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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.3 pp.64-72
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.3.064

Evaluation of Flexural Capacity of RC Jacketed Concrete Beam

Choi Hee-Bok1, Dong Woo Ko1
1Associate professor, Department of Architectural Engineering, Jeju National Univerity, 63243, Korea

본 논문에 대한 토의를 2018년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2018년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Ko, Dong Woo Department of Architectural Engineering, Jeju National University, Jeju, 63243, Korea Tel: +82-64-754-3708, +82-64-757-8691, E-mail: dongwko@jejunu.ac.kr
May 27, 2018 August 21, 2018 August 22, 2018

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 performance of jacketed elements have been conducted by experimental or analytical methods, the correlation between the flexural performance and the range of the surface roughness of the jacketed element has not been performed. Flexural tests were performed to evaluate the flexural capacity of jacjeted beams. The valuable of this study is the range of surface roughness. The test results are as follows; (1) Depending on the method currently used in practice, the depth of the siphoned surface has exceeded the 6 mm shown in most drawings, (2) A stable roughness index value was obtained when the measured distance of the roughness history was more than 600 mm, (3) Compared to beams with no surface roughness, stiffness of full surface roughness treated beam increased by 25 %, yield strength of that increased by 9 %, and maximum strength increased by 6 %, (4) All specimen showed greater yield strength than the yield strength as a result of the cross section analysis, regardless of whether surface roughness was treated or not.



단면증대 철근콘크리트 보의 휨성능평가

최 희복1, 고 동우1
1제주대학교 건축학부 부교수

초록


단면증대공법은 경제성과 시공상 보편적으로 사용되는 공법으로 우리나라의 철근콘크리트 기둥을 보강하기 위한 공법으로 널리 사용되어 왔다. 이와 관련하여 단면증대된 부재의 성능에 관한 실험적 또는 해석적 연구는 수행된 사례가 있으나, 휨성능과 단면증대 부분의 표면거칠기 범위의 상관관계에 대한 연구는 수행되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 단면증대된 보 의 휨성능을 평가하기 위해 표면거칠기의 범위를 변수로 한 단면증대보의 휨실험을 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다. (1) 시공에서 사용되는 방법에 따라 거칠기 처리가 된 표면의 거칠기 이력을 분석한 결과 인접 산과 골의 차이는 6mm를 초과하였 다. (2) 거칠기 이력이 측정된 거리가 600mm를 초과하연, 거칠기 지표는 일관된 결과를 나타내었다. (3) 표면거칠기처리를 하 지 않은 보의 휨성능과 비교할 때, 표면거칠기가 된 보의 휨강성은 25%증가하고, 항복강도는 9%, 최대강도는 6%증가하였다. (4) 모든 시험편은 표면거칠기 처리의 유무에 상관없이 단면해석결과 나타난 항복강도보다 높은 강도를 나타내었다.



    1. 개 요

    지난 30여년간 우리나라의 국토개발은 신규 택지를 개발하거나, 기존의 도시를 완전히 허물어낸 후 새로 운 도시를 개발하는 방향으로 이루어져 왔다. 그러나, 최근 몇 년 사이에 환경보존과 건설폐기물에 대한 문 제가 대두되면서 기존 건물의 골조는 그대로 두고 편 의성과 내구연한을 증가시키는 리모델링에 대한 논의 가 활발하게 이루어져 왔다. 또한 건축기술의 발전과 더불어 종전의 설비 또는 마감재를 리모델링하는 소 극적 리모델링에서 벗어나, 층수의 증가 또는 기존 구 조시스템의 변동까지 아우르는 적극적인 리모델링의 사례도 증가하고 있다. 특히, 주택법 제2조등의 법령 에 따라 2014년 4월 25일부터는 공동주택은 최대 3개 층까지 수직증축이 허용되고, 세대수 또한 기존 세대 수 대비 15%까지 증가시킬 수 있도록 법이 바뀜에 따라 향후 구조적 변경이 요구되는 리모델링 수요는 현재보다 더욱 증가할 것으로 기대되고 있다.

