2.1 매입형 CFRP Rod

매입형 FRP봉 보강공법은 기존 철근콘크리트 구조물에 홈 을 파서 보강재를 매입함으로서 보강재의 탈락현상을 방지 하고 충분한 부착성능 확보와 구조물과 보강재의 완전 일체 화되는 효과가 매우 뛰어나므로 기존 보강공법에 비하여 구 조성능의 개선은 물론이고 시공과 품질관리가 용이하고, 보 강후 구조물의 고내구성을 확보할 수 있으며, 또한 보강재의 국산화로 수입산 보강재를 이용한 기존 탄소섬유 보강공법 보다 경제성이 우수하므로 고성능 매입형 FRP봉 보강공법 은 기존 보강공법의 문제점을 개선할 수 있을 것으로 사료된 다 (^{Ha et al., 2011}; ^{Ha et al., 2014}).

2.2 실험체의 형태 및 변수

반복주기하중을 받는 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부 및 신소재 (매입형 CFRP Rod, 탄소섬유시트, 아라미드섬유 시트)를 이용한 철근콘크리트 외부 보-기둥 접합부의 내진성 능을 평가하기 위하여 실제 구조물의 1/2정도의 크기로 축소 한 외부 보-기둥 접합부 형태의 7개 실험체를 제작하였다. 접합부의 설계는 ACI Building code (318-11) 및 ACI-ASCE 352위원회의 권장안에 따라 설계되었고, 표준적인 보-기둥 접합부 및 신소재로 보강한 보-기둥 접합부의 설계상세는 Fig. 1에 나타나 있으며, 각 실험체의 상세는 Table 1과 같다.

Fig. 1.

Details of specimen (unit: mm)

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.Table .6-7-8-9

그리고, 사용된 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod와 접착용 수지의 재료 특성 및 역학적 성질을 Table 5~Table 10과 같다.

2.4 실험방법 및 장치

본 연구는 보-기둥 접합부 실험용 프레임을 제작하여 설치 하였으며, 실험체의 설치상황과 각종 시험기기 및 장치는 Fig. 2와 같다. 실험체에 작용하는 하중제어를 위하여 서보 시스템을 사용하였으며 실험체는 Fig. 2와 같이 실험을 위한 프레임에 기둥 부분을 수평으로 눕혀서 설치하였다. 철근콘 크리트 보-기둥 접합부의 거동을 파악하기 위하여 7개의 실 험체에 기둥의 허용 축하중 (balanced axial load)의 30%를 기둥에 일정하게 가력하였다. 그리고 보의 변곡점에 로드셀 을 부착한 유압 서보 액튜에이터를 사용하여 변위제어에 의 해 반복주기하중을 작용시켰다. 반복주기하중의 형태는 Fig. 3과 같다. 반복주기하중의 주기는 전 실험체를 T=70sec로 하였으며 반복회수는 2Cycle로 최대수평하중에 도달한 이후 최대하중이 80% 이하로 떨어질 때까지 변위를 증가시키며 반복가력을 실시하였다. 변위연성은 각 싸이클의 종료시 변 위에 대한 실험체의 항복변위의 비로 정의하고 항복변위는 단조하중 작용시 기둥면의 보 주근이 항복하였을 때의 하중 작용점의 변위로 정의하였다.

Fig. 2.

Test setup of test specimen

Fig. 3.

Loding history

3.1 이력거동 특성

철근콘크리트 구조물의 내진설계 및 내진해석을 위하여 비탄성 범위에서 부재의 특성, 즉 부재의 연성, 에너지소산 능력, 강성저하 등을 파악하여야 하며, 이를 위해서 부재의 이력거동 특성을 정확히 규명하여야 한다 (^{Ha et al., 2011}).

본 연구에서는 실험체 LBCJM 단조하중을 가하여 기둥면 의 보 주근에 부착한 스트레인게이지의 측정치가 항복변형 에 이를 때 보의 하중 작용점의 항복변위를 구하고, 변위제 어로 최종파괴시까지 가력하여 하중-변위 곡선을 Fig. 4(a)와 같이 규명하였다. 그리고 각 실험체의 이력거동 곡선을 구하 기 위하여 반복주기하중을 가력하여 각 실험체의 작용하중 과 하중 작용점의 변위와의 관계를 Fig. 4(b))~(g)와 같이 구 하였다.

