김철구
(Chul-Goo Kim)
1
박홍근
(Hong-Gun Park)
2
김영문
(Young-Moon Kim)
3†
-
울산대학교 건축공학과 조교수
(Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Ulsan University, Ulsan
44610, Rep. of Korea)
-
서울대학교 건축학과 교수
(Professor, Department of Architecture and Architectural Engineering, Seoul National
University, Seoul 08826, Rep. of Korea)
-
대한민국 국방부 소령
(Major, Ministry of National Defense, Seoul 04383, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
ALC, 유리섬유, 블록, 프리즘, 휨인장성능
Key words
ALC, glass fiber, block, prism, flexural tensile strength
1. 서 론
Autoclaved Lightweight Concrete(ALC) 블록은 고온, 고압 증기양생과정을 통해 만들어진 구조적으로 안정된 판상구조의 토버모라이트(Tobermorite)
결정체(Kim et al. 2007, Fig. 1)(11)로서, 혼화제로 콘크리트 내에 기포를 생성하여 자연 양생시키는 비구조용 기포 콘크리트(foam concrete)와는 다른 건축자재이다(KS F 4039(KATS
2004))(12). ALC는 제작과정에서 기포제인 알루미늄 분말에 의해 콘크리트 내부에 공극이 형성되어 일반콘크리트 밀도의 1/4 수준으로 경량이고(밀도 0.5 ton/m3 내외) 열전도율은 일반콘크리트의 1/10 수준으로 단열성능이 우수하다. 하지만 ALC의 압축강도는 3~6 MPa로, 일반콘크리트 강도(21~27
MPa)에 비해 크게 낮다(Kim et al. 2020)(10). 따라서 ALC는 주로 소규모건축물이나 칸막이벽에 사용되며(Yoon and Yang 2019)(22), ALC를 구조재료로 사용하기 위해서는 충분한 구조성능 검증이 필요하다.
ALC 블록의 국내 기준(MOLIT 1997)(15)에서는 허용응력 설계법 기반으로 허용 압축응력, 허용 휨압축응력, 허용 전단응력을 규정하고 있지만, 구조벽으로 사용되는 ALC 벽체의 인장응력은 허용하지
않고 있다. 국외 기준을 살펴보면, ACI 523.4R에서는 쪼갬인장시험과 휨인장시험을 통해 쪼갬인장강도 $f_{t}$(splitting tensile
strength)와 파괴계수 $f_{r}$(modulus of rupture)를 ALC 블록시험 결과를 바탕으로 식 (1)과 (2)로 제시하고 있다.
Fig. 1. Surface conditions of ALC blocks
DUTCH(NNI 1987)(16) 기준에서는 ALC 블록의 압축강도 $f_{ALC}$와 인장강도($f_{t}$와 $f_{r}$)를 식 (3)과 (4)와 같이 선형관계로 제시하고 있다.
ACI 523.4R(ACI committee 523 2009)(1)에서는 파괴계수 $f_{r}$을 인장강도 $f_{t}$의 2배로, DUTCH(NNI 1987)(16)에서는 1.85배로 정의한다.
ALC 블록은 다공질 재료로 압축강도뿐만 아니라 휨인장강도에도 취약하기 때문에 재료성능 개선을 위해 많은 연구가 수행되고 있다. Laukaitis
et al.(2009)(14)는 탄소섬유, 폴리프로필렌 섬유 등 다양한 종류의 섬유 혼입이 ALC의 압축강도와 휨인장강도에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Laukaitis et
al.(2012)(13)에 따르면, 0.1 %의 탄소섬유가 혼입된 ALC는 탄소섬유가 혼입되지 않은 ALC보다 압축강도는 6~22 %, 휨인장강도는 29 % 높게 나타났다.
Pehlivanli et al.(2015)(19)에 따르면, 규석을 대신하여 탄소섬유를 혼입한 ALC의 압축강도와 휨인장강도가 폴리프로필렌섬유, 현무암섬유, 유리섬유를 혼입한 ALC보다 크게 나타났다.
이와 같이 기존연구들은 ALC 제작과정에서 혼입되는 다양한 섬유의 영향을 연구하였으나, 실제로 ALC 생산과정에서 섬유를 혼입하는 것은 비용 및 제작설비
측면에서 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 ALC 블록의 제작성, 시공성, 경제성을 고려하여 ALC 블록 외부에 유리섬유메쉬(glass fiber
mesh)를 보강하는 방법에 관해 실험연구를 수행하였다.