    기존 구조물의 성능을 향상시키는 방향은 강화된 횡력에 대한 요구사항을 만족시키는 것과 건물의 구 조적 변화로 인해 증가할 수 있는 연직하중에 대한 요구사항을 만족시키는 것이 있다. 횡력저항성능을 높 이기 위해서는 방법으로는 탄소섬유보강, 철판보강 등 을 통해 각 부재에 추가로 작용하는 전단력과 휨모멘 트에 대한 저항성능을 향상시켜야 한다. 그리고, 수직 증축 또는 건물의 구조적인 변화가 발생할 경우, 수직 부재에는 축력의 증가가 발생하므로, 부재의 단면을 증대시키거나 기존부재 주위로 강재를 보강함으로써 축하중 저항성능을 높인다. 철근콘크리트 건물에 주로 사용되는 보강 공법별로 효과적으로 대처할 수 있는 저항성능을 Table 1에서 비교하고 있다. 이로부터 축 하중 저항성능을 향상시키는데 있어 단면증대 공법은 적극적인 리모델링시 필수적인 공법임을 알 수 있으 며, 일본 고베지진 복구과정에서도 철근콘크리트건물 의 보수에 많이 활용되었다 (Fukuyama et al., 2000).

    단면증대 공법과 관련하여 기존부재와 증대된 부 재 사이의 하중전달 메카니즘을 확인하기 위한 연구 와 단면증대된 부재의 성능을 실험적으로 검증한 연 구들이 수행되어 왔다. Bass et al. (1989)은 기존부재 와 새로운 부재 사이의 계면성능을 확인하기 위해 전 단미끌림 실험을 수행하였으며, Jiro et al. (2004)은 기 존부재 표면의 거칠기가 콘크리트의 부착에 미치는 영향에 대해 연구하고, Jiro et al. (2005, 2008)은 단면 증대 기둥에 대한 단순가력실험과 반복가력실험을 통 해 표면거칠기를 수행하지 않더라도 요구성능은 만족 하였으며, 거칠기 처리가 될수록 강도는 증가함을확인 하였다. 또한 Karayannis et al. (2008)과 Wang et al. (2009)은 각각 단면증대 내부접합부와 외부접합부에 대한 실험을 통해 단면증대 된 RC접합부의 성능을 평가하였다. Bett et al. (1988)은 단면증대 보강된 기 둥에 대한 반복가력실험을 통해 단면증대 형태에 따 른 기둥의 성능을 실험적으로 비교 분석하였으며, Lampoulos et al. (2011)은 단면증대 된 기둥의 수치해 석모델을 수립하기 위한 접합면의 마찰계수를 비롯한 모델링방법을 제시한 후 실험결과와 비교하였다. Minafo (2015)와 Minafo et al. (2016)은 단면증대된 RC 기둥의 횡강도를 실험을 통해 평가한 후, 단면증 대 기둥을 해석하기 위한 수치해석모델을 제시하였다. 국내에서는 Jung et al. (2017)이 TRM으로 보강된 보 의 휨성능에 대한 수치해석 모델을 제시하여 TRM의 박리후 거동 예측이 가능하도록 하였으며, AU 합성보 의 휨성능평가에 대한 연구를 Kim et al. (2017)이 수 행한 바 있다. 또한. Suh et al. (2017)은 압축력을 받 는 단면증대공시체의 압축성능에 표면거칠기가 미치 는 영향에 대해 실험하였다. 이상과 같이 기존의 연구 들은 표면거칠기의 정도에 따른 부재의 성능을 파악 하기 위한 연구가 주로 수행되었다. 그러나, 거칠기의 범위에 대한 부재의 성능평가에 대한 연구는 찾아볼 수 없다. 따라서, 본 논문은 단면증대 공법을 적용한 단순보의 표면거칠기 측정과 휨실험을 통해 표면거칠 기의 평가방법의 적절성을 평가하고, 표면거칠기 범위 에 따른 단면증대 보강된 보의 휨성능을 평가하여 향 후 단면증대부재의 성능파악하기 위한 기초자료를 제 공하고자 한다.

    2. 실험개요

    단면증대 철근콘크리트보에서 표면거칠기가 보의 휨 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해, 보의 표면거칠 기 범위를 변수로 총 4개의 단면증대 철근콘크리트보 를 제작하여 휨실험을 수행하였다. Fig. 1은 실험의 전체적인 과정이다. 기존보를 제작하여 28일간 양생한 후, 기존보의 표면을 거칠게 하는 치핑작업을 수행하 여 표면거칠기를 측정하였다. 그리고 단면증대 된 부 분을 제작하여 휨실험을 하였다.

