2.1 선행연구

본 연구는 선행 연구결과(^{Ha, Sang Su (2012)})를 바탕으로 진 행하였으며, 긴장을 가한 하이브리드 FRP 플레이트로 보강된 보강효과를 파악하기 위한 연구이다. 본 연구에 앞서 진행된 선행 연구는 긴장을 가하지 않고 단순히 보강했을 때의 연구 결과를 보여주는 것이라면 본 연구에서는 보강재에 긴장을 가했다는 것이 가장 큰 차이점이라 할 수 있다. 일반적인 RC 보의 휨 보강은 보강할 때를 기준으로 발생된 균열폭과 수직 처짐을 원래 상태로 유지시킨 후에 보강이 이루어져야 하는 데, 현실적인 어려움 때문에 균열폭과 수직처짐이 발생된 상 태(Fig. 1(a) 참조)로 보강하는 경우가 대부분이다. 그러나 보 강재에 긴장을 가할 경우에는 Fig. 1(b)에서 보는 바와 같이 RC 보 부재에 중력하중과 반대방향의 하중을 가하는 효과를 줄 수 있기 때문에 수직처짐이 발생되지 않은 상태에서 보강 이 이루어지게 되어 보강 후, 구조물 유지관리 차원에서 내력 및 수직 처짐에 보다 효율적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.

Fig. 1

Flexural Strengthen of RC Beam

2.2 사용재료 물성

본 연구에 사용된 FRP 재료는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미 드섬유 3종류를 사용하였으며, 이중 상대적으로 경제적인 유 리섬유를 기본으로 탄소섬유 및 아라미드섬유를 각각 1:9로 혼합(탄소섬유+유리섬유, 아라미드섬유+유리섬유)하여 2종 의 하이브리드 FRP 플레이트를 제작하였다. Fig. 2(a), (b)는 각각 탄소섬유와 유리섬유 그리고 아라미드섬유와 유리섬유 를 각각 1:9(면적비) 혼합한 하이브리드 FRP 플레이트를 보여 주는 것이며, Fig. 2(c)는 보강재의 단면형상을 나타낸 것으로 폭은 100mm, 두께는 3.5mm(또는 5mm) 이고, 표면적을 넓히 기 위해 0.2mm의 단차(Fig. 2(c) 참조) 를 두었다.

Fig. 2

Shape of Strengthening Plate

하이브리드 FRP 플레이트의 재료물성을 파악하기 위해 Fig. 3 같이 재료시편을 제작하였다. 폭은 100mm이며, 공칭 두께는 3.5mm를 적용하였다. 또한, 시편 양 단부에는 파괴를 방지하기 위하여 3mm 두께의 철판으로 보강하였다.

Fig. 3

Shape of Material Test Specimens

보강재의 재료시험 결과는 Table 1에 나타내었다. Table 1 에 보는 바와 같이 탄소섬유와 유리섬유를 1:9로 혼합한 하이 브리드 FRP 플레이트(이하 C1G9)의 인장강도 및 탄성계수는 각각 850.6MPa, 81.5GPa로 나타났으며, 아라미드섬유와 유 리섬유를 1:9로 혼합한 하이브리드 FRP 플레이트(이하 A1G9)와 비교하여 인장강도는 1.60배(860.6/530.9), 탄성계 수는 2.07배(81.5/39.4) 높게 나타났다. 그러나 파괴시 변형률 은 A1G9가 C1G9에 비해 1.29(13,478/10,435)배 높은 것으로 나타났다.

Table 1

Test results of Material Specimens

2.3 보강 및 프리스트레싱 방법

보강 및 프리스트레싱을 도입하기 전에 무보강 실험체를 제작하였다. 보강 전 실험체의 형상 및 배근상황은 Fig. 4에 나 타내었다. Fig. 4에 보는 바와 같이 길이 3660mm인 직사각형 단면(210mm x 330mm)에 2-D19 및 2-D10인 인장철근과 압 축철근을 배근하였다. 실험체 양 단부에는 150mm 간격으로 횡보강근을 배근하여 휨파괴가 선행되도록 계획하였다.