2. 선행 연구
비보강조적벽(unreinforced masonry, URM)은 지진하중(횡력)에 취약하기 때문에 전 세계적으로 URM을 보강하기 위한 연구가 활발히
진행되고 있다. FRP(fiber reinforced polymer) 공법과 TRM(textile reinforced mortar) 공법이 많이 사용되고
있는데, FRP 공법은 보강재가 외부에 노출되기 때문에 화재와 고온에 의한 부착성능 상실 및 외부환경에 의한 장기성능 저하 등의 문제가 있다. 그에
반해, TRM 공법은 유리섬유(glass fiber reinforced polymer, GFRP) 또는 탄소섬유(carbon fiber reinforced
polymer, CFRP) 메쉬를 시멘트 모르타르를 사용하여 URM에 부착하는 공법으로 보강재가 외부에 노출이 되지 않기 때문에 외부환경에 영향을
덜 받는다. 이러한 섬유메쉬로 보강된 조적벽에 대한 연구는 최근까지 많은 연구자에 의해 수행되고 있다.
Fig. 2. Fiber reinforced polymer meshes used in previous studies
Prota et al.(2006)(20), Borri et al.(2014)(7), Gattesco and Boem(2015)(8)은 프리즘(prism)의 대각압축 시험을 통해 비보강 조적벽에 Fig. 2(a)와 같은 GFRP 메쉬를 보강함에 따라 면내 전단강도와 연성능력이 크게 향상되는 것을 확인하였다. Shabdin et al.(2018)은 GFRP
메쉬의 보강면과 보강 두께를 변수로 프리즘 대각압축 시험을 하였다. 한쪽 면만 보강한 프리즘은 면외방향 좌굴에 의한 변형이 발생하여 양쪽면을 보강한
프리즘에 비하여 면내 전단강도의 증가 폭이 작았다(1/3~1/2 수준). 또한, GFRP 메쉬의 면외 방향 탈락을 방지하기 위해서는 메쉬와 조적벽
사이에 연결재가 필요하다.
Papanicolaou et al.(2007)(17)은 Fig. 2(b)와 같은 탄소섬유(CFRP)로 보강된 조적벽의 반복가력 실험을 통해 TRM 공법과 FRP 공법의 성능을 비교하였다. TRM 공법과 FRP 공법 모두
면내 전단강도와 변형 증가에 큰 효과가 있었다. 강도 측면에서는 TRM 공법은 FRP 공법의 65~70 % 수준이었고, 변형능력 측면에서는 TRM
공법이 FRP 공법 보다 훨씬 우수한 성능을 보였다. Papanicolaou et al.(2011)(18)은 CFRP, GFRP 등 다양한 종류의 메쉬가 보강된 조적벽의 반복가력 실험을 통해 TRM 공법이 URM의 면내방향과 면외방향 내진보강 기법으로
적합한 것을 밝혔다. Babaeidarabad et al.(2014)(6)은 CFRP 메쉬로 보강된 프리즘의 대각 압축시험을 통해 최대강도가 2.4~4.7배 증가하는 것을 확인하였다. 메쉬를 한 겹 보강한 프리즘의 경우
연성이 많이 증가하였고, 네 겹 보강한 프리즘은 최대하중이 많이 증가하면서 보강재보다 조적벽에서 먼저 파괴가 발생하였다.
TRM 공법에 관한 선행 연구 결과를 종합해보면, 보강재의 종류(GFRP/CFRP) 및 두께, 보강 모르타르 강도 및 두께, 보강면의 위치(한쪽면/양쪽면),
보강재와 조적벽 사이의 연결재 등이 조적벽 보강성능에 큰 영향을 미쳤다. 본 연구에서는 이러한 연구결과를 바탕으로, ALC 블록에 적합한 보강재와
보강법에 대해 실험적으로 검증하였다.
3. GFRP 메쉬의 재료성능
3.1 시험변수
본 연구에서는 ALC 블록의 보강재료로 경제성이 우수한 GFRP 메쉬를 사용하였다. GFRP는 CFRP보다 무겁고 강도와 강성이 다소 떨어지지만,
가격이 저렴하다(You et al. 2006)(23). GFRP는 유리섬유에 플라스틱 재질의 일종인 페놀수지 등을 액체상태로 만들어 바른 다음 여러 겹을 겹쳐서 제작한다.
본 연구에서는 Table 1과 Fig. 3과 같이 총 3가지 종류의 GFRP 메쉬를 사용하였다. 일반적으로 Type A와 Type B 메쉬는 ALC 벽면의 균열 방지용으로 사용되며, Type
C 메쉬는 ALC 블록 사이의 가로줄눈(bed joint) 보강용으로 주로 사용된다. 면적당 무게는 Type B가 403 g/m2로 무게가 가장 무거우며, Type C는 247 g/m2이고, Type A는 188 g/m2이다.
