지속하중을 받은 FRP 외부부착 보강 철근콘크리트 보의 거동 특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Behavior of
RC Beams Externally Bonded with FRPs Under Sustained Loads
심 재 중1)* 오 광 진2) 김 연 태3) 박 선 규4)
Shim, Jae Joong Oh, Kwang Jin Kim, Yeon Tae Park, Sun Kyu
Abstract
In the recent construction industry, an external strengthening method using fiber reinforced polymers has been widely used. Since reinforced concrete structures strengthened with fiber reinforced polymers are always under sustained loads, influence of creep and shrinkage on the structures is inevitable. Due to the creep and shrinkage, behaviors of the structures, such as deflection, deformation, recovery capability, strength and so on are also under the influence of creep and shrinkage. Thus, in order to estimate efficacy, creep recovery and residual strength of FRP strengthened RC beams, long-term flexural experiments and static flexural experiments were carried out. As the result of the experiments, FRP strengthened RC beams were very effective in terms of deflection control. Furthermore, the strengthened beams had higher immediate deformation recovery than immediate deformation. Through the static flexural experiments, it was shown that the CFRP strengthened beam had high residual strength. It seems that the sustained loads did not affect bond and residual strength of the beams.
Keywords : CFRP, GFRP, Long-term behavior, Residual Strength, Strain Recovery
1) 정회원, 성균관대학교 건설환경시스템공학과 석사과정 2) 정회원, 한국시설안전공단 기술개발팀 차장 3) 정회원, 서울산업대학교 건설공학부 교수 4) 정회원, 성균관대학교 건설환경시스템공학과 교수
* Corresponding author : [email protected] 031-290-7530
• 본 논문에 대한 토의를 2010년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2010년 5 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
1. 서 론
최근 건설산업에서 철근 콘크리트 구조물은 경제적, 재 료적인 장점으로 인해 가장 널리 사용되고 있는 구조중의 하나이다. 하지만 철근 콘크리트 구조물의 다양한 장점에 도 불구하고 대부분의 현존하는 구조물들은 철근의 부식 또는 콘크리트 재료의 열화 연상으로 인하여 보수, 보강 이 요구되어지고 있는 상황이다. 특히, 복합섬유(Fiber Reinforced Polymers, 이하 FRP)는 비부식성, 경량성, 높은 인장강도 등 재료적 특성이 우수하여 보수 보강에 가장 널리 사용되고 있으며 FRP를 이용한 외부 부착 공 법이 가장 많이 사용 되고 있다. 철근콘크리트 보에 FRP 로 외부 부착 보강을 한 경우, 강도와 강성이 증가하는 효 과가 있지만 기존 철근콘크리트 보의 파괴와는 다른 파괴 양상을 보이고 있지만 일반적인 철근콘크리트 보에서 나 타나는 연성파괴 및 취성파괴와 함께 탈락(delamination), 단락(rip-off), 계면전단파괴(peeling off)등 박리(de- bonding)에 의한 파괴양상도 나타나게 됩니다. 또한 지
속하중에 대한 보강 효과 및 거동 특성은 아직 규명되지 않은 실정이다.
FRP로 외부부착 보강된 철근 콘크리트 구조물의 명확 한 거동을 밝혀내려는 연구가 여러 연구자들에 의해서 활 발히 진행되고 있다. 근래의 연구에 의하면 박종섭 등은
“지속하중을 받는 CFRP 보강보의 잔존강도”에서는 CFRP 보강보에 대한 정적 파괴 실험을 수행하여 전존 강도 및 보강효과 변화를 관찰하였다. 그 결과, CFRP판 보강 실험체는 지속하중에 의해 보강효과가 변하지 않음 을 검증하였다(박종섭 등 2007). “탄소섬유판으로 보강 된 철근콘크리트 보의 보강성능에 관한 연구”에서는 CFRP Plate로 보강된 철근콘크리트 보에 집중하중이 작 용하여 같은 위치에서 휨모멘트와 전단력이 최대가 되는 경우의 휨 보강효과를 파악하기 위한 실험을 실시하였다 (김종구, 2004) Tan K. H.와 SaHa M. K.은 총9개의 RC보를 제작하여 6개의 실험체에 GFRP로 외부부착 보 강을 하고 약 2년간 지속하중을 가하였으며, 수정 유효탄 성계수법과 유효탄성계수법을 사용하여 장기처짐을 예측
하였다. 실험결과, FRP보강 비율이 높은 실험체가 가장 적은 장기 처짐을 보였으며 특히 사용하중보다 작은 하중 에서는 FRP가 처짐에 있어서 미치는 영향이 작은 것으로 나타내었다(Tan K. H. and SaHa M. K., 2006).
