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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.4 pp.9-16
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.4.009

Surface Roughness Effect on Axial Capacity of Jacketed Concrete Element

Ill Gyo Suh1, Dong Woo Ko2
1Professor, Department of Architectural Engineering, Jeju National Univerity, 63243, Korea
2Associate professor, Department of Architectural Engineering, Jeju National Univerity, 63243, Korea
Corresponding author: Ko, Dong Woo Department of Architectural Engineering, Jeju National University, Jeju, 63243, Korea +82-64-754-3708+82-64-757-8691dongwko@jejunu.ac.kr
20171017 20171109 20171117

Abstract

Because of the economy and construction simplicity, Jacketing method has been widely used in strengthening RC columns in Korea. Although some studies on the compressive performance of jacketed elements have been conducted by experimental or analytical methods, the correlation between the axial performance and the surface roughness of the jacketed element has not been performed. In this study, the surface roughness of chipped surface of old element was measured and the compressive strength test was performed to evaluate the surface roughness and jacketed effects. The test results are as follows; (1) Compressive strength was improved by 1.8%∼3.1% by chipping, (2) Compressive performance of the jacketed elements reduced to 85%∼93% of theoretical values, (3) As a result of analysis of correlation between surface roughness index and axial strength, surface roughness index based on the wave length was more effective than existing methodology for evaluation surface roughness.


단면증대 콘크리트부재의 축성능에 대한 표면거칠기 효과

서 일교1, 고 동우2
1제주대학교 건축학부 교수
2제주대학교 건축학부 부교수

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2012R1A1A2007786

    1.개 요

    국내의 많은 건물의 노후화가 진행됨에 따라, 건물의 성능을 보강하고 사회의 변화에 대응하기 위한 건물 의 리모델링 수요도 증가하고 있다. 특히, 최근 들어 건물의 리모델링은 종래의 단순 설비변경 또는 마감 재 변경 등과 같은 소극적인 리모델링에서 벗어나 구 조부재의 삭제 또는 이동과 대체를 통해 쾌적한 환경 을 제시하기 위한 적극적인 리모델링이 점차 증가하 고 있다.

    이와 같은 적극적인 리모델링에서는 건물의 수직 증측 또는 골조의 변경을 수반하여 건물의 기둥에 작 용하는 축력의 증가를 초래할 수 있다. 그러나, 현재 까지는 주로 내진성능을 증진시키기 위한 연구 위주 로 수행되어 왔다. 철근콘크리트 구조의 축성능을 향 상시키기 위한 공법으로는 철골 덧댐공법과 단면증대 공법이 주로 적용되고 있다. 축성능을 증가시키기 위 한 공법 가운데 단면증대공법의 경우, 기존 콘크리트와 증대되는 부분이 일체로 움직여야 하기 때문에, 신⋅구 부재의 접합면에 대한 부착력을 확보하기 위한 노력 이 필요하다.

    통상 단면증대공법을 수행함에 있어 중성화가 진 행된 부분 또는 손상된 부분을 제거하고 기존 콘크리 트와 보강재료 사이의 부착성능을 극대화하기 위해서 기존 콘크리트 기둥의 피복부분을 거칠게 하기 위한 치핑작업을 수행한다. 이와 같은 단면증대공법은 시공 방법이 단순할 뿐만 아니라, 상대적으로 비용도 적게 들어 콘크리트부재의 축성능을 향상시키는데 널리 사 용되는 공법이다(Minafo et al., 2016). 그럼에도 불구 하고 단면증대기둥에 대한 성능 평가, 치핑면에 따른 강도저감 또는 강도증대 효과 등에 대한 명확한 기준 이 없는 것이 현실이다.

