면 Fig. 3과같다. 콘크리트에 최대인장응력이발생하는위치는보의하단중앙부이며이 그림에서진하게나타나는부분이다.

또한, 3장에기술한바와같이무근실험체에대한실험결

과에서균열이발생하는하중이P= 350 kN이므로이를적용

하여해석을수행한다. ^{이때보의중앙단면을} Fig. 4^와같이

세부모델링하여중앙단면에작용하는축방향인장력과두직 각축에대한휨모멘트를구하면 Table 2와같다. 이러한 3가지 단면력으로부터단면의하단모서리에인인장응력이발생함을 해석으로부터구할수있다.

콘크리트의인장강도는압축강도에비하여편차가심하여 여러설계기준에서각기다르게규정하고있다. ^{현행국내콘}

크리트구조설계기준(2007)의규정과유럽의기준들(CEB/FIP,

1993; JCSS, 2001)을적용하면, 실험체에사용한콘크리트에

대하여인장강도의범위가 2.28~2.89 MPa 로계산되어해석

결과인 2.50 MPa와유사함을알수있다. 실험체내부에발

생하는압축응력은콘크리트의압축강도에비하여문제가될 만큼큰응력값은발생하지않았다.

2.3 보강재 설계

수치해석을통하여콘크리트에균열이발생하는위험단면 에서균열직후에보강재가받아주어야하는최소인장력을

알수있으므로, Table 2^{의결과를적용하여필요한보강재의}

면적을구하였다. Table 3과같이강도와지름이각각다른

철근및유리섬유 FRP 봉을사용하여위험단면에필요한보

강재의면적을결정하였다. 1^{번실험체는기본적인무근실험}

체이며, 2번과 3번 실험체는항복강도가 각각 300 MPa과

400 MPa인철근을위험단면에 3개씩배근한실험체이다. 2번

실험체에는작은량의철근만을배근하여보강의효과를알

아보려하였다. 4, 5번실험체에는지름이 9mm인 FRP 보강재

3개를배근하였으며, 6번실험체에는지름이 13 mm인 FRP 보 강재 1^{개만을배근하여시공의편의성을살펴보았다}. ^이연구

에서사용한유리섬유 FRP 보강재는한국건설기술연구원

Fig. 3.

Principal stress distribution in horizontal direction for new wave dissipating concrete block (a) Front view (b) Bottom view.

Fig. 4.

Detailed modeling of the middle of cross beam for calcu- lation of member force.

Table 2.

Calculation of maximum tensile stress developed at bottom corner of cross section in Fig. 4 subject to

= 350

Fx

[kN] [kN·m]

[kN·m]

[MPa]

63.15 6.36 5.09 2.50

(2008)에서 적용한 바 있는 Fig. 5와 같이 표면에 이형마디가 있어 콘크리트와의 부착성능을 향상시킨 보강재이다.

3. 정적 성능 실험

3.1 실험 준비

제작장에서 콘크리트를 28일 동안 양생하여 제작한 시작품을 실내 실험실로 운반하여 실험을 수행한다. 1차로 무근 콘크 리트 실험체와 소량의 철근이 배근된 실험체 각각 1개씩에 대 하여 재하실험을 수행하였으며, 이를 분석한 후 철근보강 실 험체 1개와 FRP보강 실험체 3개를 결정하여 2차 실험을 수 행하였다. 하중재하를 위한 가력기는 Fig. 6과 같고 용량이 1,000 kN으로 안전 여유를 위하여 1차 실험에서는 최대 800 kN 까지, 2차 실험에서는 최대 900 kN까지 가하였다.

재하실험을 통하여 소파블록의 역학적 성능인 균열 발생 시점 및 이후의 거동, 가로보 부분의 보강재 효과, FRP 보강 효과 등을 측정하기 위하여 콘크리트 및 보강재의 주요한 부분에 미리 계측용 센서를 배치한다. 무근 콘크리트 실험체는 Fig. 7(f) 와 같이 보의 아래쪽에 인장응력 발생 부위를 중심으로 표면에 Table 3.

Properties of reinforcing bars for test specimen

Specimen number Reinforcement type Bar designation Strength* of bar [MPa] Number of bars per beam Area of bars at critical section [mm

]

#1 un-reinforced - - - 0

#2 steel bar D13 300 3 380.1

#3 steel bar H16 400 3 595.8

#4 & #5 FRP bar DWGR9 1214 3 190.8

#6 FRP bar DWGR13 1108 1 126.6

*The strength denotes the nominal yield strength for the steel bar and the tensile strength for the glass FRP bar.

Fig. 5.

Deformed reinforcing bar made of glass fiber reinforced plastic(FRP).