지금까지는 FRP 보강 구조물의 부착파괴 및 일시적인 하중에 대한 연구만이 진행되어 오고 있으며, 장기적인 거 동에 대한 기초적인 실험 데이터조차 확보되지 않은 상태 에서 보강설계 및 현장에 적용하고 있는 실정이다. 게다 가, 이러한 지속하중을 받은 보강보의 지속하중이 제거되 고 난 후의 변형 회복 및 잔존강도에 대한 연구 또한 부족 한 실정이다. 본 논문에서는 현재 보수 보강에 가장 대표 적으로 사용되고 있는 탄소섬유 (Carbon Fiber Reinforced Polymer, 이하 CFRP)와 유리섬유 (Glass Fiber Reinforced Polymer, 이하GFRP) Plate를 사용하여 외부 보강한 철 근콘크리트 보의 지속하중에 대한 거동을 파악하고 지속 하중이 제거되고 난 이후의 잔존 강도 및 변형 회복을 파 악하고자 한다.
2. 실 험
2.1 실험체의 제원 및 실험 변수
지속하중을 재하하기 위한 FRP 외부 부착 보강 실험체 는 200×300mm의 단면을 가지고 있으며 모든 피복두께 를 30mm로 하였다. 실험체의 전체 길이는 2700mm이 며, 순지간 길이는 2400mm로 제작 하였다. FRP로 외부 부착 보강한 실험체의 휨 파괴를 유도하고 압축파괴를 방 지하기 위하여 인장철근보다 압축부의 철근량이 많도록 제작하였으며 압축철근을 H13, 인장철근으로는 H10을 배근하였다. 또한 전단파괴를 방지하기 위하여 100mm간 격으로 H10철근을 배근하였으며 전체적인 실험체의 형 상은 Fig. 1과 같다.
FRP로 외부 부착 보강한 실험체의 장기거동 평가를 위 한 실험체는 총 3개로서 Table 1에 나타내었으며, FRP
Fig. 1 장기거동 실험체의 상세도
Table 1 장기거동 실험체의 실험변수
실험체명 복합섬유종류 보강길이 보강매수 비고
SNF - - - 표준 실험체
LCS90-1 CFRP 2160mm 1매
지간의 90%
LGS90-1 GFRP 2160mm 1매
보강실험체는 폭 50mm의 FRP plate 1매로 순지간의 90%인 2160mm에 보강을 하였다. CFRP로 보강된 실험 체는 LCS90-1, GFRP로 보강된 실험체는 LGS90-1를 나타내며, 보강 실험체와의 비교를 위하여 무보강실험체 한 개를 제작하였다.
2.2 실험 재료
2.2.1 콘크리트
실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계기준강도는 24 MPa을 기준으로 하고, 타설시 100×200mm 공시체 몰 드에 콘크리트를 취득하여 압축강도 시험을 위한 공시체 를 각 실험체별로 3개씩 제작하였다. 또한 KS F 2405 (콘크리트 압축강도 시험방법)에 의하여 재령 28일에 압 축강도시험을 실시하여 평균값을 구하였다. 콘크리트 재 료의 물성은 Table 2에 나타내었다.
