2.1. 매입형 CFRP Rod

매입형 FRP봉 보강공법은 Fig. 1과 같이 기존 철근콘크리 트 구조물에 홈을 파서 보강재를 매입함으로서 보강재의 탈 락현상을 방지하고 충분한 부착성능 확보와 구조물과 보강 재의 완전 일체화되는 효과가 뛰어나므로 기존 보강공법에 비하여 구조성능의 개선은 물론이고 시공과 품질관리가 용 이하고, 보강후 구조물의 고내구성을 확보할 수 있으며, 또 한 보강재의 국산화로 수입산 보강재를 이용한 기존 탄소섬 유 보강공법보다 경제성이 우수하므로 고성능 매입형 FRP 봉 보강공법은 기존 보강공법의 문제점을 개선할 수 있을 것 으로 사료된다.

Fig 1.

Reinforcement construction method of Embedded CFRP Rod

2.2. 실험체의 형태 및 변수

반복주기하중을 받는 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부 및 신소재 (매입형 CFRP Rod, CFRP시트)를 이용한 철근콘 크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성능을 평가하기 위하여 실제 구조물의 1/2정도의 크기로 축소한 외부 보-기둥 접합 부 형태의 6개 실험체를 제작하였다. 접합부의 설계는 ^{ACI Building code (318-11)} 및 ACI-ASCE 352위원회의 권장안 에 따라 설계되었고, 표준적인 보-기둥 접합부 및 신소재로 보강한 보-기둥 접합부의 설계상세는 Fig. 2에 나타나 있으 며, 각 실험체의 상세는 Table 1과 같다.

2.3. 사용재료 특성

본 연구에 사용된 콘크리트는 보통포틀랜트 시멘트와 최 대 골재크기가 25mm인 쇄석골재를 사용하였으며, 철근은 국내에서 생산된 SD400 철근이 사용되었으며, 철근의 재료 특성은 Table 2와 같다.

콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리 트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다. 압축강도 실험용 원주형 공시체는 ϕ100×200mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였고, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였 다. 그리고 100ton용량의 U.T.M으로 압축강도 시험을 하였 다. Table 4에 나타난 콘크리트 압축강도는 5개의 공시체의 실험결과에 대한 평균값이다.

그리고, 사용된 CFRP시트, 매입형 CFRP Rod와 접착용 수 지의 재료 특성 및 역학적 성질을 Table 5~Table 8과 같다.

2.4. 실험방법 및 장치

본 연구는 보-기둥 접합부용 프레임을 제작하여 설치하였 으며, 실험체의 설치상황과 각종 시험기기 및 장치는 Fig. 3 과 같다. 실험체에 작용하는 하중제어를 위하여 서보시스템 을 사용하였으며 실험체는 Fig. 3과 같이 실험을 위한 프레 임에 기둥 부분을 수평으로 눕혀서 설치하였다. 철근콘크리 트 보-기둥 접합부의 거동을 파악하기 위하여 6개의 실험체 에 기둥의 허용 축하중 (balanced axial load)의 30%를 기둥 에 일정하게 가력하였다. 그리고 보의 변곡점에 로드셀을 부 착한 유압 서보 액튜에이터를 사용하여 변위제어에 의해 반 복주기하중을 작용시켰다. 반복주기하중의 형태는 Fig. 4와 같다. 반복주기하중의 주기는 전 실험체를 T=70sec로 하였 으며 반복회수는 2Cycle로 최대수평하중에 도달한 이후 최 대하중이 80%이하로 떨어질 때까지 변위를 증가시키며 반 복가력을 실시하였다. 변위연성은 각 싸이클의 종료시 변위 에 대한 실험체의 항복변위의 비로 정의하고 항복변위는 단 조하중 작용시 기둥면의 보 주근이 항복하였을때의 하중 작 용점의 변위로 정의하였다 (^{Ha et al., 2011}).

Fig 2.

Details of specimen (unit: mm)

Fig 3.

Test setup of test specimen

Fig 4.

Loding history

3.1. 이력거동 특성

지진 지역에서 철근콘크리트 구조물의 설계 및 해석을 위 하여 비탄성 범위에서 부재의 특성, 즉 부재의 연성, 에너지 소산능력, 강성저하 등을 파악하여야 하며, 이를 위해서 부 재의 이력거동 특성을 정확히 규명하여야 한다 (^{Ha et al., 2011}).

기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부영역보강 실험 체 (RBCJ-SR 시리즈, RBCJ-SRC2)의 경우 Fig. 5a~(f)의 이력거동 특성을 고찰하여 보면 강도 및 에너지소산능력이 표 준 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험체 RBCJ와 RBCJ-CS에 비하여 훨씬 증대하여 내진성능이 현저히 개선됨을 알 수 있다.

Fig 5.