GFRP 메쉬는 섬유의 방향에 따라 Fig. 3(c)와 같이 경사(warp, 날실)와 위사(weft, 씨실)로 구분한다. 경사는 실이 직물의 길이 방향으로 지나는 것이고, 위사는 경사의 수직방향으로
교차하여 지난다. 경사와 위사가 교차해서 생기는 메쉬의 크기는 Type A의 경우 4×4 mm이고, Type B의 경우 5×5 mm이고, Type
C의 경우 9.5×8.5 mm이다.
Table 1. Types of GFRP meshes used in this study
|
Fiber type1)
|
Direction of fabric
|
Mesh size
(mm)
|
Density count/
50 mm
|
Weight/unit area (g/m2)
|
Tensile strength2) (N/50 mm)
|
|
A
|
Warp3)
|
4
|
12
|
188
|
1,267
|
|
Weft4)
|
4
|
12
|
1,976
|
|
B
|
Warp
|
5
|
10
|
403
|
1,410
|
|
Weft
|
5
|
10
|
3,857
|
|
C
|
Warp
|
9.5
|
6
|
247
|
1,982
|
|
Weft
|
8.5
|
7
|
3,440
|
1)Types A and B are used to prevent cracking of ALC walls ype C is used for bed joint
between ALC blocks
2)Average tensile strength of three material specimens
3)Longitudinal set in a finished fabric (see Fig. 3(c))
4)Perpendicular to direction of Warp (see Fig. 3(c))
Fig. 3. Types of GFRP meshes
Fig. 4. Test setup of GFRP mesh for tensile strength
3.2 시험방법
GFRP 인장강도 시험은 Fig. 4와 같이 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 ASTM D4595(2017)(4) 시험 방법에 따라 수행하였다. 격자로 형성되는 GFRP는 응력(MPa)단위로 재료강도를 표현하기 힘들기 때문에 일반적으로 폭 50 mm당 하중(N)으로
나타낸다. 따라서 인장시편은 길이 500 mm×폭 50 mm 크기로 제작하였다. GFRP 종류(A~C)와 섬유 방향(경사와 위사)에 따라 각각 3개씩
재료시험을 하였다.
3.3 시험결과
GFRP 인장강도 시험결과는 3가지 시편의 평균값으로 Table 1에 나타냈다. 본 연구에 사용된 GFRP 메쉬는 상대적으로 섬유 면적이 큰 위사 방향이 경사 방향과 비교해 1.56배에서 2.74배 높은 인장강도를
보였다. 이는 GFRP 인장강도는 섬유의 면적에 가장 큰 영향을 받았기 때문이다. 위사 방향으로는 메쉬 간격이 좁고 두께가 두꺼운 Type B 메쉬가
가장 높은 인장강도(3,857 N)을 보였고, 경사 방향으로는 Type C 메쉬가 가장 높은 인장강도(1,982 N)을 나타냈다. GFRP의 면적당
무게를 고려하면, Type C 메쉬가 재료 무게당 가장 우수한 인장성능을 발휘하였다.
4. GFRP 보강 ALC 블록의 휨인장 성능
4.1 시험계획
GFRP 메쉬가 ALC 블록에 부착되었을 때의 보강성능을 살펴보기 위해 Fig. 5와 같이 메쉬가 보강된 ALC 블록의 휨인장 성능 시험을 수행하였다. ALC 블록은 가로 150 mm, 세로 150 mm, 높이 600 mm 크기의
직육면체(ASTM C1693 2017)(2)를 사용하였다. GFRP 메쉬는 3~5 mm 두께의 ALC 모르타르로 부착하였고, ALC 블록과 메쉬의 부착력 향상을 위해 타카(tacker)를 사용하여
Fig. 5(b)와 같이 15개의 ㄷ형 철심(staple)을 ALC 블록에 정착시켰다(폭 11 mm, 깊이 6 mm, 두께 0.6 mm 철심). ALC 블록 사이와
메쉬 부착에 사용되는 조적용 ALC 모르타르는 규사 60~80 %, 시멘트 20~40 %, 혼화제 0.3~1 %로 구성되어 있으며, 규사는 백규사
6호와 7호를, 시멘트는 백시멘트를 사용하였다. 휨인장 성능 시험체에 사용된 ALC 모르타르의 평균 압축강도는 11.0 MPa(0.35품 블록 표면)와
12.3 MPa(0.5품 블록 표면)를 나타냈다.
Fig. 5. Test setup and dimensions of fiber reinforced ALC blocks for flexural tensile
strength
주요 시험변수는 Table 2와 같이 ALC 블록의 밀도, GFRP 메쉬 종류, ㄷ형 철심 보강 여부이다. ALC 블록의 밀도에 따라 재료성능(압축강도, 인장강도 등) 차이를
보이기 때문에 밀도 0.35 ton/m3인 0.35품과 밀도 0.5 ton/m3인 0.5품인 ALC 블록을 사용하였다. 시험에 사용한 ALC 블록의 평균 압축강도 $f_{ALC}$는 3.28 MPa(0.35품)와 3.89 MPa(0.5품)이었다.