2.2.2 철근
장기거동 실험을 위해 사용된 철근은 H13의 압축철근, H10의 인장철근과 스트럽을 사용하였다. 직접 인장시험 결과를 이용하여 구한 인장강도, 항복강도, 탄성계수로 Table 3에 나타내었다.
2.2.3 FRP
철근 콘크리트보를 외부 부착 보강하기 위해 사용된 FRP는 1방향 FRP를 사용하였으며. CFRP 와 GFRP 각 1매의 Plate를 사용하여 보강하였다. 각 FRP의 재료적 성질은 Table 4와 같다.
2.3 실험방법
복합섬유의 종류를 고려한 장기거동 위하여 25kN의 지 속하중을 재하 하였다. 보강된 실험체에서의 압축철근, 인 장철근 및 복합섬유(탄소섬유, 유리섬유)의 변형률을 측
Table 2 콘크리트의 재료물성
설계기준강도(MPa) 인장강도(MPa) 압축강도(MPa) 탄성계수(MPa)
24 2.2 26.7 2.16×104
Table 3 철근의 재료물성
종류 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 탄성계수(MPa)
H10 475.2 766.3 2.01×105
H13 466.2 679.3 2.11×105
Table 4 FRP의 재료물성
종류 두께(mm) 폭(mm) 인장강도(MPa) 탄성계수(GPa)
CFRP 1.2 50 3,000 165
GFRP 1.2 50 1,000 40
Fig. 2 철근 및 FRP 변형률 계측 상세도
Fig. 3 장기거동 실험체의 전경
정하기 위하여 Fig. 2와 같이 인장 철근과 압축철근에 각 2개씩의 스트레인게이지를 부착하였으며, 보강된 탄소섬 유 및 유리섬유의 길이방향에 대한 응력분포의 변화를 파 악하기 위하여 스트레인 게이지를 300mm 간격으로 부착 하였다. 또한, 보의 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 보 중 앙부 하면에 다이얼게이지(Dial-Gauge)를 설치하였다.
이렇게 설치한 센서로부터 나오는 데이터는 매일 일정하 게 한번씩 TC-31K(데이터 로거)로 획득하고, 컴퓨터를 이용하여 데이터를 정리하였다. Fig. 3은 위와 같은 것을 고려하여 세팅한 실험체의 전경을 나타내고 있다.
처짐 및 변형 회복 실험을 위하여 약 550일 이후 하중 을 제거하여 매일 지간 중앙에서의 처짐과 철근 변형률, FRP의 변형률을 측정하였다.
약 60일간의 처짐 및 변형 회복을 관찰한 후에 잔존 내 력 평가를 위해 정적 재하 시험을 실시하였다. Universal Testing Machine(UTM)을 이용하여 실험체에 4점 재하 를 실시하였으며, 1mm/min의 재하속도로 실험을 수행하 였다. 복합섬유의 종류를 고려한 장기거동 위하여 25kN 의 지속하중을 재하 하였습니다. 표준 실험체 및 보강된 실험체를 정적실험을 통하여 얻은 각 실험체들의 인장철 근이 항복하는 값을 토대로 하여 25kN을 산정 하였습니 다. 지속하중 25kN에 대한 산정근거는 실험체의 탄성거 동 영역과 관련이 있습니다. 25kN까지의 대상 실험체들 은 재하하중에 대하여 탄성거동을 하였습니다. 지속하중인 25kN은 탄성범위 내에 있기 때문에 하중-처짐 그래프의 초기강성은 매우 선형적으로 나타났습니다. 장기 거동 실
험과 동일한 위치에서의 처짐, 철근 변형률, FRP변형률을 측정하였으며, 보의 지간 중앙에 LVDT를 설치하여 중앙 부의 처짐을 측정하였다. 이때의 데이터는 EDX-1500A (데이터 로거)로 받아들여 컴퓨터를 이용하여 데이터를 정리하였다.
