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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.1 pp.10-16
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.1.010

Strengthening Effect of FRP Wrapping for the Seismic Performance Enhancement of Lap-spliced Bridge Pier

Yoo Jongho1, Kim Hakgoon1, Kim Sooyoung1, Yoon Soon-Jong2
1Graduate Student, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
·

본 논문에 대한 토의를 2019년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Yoon, Soon-Jong Department of Civil Engineering, Hongik University, Wausan-ro 94, Mapo-gu, Seoul, Korea. Tel: +82-2-3141-07774, Fax: +82-2-3141-0774, E-mail: sjyoon@hongik.ac.kr
November 20, 2018 February 8, 2019 February 12, 2019

Abstract


In this study, FRP wrapping effect for the seismic performance enhancement of RC bridge pier having lap-spliced region is experimentally evaluated. Reinforcement by FRP wrapping is conducted by hand or wrapping machine. In construction procedure, the RC pier is wrapped by the glass fiber impregnated by epoxy resin. To confirm the seismic performance enhancement of FRP wrapped pier, the quasi-static test is conducted. As a result of test, the displacement ductility and energy dissipation capacity of the FRP wrapped RC pier specimen are increased so the enhancement effect of FRP wrapping is confirmed. In addition, because of the relationship between the amount of FRP reinforcement and seismic capacity is not directly proportional, the optimum amount of FRP reinforcement design may be needed for enhancement of pier with lap-spliced region.



겹침이음을 갖는 교각 내진성능 향상을 위한 FRP 래핑 보강효과

유 종호1, 김 학군1, 김 수영1, 윤 순종2
1홍익대학교 대학원 토목공학과 학생
2홍익대학교 토목공학과 교수, 공학박사

초록


이 연구는 지진하중 작용시 RC 교각의 겹침이음부에서 발생할 수 있는 종방향 철근의 부착파괴를 방지하기 위한 FRP 래핑 보강공법에 관한 실험적 연구이다. FRP 래핑공법은 수작업 또는 장비를 이용해 교각에 유리섬유를 래핑하고 에폭시 수지를 이용해 고정시키는 공법이다. FRP 래핑공법의 내진성능 보강효과를 확인하기 위해, 겹침이음부가 존재하는 6개의 교각 실험체에 대해 준정적실험을 수행하였다. 실험결과 FRP 래핑공법으로 보강한 교각은 변위연성도 및 에너지소산 능력이 증가하 였으며, 무보강 실험체에 비해 연성거동함을 확인하였다. 또한, FRP 래핑 보강량과 보강효과는 선형비례하지 않으므로 최적 설 계를 통해 교각을 보강하는 것이 효과적임을 확인하였다.



    Hongik University

    1. 서 론

    철근콘크리트(reinforced concrete, RC) 교각은 시공상 의 편의를 위해 겹침이음부(lap-spliced region)를 갖는 형식으로 설계되어 시공되는 경우가 빈번하다. 그러 나 이러한 겹침이음부를 갖는 교각은 지진하중과 같 은 반복하중이 작용할 경우, 소성힌지 구간의 덮개 콘크리트가 탈락되고 횡방향 철근의 구속력이 상실 되어 종방향 철근들 사이에 슬립(slip)이 발생될 수 있다. 이러한 슬립에 의해 겹침이음부가 파괴되고, 원래 교각이 갖고 있는 하중전달 능력보다 더 작은 하중에 의해 취성파괴가 발생할 수 있다. 이 연구는 지진하중 작용시 겹침이음부가 존재하는 RC 교각에 서 발생할 수 있는 철근 겹침이음부의 부착파괴 및 취성파괴를 방지하기 위한 FRP 래핑 보강공법에 관 한 연구이다.

    FRP를 이용한 내진성능 보강과 관련한 다수의 연구가 진행된 바 있다. 유리섬유복합재료를 사용하 여 교각의 내진성능을 보강한 연구가 수행되었고, 조립식 패널을 이용하여 교각을 보강하는 방법이 제 시되었다(Xiao and Ma, 1997). 또한, RC 교각의 겹침 이음부가 취약하다는 것을 파악하고 FRP를 이용한 보강 설계법이 제안되었다(Priestley et al., 1996). 강 재 자켓 및 FRP 와이어를 이용하여 구속한 기둥의 내진성능 보강효과가 실험적으로 연구되었다(Choi et al., 2010(a);Choi et al., 2013(b)). 한편, 현재 건설분 야에서 가장 빈번하게 적용되고 있는 CFRP 시트를 이용한 보강법이 연구를 통해 제안되었다(Ma et al., 2000).