ALC 블록의 배합비는 ALC 제조회사별로 조금씩 차이가 있으며, KALCA(2019)(9)에 따르면 규사 50~60 %, 시멘트 20~30 %, 생석회 10~20 % 석고 2~5 %로 구성된다. GFRP 메쉬는 재료시험에서 성능을 검증한
A, B, C형 메쉬를 사용하였다. 메쉬 종류에 따라 3개의 시험을 하였는데, 그중 2개는 ALC 모르타르로만 메쉬를 부착한 시험체(Type C로
보강된 0.35품 블록은 제작 실수로 1개만 시험 수행)이고, 1개는 ㄷ형 철심을 사용하여 부착력을 향상한 시험체이다.
Table 2. Test variables and test results of glass fiber reinforced ALC blocks for
flexural tensile strength
|
Specimens
|
Dry density
(ton/m3)
|
Types of
glass fiber
|
Use of staple
|
$f_{r,\:crack}$1)
(MPa)
|
$f_{r,\:peak}$2)
(MPa)
|
$\dfrac{f_{r,\:pe}}{f_{r,\:cr}}$
|
|
FR(0.35)A1
|
0.35
($f_{ALC}$=3.28 MPa)
|
A
|
-
|
0.83
|
1.01
|
1.12
|
|
FR(0.35)A2
|
A
|
-
|
0.76
|
0.84
|
1.11
|
|
FR(0.35)A3T
|
A
|
O3)
|
0.78
|
1.03
|
1.33
|
|
FR(0.35)B1
|
B
|
-
|
0.77
|
1.02
|
1.33
|
|
FR(0.35)B2
|
B
|
-
|
0.8
|
1.25
|
1.56
|
|
FR(0.35)B3T
|
B
|
O
|
0.75
|
1.43
|
1.9
|
|
FR(0.35)C1
|
C
|
-
|
0.74
|
1.22
|
1.65
|
|
FR(0.35)C2T
|
C
|
O
|
0.78
|
1.35
|
1.73
|
|
FR(0.5)A1
|
0.5
($f_{ALC}$=3.89 MPa)
|
A
|
-
|
0.82
|
0.98
|
1.19
|
|
FR(0.5)A2
|
A
|
-
|
0.89
|
0.79
|
0.89
|
|
FR(0.5)A3T
|
A
|
O
|
0.81
|
1.23
|
1.52
|
|
FR(0.5)B1
|
B
|
-
|
0.86
|
1.22
|
1.41
|
|
FR(0.5)B2
|
B
|
-
|
0.83
|
1.23
|
1.49
|
|
FR(0.5)B3T
|
B
|
O
|
0.73
|
1.23
|
1.68
|
|
FR(0.5)C1
|
C
|
-
|
0.74
|
1.25
|
1.69
|
|
FR(0.5)C2
|
C
|
-
|
0.87
|
1.25
|
1.44
|
|
FR(0.5)C3T
|
C
|
O
|
0.85
|
1.34
|
1.57
|
1)Flexural tensile strength at initial flexural cracking
2)Flexural tensile strength at spalling of cover mortar
3)Using staples to attach GFRP mesh to ALC blocks (see Fig. 5)
시험체 이름은 시험체 종류, 블록의 밀도, 메쉬 종류, ㄷ형 철심 보강 여부를 구분하여 표기하였다. 시험체 종류는 flexural strength(modulus
of rupture)의 FR, 블록의 밀도는 0.35 ton/m3나 0.5 ton/m3, 메쉬의 종류는 A/B/C, ㄷ형 철심 보강은 T로 나타냈다.
4.2 시험방법
ALC 블록의 휨인장 성능 시험은 ASTM C78(2017)에 따라 UTM을 사용하여 Fig. 5(a)와 같이 2점 가력하였다. 가력점과 지점 사이의 거리 a는 150 mm로, 전단경간비 $a/h$는 1.0이다.
휨인장강도 $f_{r}$은 ALC 블록 중앙부에 균열이 발생하는 시점의 블록 하단부 인장응력으로 식 (5)로 계산한다.
여기서, $b$는 블록의 폭, $h$는 블록의 높이, $P$는 작용하중, $L$은 지점 간의 거리이다.
4.3 시험결과 및 분석
GFRP 메쉬로 보강된 ALC 블록의 휨인장 성능 시험결과는 Figs. 6~9에 나타냈다. ALC 블록의 밀도(0.35품과 0.5품)에 따른 휨인장강도
$f_{r}$과 변위 관계는 Fig. 6과 Fig. 8에 나타냈고, 최종 파괴모드는 Fig. 7과 Fig. 9에 나타냈다. 초기 휨균열강도와 최대강도는 Table 2에 나타냈다.