3. 실험 결과
3.1 장기거동 실험 결과
3.1.1 지속하중에 따른 처짐 특성
Fig. 4는 25kN의 지속하중을 재하한 후 즉시 발생하는 초기 처짐량에 대해 나타낸 그래프이다. FRP로 보강된 실험체들은 표준 실험체에 비하여 초기 처짐량이 작게 나 타났으며, 유리섬유보다 우수한 재료적 장점을 지닌 탄소 섬유를 보강한 LCS90-1 실험체가 유리섬유를 보강한 LGS90-1 실험체 보다 작은 초기 처짐량을 나타냈다.
탄소섬유로 보강한 LCS90-1실험체가 표준실험체 보 다 약 35%의 적은 초기 처짐을 나타냈다. FRP 외부 부 착 보강은 무보강 실험체보다 사용성 측면으로 우수하다 는 것을 알 수 있었다.
약 550일간의 지속하중을 제하한 결과 전체적으로 CFRP plate로 보강된 실험체가 나머지 실험체보다 가장 적은 장 기처짐을 나타내었다. Fig. 4에서 나타난 바와 같이 CFRP 및 GFRP로 외부 보강한 경우 실험체의 즉시처짐에 대해 서는 효과적이었습니다.
하지만 Fig. 5에서 나타내는 것과 같이 즉시처짐을 제 외한 장기 처짐으로만을 고려할 경우 GFRP는 보강효과 가 미비한 것으로 나타났습니다. 따라서 지속하중에 따른 장기처짐은 철근의 영향이 지배적인 것으로 판단되어 집 니다. 또한, Fig. 6에 나타난 바와 같이 표준실험체인 SNF실험체는 약 200일 이후에 수렴을 시작하는 경향을 나타내었으나 탄소섬유와 유리섬유로 보강된 실험체인 LCS90-1과 LGS90-1 시간경과와 함께 지속적으로 증 가하는 양상을 나타내었다. 장기처짐 마지막일인 550일 을 기준으로 처짐을 비교해본 결과 LGS90-1 실험체는 표준실험체보다 4% 적은 처짐량을, LCS90-1 실험체는 표준실험체보다 14% 적은 처짐량을 나타내었다. GFRP 로 보강한 실험체 LGS90-1과 표준실험체 SNF와는 큰 차이를 보이지 못했는데 이는 철근의 탄성계수보다 작은 GFRP plate의 탄성계수 때문인 것으로 추정된다. GFRP plate가 적은량의 인장력 부담을 하긴 하지만 주된 인장 거동을 지배하는 것은 철근인 것으로 사료된다. 또한, 장 기처짐에서 즉시처짐을 제외한 시간의존 처짐만을 비교 해 본 결과 모든 실험체간의 처짐의 차이는 크지 않았다.
이것으로 GFRP plate가 적은량의 인장력 부담을 하긴 하 지만 주된 인장 거동을 지배하는 것은 철근인 것으로 보
Fig. 4 지속에 의한 하중즉시 처짐량 비교
Fig. 5 즉시처짐을 제외한 시간에 따른 처짐의 변화 비교
Fig. 6 시간경과에 다른 처짐 비교
인다. 따라서 FRP외부 부착 보강은 즉시처짐 제어에는 효과가 있으나 시간의존 처짐제어에는 커다란 효과가 없 다고 말할 수 있다.
3.1.2 지속하중에 따른 변형률 특성
지속하중을 재하한 후 인장철근, 압축철근, FRP의 변 형률을 측정하였다. 시간경과에 따른 각 실험체의 인장철 근과 압축철근 변형률의 변화량은 Fig. 7, Fig. 8과 같다.