    이러한 기존 연구를 바탕으로 이 연구에서는 FRP 래핑공법을 소개하고 이 공법의 내진보강 효과 를 준정적실험(quasi-static test)을 통해 확인하였다.

    2. FRP 래핑 공법

    FRP를 이용한 교각 내진성능 보강공법은 FRP 시트 를 이용한 공법이 가장 활발하게 사용되어 왔다. 그 러나 FRP 시트 보강공법은 콘크리트 교각 표면의 요철로 인해 FRP 시트와 교각 표면 사이의 접착면 에 공극이 발생하고 이로 인해 보강재의 박리가 발 생하는 단점이 있다(Park and Kwon, 2017). 또한, FRP 시트 연결부의 불연속 부분에서 탈락이 발생하 기 쉽다. 이 연구는 이러한 FRP 시트 보강공법의 단 점을 보완하기 위해, 교각에 보강섬유를 직접적으로 래핑한 후 공극이 발생하지 않도록 수지를 이용하여 접착시키는 방법을 제시하였다. 이러한 FRP 래핑공 법은 래핑장비를 이용한 방법과 핸드래핑 방법이 있 다(Kwon, 2011).

    2.1 장비래핑 공법

    FRP 장비래핑 공법은 수지에 함침된 섬유를 장비를 이용하여 연속래핑하는 공법이다. FRP 래핑장비의 형태는 아래 Fig. 1에 나타내었으며, 자동으로 수지 에 함침시킨 보강섬유를 일정한 각도를 유지하며 교 각에 래핑하는 장비이다.

    장비래핑 보강공법의 시공순서는 다음과 같다. 먼저 보강할 교각의 표면처리를 하고 프라이머를 도 포한다. 다음으로 크레인을 이용해 래핑장비를 설치 하고 정해진 방향각에 따라 교각을 래핑한다. 보강 섬유 끝단은 절단기로 절단 후 수지를 발라 보강부 에 정착시킨다.

    장비래핑 공법은 사전에 설계한 방향각에 따라 일정하게 보강할 수 있으며, 인력소모가 최소화 된 다는 장점을 갖는다. 반면, 래핑장비의 설치로 인한 공간적 제약이 발생할 수 있다.

    2.2 핸드래핑 공법

    핸드래핑 공법은 교각에 섬유를 수작업으로 래핑한 후 교각 둘레에 FRP 패널을 설치하고, 패널과 교각 사이에 수지를 압력주입하여 충전하는 방법이다.

    핸드래핑 공법의 시공순서는 다음과 같다. 먼저 보강할 교각의 단면처리 및 프라이머를 도포한 후, 직조형식으로 제작된 보강섬유를 에폭시 계열 접착 제를 이용하여 부착한다. 다음으로 FRP 패널로 교각 을 두른 후, 패널과 교각 사이의 빈공간에 에폭시 계열 수지를 압력주입으로 충전한다.

    핸드래핑 공법은 공정 및 인력소모가 장비래핑에 비해 상대적으로 크다는 단점을 가지나, 시공 장소의 공간적 제약이 적다는 장점을 갖는다. 핸드래핑 작업 을 수행하는 전경을 아래의 Fig. 2에 나타내었다.

    FRP 래핑공법을 통해 기대되는 효과는 RC 교각 에 반복하중이 작용할 경우 발생할 수 있는 철근의 탈락을 래핑된 FRP가 고정(또는 지연)시켜주는 역할 을 하여 교각의 내진성능을 향상시키는 것이다.

    3. 내진성능 평가 실험

    이 연구에서는 FRP 래핑공법의 내진성능 보강효과 를 확인하기 위해, 축소모형 교각 실험체 6개를 제 작하여 준정적실험을 수행하였다. 일반적으로 교각 의 내진성능은 하중-변위 곡선으로부터 계산할 수 있는 변위연성도(displacement ductility) 및 에너지소 산 능력(energy dissipation) 등으로 평가할 수 있다 (Priestley et al., 1996;Park and Kwon, 2017). 여기서 변위연성도는 하중-변위 곡선에서 극한변위와 항복 변위의 비를 말하며, 에너지소산 능력은 극한변위까 지의 하중-변위 곡선의 면적이다. 또한, 항복변위는 최대 가력하중의 75%가 작용할 때의 변위이고, 극한 변위는 최대 가력 이후 하중이 20% 저하될 때의 변 위로 정의하였다(Yoon et al., 2004).