    시공과정에서 거칠게 처리된 기존부재와 보강부재 사이에 발생하는 전단응력은 약 1.0MPa에 이른다는 사실이 실험을 통해 검증된 바 있으며(Bissonnette, 2012), 콘크리트 표면의 거칠기지표와 관련하여 Eurocode(2004)의 경우, 아주 부드러운 면, 부드러운 면, 거친 면으로 구분하고 있으며, ACI 318-08(2008) 에서는 의도적으로 거친 면과 의도치 않게 거친 면으 로 구분하면서 각 단계별로 그에 상응하는 마찰계수 를 제시하여 설계 시 참고하도록 하고 있다. 우리나라 는 KS B ISO4287(2014)에서 표면거칠기와 관련하여 규정하고 있으나, 이는 기계의 표면처리에 대한 규정 이고, 이 기준을 건설분야에 그대로 적용하기에는 적 절하지 않다. Ko and Lee(2015)는 표면거칠기 방법에 따른 표면거칠기의 특성과 이를 정량화하기 위한 방 안에 대한 연구를 수행하여 표면거칠기지표가운데 파 형길이(WL)가 다른 정량화지표보다 일관적임을 보여 준 바 있다.

    Julio et al.(2005)은 두 콘크리트면 사이의 부착력 을 평가하기 위한 전단실험체와 직접인장실험체를 제 작하여 콘크리트 표면의 거칠기를 달리하여 전단실험 과 직접인장실험을 수행하여 거칠기방법에 따른 전단 저항성능과 부착성능을 평가하였다. 또한, Bett et al.(1988)은 단면증대기둥의 신구 접합면에 배근되는 전단철근의 양을 달리하여 반복횡하중 실험을 수행하 였다.

    단면증대부재의 축성능과 관련하여 국내에서도 연 구가 이루어진 바 있다. Kim(2002)은 기존의 콘크리 트에 외부 콘크리트 증설을 모사한 공시체에 대한 압 축 실험연구를 수행하여 내부와 외부 콘크리트의 물 리적 특성에 따른 단면증대 압축부재의 거동 특성을 실험적으로 검증하였다. 최근들어 단면증대된 기둥의 휨과 압축에 대한 성능평가와 실무 적용가능한 설계 법을 제시하거나(Minafo, 2015, Minafo et al., 2016), 단면증대공법이 적용된 철근콘크리트 기둥의 수직하 중의 영향을 해석적으로 검증한 사례도 있었다(Kim et al., 2017). 이들 논문 또한 표면거칠기의 효과에 대한 정량화된 검증은 수행하지 않고 단면증대 부재 의 강도의 측면에서만 접근을 하였다.

    따라서, 본 논문에서는 압축력을 받는 단면증대부 재의 접합면에 대한 표면거칠기 측정과 압축강도실험 을 통해 단면증대 부재의 표면거칠기 정도에 따른 압 축강도와의 상관성을 분석함으로써, 단면증대 부재의 압축성능의 평가와 표면거칠기의 효과적인 정량화방 법을 제시하고자 한다.

    2.실험개요

    단면증대 콘크리트 기둥의 단면증대효과와 표면거칠 기의 영향을 파악하기 위해 실험체의 표면거칠기 정도 와 증대된 단면의 크기를 변수로 총 28개의 무근 콘 크리트 사각기둥에 대한 압축강도 실험을 수행하였다.

    예상최대하중이 압축시험기 용량(2,000kN)의 70% 를 초과하지 않도록 하기 위해 콘크리트의 설계압축 강도를 24MPa, 그리고 증대된 단면의 크기를 170mm×170mm 이내로 제한하였다. 증대된 부재의 비율에 대한 거동특성을 확인하기 위해 기존부재의 단면을 80mm×80mm 와 100mm×100mm로 정한 후, 기존부재와 증대된 부재의 한변의 크기를 1:1.5와 1:2.0의 비율이 되도록 단면증대된 기둥의 크기를 각 각 160mm×160mm, 150mm×150mm로 정하였다. 실 험체의 높이는 통상 압축강도 실험체의 단면길이와 높이의 비율을 적용하여 각각 320mm와 300mm로 정 하였다.