휨인장강도과 변위 관계 그래프의 가로축은 UTM 변위이고, 세로축은 식 (5)로 계산한 휨인장강도 시험값이다. 노락색 원형 표식은 초기 휨균열이 발생한 시점이고, 흰색 사각형 표식은 표면 ALC 모르타르가 탈락한 시점을 나타낸다.
수평점선은 ACI 523.4R(ACI committee 523 2009)(1)에서 제시하는 ALC 블록의 휨인장강도 예측값($=0.4\sqrt{f_{ALC}}$ MPa)을 나타낸다.
4.3.1 0.35품 ALC 블록
초기 휨균열강도 $f_{r,\:crack}$는 0.74~0.83 MPa로 ACI 523.4R (2009)(1)의 예상강도 0.72 MPa보다 크게 나타났다. 초기 휨균열 발생과 함께 하중이 급격히 감소한 이후, GFRP 메쉬가 인장력을 전달하여 하중이 다시
증가하였다. 최대강도 $f_{r,\:peak}$는 0.84~1.43 MPa로 초기 휨균열강도에 비해 A형 시험체는 11~33 % 증가하였고, B/C형
시험체는 33~90 % 증가하였다. GFRP 메쉬 인장성능이 상대적으로 우수하였던 B와 C형 메쉬로 보강한 시험체가 A형 시험체보다 증가폭이 컸다.
또한, ㄷ형 철심을 사용한 시험체(FR(0.35)A3T, B3T, C2T)가 사용하지 않은 시험체보다 초기 휨균열강도 대비 최대강도($f_{r,\:peak}/
f_{r,\:crack}$)의 증가폭이 5~32 % 크게 나타났다.
최종 파괴양상을 살펴보면(Fig. 7), ㄷ형 철심으로 메쉬가 ALC 블록에 부착된 시험체는 ALC 모르타르 피복 탈락 이후에도 인장력 전달에 큰 역할을 하여 하중이 급격히 감소하지
않았다. 그에 반해, ALC 모르타르에 의해서만 메쉬가 부착된 FR(0.35)A1과 B1 시험체는 모르타르 피복 탈락 이후 메쉬의 부착력이 감소하여
하중이 급격히 떨어지는 양상을 보였다.
4.3.2 0.5품 ALC 블록
재료 밀도가 증가한 0.5품 ALC 블록은 0.35품 블록보다 초기 휨균열강도(0.73~0.89 MPa)는 약 6 % 증가하였지만, 피복 탈락 이후
변형능력은 다소 감소하였다. 0.5품 ALC 블록에서는 GFRP 메쉬가 파단되면서 취성적인 파괴를 보였다. 파괴양상을 살펴보면(Fig. 9), 0.5품 ALC 블록의 경우 대부분 ALC 모르타르의 탈락 이전에 GFRP 메쉬가 파단되면서 휨인장파괴가 발생하였다.
0.5품 블록의 하중-변위 관계에 따른 파괴양상은 0.35품과 비슷하였다. 초기 휨균열 발생 후 하중이 급격히 감소하였고, GFRP 메쉬가 인장력을
전달하면서 하중이 다시 증가하여 최대 강도에 도달한 이후 ALC 모르타르 피복이 탈락하면서 하중이 감소하였다. 최대강도 $f_{r,\:peak}$는
GFRP 메쉬 보강에 따라 A형 시험체는 19~52 % 증가하였고(FR(0.5)A2 제외), B/C형 시험체는 41~69 % 증가하였다. ㄷ형 철심
사용에 따라 A형 메쉬 보강 시험체 FR(0.5)A3T는 최대강도가 26 % 증가하였고, B형 메쉬 보강 시험체 FR(0.5)B3T는 최대하중 이후
연성적인 거동을 보였다. C형 메쉬 보강 시험체 FR(0.5)C3T는 최대강도가 7 % 증가하였지만, 최대하중 이후 하중이 급격히 감소하였다.
0.5품 ALC 블록의 최종 파괴양상을 살펴보면(Fig. 9), 0.35품 ALC 블록보다 ALC 모르타르 피복 탈락이 상대적으로 덜 발생하였다. 이는 GFRP 메쉬가 ALC 모르타르에 의해 ALC 블록에
잘 부착된 것으로 변형능력에 영향을 미쳤다. 메쉬 부착이 잘된 ALC 블록은 하나의 휨균열에 하중이 집중되어 최대하중 이후 메쉬가 끊어지면서 하중이
급격히 감소하였다. 그에 반해 미장면이 탈락한 FR(0.5)B2와 B3T는 최대하중 이후 모르타르 피복이 탈락하였으나, 메쉬가 전체적으로 인장력을
받으면서 하중이 상대적으로 서서히 감소하였다.