기존 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 접합부 영역보강 실 험체 (LBCJ 시리즈)의 이력거동 특성을 고찰하여 보면 강도 및 에너지소산능력이 표준 철근콘크리트 보-기둥접합부 실험 체 (LBCJC)에 비하여 훨씬 증대하여 구조성능 및 내진성능 이 현저히 개선됨을 알 수 있다.

Fig. 4.

Load-displacement relationship of each specimen

3.2 파괴형태

3.2.2 철근콘크리트 보-기둥 접합부 영역 보강 실험체

보-기둥 접합부영역에 탄소섬유시트 1장을 보강한 실험체 LBCJ-CS1의 경우, 변위연성 1에서 접합면에서 상부에 초기 휨균열이 발생하였고, 변위연성 2에서는 탄소섬유시트가 콘 크리트에서 탈락하기 시작했으며, 변위연성 3에서는 탄소섬 유시트가 파단현상이 시작되었다. 변위연성 6에서는 탄소섬 유시트의 완전한 파단이 일어나면서 내력이 현저히 저하되 어 파괴점에 이르렀으며, 탄소섬유시트와 콘크리트면의 부착 강도가 확보되어 최대내력 이후의 하중저하가 완만하여 표 준실험체에 비해 뛰어난 연성능력을 가지고 있음을 알 수 있 었다.

보-기둥 접합부영역에 탄소섬유시트 2장을 보강한 실험체 LBCJ-CS2의 경우, LBCJ-CS1에 비해 초기 휨균열이 변위 연성 2에서 나타났고, 변위연성 4에서 탄소섬유시트가 콘크 리트에서 탈락하기 시작했으며, 변위연성 5에서는 탄소섬유 시트가 파단현상이 시작되면서 파괴점에 이르렀으며, 보와 기둥의 접합면의 모서리 부분에서 탄소섬유시트 자체가 찢 어지기전에 콘크리트가 압괴되어 탄소섬유시트가 불룩해지 는 탄소섬유시트와 콘크리트 모재와의 박리현상이 발생하였다.

보-기둥 접합부 영역에 아라미드섬유시트 1장을 보강한 실 험체 LBCJ-AF1의 경우 변위연성 2에서 초기 휨균열이 발견 되었으며, 변위연성 4에서는 아라미드섬유시트의 초기 파단 현상이 보였고, 변위연성 5에서 최대내력 75.4kN에 이르렀 다가 변위연성 6에서 내력이 저하되면서 아라미드섬유도 완 전히 파단되었다.

보-기둥 접합부영역에 아라미드섬유시트 2장을 보강한 실 험체 LBCJ-AF2의 경우, LBCJ-CS2의 경우와 같이 변위연 성 2에서 초기 휨균열이 발견되었으며, 변위 증가에 따라내 력의 증가현상이 지속되고, 변위연성 6에서는 보와 기둥 접 합면의 모서리 부분에서 아라미드섬유시트와 콘크리트와의 박리현상이 진전되면서 아라미드섬유시트가 찢어지면서 내 력이 저하되기 시작하였고, 이후로 내력의 감소를 보이다가 보와 기둥 접합면의 모서리 부분에서 아라미드섬유시트가 현저히 찢어지면서 최종적으로 파괴되었다.Fig .5

Fig. 5.

Crack pattern and failure mode of each specimen

탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 복합보강한 LBCJ-CRUS 실험체의 경우 변위연성 3에서 에폭시 균열이 발생되었고, 변 위연성 4에서 86.3kN의 최대내력을 보여 다른 실험체들과 비교에서 가장 높은 내력을 나타내었다.

3.3 강도변화 특성

표준실험체 LBCJ, LBCJ-CS1는 Table 9 및 Fig. 6서와 같이 변위연성 3, 실험체 LBCJ-CS2, LBCJ-AF1, LBCJ-AF2, LBCJ-CRUS는 변위연성 5 또는 7 정도에서 최대내력에 도 달하였다. 보-기둥 접합부영역의 보강방법, 보강재료 등에 따 라 변위연성별 내력변화가 발생함을 알 수 있었다.