Fig. 6.

Test set up.

Fig. 7.

Strain gauge location (a)~(e) reinforced specimen (f) un-reinforced specimen.

콘크리트 게이지와 내부에 매립형 게이지를 등간격으로 설치 하였으며, 철근 및 FRP보강 실험체에는 Fig. 7(a)~(e)과 같이 하 면의 보강재를 중심으로 철근 게이지를 설치하였다. Fig. 8은 보 강재가 조립된 사진이며, 원형점선은 게이지가 설치된 위치를 나 타낸다. 기둥에도 게이지를 설치하여 압축응력의 추이도 관찰하 였으며, 재하실험 시에 실험체의 중앙 하부에 처짐계를 설치하 여 하중의 증가에 따른 구조물의 처짐도 측정하였다.

3.2 실험 결과

3.2.1 무근 실험체

보강을 하지 않은 무근 실험체에 하중을 재하하여 소파블록 의 기본적인 역학적 성능을 분석하였다. 무근 실험체는 약 350 kN 의 하중을 재하 했을 때 균열이 발생하였고, 균열이 발생하면서 급작스럽게 실험체가 파괴되었으며, 이때의 하중은 무근 실험체 자중인 56.4 kN의 약 6.2배이다. Fig. 9(a)는 실험 계측 값에 의한 하중-처짐 곡선이며, 이로부터 무근 실험체는 약 350 kN 부근에 서 실험체가 파괴하중에 도달하였음을 알 수 있다. 실험체의 주 요 위치에 배치된 게이지들도 동일한 결과를 보여주는데, Fig.

9(b)에서 보는 바와 같이 콘크리트 기둥의 압축변형은 콘크리트 가 균열이 일어나기 전까지 선형 변형을 일으키고 있었으나 콘 크리트에 균열이 발생함과 동시에 발산함을 볼 수 있다. Fig.

10(c)의 콘크리트 보에 설치한 표면 센서와 매립형 센서에서 계 측된 인장변형도 동일한 양상을 보임을 확인 할 수 있다.

다만, 이상적으로는 3개의 보가 서로 대칭이므로, 모두 동 일한 거동을 보여야 하지만 실제 실험 과정의 오차에 의하여 3개의 보에서 계측되는 거동은 서로 약간의 차이를 보이게 된 다. 따라서 균열을 일으키는 최초 하중도 3개의 보에 동일하게 발생하지 않고 약간의 편심을 가지고 한 곳에서 먼저 발생하게 되므로 각각의 보의 개별 계측값을 참고로 하고, 이들을 종합한 성격을 보이는 중앙부의 처짐값을 기준으로 균열하중을 정하였 다. Fig. 10은 콘크리트 보의 중앙단면에 발생하는 전형적인 균 열을 보여주고 있다. 무근 실험체의 경우에는 보의 하단 모서리 에서 최초 균열이 발생함과 동시에 그 인장응력을 대신 받아줄 보강재가 없으므로 균열이 급작스럽게 보 단면 전체로 관통하 면서 실험체가 더 이상의 내하능력을 상실함을 알 수 있다.

Fig. 8.

Fabrication of reinforcement and location of sensors(in dotted circles) (a) steel reinforcement (b) FRP reinforcement.

Fig. 9.

Gauge reading of un-reinforced specimen (a) deflection (b) compressive strain of concrete at middle of column (c) ten- sile strain of concrete at middle of beam.

Fig. 10.

Typical crack developed at middle of beam.

3.2.2 철근보강실험체

철근이보강된실험체에대한재하실험결과, 보의중앙단

면에배근한철근에발생하는변형율을도시하면 Fig. 11과

같다. 이그래프로부터 2번실험체는약 380 kN, 3번실험체는

약 430 kN에서균열이발생하였음을알수있다. 균열이발

생하면서콘크리트가받던인장력을철근이모두받아주기때 문에이전까지선형탄성을보이던그래프가비선형을보이며,

변형이균열과동시에크게증가함을알수있다.

Fig. 12는 3번실험체의하중-처짐곡선이다(2번실험체의

데이터는자료저장착오로손실). ^{이그림으로부터철근실}

험체는 Fig. 9(a)의무근실험체와는달리균열발생이후에도

하중에대한저항능력을지속적으로유지하고있고, 실험체가

약 900 kN ^{이상까지하중을더받을수있음을확인할수있}

다. 또한, 철근은강성이크기때문에, 콘크리트에균열이발 생하는하중부근에서도실험체의처짐에급작스런변화를보 이지않고, ^{이후에도강성이급격하게저하되지않아역학적인}

성능은매우우수하였다.