    3. 치핑면의 표면거칠기

    3.1 표면거칠기 효과

    단면증대공법을 적용함에 있어 기존부재의 치핑은 신, 구 부재 사이의 마찰력을 증진시켜 일체화 거동을 도 와줄 뿐만 아니라, 노후화에 따른 중성화가 진행된 기 존부재의 표면을 제거하는 효과도 있다. 콘크리트 치 핑면의 표면거칠기를 정량화하는 것에 대해서 국내는 물론 국외에서도 명확한 기준이 제시되어 있지 않다. Ko et al. (2015)은 다양한 치핑면에 대한 연구를 통해 Fig. 2와 같은 지표를 사용하여 콘크리트의 표면거칠 기지표의 적절성을 분석하였다. MH는 최대 높이차로 서 측정범위에서 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이의 거리, RH는 상대높이차로서 산과 인접한 골사 이의 가장 큰 높이 차이, AMD는 산술평균거칠기로서 거칠기이력의 평균 높이, 그리고 WL은 거칠기를 통 해 늘어난 길이이다. 이들의 물리적인 의미를 살펴보 면, 산술평균거칠기(AMD)는 거칠기의 평균 높이, 상대높이차(RH)와 최대높이차(MH)는 궁극적으로 전단 에 의해 저항하는 마찰력을 유발하는 높이를 의미한 다. 그리고, 이력길이(WL)는 거칠기로 인해 증가된 길 이로서 신⋅구 부재 사이의 마찰력을 유발하는 접합 면의 면적과 관련 있다.

    3.2 치핑과 표면거칠기 측정

    실제 현장에서 사용되는 치핑이 어느 정도의 거칠기 효과를 갖는 지 정량적으로 분석하기 위하여, 실제 현 장에서 작업하는 도구와 방법을 그대로 적용하여 표 면거칠기 작업을 수행하였다(Fig. 3(a)). 그리고, 자체 제작한 표면이력측정장치를 이용하여 표면거칠기된 부분의 표면거칠기를 측정하였다(Fig. 3(b)).

    표면거칠기의 측정이 가능한 범위에서 측정거리를 200mm, 400mm, 600mm, 800mm, 1,000mm로 변화시 키면서 표면거칠기 이력데이터를 분석하였다. 각 실험 체별 이력데이터로부터 산술평균거칠기(AMD), 최대높 이차(MH), 상대높이차(RH), 그리고 이력길이(WL)에 해당하는 거칠기지표를 산출하였다. 산출된 거칠기지 표 가운데 각 실험체의 표면별로 200mm의 측정거리 결과 나타난 최대값, 최소값, 그리고 평균값을 Table 2에 정리하였다.

    최대값과 최소값은 정량화지표별로 편차가 크게 나타났으나, 각 면별로 도출된 정량화지표의 평균값은 정량화지표별로 거의 비슷하였다. 그리고, 실험체별, 표면거칠기 위치별로 뚜럿한 차이를 보이지 않아 표 면거칠기 작업은 일관성 있에 수행되었음을 확인할 수 있었다. Fig. 4는 표면거칠기의 정량화 방법에 따 른 거칠기지표를 그래프로 나타낸 것이다. 정량화지표 들은 대부분 평균값에 몰리는 정규분포의 형식이라기 보다는 일정 범위내에 흩뿌리듯이 분포되었다.

    3.3 표면거칠기 분석

    통상 도면상에서는 치핑면의 깊이를 6mm 이상으로 지정하고 있으나, 그 깊이에 대한 명확한 근거가 없 다. Figs. 4(b)와 (c)는 각각 상대높이차(RH)와 최대높 이차(MH)의 정량화지표 분포로서 실무에서 제시하는 6mm의 깊이와 비교하고 있다. 최대높이차(MH)가 6mm에 미달하는 값은 표본데이터 84개의 2.3%에 해 당하는 2개에 불과하고, 상대높이차(RH)는 표본수의 15.5%에 해당하는 13개의 지표가 6mm보다 낮은 값을 보여주었다. 최대높이차(MH)는 정확한 거칠기 이력을 파악하지않는 이상 확인하기 어렵고, 실무에서 제시하 는 6mm의 조면처리기준을 상대높이차(RH)라고 본다 면 전체 측정개수의 85%가 주어진 요건을 만족하고 있다고 평가할 수 있다. Table 3

    Fig. 5는 표면거칠기의 측정거리에 따른 표면거칠 기의 표준편차의 변화이다. A-bu-Tair(2000)의 연구에 따르면 표면거칠기 측정거리가 200mm이상이면 표면 거칠기 지표가 안정적이라고 하였으나, 표면거칠기의 측정거리가 600mm를 초과하면서 표준편차가 측정거 리가 200mm일 때의 60% 수준으로 감소하면서 일정 한 수준을 유지하였다. 따라서 표면거칠기의 측정거리 는 600mm정도로 둘 경우 지금보다 일관적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 보인다.

