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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.1 pp.171-178
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.1.171

Flexural Strengthening Effects of RC Beam Reinforced with Pre-stressing Plate

Sang-Su Ha1*

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:knuhss@kangnam.ac.kr Division of Real Estate and Construction Engineering, Major in Urban Planning and Architecture Engineering, Associate Professor
10/12/2018 13/12/2018 13/12/2018

Abstract


Fiber-reinforced polymer (FRP) composites have proved to be reliable as strengthening materials. Most of existing studies used single types of FRP composites. Therefore, in this experimental study, carbon FRP sheet, aramid FRP sheet, and hybrid FRP plate including glass fibers were fabricated, and the effect of pre-stressed FRP composites on flexural strengthening of reinforced concrete (RC) beams was investigated. In total, eight RC beam specimens were fabricated, including one control beam (specimen N) without FRP composites and seven FRP-strengthened beams. The main parameters were type of FRP composite, the number of anchors used for pre-stressing, and thickness of FRP plates. As a result, the beam strengthened with pre-stressed FRP plate showed superior performance to the non-strengthened one in terms of initial strength, strength and stiffness at yielding, and ultimate strength. As the number of anchors and thickness of FRP plate (i.e., amount of FRP plates) increased, the strengthening effect increased as well. When hybrid FRP plates were pre-stressed, the strengthening effect was higher in comparison with pre-stressed single type FRP plate.



긴장을 가한 보강 플레이트로 보강된 RC 보의 휨보강 효과

하 상수1*
1정회원, 강남대학교 부동산건설학부(도시건축융합공학), 부교수

초록


본 연구는 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 그리고 유리섬유시트를 혼합한 하이브리드 FRP 플레이트를 제작하였으며, 제작한 보 강 플레이트를 보강한 후, 최대한의 휨 보강 효과가 발생되도록 다시 보강 플레이를 긴장시켜 RC보의 휨 보강 효과를 파악하고자 하였다. 또한, 긴장시키는 보강방법을 제시하는 동시에 무보강 실험체에 비해 보강효과가 어느 정도 되는지 실험적으로 규명하기 위해 실험적 연구를 진행 하였다. 연구를 위해 총 8개의 RC 보 부재를 동일하게 제작하여 1 개의 실험체(N 실험체)를 제외한 7 개의 실험체는 보강재 종류, 단부 정착 앵 커 개수, 보강재 두께 등을 주요 변수로 하여 실험을 실시하였다. 실험결과, 휨 거동을 보이는 실험체에 긴장을 가한 FRP 플레이트로 보강하면, 보강하지 않은 실험체에 비해 우수한 휨거동(초기강도, 항복시 강도 및 강성, 최대강도 등)보여 주었으며, 단부정착 앵커의 개수가 많고, 보강 재의 두께(보강량)가 클수록 보강효과가 우수한 것으로 나타났으며, 긴장시킨 보강재는 단일 FRP 플레이트에 비해, 하이브리드 FRP 플레이 트를 적용했을 때 보강효과가 더 우수하게 나타났다.