4.3.3 GFRP 메쉬 보강성능
GFRP 메쉬를 보강한 0.35품과 0.5품 ALC 블록의 휨인장 성능을 종합해보면, A~C형 메쉬 보강에 따른 초기 휨균열강도 $f_{r,\:crack}$는
서로 큰 차이가 없었다. 0.35품 블록의 경우 0.76~ 0.79 MPa였고, 0.5품 블록의 경우 0.81~0.84 MPa를 나타냈다. 그에 반해,
최대 휨인장강도 $f_{r,\:peak}$는 메쉬 종류에 따라 차이를 보였다. 0.35품(괄호 안은 0.5품) 블록의 최대 휨인장강도는 A형 메쉬
보강 블록의 경우 0.96 MPa(1.0 MPa), B형 메쉬 보강 블록의 경우 1.23 MPa(1.23 MPa), C형 메쉬 보강 블록의 경우 1.28
MPa(1.28 MPa)를 나타냈다.
강도 측면에서는 C형 메쉬(247 g/m2)로 보강한 시험체가 가장 우수한 보강성능을 보였다. 단위 면적당 무게가 가장 큰 B형 메쉬(403 g/m2)로 보강한 시험체는 변형능력 측면에서 가장 우수하였다(Figs. 6과 8 참고).
Fig. 6. Flexural tensile strength of ALC blocks (density=0.35 ton/m3) strengthened with glass fiber sheets
Fig. 7. Flexural failure modes of ALC blocks (density=0.35 ton/m3) strengthened with glass fiber sheets
ALC 모르타르와 ㄷ형 철심을 사용하여 GFRP 메쉬를 ALC 블록에 정착시킨 시험체는 모르타르만으로 메쉬를 정착시킨 시험체에 비해 최대하중이 최대
40 % 증가하였다. 이러한 ㄷ형 철심의 보강효과에 대해서는 추가적인 시험을 통해 충분한 검증이 필요하다.
5. GFRP 보강 ALC 프리즘의 줄눈부착성능
5.1 시험계획
Fig. 8. Flexural tensile strength of ALC blocks (density=0.5 ton/m3) strengthened with glass fiber sheets
Fig. 9. Flexural failure modes of ALC blocks (density=0.5 ton/m3) strengthened with glass fiber sheets
ALC 벽체는 횡하중 작용 시 Fig. 10과 같이 양단부에 휨균열이 발생한다. 휨균열은 ALC 블록과 모르타르 재료 강도에 따라 ALC 블록에서 발생하거나 ALC 블록 가로줄눈에서 발생한다.
이에 ACI 523.4R에서는 가로줄눈보다 ALC 블록에서 먼저 휨균열이 발생하도록 모르타르의 최소 부착강도(tensile bond strength)를
제안하였다. 압축강도 $f_{ALC}$가 4.83 MPa 이하 ALC 블록을 사용한 경우 ALC 블록 가로줄눈은 0.552 MPa 이상 부착강도를
발휘하여야 한다. 압축강도 $f_{ALC}$가 3.10 MPa 이하 ALC 블록은 ALC 블록 가로줄눈의 모르타르 종류와 관계없이 ALC 블록에서
균열이 발생한다.
Fig. 10. Tensile bond between ALC blocks and bed mortar in ALC walls
Fig. 11. Test specimens with GFRP mesh for tensile bond strength test
ALC 블록의 줄눈부착성능을 살펴보기 위해 Fig. 11과 같이 150×150×100 mm 크기의 ALC 블록 6개를 ALC 모르타르로 부착한 ALC 프리즘에 대해 휨인장 성능 시험을 수행하였다(ASTM
E518 2015)(5). Fig. 11과 Table 3에 나타낸 것과 같이 주요 시험변수는 ALC 블록의 밀도와 GFRP 메쉬 보강법이다. ALC 블록의 밀도에 따라 압축강도 $f_{ALC}$ 차이를
보이기 때문에 0.35품과 0.5품 ALC 블록을 사용하였다. 시험에 사용한 ALC 블록의 평균 압축강도 $f_{ALC}$는 3.28 MPa(0.35품)와