    3.1 실험체 설계 및 실험계획

    내진성능 평가를 위해 Fig. 3과 같이 실험체와 장비 를 설치하고 준정적실험을 수행하였으며, 실제 상부 구조를 지지하고 있는 교각을 모사하기 위해 축방향 하중을 받고 있는 상태에서 횡방향의 반복하중을 재 하하였다.

    이 연구에서 수행한 실험은 한국건설기술연구원 구조실험동에서 수행하였다. 축방향 하중은 실제 상 부구조의 자중에 상사비를 적용하여 작용하였으며, 그 값은 38.75tonf로 교각의 축하중강도의 약 5%이 다. 최대 스트로크 ±250mm까지 2 cycle당 0.25%씩 증가하는 변위제어방식으로 재하하였다(Yoon et al., 2004).

    실험체는 총 6개를 제작하였으며 실험체의 설계 상세도는 Fig. 4와 같다. 실험체는 교각의 겹침이음 부 거동을 파악하기 위해 기초와 교각의 연결부 35cm 부분의 철근을 겹침이음 시공하였다. 각각의 실험체는 FRP 보강유무, 래핑공법의 종류, 래핑높이 등을 변수로 하였다. 장비래핑은 FRP 방향각, 두께, 높이가 조절한 장비를 이용하였으며, 방향각 5°, 두 께 0.75mm로 설정하였다. 공법의 차이에 따른 비교 를 위하여 핸드래핑 공법 또한 동일한 방향각 및 두 께로 실험체를 제작하였다. 보강높이는 교각의 겹침 이음부 35cm 구간을 포함하여, 교각 상단방향으로 45cm부터 240cm까지 확장하였다. 각 실험체의 조건 은 아래의 Table 1에 정리하였다.

    실험체를 구성하는 콘크리트의 압축강도는 23.5MPa 이며, 철근은 SD300 (fy=294.1MPa)을 사용하였고, 종 방향 철근은 D13, 띠철근은 D6을 사용하였다. 또한, 보강재료인 유리섬유/에폭시 복합재의 역학적 성질 의 확인을 위한 인장시험 및 전단시험을 수행하였 고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다.

    3.2 실험결과 비교 및 분석

    3.2.1 파괴양상 분석

    무보강 실험체(1번 실험체)의 파괴양상 및 하중-변위 이력곡선을 Fig. 5 및 Fig. 6에 나타내었다.

    Fig. 5에 나타낸 무보강 실험체의 파괴양상은 지 진하중 작용시 발생하는 전형적인 RC 교각의 파괴 양상과 유사하다. 피복콘크리트의 탈락이 관찰되었 으며 갑작스러운 취성파괴가 일어났다. 특히, 파괴 이후 종방향 철근의 좌굴이나 항복 등에 의한 손상 이 관찰되지 않았는데, 이는 종방향 철근이 탈락되어 교각이 충분한 성능을 발휘하지 못했음을 의미한다.

    보강 실험체(2번 실험체)의 파괴양상 및 하중-변 위 이력곡선을 Fig. 7 및 Fig. 8에 나타내었다.

    보강된 실험체에서 피복콘크리트의 탈락은 관찰 되지 않았으며, 무보강 실험체와 비교하여 상대적으 로 연성거동함을 확인하였다. 이는 FRP 래핑효과에 의해 종방향 철근의 부착이 유지되어 교각이 갖고 있는 성능을 충분히 발휘하였음을 의미한다.

    Fig. 6 및 Fig. 8에 표시한 바와 같이 하중-변위 이력곡선에서 각 하중 재하 사이클의 최대하중 및 변위 값들을 이용하여 실험체의 하중-변위 곡선(back bone curve)을 구성하였다. 각 실험체의 하중-변위 곡 선은 Fig. 914에 나타내었으며, 이 곡선을 통해 변 위연성도 및 에너지소산 능력을 계산하였다. Fig. 10, 11, 12

    3.2.2 실험결과 비교

    FRP 래핑공법의 내진성능 보강효과를 확인하기 위 해, 무보강 실험체(1번 실험체)와 보강된 실험체들의 하중-변위 관계를 비교하였다. 장비래핑 공법을 사용 한 실험체와의 비교는 Fig. 15에 나타내었으며, 핸드 래핑 공법을 사용한 실험체와의 비교는 Fig. 16에 나 타내었다. Table 3

    장비래핑 공법을 사용한 실험체의 변위연성도는 평균 3.54로 무보강 실험체의 변위연성도인 2.23에 비해 약 1.59배 증가하였다. 또한, 보강된 실험체의 에너지소산 능력은 평균 14.06kN⋅m로 무보강 실험 체의 에너지소산 능력인 3.36kN⋅m에 비해 약 4.18 배 증가하였다.