Fig. 7에 나타난바와 같이 인장철근의 즉시 변형률을 비 교해보면, CFRP plate로 보강된 실험체인 LCS90-1이 가장 우수한 성능을 보였으며 표준실험체인 SNF보다 약 63%의 적은 변형률을 나타내었다. 하지만 이러한 즉시변 형률을 제외하고 시간의존 변형률만을 비교해보면 모든 실험체간의 커다란 차이는 발견되지 않았다. GFRP plate 로 보강한 실험체인 LGS90-1은 외부 부착 보강을 했음 에도 불구하고 커다란 보강효과를 보이지 않았는데, 이는
Fig. 7 시간경과에 따른 인장철근 변형률
Fig. 8 시간경과에 따른 압축철근 변형률
탄성계수의 차이 때문인 것으로 판단된다. 모든 실험체의 인장철근 변형률 및 압축철근 변형률은 약 150일 까지는 증가하는 것으로 나타났으나 300일 까지는 다시 감소하 는 경향을 보였고 다시 300일 이후에 증가하는 경향을 보였다. 이는 온도에 따라 그리고 데이터를 수집하는 시 간에 따라 차이를 보여 온도에 영향이 큰 것으로 나타났 다. 온도에 대한 영향을 3.1.3장에서 언급을 하도록 하겠 다.
Fig. 8에 나타난 바와 같이, FRP로 보강된 실험체가 비 보강 실험체보다 더욱 큰 압축 변형을 보였다. 550일 동 안의 최대 변형률만을 비교해 보았을 때, LCS90-1은 표 준실험체 보다 약 22%, LGS90-1은 약 35%의 큰 변형 률의 차이를 보였다.
일반적으로 지속하중 하에서 콘크리트는 크리프변형을 일으키며 곡률의 증가를 가져오고 우력 팔길이의 감소를 가져온다. 이로 인해 철근의 응력은 증가하고 압축측의 면 적이 증가함으로써 압축철근의 응력도 증가한다. 이것은 콘크리트의 크리프 변형에 의한 응력이 압축철근으로 옮 겨가는 것을 나타낸다. FRP 로 보강된 실험체 에서는 상 당량의 인장력을 FRP가 저항해 줌에 따라 이러한 응력이 압축철근으로 옮겨 갔기 때문에 비보강 실험체보다 압축 철근의 변형률이 크게 나타난 것으로 사료된다.
Fig. 9은 시간경과에 따른 FRP의 변형률 변화를 나타
Fig. 9 시간경과에 따른 FRP 변형률
Fig. 10 시간경과에 따른 온도의 변화
낸다. 25kN의 지속하중을 재하한 직후의 변형률을 비교 해본 결과 CFRP plate보강 실험체인 LCS90-1이 GFRP plate 보강실험체인 LGS90-1보다 약 51%의 적은 변형 률을 나타냈고 즉시 변형을 배제한 시간의존 변형을 비교 해 본 결과 LCS90-1이 LGS90-1보다 약 10%의 작은 변형률 값을 나타냈다. 모든 FRP의 변형률은 약 180일 이후부터 감소하기 시작했으며 300일 이후에 다시 증가 하는 경향을 보였다. 이는 실험실 공간의 제약 때문에 외 부에 설치된 실험체의 온도변화 때문으로 추측된다.
3.1.3 온도변화의 영향
콘크리트의 크리프는 온도변화에 매우 큰 영향을 받기 때문에 일정한 온도를 유지한 상태에서 실험을 수행하는 것이 일반적이다. 하지만 본 실험의 특성상 실험실 공간 확보, 실험 시간 확보 및 실험 스케줄 조정 등의 여러 제 약 조건으로 인하여 장기간의 실내실험이 불가하였다. Fig.
10는 시간 경과에 따른 온도의 변화를 나타낸다. 모든 실 험체의 처짐, FRP변형률, 철근변형률은 온도에 따라 변 형률의 변화가 나타났다.
전체적인 변형률 그래프의 경향은 Fig. 10의 그래프와 유사한 경향을 보였으며 온도가 높을수록 변형은 증가하 는 것으로 나타났다. 특히 실험체의 하면에 부착되어 있 는 FRP가 온도의 영향에 더욱 민감하게 반응하였다.