Load-displacement relationship of each specimen

3.2. 파괴형태

3.2.1. 표준실험체

표준실험체 RBCJ는 Fig. 6a와 같이 재하 전반부에 보- 기둥 접합면에서 보의 내측으로 매우 넓은 영역까지 균열이 분포하였고, 재하 후반부에는 보-기둥 접합면과 보춤만큼 떨 어진 부분 즉, 위험단면영역 1.5D 이내에서 균열과 콘크리트 탈락이 집중되었다. 초기균열은 변위연성 1에서 발생하였고, 변위연성 2에서는 보 상부와 접합부 부근에 균열폭이 증가 하였다. 최대하중이후에 보-기둥 접합부영역의 대각균열이 나타났고, 변위연성 4, 5에서 접합부 균열이 집중되어 균열 폭이 더욱 증가하고 보-기둥 접합부영역의 대각균열은 미소 하게 증가되었다. 그리고, 접합면에는 콘크리트피복이 박리 가 되기 시작하였고, 변위연성 6이후에 피복콘크리트 탈락 현상이 일어나면서 최종파괴에 이르렀다.

Fig 6.

Crack pattern and failure mode of each specimen

3.3. 강도변화 특성

표준실험체 RBCJ, RBCJ-CS는 Table 9 및 Fig. 7에서와 같 이 변위연성 3, 실험체 RBCJ-CRU, RBCJ-SR2, RBCJ-SR3, RBCJ-SRC2는 변위연성 5 또는 7 정도에서 최대내력에 도 달하였다. 보-기둥 접합부영역의 보강방법, 보강재료 등에 따 라 변위연성별 내력변화가 발생함을 알 수 있었다.

Fig 7.

Comparison of load-carrying capacity as a function of displacement ductility

실험체 RBCJ-SR 시리즈는 최대내력이 실험체 RBCJ-CS 보다 1.42~1.44배 증가하였다. 이는 매입형 CFRP Rod가 보 -기둥 접합부영역에 정착하여 보강한 것이 내력 증가에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.

실험체 RBCJ-SRC2는 표준실험체 RBCJ와 비교하여 최대 내력은 1.97배 증가하였고, 실험체 RBCJ-CRU보다 1.51배 증가함을 나타냈다. 그리고 실험체 RBCJ-SR 시리즈보다 1.09~1.11배 내력이 증대한 것은 충분한 정착길이 및 콘크리 트 구속효과가 원인인 것으로 판단된다.

3.4. 강성변화 특성

각 실험체의 변위연성별 강성 (Stiffness, k)의 변화를 Fig. 7에 도시하였고, 실험체의 강성은 Fig. 8과 같은 방법으로 구하였다. 여기서 강성 k는 각 하중의 싸이클에서 정방향과 부방향에서의 최대하중과 최대변위가 만나는 점의 기울기로 산정하였다 (^{Ha et al., 2011}). 각 실험체의 강성은 반복주기 하중이 작용하는 동안 반복횟수가 증가할수록 점차 감소하 는 현상을 보이고 있다. 이러한 강성 감소의 주요 원인은 접 합부 영역의 콘크리트의 균열, 철근의 미끄러짐 등에 의한 것으로 사료된다.

Fig 8.

Calculation of stiffness

초기강성은 표준실험체 RBCJ가 가장 작게 나타났으며, 실 험체 RBCJ-CRU, RBCJ-CS, RBCJ-SR 시리즈, RBCJ-SCR2 순이며, 실험체 RBCJ-SRC2가 가장 우수한 것으로 나타났 다. 그리고, 실험이 진행됨에 따라 초기강성의 약 10%까지 떨어졌으며 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양상을 보 였다.

3.5. 에너지 소산능력

철근콘크리트 구조물의 내진성능을 평가함에 있어 에너지 소산능력은 대단히 중요하며, 철근콘크리트 구조물의 설계시 높은 에너지 소산능력을 갖도록 설계되어야 한다. 일반적으 로 에너지의 소산능력은 부재 또는 구조물의 이력거동 곡선 으로 둘러싸인 면적에 의하여 산정된다.

철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 영역을 CFRP시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강한 실험체들의 실험 결 과, 이력거동 곡선을 고찰하여 보면 재하 후반부 연성능력과 내력이 크게 증대하였고, 지진하중 작용시 에너지소산능력이 매우 향상됨을 알 수 있었다.

실험체 RBCJ-SR 시리즈의 경우 Fig. 10에서와 같이 실험 체 RBCJ-CS와 비교하여 변위연성 7부터 최대 에너지소산능 력이 증가하였다. 특히, 변위연성 7에서는 실험체 RBCJ-SR2 는 실험체 RBCJ-CS보다 1.17배 증가하였다.

Fig 9.

Comparison of stiffness for each specimen at various displacement ductilities

Fig 10.

Comparison of energy dissipation capacity for each specimen at various displacement ductilities

Fig 11.

Comparison of cumulative energy dissipation capacity for each specimen at various displacement ductilities

실험체 RBCJ-CS, RBCJ-SR 시리즈, RBCJ -SRC2는 표 준실험체 RBCJ와 비교하여 에너지소산능력은 변위연성 5, 6 에서 1.10~2.30배 증가하였다.