4.85 MPa(0.5품)이었다.
Table 3. Test variables and test results of glass fiber reinforced ALC blocks for
flexural tensile strength
|
Specimens
|
Dry density
(Ton/m3)
|
Bed joint
|
Side wall
|
Number of specimens
|
Measured density (Ton/m3)
|
Failure
plane
|
$f_{bond}$1)
(MPa)
|
$\dfrac{f_{bond,\:test}}{f_{bond,\:ACI 523}}$2)
|
|
FB(0.35)UU
|
0.35
($f_{ALC}$=3.28 MPa)
|
-
|
-
|
3
|
0.42~0.44
|
ALC block
|
0.24~0.47
|
-3)
|
|
FB(0.35)FU
|
C
|
-
|
2
|
0.43~0.44
|
ALC block
|
0.30~0.40
|
-
|
|
FB(0.35)FF
|
C
|
A
|
2
|
0.43~0.47
|
ALC block
|
0.46~0.50
|
-
|
|
FB(0.5)UU
|
0.5
($f_{ALC}$=4.85 MPa)
|
-
|
-
|
3
|
0.58~0.59
|
Mortar & ALC block
|
0.62~0.82
|
1.48
|
|
FB(0.5)FU
|
C
|
-
|
2
|
0.59~0.60
|
Mortar
|
0.71
|
1.28
|
|
FB(0.5)FF
|
C
|
A
|
2
|
0.61~0.66
|
Mortar
|
0.68~0.73
|
1.23~1.33
|
1)$f_{bond}$: Flexural tensile strength at initial flexural cracking
2)$f_{bond,\:ACI 523}$: Limit tensile bond strength (0.552 MPa) specified in ACI 523.4R
when failure occurs in bed mortar joint
3)No data exist because failure occurred in ALC block
GFRP 메쉬는 재료시험에서 성능을 검증한 A형과 C형 메쉬를 사용하였다. C형 메쉬는 ALC 블록 가로줄눈에 사용하였고, A형 메쉬는 양쪽 표면
보강에 사용하였다. 양쪽 표면 보강에 A형 메쉬를 사용한 것은 B형 메쉬에 비해 경제적이고(단위면적당 무게가 절반 이하), 최대 강도 이후에도 충분한
연성적 거동을 확보할 수 있기 때문이다. 사용된 ALC 모르타르의 두께는 1~3 mm이다. GFRP 메쉬가 보강된 시험체는 2개씩, 보강되지 않은
시험체는 3개씩 계획하여 총 14개 프리즘에 대해 시험을 수행하였다.
시험체 이름은 시험체 종류, 블록의 밀도, 메쉬 보강법을 구분하여 표기하였다. 시험체 종류는 flexural bond strength의 FB, 블록의
밀도는 0.35 ton/m3나 0.5 ton/m3, 메쉬 보강법은 보강하지 않은 경우 UU, 줄눈에만 보강한 경우 FU, 줄눈과 양쪽 표면 모두 보강한 경우 FF로 나타냈다.
Fig. 12. Tensile bond strength between ALC block and thin-bed mortar
Fig. 13. Flexural failure modes of unreinforced ALC masonry assemblages
5.2 시험방법
ALC 프리즘의 부착성능 시험은 이전 휨인장성능 시험과 동일하게 UTM을 사용하여 Fig. 5(a)와 같이 2점 가력하였다. 가력점과 지점사이의 거리 $a$는 150 mm로, 전단경간비 $a/h$는 1.0이다. 인장부착강도(tensile bond
strength, $f_{bond}$)는 휨에 의해 ALC 블록 가로줄눈에서 발생하는 인장력으로 식 (5)의 휨인장강도 $f_{r}$로 계산하였다.
5.3 시험결과 및 분석
ALC 프리즘의 부착성능 시험결과는 Fig. 12와 Fig. 13에 나타냈다. Fig. 12의 가로축은 UTM 변위이고, 세로축은 휨인장강도이다. 흰색 사각형 표식은 ALC 블록에서 휨균열이 발생한 시점이고, 노란색 원형 표식은 줄눈 모르타르에서
휨균열이 발생한 시점을 나타낸다. 수평점선은 ACI 523.4R에서 제시하는 줄눈 모르타르의 최소 인장부착강도($f_{bond,\:ACI 523}$=
0.552 MPa)이다. 0.35품 ALC 프리즘은 ALC 블록에서 먼저 파괴가 발생하여 모르타르 부착강도는 확인하지 못하였다.
5.3.1 0.35품 ALC 프리즘
모든 시험체(0.35품)는 Fig. 13(a)~13(c)와 같이 중앙부에 위치한 ALC 블록에서 휨파괴가 발생하였다. ALC 블록의 휨인장강도가 매우 작아서(0.24~0.50 MPa) 모르타르 파괴 이전에
블록에서 파괴가 선행되었다. 표면에 GFRP 메쉬를 보강한 FB(0.35)FF는 ALC 블록에서 발생한 휨균열에 의해 하중이 감소하였으나 메쉬에 의해
하중이 다시 증가하였다. 이 경우에도 ALC 블록에서 파괴가 발생하였다. 최대하중 $f_{\max}$은 0.80~0.81 MPa로 초기 휨균열강도에서
62~74 % 증가하였고, 변형능력도 많이 증가하였다. 이는 Fig. 13(c)와 같이 표면에 보강한 GFRP 메쉬가 초기 휨균열 이후 인장력을 전달하였기 때문이다.