    4. 보의 휨강도 실험

    4.1 실험체 제작 및 계측계획

    기존보와 단면증대된 부분의 콘크리트는 Table 2와 같은 배합비를 적용하였으며, 설계강도는 21MPa이고, 실험 시 측정한 평균압축강도는 23MPa이다. 주근과 스터럽 모두 SD40의 D16과 D10을 각각 사용하으며 평균 항복강도는 435MPa이다. 실험체의 단면은 Fig. 6 과 같으며, 기존보와 단면증대보의 단면의 크기 (bxh) 는 각각 200mm x 200mm와, 300mm x 300mm이다.

    Fig. 7은 실험변수인 거칠기영역을 나타낸 것으로 서 표면거칠기를 전혀 수행하지 않은 보(B-No), 모멘 트가 최대인 부분에만 표면거칠기를 수행한 보(B-05), 모멘트가 최대인 위치로부터 보의 유효깊이까지 거칠 기를 수행한 보(B-10), 그리고 보 전체에 걸쳐 거칠기 를 수행한 보(B-Full)로 구분하여 실험을 수행하였다.

    4.2 실험체 세팅 및 계측

    단면증대보의 휨실험은 반력프레임의 상부에서 300kN 용량의 가력기를 통해 전달되는 하중을 중간 어댑터 를 통해 실험체에 2점 가력하였다 (Fig. 8).

    가력기와 어댑터 사이에 로드셀을 설치하여 실험 체에 가해지는 하중을 측정하였으며, 처짐은 실험체의 경간 중앙에서 측정하여 실험체의 하중-처짐관계를 파악하였다. 실험체 제작과정에서 기존 보의 중앙 (SG-C)과 모멘트가 최대인 점에서 좌우로 각각 d/ 2만 큼 떨어진 위치(SG-L, SG-R)에 스트레인게이지를 부 착여 변형률의 변화를 파악하였다.

    4.3 실험결과

    4.3.1 하중-변위관계

    Fig. 9는 실험결과 나타난 4개 실험체의 하중-중앙부 처짐의 관계이다. 가장 굵은 선은 전체적으로 표면거 칠기를 수행한 보(B-Full), 회색 굵은 선은 모멘트가 최대인 위치에서 유효깊이만큼 떨어진 위치까지 표면 거칠기를 한 보(B-10), 굵은 점선은 모멘트가 최대인 부분만 표면거칠기를 한 보(B-5), 그리고 회색점선은 표면처리를 전혀 하지 않은 보(B-No)이다. 전체적으로 4개의 실험체 모두 전형적인 휨거동의 형태를 띠고 있다. 그래프만으로 볼 때, 표면처리를 전혀 하지 않 은 보(B-No)의 강성만 표면처리를 한 다른 실험체보 다 작게 나타났고, 전체적으로 표면거칠기를 한 실험 체의강도가 다소 높은 것으로 나타났다. 변형능력은 4 가지 보 모두 비슷하였다.

    4개의 실험체의 항복하중, 항복 시 처짐, 최대하 중, 그리고 강성을 Table 4에서 비교하고 있다. 하중- 변위 곡선을 이선형(bi-linear)으로 이상화하여 항복하 중을 결정하였다. 이선형모델에서 초기강성은 원점과 단면증대된 부분의 길이방향 철근이 항복하는 점을 잇는 직선의 기울기이며, 항복하중은 이선형모델과 실 제 실험결과사이의 차이로 나타나는 면적이 동일하게 되는 값으로 정하였다.

    강성은 표면거칠기처리를 하지 않은 B-No가 17.49kN/mm로 낮고 나머지는 20.19∼21.94kN/mm로 비슷하였지만, 항복강도는 전체적으로 표면거칠기를 수행한 B-Full이 240.6kN으로 큰 반면, B-10모델은 227.5kN이고 나머지 2개는 220kN이다. 최대강도도 항 복강도와 유사하게 B-Full이 가장 높고, 그 다음은 B-10, 그리고 B-No와 B-5가 비슷한 수준으로 나타났 다. 표면거칠기를 전혀하지 않은 보와 비교할 때, 전 체적으로 표면거칠기 처리를 한 보의 강성은 25%, 항 복강도는 9%, 최대강도는 6% 증가하였다.

    4.3.2 변형률관계

    Fig. 10은 단면증대된 부분의 휨철근에서 측정된 변형 률의 변화이다. 굵은 선은 경간의 중앙부분에 부착한 철근의 변형률의 변화이고, 가는 선은 모멘트가 최대 인 점에서 좌우로 각각 d/2만큼 떨어진 위치에서 측 정된 변형률의 변화이다. 표면거칠기 처리를 하지 않 은 실험체(B-No)는 124kN에서 항복하고, 모멘트가 최 대인 부분에만 표면거칠기가 된 실험체(B-05)와 소성 힌지영역까지 거칠기처리를 한 실험체(B-10)은 각각 130kN과 132kN에서 항복하였다. 반면, 전체에 걸쳐 표면거칠기를 수행한 실험체 B-Full은 다른 실험체보 다 높은 154kN에서 철근이 항복하였다.