Fig. 11 장기거동 실험체의 균열 양상
Table 5 장기거동 실험체의 균열 개수 및 간격
실험체 균열개수 최대균열간격(mm) 평균균열폭(mm)
SNF 14 55.4 13.02
LCS90-1 13 20 12.71
LGS90-1 13 22.3 12.05
3.1.4 지속하중에 의한 균열 양상
25kN의 지속하중이 제하된 즉시 약 4개의 균열이 각 각의 실험체에 발생했다. 장기거동 실험 첫날, SNF 실험 체에 있어서 최대 20cm의 균열이 발생했으며 LCS90-1 실험체에서는 최대 10cm길이의 균열이 발생했다. 실험 둘째 날, LCS90-1 실험체의 균열은 최대 13cm 까지 진 전 했다. Fig. 11은 장기거동 실험중에 발생한 균열을 나 타내며 30으로 표시된 부분은 장기거동실험 30일째 발생 한 균열을 나타낸다. 그 외의 표시되지 않은 균열은 실험 마지막 날에 표시된 균열을 나타낸다. 모든 실험체에서 균열의 개수는 각각 13~14개의 균열이 발생하였으나 균 열의 길이는 각각 다르게 나타났다. 재료적으로 우수한 CFRP plate로 보강된 LCS90-1 실험체는 최대 균열길 이가 18cm인 반면 SNF와 LGS90-1 실험체의 최대 균 열 길이는 각각 21cm와 23cm로 나타났다. 이는 GFRP 의 탄성계수가 철근보다 작기 때문으로 판단된다. GFRP plate가 인장력의 상당부분을 저항할 수 없기 때문에 철 근이 전체 거동을 지배한 것으로 사료된다. 또한 CFRP와 GFRP로 보강된 실험체의 경우, CFRP와 GFRP로 보강된 실험체는 무보강 실험체보다 적은 평균균열간격이 나타 났다. 실험체별 균열개수와 최대균열간격 및 평균균열간 격은 Table 5에 나타내었으며, 표준실험체인 SNF실험체 의 파괴양상은 인장철근의 항복이후 콘크리트 압축부의 파쇄에 의한 전형적인 휨파괴 양상을 보이는 것으로 나타 났으며, CFRP plate로 보강된 LCS90-1 또는 LGS90-1 실험체는 모두 부착파괴가 발생하였다. 장기 지속하중을 받은 실험체는 모두 단기 성능 실험을 수행한 실험체보다 강성과 최대하중이 증가하는 것으로 나타났다.
3.2 변형회복 실험 결과
변형회복 실험을 위해 약 550일 이후에 모든 하중을 제
거하였으며 약 60일간의 중앙부 처짐, 철근변형률, FRP 의 변형률을 매일 측정하였다. 일반적으로 지속하중이 제 거되면 일정량의 변형이 즉시 회복되는데, 이를 즉시변형 회복 이라 부른다. 이러한 즉시변형 회복량은 하중 재하 직후 발생하는 즉시변형보다 적은 것이 일반적이다. Table 6~9에 하중 재하 직후 발생한 즉시 변형과 하중 제거 직 후 발생한 즉시 변형 회복량의 비교를 나타내었다. 즉시 변형에 대한 즉시회복의 비가 1보다 큰 경우, 즉시 변형 량이 회복량보다 크다는 것을 나타낸다. 표준실험체인 SNF 의 경우, 1보다 크거나 1에 매우 가까운 값을 나타내는 반면, FRP로 보강된 실험체들은 모두 1보다 작은 값을 나타냄으로써, 즉시변형 회복량이 즉시 변형량보다 크다 는 것을 나타낸다. 이것은 실험체의 밑면에 보강된 FRP 때문인 것으로 추측된다. 즉시변형 회복량을 제외한 순수 한 변형 회복량만을 비교해본 결과, 가장 많은 장기 변형 을 일으킨 실험체의 순수 변형 회복량 역시 큰 것을 알 수 있었다. SNF, LCS90-1, LGS90-1 실험체 중에서 표준 실험체인 SNF가 가장 큰 장기 변형을 보였으며 가장 큰 장기변형 회복을 보였다. 반대로 가장 적은 장기변형을 보
Table 6 즉시 처짐 및 즉시 처짐 회복
실험체 즉시처짐(mm) 즉시처짐회복(mm) 즉시처짐/즉시처짐회복