5.3.2 0.5품 ALC 프리즘
0.5품 ALC를 사용한 시험체에서는 GFRP 메쉬 보강이 없는 FB(0.5)UU 시험체 2개를 제외하고 모두 줄눈 모르타르에서 파괴가 발생하였다(Fig. 13(d)~13(f)). 이는 0.35품에 비해 밀도가 큰 0.5품 ALC 블록의 휨인장강도가 줄눈 모르타르의 부착강도보다 컸기 때문이다. 0.5품 ALC 프리즘은 ACI
523.4R에서 제시하는 줄눈 모르타르의 최소 부착강도(0.552 MPa)보다 23~48 % 높은 부착강도를 보였다.
FB(0.5)FU 시험결과를 살펴보면, ALC 블록 가로줄눈에 보강된 GFRP 메쉬는 모르타르 부착성능 향상에 기여하지 못하였다. 그에 반해, 표면에
메쉬가 보강된 FB(0.5)FF는 초기 휨균열에 의해 하중이 급격히 감소하였으나 표면 GFRP 메쉬가 인장력을 전달하면서 변형능력이 많이 증가하였다.
5.3.3 GFRP 메쉬 보강성능
ALC 블록의 가로줄눈에 보강된 GFRP 메쉬는 인장부착성능에는 효과가 없었지만, ALC 블록 표면에 보강된 메쉬는 인장부착성능 향상에 크게 기여하여,
ALC 블록의 휨인장강도가 작은 경우(0.24~0.50 MPa)에는 최대 하중과 변형능력 모두 향상시켰고, ALC 블록의 휨인장강도가 상대적으로 큰
프리즘에 대해서는 초기 휨균열 이후 변형능력을 향상시켰다.
6. 결 론
본 연구에서는 TRM 공법으로 보강된 고온고압 증기양생 ALC 블록의 휨인장성능 및 ALC 프리즘의 인장부착강도에 대해 실험적으로 평가하였다. 주요
결론은 아래와 같다.
1) 본 연구에 사용된 GFRP 메쉬는 상대적으로 섬유 면적이 큰 위사(weft) 방향이 경사(warp) 방향에 비해 1.56배에서 2.74배 높은
인장강도를 보였다. 면적당 무게를 고려하면, C형 메쉬(247 g/m2)가 재료 무게당 가장 우수한 인장성능을 발휘하였다.
2) GFRP 메쉬의 ALC 블록 표면 보강에 따른 초기 휨 균열강도 $f_{r,\:crack}$ 증진 효과는 없었다. 그에 반해, 휨 균열 발생
후 메쉬가 인장력을 전달하면서 최대 휨인장강도 $f_{r,\:peak}$가 0.35품 블록의 경우 11~33 %(A형 메쉬 보강), 33~90 %(B/C형
메쉬 보강) 증가하였고, 0.5품 블록의 경우 19~52 %(A형 메쉬 보강), 41~69 %(B/C형 메쉬 보강) 증가하였다. 메쉬 보강에 의해
변형능력도 함께 증가하였다. ALC 블록에 GFRP 메쉬를 ㄷ형 철심으로 부착시킨 시험체는 모르타르만으로 메쉬를 부착시킨 시험체에 비해 최대하중이
최대 40 % 증가하였다.
3) ALC 블록의 가로줄눈에 보강된 GFRP 메쉬는 모르타르 인장부착성능에는 큰 효과가 없었지만, ALC 블록의 표면에 보강된 메쉬는 모르타르 인장부착성능에
효과적이었다. 초기 휨균열 이후 메쉬가 인장력을 전달하면서 0.35품 블록에서는 최대 하중과 변형능력을 모두 향상시켰고, 0.5품 블록에서는 변형능력을
향상시켰다.
4) 일반콘크리트에 비해 재료의 압축과 인장성능이 크게 떨어지는 ALC 블록은 TRM 공법으로 보강하는 경우 블록의 휨인장 성능뿐만 아니라 가로줄눈
모르타르의 인장부착성능도 향상시켜 취성적인 파괴를 억제한다. TRM 공법에서는 보강재료인 GFRP 메쉬의 재료강도가 중요하며, GFRP 메쉬가 ALC
모르타르 및 연결 장치(ㄷ형 철심)에 의해 ALC 블록에 충분히 부착되어야 한다.
5) TRM 공법의 보강성능을 살펴보기 위해서는 ALC 프리즘의 모르타르 줄눈에서의 전단마찰 및 ALC 프리즘의 대각 인장성능에 대해서도 추가적인
검증이 필요하다.
감사의 글
이 논문은 2020년 울산대학교 연구비 지원에 의하여 작성되었습니다. 이에 감사드립니다.
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