Fig. 4

Details of Non-strengthening Specimens

보강은 Fig. 5에 타나낸 바와 같이 실험체 하부면에 보강하 였으며, 보강재는 길이 3m, 폭 100mm이며, 정착을 위한 양 단 부(150mm)는 확장형 앵커볼트를 이용하여 정착하였다. 확장 형 앵커볼트는 길이 150mm, 지름 8mm인 것을 사용하였으며, 설치순서는 Fig. 6에 나타내었다. 보강재 긴장 방법은 Fig. 7에 순차적으로 나타내었다. Fig. 7에서 보는 바와 같이 긴장은 보 중앙부에서 양쪽 500mm인 위치에 두께 9mm, 길이 30cm, 폭 5cm인 강판을 한 개씩 끼워 넣은 후(Fig. 7(a) 참조), 긴장 장치 (Pre-stressing device)의 높이만큼 확보되면 Fig. 7(b)에 나타 낸 바와 같이 긴장 장치를 보 중앙에 설치한다. 설치된 긴장 장 치의 나사를 돌려 계획된 긴장력이 가하게 되면 Fig. 7(c)와 같 이 양쪽 500mm 위치에 설치된 9mm 강판은 자연적으로 해체 가 가능하다. 본 연구에 사용된 긴장 방법은 특별한 장비가 필 요 없이 손쉬운 방법으로 긴장시킬 수 있는 특징을 가지고 있 어 매우 경제적인 긴장공법이라 할 수 있다.

Fig. 5

Specimen Strengthening

Fig. 6

Installation Procedures of Expanded Anchor Bolt

Fig. 7

Procedures of Pre-stressing Material

3.1 실험체 제작

실험체는 총 8개를 계획하였다. 실험체에 사용된 철근의 항 복강도는 412MPa(각각 401.4, 421.9MPa)이며, 콘크리트의 28일 압축강도는 25.3MPa(24.6, 26.3, 24.9MPa)로 나타났다.

동일 실험체를 8개를 (Fig. 4 참조)제작하여 28일 양생 후에 무보강(기준실험체)을 제외한 7개의 실험체를 휨 보강(Fig. 5 참조)하였다. 휨 보강한 7개의 실험체들은 다시 충분한 양생 기간을 가진 후에 Fig. 7과 같은 과정으로 하이브리드 FRP 플 레이트에 긴장을 가하였다.

각 실험체의 일람은 Table 2에 나타내었으며, Table 2에 나 타낸 바와 같이 1번 실험체(N)는 보강하지 않은 실험체이며, 2 번∼8번 실험체들은 모두 보강 후 긴장시킨 실험체로서 보강 재 종류(유리섬유 플레이트, 하이브리드(Aramid+Glass) FRP 플레이트, 하이브리드(Carbon+Glass)), 단부 정착 앵커 개수 (4개 또는 5개), 보강재 두께(3.5mm 또는 5mm)를 주요 변수 로 하였다. 보강 후 긴장은 모두 동일한 방법(Fig. 7 참조)으로 가하였으며, 긴장시킨 힘(긴장력)은 부재각이 4.4%가 되도록 동일하게 가하였다.

Table 2

Specimen Lists

Fig. 8은 보강재 플레이트에 부재각 4.4%가 가해졌을 때의 보강재 플레이트의 형상을 나타낸 것이다. 여기서 부재각(θ) 이란 긴장에 의해 발생된 수직 변위(60mm)를 단부에 설치된 정착판과 중앙부에 설치된 긴장장치의 거리(1350mm)로 나 눈 값을 의미한다. 본 실험에서 긴장력을 부재각 4.4%로 설정 한 이유는 더 큰 긴장력(부재각 4.4% 초과)을 가했을 경우에 는 정착판 부분(Fig. 8 (a) 부분)에서 응력집중이 발생되어 보 강 플레이트가 조기에 파단되기 때문이다.

Fig. 8

Component force of Pre-stressing Material

따라서 본 연구에 제안된 긴장장치로 가할 수 있는 긴장력 은 부재각 4.4% 값이 적당한 것으로 판단되며, 부재각 4.4%일 때의 정착판 부분의 응력집중에 의한 강도저하를 파악하기 위한 재료 시험을 실시하였으며(Fig. 9 참조), 부재각에 따른 강도저하 실험 및 파괴상황은 Fig. 9에 나타내었으며, 실험결 과는 Table 3에 나타내었듯이 부재각이 0인 실험체에 비해 부 재각이 4.4%인 실험체에 비해 인장강도와 파단 변형률이 각 각 94.6%, 93.1% 감소되는 것으로 나타났다.

Fig. 9

Material Test of FRP Plate by Member Angle

Table 3

Material Properties by Angle of rotation of member

3.2 실험체 설치 및 측정위치

실험체 설치는 Fig. 10과 같다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 지점거리 3600mm인 단순보로 설치하였으며, 하중 가력은 1,000kN 용량의 엑츄에이터를 이용하여 중앙부에서 1점 가 력하였다.