SNF 1.642 1.445 1.136
LCS90-1 1.020 1.124 0.907
LGS90-1 1.070 1.226 0.873
Table 7 인장철근의 즉시변형률 및 즉시변형률 회복
실험체
인장 철근의 즉시변형률
(μm)
인장 철근의 즉시변형회복
(μm)
즉시변형률/
즉시변형률회복
SNF 710 815 0.971
LCS90-1 269 431 0.624
LGS90-1 614 774 0.793
Table 8 압축철근의 즉시변형률 및 즉시변형률 회복
실험체
압축 철근의 즉시변형률
(μm)
압축 철근의 즉시변형회복
(μm)
즉시변형률/
즉시변형률회복
SNF -160 -95 1.684
LCS90-1 -125 -142 0.880
LGS90-1 -104 -140 0.743
Table 9 FRP의 즉시변형률 및 즉시변형률 회복
실험체
FRP의 즉시변형률
(μm)
FRP의 즉시변형회복
(μm)
즉시변형률/
즉시변형률회복
SNF - - -
LCS90-1 305 533 0.572
LGS90-1 617 813 0.759
인 LCS90-1 실험체는 가장 작은 장기변형 회복을 보였 다. 따라서, 장기변형 회복은 장기변형에 비례한다는 것 을 알 수 있었다.
3.3 잔존강도 실험 결과
변형회복 실험을 위해 약 550일 이후에 모든 하중을 제 거하였으며 약 60일간의 중앙부 처짐, 철근변형률, FRP 의 변형률을 매일 측정하였다. Fig. 12은 모든 실험체의 하중 처짐곡선을 나타내고 있다. FRP로 보강된 실험체들 은 박리로 인한 파괴 양상을 보였으며 보강 실험체의 파 괴양상은 Fig. 15, Fig. 16에 나타내었다. 무보강 실험체 인 SNF와 비교를 했을때, CFRP보강 실험체인 LCS90- 1은 21%, GFRP보강 실험체인 LGS90-1는 7%높은 내
Fig. 12 장기거동 실험체의 하중-처짐 곡선
Fig. 13 거리에 따른 CFRP 변형률
Fig. 14 거리에 따른 GFRP 변형률
Fig. 15 LCS90-1 실험체의 파괴양상
Fig. 16 LGS90-1 실험체의 파괴양상
하력은 보였다. LCS90-1과 LGS90-1을 서로 비교해 보 았을때 LCS90-1이 15%높은 내하력을 보였다. 상대적 으로 높은 탄성계수를 지닌 CFRP의 재료적 특성 때문에 LCS90-1실험체가 보다 높은 내하력을 나타낸 반면 취 성적인 거동을 나타냈다. 반면 GFRP로 보강된 LGS90 -1실험체는 보다 연성적인 거동을 나타냈다. 지속하중인 25kN은 탄성범위 내에 있기 때문에 하중-처짐 그래프의 초기강성은 매우 선형적으로 나타났으며 부착거동에는 큰 영향을 미치지 못한 것으로 판단된다.
Fig. 13와 Fig. 14은 거리에 따른 CFRP와 GFRP의 변 형률을 나타낸다. CFRP의 박리시 변형률은 3743μm이 며 극한변형률의 19%이다. GFRP의 박리 변형률은 6236 μm이며 극한변형률의 25%이다. 따라서 CFRP와 GFRP 는 최대 성능을 발휘하지 못하고 부착파괴를 일으켰으며 재료적인 측면으로 볼 때는 GFRP가 CFRP보다 효율적임 이 나타났다. 이는 상대적으로 낮은 탄성계수를 지닌 GFRP 의 재료적 특성 때문으로 판단된다. Fig. 13와 Fig. 14에 나타난 바와 같이, 지간 중앙부에서 휨 균열이 발생하였 고 이것으로 인해 최초 보강체와콘크리트 계면에서의 계 면박리(interface debonding)파괴가 발생되는 것을 관찰 할 수 있었으며 초기 박리현상이 발생된 이후 급작스런 단부로의 박리 진행이 발생되면서 매우 취성적인 파괴양 상을 보이는 것으로 나타났습니다.