    각 변수에 따라 실험체를 구별하기 위해 실험체 번호를 “실험체 단면길이의 비율-거칠기방법-실험체 번호”의 순서로 정하였다. 가장 앞의 숫자 15와 20은 각각 기존부재와 증대된 부재의 단면길이의 비율 1.5 와 2.0을 의미하며, 그 뒤의 N과 H, E는 표면거칠기 의 상태로서, N은 표면거칠기 처리를 하지 않은 실험 체이고, H와 E는 각각 핸드치핑과 전동햄머 치핑을 수행한 실험체이다. Fig. 1은 15계열과 20계열 실험체 의 크기를 나타내고 있다.

    3.치핑면의 표면거칠기

    3.1.표면거칠기의 효과

    단면증대공법은 기존부재의 표면을 거칠게 만드는 치 핑작업으로부터 시작된다. 치핑작업을 통해 기존 부재 의 노후화에 따라 중성화된 부분을 제거함과 동시에 기존부재와 증대된 부재의 부착성능을 향상시켜 일체 화거동을 유도할 수 있다.

    Ko and Lee(2015)는 콘크리트의 표면거칠기지표 의 적절성을 분석하면서 Fig. 2와 같은 지표를 사용 하였다. MH는 최대 높이차로서 측정범위에서 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이의 거리, RH는 상대 높이차로서 산과 인접한 골사이의 가장 큰 높이 차이, AMD는 산술평균거칠기로서 거칠기이력의 평균 높이, MPR은 평균주기로서 기준선을 중심으로 산과 골이 한번 나타나는 평균 주기, RG는 이력곡선의 평균기울 기, WL은 거칠기를 통해 늘어난 길이이다.

    이들 거칠기 정량화지표들의 물리적 특성을 살펴 보면, 최대높이차(MH), 상대높이차(RH), 산술평균거 칠기(AMD)는 거칠기의 평균 높이, 평균주기(MPR)는 거칠기의 조밀성, 거칠기각(RG)은 거칠기면의 기울기 를 나타내며, 이력길이(WL)는 거칠기로 인해 증가된 길이로서 신⋅구 부재의 접합면의 면적과 관련이 있다.

    3.2.표면거칠기의 측정

    기존의 표면거칠기 측정장치는 콘크리트구조의 표면 거칠기를 측정하기에 측정거리와 정밀도가 적합하지 않기 때문에, Fig. 3과 같이 자체 제작한 표면거칠기 측정장치를 이용하여 기존 콘크리트의 치핑면에 대한 표면거칠기 측정과 거칠기면의 정량화의 과정을 거쳤 다. 본 측정장치는 4개의 기둥으로 이루어진 알루미늄 프레임, 프레임의 장변방향 상부의 가이드레일, 이를 가로지르는 부재와 변위측정기로 이루어져 있다. 수직 방향으로 배치된 변위측정기가 가이드레일을 따라 움 직이면서 콘크리트 표면의 수직높이의 변화를 측정하 였다. 가이드레일에 따라 측정되는 측정거리와 변위측 정기의 수직움직임에 따른 콘크리트 표면의 수직높이 변화로부터 표면거칠기의 정량화 값을 도출하였다.

    3.3.표면거칠기의 분석

    각 실험체 별로 거칠기면의 5mm간격으로 200mm의 측정거리에 대한 콘크리트의 수직높이의 변화를 측정 하여 표면거칠기 이력데이터를 도출하였다. 한 실험체 마다 도출된 20개의 거칠기이력에 대한 산술평균거칠 기(AMD), 최대높이차(MH), 상대높이차(RH), 그리고 이력길이(WL)에 해당하는 거칠기지표를 산출하였다. 산출된 거칠기지표 가운데 각 실험체별로 최대값, 최 소값, 그리고 평균값을 Table 1에 정리하였다.