    1. 서 론

    본 연구는 긴장을 가한 보강 플레이트로 보강된 철근콘크 리트(reinforced concrete;이하 RC) 보의 휨 보강효과를 파악 하기 위한 것이다. RC 보는 설계하중 초과, 용도변경, 노후화 등 여러 요인에 의해 하중 증가 및 내력 저하로 보수 및 보강을 실시하는 경우가 종종 발생된다. RC 보 설계는 인명이나 재산 피해를 최소화하기 위해 부득이 파괴에 도달될 때에는 연성 적인 파괴가 되도록 유도하는 것이 기본 설계 개념이다(ACI 318M-14 (2014), KBC(2016).내력이 저하되거나 문제가 발생된 RC 보의 대부분은 휨파괴의 조짐을 보이게 된다. RC 보의 휨 파괴의 전조 현상으로 중앙부에서의 휨균열 및 그에 따른 수 직처짐이 가장 일반적인 현상이라 할 수 있으며, 휨균열을 조 기에 제어하지 않으면 지속적으로 휨균열이 진행되어 구조물 전체에 위험을 초래할 수 있기 때문에 적절한 보수 및 보강을 실시하여야 한다. RC보의 휨보강 방법은 현장조건에 따라 시 공성, 경제성 및 안전성이 확보된 상태에서 휨보강 효과를 극 대화시킬 수 있는 방법을 선택하게 된다. FRP(fiber reinforced polymer) 소재는 가벼운 동시에 인장강도가 높고 철근과 달리 부식이 되지 않기 때문에 보강재료로 많이 사용되고 있으며, 해외에서는 이에 대한 지침서가 개발되어 현장에 적용되고 있다(ACI 440. 2R-08 (2008), Canadian Standard Association(2002)). 또 한, 시트 형태의 FRP 재료를 봉이나 플레이트 등 여러 형태로 가공하여 보강한 연구 사례도 쉽게 찾아볼 수 있다(Ahn Gwang-Yeol (2007), Ahn Hyo-yong (2007)). FRP 재료는 많은 장 점을 가지고 있는 반면, 항복점이 없이 인장파괴와 동시에 파 단되는 단점을 가지고 있기 때문에 파괴시 RC 보의 설계개념 인 연성파괴를 기대하기 어렵다. 그렇기 때문에 FRP 재료를 사용할 때에는 취성파괴가 발생되지 않도록 주의해야 한다. 하이브리드 FRP 시트의 특징은 2종류의 재료를 혼합한 시트 로 파괴시 변형률이 작은 재료가 먼저 파단되고 변형률이 큰 재료는 그 후에 파단되기 때문에 한꺼번에 파괴되는 취성적 인 파괴를 방지할 수 있으며, 하이브리드 FRP 시트 및 보강 플 레이트를 이용한 연구 사례도 어렵지 않게 찾아 볼 수 있다 (Song Hyeong-Su (2009)). Park Eun-Jeong (2001)등은 하이브리드 보강재(탄소섬유+ 유리섬유)로 보강된 실험체가 단일보강재 (탄소섬유+탄소섬유 또는 유리섬유+유리섬유) 보강된 실험 체보다 강도와 연성 모두 우수한 결과를 보여주고 있다. 본 연 구는 탄소섬유시트, 아라미드섬유시트, 그리고 유리섬유시트 를 혼합한 하이브리드 FRP 플레이트를 제작하였으며, 제작한 보강 플레이트를 보강한 후, 최대한의 휨 보강 효과가 발생되 도록 다시 보강 플레이를 긴장시켜 RC보의 휨 보강 효과를 파 악하고자 하였다. 또한, 긴장시키는 보강방법을 제시하는 동 시에 보강하지 않은 무보강 실험체에 비해 보강효과가 어느 정도 되는지 실험적으로 규명하기 위해 연구를 진행하였다.

    2. 실험계획

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    3. 실험체 계획

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    4. 실험 결과

    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. 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)(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.

    5. 결 론

    보강재 종류(단일 FRP 플레이트, 하이브리드 FRP 플레이 트), 단부 정착 앵커 개수(4개 또는 5개), 보강재 두께(3.5mm 또는 5mm)를 주요 변수로 보강한 후, 긴장을 가한 RC 보의 휨 보강효과를 파악하기 위한 실험을 실시한 결과 다음과 같 은 결론을 얻었다.

    • 1) FRP 플레이트를 RC 휨부재에 보강한 후, 다시 보강재에 긴 장을 주는 방법을 제안하였으며, 본 연구에 제안된 긴장장치이 용하여 단부 정착 부분에서 미끄러짐 변형이 발생되지 않도록 가할 수 있는 최대 긴장력은 4.4%(부재각) 인 것으로 나타났다.

    • 2) 긴장을 가한 FRP 플레이트로 보강된 모든 실험체는 단부 앵커 정착부분에서 보강재의 지압파괴에 의한 미끄러짐 변형 이 발생하였으며, 미끄러짐 변형과 동시에 강도가 급격하게 저하되는 현상이 나타났다.

    • 3) 휨 거동을 보이는 실험체에 긴장을 가한 FRP 플레이트로 보강하면, 보강하지 않은 실험체에 비해 우수한 휨거동(초기 강도, 항복시 강도 및 강성, 최대강도 등)보여 주었으며, 단부 정착 앵커의 개수가 많고, 보강재의 두께(보강량)가 클수록 보강효과가 우수한 것으로 나타났다.

    • 4) 긴장시킨 보강재는 단일 FRP 플레이트에 비해, 하이브리 드 FRP 플레이트를 적용했을 때 보강효과가 더 우수하게 나 타났다.

    • 5) 초기 긴장력이 클수록 우수한 휨 보강효과를 나타내며, 향 후, 큰 긴장력을 줄 수 있는 단부 정착에 대한 연구가 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 2016 학년도 2차 강남대학교 교내연구비 지원에 의해 수행된 결과로써 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Flexural Strengthen of RC Beam

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    Shape of Strengthening Plate

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    Shape of Material Test Specimens

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    Details of Non-strengthening Specimens

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    Specimen Strengthening

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    Installation Procedures of Expanded Anchor Bolt

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    Procedures of Pre-stressing Material

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    Component force of Pre-stressing Material

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    Material Test of FRP Plate by Member Angle

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    Test Set-up

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    Location of Strain Gauge

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    Situation of Crack and Final Failure

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    Structural Feature of Pre-stressing Specimen

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    Load-Displacement Curves for all Specimens

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    Comparison of Test Results by variables

    Table

    Test results of Material Specimens

    Specimen Lists

    Material Properties by Angle of rotation of member

    Test Results

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