Fig. 10

Test Set-up

하중에 따른 수직 처짐은 실험체 중앙점 하부에 설치된 변 위계로 측정하였으며, Fig. 11에 보는 바와 같이, 실험체 중앙 부의 압축철근과 인장철근에 변형게이지를 부착하여 하중 단 계별 변형률을 측정하였다. 또한, 철근 변형률과 비교하기 위 하여 FRP 플레이트의 동일한 위치에 부착하였으며, 콘크리트 압축변형률을 파악하기 위해 압축연단에 콘크리트 게이지를 부착하였다.

Fig. 11

Location of Strain Gauge

4.1 실험체의 균열 및 파괴상황

보강하지 않은 N 실험체와 긴장을 가한 실험체 (PH1-A1-T1 실험체)의 균열 및 최종파괴상황을 Fig. 12에 나 타내었다. 보강하지 않은 실험체의 균열상황은 실험체 중앙 부에서의 초기 휨균열 처음 발생하였고, 휨균열 발생된 후 하 중 증가에 따른 휨균열 수 증가 및 균열폭이 증가하는 양상을 보였다. 그 후 인장철근이 항복하고, 항복 이후에 압축 연단 의 하중지점에서 콘크리트가 압괴되어 최종적으로 파괴되는 전형적인 휨파괴 거동을 보여주었다. 긴장을 가진 실험체의 균열 및 파괴양상은 보강하지 않은 실험체와 거의 유사한 균 열 양상 및 최종파괴 양상을 보여주고 있다. 그러나 긴장재의 역할로 인하여 보강하지 않은 실험체와는 양상이 다른 하중- 변위 그래프를 보여주었다. Fig. 13은 긴장을 가했을 때의 하 중-변위 곡선의 특징을 개략적으로 나타낸 것이다. Fig. 13에 서 알 수 있듯이 긴장재에 의해 초기균열시 하중이 다소 높게 나타나며(Fig. 13 ① 참조), 하부철근이 항복시에는 항복강도 및 강성 증가를 보이게 된다(Fig. 13 ②). 또한, 하부철근 항복 이후에도 긴장재가 지속적으로 외부하중에 저항하여 최대강 도가 상승하는 특징을 보여준다(Fig. 13 ③). 최대강도 이후에 는 보강재의 단부에서 미끄러짐 변형(Fig. 12(d))에 의한 긴장 력이 소멸되면서 갑작스런 하중 저하가 발생된다(Fig. 13 ④). Table 4는 각 실험체의 초기균열, 항복강도 및 최대강도를 정 리하여 나타내었으며, 각 실험체의 하중-변위 곡선을 Fig. 14 에 타나내었다.

Fig. 12

Situation of Crack and Final Failure

Fig. 13

Structural Feature of Pre-stressing Specimen

Table 4

Test Results

Fig. 14

Load-Displacement Curves for all Specimens

Fig. 15(a)는 단부 정착 앵커수 4개 이고, 보강재 두께 3.5mm로 동일하게 한 상태에서 보강재의 종류별 하중-변위 곡선을 비교한 그래프로서, 보강하지 않은 실험체(N 실험체) 에 비해 긴장을 가한 실험체들이 우수한 휨 보강 효과를 보이 고 있으며, 또한 하이브리드 FRP 플레이트로 보강된 실험체 가 단일 FRP 플레이트로 보강된 실험체보다 강도 및 연성이 우수한 것으로 나타났다. Fig. 15(b)와 (c) 그래프는 보강재 두 께 3.5mm로 동일하게 한 상태에서 단부 정착 앵커수를 4개인 것과 5개인 것을 비교한 그래프로서, 단부 정착 앵커수가 4개 인 것에 비해 단부 정착 앵커수를 5개인 실험체가 보다 더 우 수한 휨 보강효과가 나타났으며, 단일 FRP 플레이트보다는 하이브리드 FRP 플레이트가 더 효과가 우수하게 나타났다. Fig. 15(d)는 단부 정착 앵커수를 5개로 동일하게 한 상태에서 보강재 두께를 3.5mm 와 5mm를 비교한 그래프로서, 보강재 두께가 5mm 인 실험체가 우수하게 나타났으며, 단일 FRP 플 레이트보다는 하이브리드 FRP 플레이트가 더 효과가 우수하 게 나타났다.

Fig. 15

Comparison of Test Results by variables