4. 결 론
본 연구에서는 지속하중을 받은 CFRP와 GFRP로 외부
부착 보강된 철근콘크리트 보의 장기 거동에 대하여 실험 적 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 지속하중 하에서 FRP가 외부부착된 철근콘크리트 보의 장기처짐 및 즉시 처짐을 비교해본 결과, CFRP plate 와 GFRP plate로 보강된 실험체들이 무보강 실험체 보다 장기적으로 우수한 사용성을 갖는 것으로 판단된다.
2) 장기거동 실험결과, LGS90-1 실험체는 표준 실험 체보다 4% 적은 처짐량을, LCS90-1 실험체는 표준실 험체 보다 14% 적은 처짐량을 나타냈다. FRP 외부부착 보강은 무보강 실험체 보다 즉시 처짐을 제어하는 측면으 로는 매우 효율적이나, 즉시하중을 제거한 시간의존하중 측면에서는 비효율적인 것으로 나타났다.
3) 변형회복 실험결과, 무보강 실험체는 즉시 변형량이 즉시변형 회복량보다 큰 결과를 보인 반면, FRP 보강 실 험체는 즉시변형 회복량이 즉시 변형량보다 큰 결과를 보 였다. 또한, 즉시변형 회복량은 즉시 변형량과 비례관계 가 있는 것으로 나타났다.
4) 잔존강도 실험 결과, CFRP로 보강된 실험체인 LCS90 -1은 21%, GFRP로 보강된 실험체인 LGS90-1은 7%
높은 내하력을 보였다. LCS90-1과 LGS90-1을 서로 비교해 보았을 때 LCS90-1이 15% 높은 큰 내력을 가 지고 있는 것으로 나타났으며 지속하중에 의한 부착성능 및 잔존내력에는 영향이 없었던 것으로 판단된다.
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요 지
최근 건설 사업에서 FRP를 단순 부착하여 구조물을 보강하는 공법은 현재 가장 널리 사용되고 있는 보수보강법이다. 본 논문에서는 FRP로 보강된 철근콘크리트 구조물은 지속하중을 받고 있기 때문에 크리프와 건조수축의 영향을 받는다. 이로 인하여 FRP의 보강효 과도 달라지며, 처짐 및 변형의 회복성능, 잔존 내력 역시 크게 달라진다. 따라서 CFRP, GFRP가 휨성능에 영향을 미치는 보강 성능을 파악하고, 일정 시간이 흐른 후 하중을 제거하여 장기 변형 및 처짐의 회복성능을 파악하고, 잔존하는 내력을 알아보고자 정적 재하 실 험을 수행하였다. 실험한 결과, FRP 보강 실험체는 즉시 처짐을 제어하는 측면은 매우 효율적이고, 즉시변형 회복량 또한 즉시 변형량 보다 큰 결과를 보였다. 잔존강도 실험을 통하여 CFRP로 보강된 실험체가 가장 큰 내력을 가지는 것으로 나타났다. FRP로 보강된 보 는 지속하중에 의한 부착성능 및 잔존내력에는 영향이 없었던 것으로 판단된다.
핵심 용어 : 탄소섬유, 유리섬유, 장기거동, 잔존강도, 변형회복
Vol. 10, No. 6, 2006, pp.474-482.9. Wu, Z., Li, W. and Sakuma, N., “Innovative externally bonded FRP/concrete hybrid flexural members”, Composite Structures, Vol. 72, 2006 , pp.289-300.