    핸드래핑 공법을 사용한 실험체의 변위연성도는 평균 4.55로 무보강 실험체의 변위연성도에 비해 약 2.04배 증가하였다. 또한, 보강된 실험체의 에너지소 산 능력은 평균 21.13kN⋅m로 무보강 실험체의 에 너지소산 능력에 비해 약 6.29배 증가하였다.

    에너지소산 능력은 핸드래핑 공법으로 보강된 실 험체가 장비래핑 공법으로 보강된 실험체 보다 상대 적으로 더 크게 증가하였으며, 이를 통해 공간적인 제약으로 인해 장비래핑이 불가한 경우에는 핸드래 핑 공법을 사용하여 목표로 하는 내진성능 보강효과 를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.

    또한, 래핑높이에 따라 내진성능은 증가하는 경 향을 보였으나, 보강량과 보강효과는 선형비례하지 않음을 확인하였다. 따라서, 최적의 보강량을 설계하 여 보강하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    이 연구는 FRP 래핑공법을 이용한 RC 교각 내진성 능 보강효과를 준정적실험을 통해 확인한 연구이다.

    실험체의 파괴양상을 파악해 본 결과, 무보강 실 험체에서는 피복콘크리트의 탈락 및 취성파괴가 관 찰되었으며, 종방향 철근의 손상 없이 탈락이 발생 하여 실험체가 파괴됨을 확인하였다. 반면, 보강된 실험체의 경우 무보강 실험체에 비하여 상대적으로 연성거동하며, 래핑효과에 의해 종방향 철근의 부착 이 유지되어 교각이 갖고 있는 성능을 충분히 발휘 하였음을 확인하였다.

    FRP 래핑공법을 이용하여 보강한 실험체는 무보 강 실험체에 비해, 변위연성도가 평균 1.77배 증가하 였고 에너지소산 능력은 평균 5.03배 증가하였다.

    FRP 래핑공법은 장비래핑 또는 핸드래핑에 의해 서 수행되는데, 실험결과를 분석해 본 결과 두 공법 모두 필요로 하는 내진성능 보강효과를 얻을 수 있 었다. 따라서, 경제성 및 시공성을 고려하여 공법을 선택적으로 사용하는 것이 가능함을 확인하였다.

    FRP 래핑높이에 따라 보강효과는 증가하는 경향 을 보였으나, 보강량과 보강효과가 정확히 비례하지 않으므로 최적설계를 통해 보강하는 것이 효과적임 을 확인하였다.

    감사의 글

    이 논문은 2018학년도 홍익대학교 학술연구진흥비에 의하여 지원되었으며, 이 지원에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-10-1-10_F1.gif
    FRP Wrapping Machine
    KOSACS-10-1-10_F2.gif
    FRP Hand Wrapping
    KOSACS-10-1-10_F3.gif
    Schematics of Quasi-Static Test
    KOSACS-10-1-10_F4.gif
    Schematics of Test Specimen
    KOSACS-10-1-10_F5.gif
    Failure Mode of Specimen No. 1 (No FRP Wrapping)
    KOSACS-10-1-10_F6.gif
    Hysteresis Curve of Specimen No. 1
    KOSACS-10-1-10_F7.gif
    Failure Mode of Specimen No. 2 (FRP Wrapping)
    KOSACS-10-1-10_F8.gif
    Hysteresis Curve of Specimen No. 2
    KOSACS-10-1-10_F9.gif
    Load-Displacement Curve of Specimen No. 1
    KOSACS-10-1-10_F10.gif
    Load-Displacement Curve of Specimen No. 2
    KOSACS-10-1-10_F11.gif
    Load-Displacement Curve of Specimen No. 3
    KOSACS-10-1-10_F12.gif
    Load-Displacement Curve of Specimen No. 4
    KOSACS-10-1-10_F13.gif
    Load-Displacement Curve of Specimen No. 5
    KOSACS-10-1-10_F14.gif
    Load-Displacement Curve of Specimen No. 6
    KOSACS-10-1-10_F15.gif
    Comparison between No FRP Wrapping Pier and FRP Wrapping Pier by Machine
    KOSACS-10-1-10_F16.gif
    Comparison between No FRP Wrapping Pier and FRP Wrapping Pier by Hand

    Table

    Specimens of Quasi-Static Test
    Mechanical Property of Composite Reinforcement
    Results of Quasi-static Test

    Reference

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