    4.3.3 균열양상

    Fig. 114개 실험체의 균열양상으로 실험체 모두 전 형적인 휨균열에 이은 휨파괴로 파괴되었음을 알 수 있다. 25kNm∼28kNm에서 초기 휨균열이 발생한 후, 하중의 크기가 증가하면서 휨균열의 확장과 균열 수 의 증가, 그리고 전단력의 지배를 받는 부분에서 사인 장 균열이 발생하여 실험체의 압축영역까지 확대되었 다. 표면거칠기를 수행한 실험체들은 전단지배구간에 서 전단균열이 발생하는 것을 확실히 관찰할 수 있었 으나, 표면거칠기를 수행하지 않은 실험체는 전단지배 구간에서 초기에는 휨균열로 시작하다가 균열이 중립 축을 통과하면서 대각균열로 진행되었다. 이로써 표면 거칠기를 수행함으로써 하중전달 메카니즘에서 변화 를 줄 수 있음을 확인할 수 있었다.

    5. 고 찰

    단면증대보의 휨성능을 비교하기위해 토론토대학에서 개발한 Response 2000 (Bentz et al. 2001)으로 구한 단면의 휨성능과 비교하였다. 해석에서 적용한 재료의 물성은 실험에서 얻은 값을 적용하였으며, 신, 구 콘 크리트의 접합면은 완전일체화 된 것으로 가정하였다. 단면해석결과 나타난 모멘트-곡률의 관계는 Fig. 12와 같으며, 단면증대부분의 휨철근은 59.3kNm에서 항복 하였다. Table 5는 해석결과를 이선형모델로 이상화 시킨 항복강도와 실험결과 얻은 항복강도를 비교하고 있는데, 표면거칠기처리를 하지 않은 보(B-No)의 항복 강도와 해석결과가 거의 비슷하였으며, 전체적으로 표 면거칠기를 한 보 (B-Full)의 항복강도는 13% 크게 나 타났다. 이로부터 표면거칠기 처리를 하지 않더라도 큰 강도저하는 발생하지 않음을 알 수 있었다.

    6. 결 론

    단면증대 공법을 적용한 단순보의 표면거칠기 측정과 휨실험을 통해 표면거칠기의 평가방법의 적절성을 평 가하고, 표면거칠기 범위에 따른 단면증대 보강된 보 의 휨성능을 실험을 통해 확인한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.

    • 1) 현재 실무에서 사용되는 방법과 동일한 절차에 따라 치핑된 표면에 대한 표면거칠기 지표를 측정한 결과, 상대높이차(RH)를 기준으로 85%의 거칠기 이력 이 도면에서 일반적으로 제시하는 조면깊이 6mm를 초과하였다.

    • 2) 거칠기 이력의 측정거리를 600mm이상 측정한 결과를 바탕으로 거칠기지표를 도출하였을 때, 거칠기 지표간 표준편차가 줄어들어 보다 안정적인 거칠기 지표값을 얻을 수 있었다.

    • 3) 단일부재로 단면해석을 수행한 결과와 비교할 때, 모든 실험체의 항복강도는 단면해석결과 나타난 항복강도보다 큰 값을 나타내었다.

    • 4) 표면거칠기 처리를 하지 않거나 부분적으로 표 면거칠기처리를 한 실험체의 항복강도는 단면해석에 서 나타난 항복강도보다 7%이내의 강도증진효과가 있었으나, 전체에 걸쳐 표면거칠기를 수행할 경우 13%의 강도증진효과가 나타나, 표면거칠기를 할 경우 전체 단면에 걸쳐 표면거칠기를 하는 것이 더 바람직 함을 알 수 있었다

    감사의 글

    이 논문은 2012년도 한국연구재단의 기초연구사업 지

    Figure

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    Test procedure
    KOSACS-9-64_F2.gif
    Definition of surfaceness index
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    Photos of working and measuring surfaceness roughness
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    Standard Deviation of surface index Surface roughness waves
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    Variation of standard deviation
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    Cross section of beam
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    Experimental variables
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    Experimental instrumentation
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    Relation of Load and deflection
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    Relation of load and strain of longitudinal reinforcement
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    Crack patterns
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    Moment-curvature of section

    Table

    Relationship between Reinforcement Method and Member Capacity
    Surface roughness index of specimen (unit: mm)
    ratio of concrete (unit: N)
    Summary of experimental results
    Comparison of yield moment (unit: kNm)

    Reference

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