    치핑방법에 따른 표면거칠기의 평균값을 살펴보면 산술평균거칠기(AMD), 최대높이차(MH), 상대높이차 (RH)는 전동치핑을 한 실험체의 표면거칠기값이 핸드 치핑을 한 실험체의 거칠기지표보다 3∼5%정도 큰 것으로 나타났으며, 파형길이(WL)는 전동치핑을 한 실험체의 지표값이 1.3%정도로 작게 나타나 큰 차이 를 발견할 수 없었다.

    실험체별로 거칠기 정량화지표의 추이를 분석하기 위해 각 지표별 평균값이 최대인 실험체의 평균값은 굵은 글씨로, 최소값은 기울어진 글씨, 그리고 최대값 은 기울어진 굵은글씨로 표시하였다. 평균값만으로 보 았을 때, 15-H-2실험체가 산술평균거칠기(AMD), 최 대높이차(MH), 상대높이차(RH)에서 가장 큰 것으로 나타난 반면, 파형길이(WL)는 20-E-1이 가장 큰 것 으로 나타났다.

    Fig. 4는 본 실험에서 측정한 각 거칠기이력 가운 데 각 지표별로 최대인 거칠기이력 그래프이다. Fig. 4(a)는 15-H-3의 실험체에서 측정된 거칠기이력으로 실험체들 가운데 가장 큰 산술평균거칠기값에 해당하 는 거칠기이력이고, Fig. 4(b)는 최대높이차(H)와 상 대높이차(RH)가 가장 큰 20-E-1의 거칠기이력이다. 그리고 Fig. 4(c)는 파형길이가 9.087로서 최대인 20-E-1 실험체의 또다른 거칠기 이력곡선이다. Fig. 4 로부터 거칠기이력 자체의 변동성이 크기 때문에, 단 순히 거칠기깊이의 차이로는 신⋅구 부재 사이의 부 착성능을 나타내는데 한계가 있을 수 있음을 보여주 고 있다.

    4.압축강도실험

    4.1.실험체 제작 및 계측계획

    콘크리트의 배합과정에서 잔골재의 조립율을 적정수 준으로 유지하기 위해 모래와 석분을 7:3의 비율로 혼합하여 잔골재로 사용하였다. 콘크리트 배합에 사용 된 배합비는 Table 2와 같다. 실험체를 제작하는 과 정에 표준공시체를 제작하여 압축강도 실험을 수행한 결과 기존부분과 증대된 부분의 평균압축응력은 각각 33.5MPa와 26.5MPa로 나타났다.

    기존부재를 제작하여 양생과 치핑의 과정을 거친 후, 기존 실험체 외부로 단면증대된 부재를 타설하기 위한 거푸집을 제작하였다. 이 과정에서 단면증대된 거푸집에 홀을 뚫어 기존 공시체를 고정하기 위한 철 물을 삽입하여 기존 치핑된 실험체를 단면증대 실험 체의 중앙에 고정하였다.

    실험과정에서 압축시험기에서 하중과 가력방향 변 형을 측정하고, 실험체 높이의 1/2 위치에 60mm의 스트레인 게이지를 횡방향으로 부착하여 프와송비에 의한 실험체의 횡팽창량을 측정하였다.

    4.2.실험결과

    실험결과 나타난 최대하중을 Table 3에 정리하였다. 일부 실험체의 경우 치핑과정에서 충격에 의해 파괴 되어 데이터가 누락되었으며, 20-N-4실험체는 편심에 의한 파괴가 발생하여 분석에서는 제외하였다. 치핑의 여부에 따라 최대 압축강도는 15계열과 20계열 각각 3.1%와 1.8% 증가하여 치핑에 의한 압축강도의 증가 효과를 확인할 수 있었다.