Fig. 6.

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

보-기둥 접합부 영역을 보강한 실험체는 보강하지 않은 표 준실험체 LBCJC와 비교하여 최대내력이 1.26~1.54배 증가 하였다. 특히 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한 LBCJ-CRUS실험체가 가장 큰 내력향상 효과가 나타났다.

탄소섬유시트를 보강한 LBCJ-CS1과 LBCJ-CS2실험체는 표준실험체와 비교하여 최대내력이 1.26~1.35배 증가하였으 며, 아라미드섬유시트를 보강한 LBCJ-AF1, LBCJ-AF2실험 체는 표준실험체 LBCJ와 비교하여 최대내력이 1.39~1.44배 증 가하였으며, 동일 보강량의 탄소섬유시트보강 실험체와 비교하 였을 때 1.07~1.10배 최대내력이 증가하였다. 탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 보강한 LBCJ-CRUS 실험체는 탄소섬유 시트 보강 실험체와 비교하였을 때 최대내력이 1.15~1.23배 증 가하였고, 아라미드섬유시트를 보강한 LBCJ-AF시리즈와 비 교하였을 때 1.07~1.11배 증가하였다. 이는 탄소섬유시트와 더불어 함께 보강된 매입형 CFRP Rod의 복합보강 효과로 탄소섬유시트 혹은 아라미드섬유시트만을 보강한 실험체보 다 우수한 내력증진 효과를 나타내었다.

3.4 강성변화 특성

각 실험체의 변위연성별 강성 (Stiffness, k)의 변화를 Fig. 7에 도시하였고, 실험체의 강성은 Fig. 7과 같은 방법으로 구하였다. 여기서 강성 k는 각 하중의 싸이클에서 정방향과 부방향에서의 최대하중과 최대변위가 만나는 점의 기울기로 산정하였다. 각 실험체의 강성은 반복주기하중이 작용하는 동안 반복횟수가 증가할수록 점차 감소하는 현상을 보이고 있다. 이러한 강성 감소의 주요 원인은 접합부 영역의 콘크 리트의 균열, 철근의 미끄러짐 등에 의한 것으로 사료된다.

Fig. 7.

Calculation of stiffness

초기강성은 표준실험체 LBCJ가 가장 작게 나타났으며, 실험 체 LBCJ-CRUS, LBCJ-CS2, LBCJ-CS1, LBCJ-AF1, LBCJ-AF2 순으로 나타났다. 실험이 진행됨에 따라 초기강성의 20% 이 하까지 떨어졌으며 이러한 감소는 모든 실험체가 비슷한 양 상을 보였다.Fig .8

Fig. 8.

Comparison of stiffness for each specimen at various displacement ductilities

3.5 에너지 소산능력

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

철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 영역을 탄소섬유시 트, 아라미드섬유시트, 매입형 CFRP Rod를 이용하여 보강 한 실험체들의 실험 결과, 이력거동 곡선을 고찰하여 보면 재하 후반부 연성능력과 내력이 크게 증대하였고, 지진하중 작용시 에너지소산능력이 매우 향상됨을 알 수 있었다.

탄소섬유시트를 보강한 실험체 LBCJ-CS 시리즈와 아라미 드섬유시트를 보강한 실험체 LBCJ-AF시리즈의 경우 Fig. 9 에서와 같이 표준실험체 LBCJC와 비교하여 변위연성 2~3 에서부터 에너지소산능력이 증가하였다. 특히, 변위연성 7에 서는 표준실험체 LBCJC보다 LBCJ-CS시리즈는 2.04~2.34 배, LBCJ-AF시리즈는 1.63~3.02배 에너지소산능력이 크게 나타났다.Fig .10

Fig. 9.

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

Fig. 10.

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

탄소섬유시트와 매입형 CFRP Rod를 복합보강한 LBCJ-CRUS 실험체의 경우 표준실험체 LBCJC와 비교하여 변위연성 7에 서 에너지소산능력이 2.36배 증가 함을 알 수 있었다.