3.2.3 FRP^{보강실험체}

FRP 보강재를배근한실험체에대하여성능실험을수행

하였으며 Fig. 13은하중-처짐곡선을보여주고있다. 3개의

실험체모두콘크리트에균열이발생한 400 kN 부근에서실 험체의처짐이순간적으로증가하여하중-처짐곡선이수평을

이루었다. 이는 Fig. 14의 FRP보강재에대한변형율곡선에

서와같이, 콘크리트에균열이발생하면서콘크리트가받던

인장력을 FRP보강재가모두받을때, FRP의탄성계수가철

근에비하여작으므로, Fig. 11^{에서의철근의변형증가량보}

다더크게나타나고있다. 반면에 FRP는최고강도가충분

하게크므로균열이후에도 3개의실험체모두 900 kN 이상의

내하능력을보이고있다.

6번실험체에는제작의편의를위하여 FRP 보강재를굵 은지름으로한개만을배근하였다. 가는지름의보강재를

3^{개씩배근한} 4^번, 5^{번실험체와비교할때}, ^하중-^처짐곡선

이나보강재의변형율에있어서큰차이는없었으나, Table 4

에나타낸바와같이실험에서재하한최대하중인 900kN

이가해졌을때의최대균열폭에서는차이를보이고있다.

3개의보강재가분포된 2번~5번실험체의최대균열폭은모

두 2.52 mm 이하이나, 동일한강도를제공하지만 1개의보

강재로집중시킨 6^{번실험체의최대균열폭은} 4.83 mm^를보

이고있다.

Fig. 11. Load vs strain diagram of steel reinforcement at middle of beam of specimen #2 and #3.

Fig. 12.

Load vs deflection diagram of specimen #3.

Fig. 13. Load vs deflection diagram of FRP reinforced specimen #4, #5 and #6.

Fig. 14. Load vs strain diagram of FRP reinforcement at middle of beam of specimen #4, #5 and #6.

4. 결 론

이 연구에서는 콘크리트에 보강재를 배근한 신형소파블록에 대한 역학적 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석을 통한 수 치해석과 정적실험을 수행하고 결과를 제시하였다. 콘크리트 만으로 제작한 신형소파블록 무근실험체에 대한 정적재하실험 결과로부터 균열하중은 약 350 kN이며 이는 신형소파블록 자 중의 약 6.2배이다. 일반적으로 자중의 5배 이상이면 충분한 강도를 갖게 된다고 보고되어 있으므로 신형소파블록은 보강재 없이도 정적 하중에 대하여 만족스러운 성능을 보유한다고 평 가할 수 있다.

무근 콘크리트 소파블록의 성능을 향상시키기 위하여 위험 단면에 보강재를 배근한 실험체에 대하여 역학적 성능실험을 수행한 결과 파괴하중이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 철근 및 FRP로 보강한 실험체 모두 이 실험의 최대 재하하중인 900 kN 이상의 하중을 받았다. 철근으로 보강한 실험체는 균 열발생 부근이나 그 이후의 거동에 있어서 매우 안정적인 성 능을 보여주고 있으나, 균열 발생 후에 철근이 해양환경에 노 출될 것이므로 부식 문제가 발생하게 된다. 이 문제를 개선 하기 위하여 이 연구에서는 유리섬유 FRP보강재를 사용하였 다. 콘크리트와 FRP봉과의 기계적 부착을 향상시킨 이형 FRP봉을 배근하여 철근을 배근한 소파블록과 비슷한 성능을 발휘함을 확인할 수 있었다. 이 연구를 통하여 기존의 무근 소파블록의 문제점인 하중 증가에 대한 파괴 발생 문제에 효 과적으로 대응하여 방파제의 안정 확보에 기여할 것으로 기

대된다.

감사의 글

본 연구는 한국해양연구원의 “소파블록의 결합기술 개발 (PE98524)” 과제의 지원을 받아 수행되었으며 지원에 감사 를 드립니다.

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원고접수일

: 2011

4

12

: 2011

7

26

게재확정일

: 2011

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Cracking load, crack width and re-bar strain

Specimen number Cracking load [kN] Max. crack

width [mm] Max. strain of re-bar* [

]

#1 : un-reinforced 35.3 1.82 -

#2 : 3-D13 38.0 1.76 2200

#3 : 3-H16 43.2 2.52 1950

#4 : 3-DWGR9 39.5 2.36 8900

#5 : 3-DWGR9 45.0 1.66 9600

#6 : 1-DWGR13 44.2 4.83 8500

*Maximum crack width and strain is measured at the maximum

load for the test which is 900 kN except #2 specimen for which it

is 800 kN.