    하중 수준(최대강도의 30%, 50% 70% 85% 100% 수준)에 따른 횡방향 변형률의 변화를 Fig. 5에 나타 내었다. 표식의 내부가 찬 기호는 치핑을 하지 않은 실험체의 횡방향변형률의 변화이고, 표식의 내부가 빈 기호는 치핑을 한 실험체의 횡방향변형률의 변화이다. 15계열과 20계열 모두 최대하중의 50% 수준에서 횡 변형률은 최대 0.0002의 수준으로 거의 변형이 없었으 며, 70% 수준에 도달하였을 때도 일부 실험체를 제외 하고는 변형률이 0.0004정도에 그치다가 이후 횡변형 률이 급격히 증가하였다. 콘크리트의 압축실험에 나타 난 변형률과 실험체의 횡변형률로부터 프와송비를 추 정하면 최대하중의 70% 수준까지의 프와송비는 0.15∼ 0.16의 수준으로 나타났다.

    대부분의 실험체는 최대하중의 50% 단계에 도달 할 때까지는 외부적으로 특별한 변화를 확인하기 어 려웠으나, 최대하중의 50% 수준을 넘어서면서 상부 모서리 부분에서 세로균열이 발생한 후, 이들 세로 균 열의 폭과 균열의 수가 증가하다가 최종 파괴에 도달 하였다. 대부분의 실험체는 기존부분과 단면증대된 부 분이 일체화된 파괴양상을 보여주었으나(Fig. 6(a)), 일부 실험체에서는 치핑면의 분리에 이은 들뜸이 발 생하였다 (Fig. 6(b)). 그러나, 파괴양상과 최대 압축 강도와의 상관성은 확인할 수 없었다.

    5.고 찰

    5.1.단면증대 기둥의 성능

    단면증대된 부재의 이론적인 압축강도를 예측함에 있 어 실험당시 측정된 평균 압축강도를 적용하였으며, 기존 콘크리트와 증대된 부분 사이의 계면특성은 반 영하지 않았다. 기존 콘크리트와 증대된 부분의 콘크 리트의 강도가 상이할 경우 축성능(Pn)은 기존 콘크 리트와 증대 콘크리트 중 한 콘크리트가 압축강도에 도달할 때, 그에 상응하는 다른 콘크리트의 압축강도 에 각각의 면적을 곱한 값이 이론적인 최대 압축강도 가 되어 그에 상응하는 축강도는 다음의 식과 같이 구할 수 있다,(1)

    P n = Max . [ ( f c u 1 × A C 1 + α f c u 2 × A C 2 ) , ( β f c u 1 × A C 1 + f c u 2 × A C 2 ) ]
    (1)

    여기서, AC1fcu1은 각각 기존 콘크리트의 단면 적과 압축강도, AC2fcu2는 각각 외부 증대부분 콘 크리트의 단면적과 압축강도이다. 그리고 αβ는 각 콘크리트의 강도가 최대일 때, 다른 콘크리트의 강도 를 나타내기 위한 계수이다. 이를 바탕으로 15계열과 20계열의 이론적인 축강도를 산출하면 각각 665.1kN 과 722.6kN이 된다(Table 4).

    Fig. 7은 실험체의 축강도를 이론값과 비교하고 있다. 15계열의 경우, 치핑을 한 경우와 치핑을 하지 않은 경우의 축강도는 각각 이론값의 90%와 93%의 수준이었으며, 20계열의 경우, 치핑을 한 경우와 하지 않은 경우의 축강도는 각각 이론값의 85%와 90%의 수준이었다.

    5.2.표면거칠기지표와 강도

    1축 압축력을 받는 콘크리트의 압축파괴는 취성파괴 에 해당하므로 가장 취약한 부분에서 발생한 미세균 열이 확대되면서 전체파괴로 유도될 수 있다. 따라서 각 압축실험체에서 측정한 20개의 표면거칠기의 정량 화지표와 실험체의 최대강도 사이의 선형상관성을 분 석하였다. Fig. 8의 (a), (b), (c), (d)에서 각각 산술평 균거칠기(AMD), 최대높이차(MH), 상대높이차(RH), 그리고 이력길이(WL)를 각 실험체의 최대 압축강도 와의 상관성을 비교하였다. 또한, 기존부재와 증대된 부재의 계면파괴가 각 표면거칠기지표가운데 어떤 값 이 지배하는 지 확인하기 위해 표면거칠기의 최대값 (Max.), 평균값(Average), 최소값(Min.)를 비교하였다.

    그 결과 산술평균거칠기(AMD), 최대높이차(MH), 상대높이차(RH)는 실험체의 축강도와의 선형상관성을 거의 나타내지 못한 반면, 파형길이(WL)를 거칠기의 지표로 적용할 경우 축강도와의 상관성을 확인할 수 있었다. 그리고, 상관성의 측면에서 보면 최소값이나 최대값보다는 평균값을 사용할 경우 R2이 0.46에 이 르러 압축성능과 거칠기의 상관성이 두드러짐을 알 수 있다.

    이로부터 표면거칠기의 정량화 지표 가운데, 압축 력을 받는 단면증대 부재의 성능을 펑가함에 있어 파 형길이(WL)를 바탕으로 한 거칠기지표의 설정이 더 욱 효과적임을 알 수 있다.

    6.결 론

    압축력을 받는 단면증대 부재의 표면거칠기 효과와 단면증대에 따른 성능을 평가하기 위해 단면증대 부재 의 신⋅구 접합면에 대한 표면거칠기를 측정하고, 압 축강도 실험을 수행한 결과를 정리하면 다음과 같다.

    • 1. 치핑의 여부에 따른 압축강도를 비교한 결과 평균 최대 압축강도는 15계열과 20계열 각각 3.1%와 1.8% 증가하여 치핑에 의한 압축강도의 증가효과가 발생하였음을 알 수 있었으며, 일부 실험체의 경우 단 면증대부분의 탈락을 발견할 수 있었다.

    • 2. 실험체의 축강도를 이론값과 비교하면, 15계열 의 경우, 치핑을 한 경우와 치핑을 하지 않은 경우의 축강도는 각각 이론값의 90%와 93%의 수준이었으며, 20계열의 경우, 치핑을 한 경우와 하지 않은 경우의 축강도는 각각 이론값의 85%와 90%의 수준이었다.

    • 3. 각 실험체에서 도출한 표면거칠기지표와 최대 강도와의 상관성을 분석한 결과 표면거칠기지표의 평 균값이 전체적으로 가장 최대강도와 상관성을 갖고 있었으며, 표면거칠기지표가운데 파형길이가 최대강도 와 선형상관성이 가장 큰 것으로 나타난 단면증대 부 재의 표면거칠기는 파형길이를 기반으로 평가하는 것 이 바람직한 것으로 드러났다.

    • 4. 향후, 다양한 강도로 조합된 단면증대 부재에 대한 표면거칠기 평가와 실험, 그리고 자료축적을 통 해 실험을 통해 단면증대 부재에 대한 표면거칠기의 평가기준을 확립할 필요가 있다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    이 논문은 2012년도 한국연구재단의 기초연구사업 지 원을 받아 연구되었음. (NRF-2012R1A1A2007786)

    Figure

    KOSACS-8-9_F1.gif
    Dimension of specimen (unit:mm)
    KOSACS-8-9_F2.gif
    Definition of surfaceness index
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    Photos of measuring surface roughness
    KOSACS-8-9_F4.gif
    Surface roughness waves
    KOSACS-8-9_F5.gif
    Lateral strain for loading steps
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    Failure mechanism of specimen
    KOSACS-8-9_F7.gif
    Comparison of maximum load
    KOSACS-8-9_F8.gif
    Relation between surface roughness index and Maximum load

    Table

    Surface roughness index of specimen
    Mixture of concrete (weight ratio)
    Maximum axial load
    *Not consider due to eccentric failure
    Derivation of theoretical compressive strength

    Reference

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