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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.5 pp.24-30
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.5.024

Evaluation of Settlement Model of Hybrid FRP Anchors

Sang Young Shin1, Il Ho Park2, Jong Eok Lee2, Chun Ho Chang3
1Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
2Master Course Student, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
3Professor, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2019년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Chang, Chun Ho Department of Civil Engineering, Keimyung University, Shindang-Dong, Dalseo-Gu, Daegu, 42601, Korea. Tel: +82-53-580-6702, E-mail: Chunho@kmu.ac.kr
September 19, 2019 October 4, 2019 October 4, 2019

Abstract


Recently, the FRP reinforcement technique has been used for repair and reinforcement of aged structures. Various anchorages systems are being developed to prevent debonding fracture caused by reduction of reinforcement performance of the FRP reinforcement method. This study was conducted to develop anchor model that improved anchorage system’s anchorage strength and workability. The hybrid anchor model of the new mechanism was developed by combining the existing mechanical anchor and FRP anchor. To develop hybrid anchors, various types of mechanical anchors were combined with carbon and aramid fibers. Pull out strength test was performed to evaluate the characteristics of various anchor models. As a result of the pilot experiment, the drop-in anchor and the undercut anchor were limited to the low anchorage strength. Stud anchors showed high anchorage strength, and integration was important for combining anchor and FRP. I-Hybrid anchors were fabricated in the form of coupling the FRP rod by drilling holes inside the anchor for integration. In the case of the I-Hybrid anchor, the pull-out behavior was shown in the anchor hole. Therefore, if I-Hybrid anchors are integrated in future studies, it is believed that they will be effective in reducing FRP debonding failure.



Hybrid FRP 앵커의 정착 모델 평가

신 상영1, 박 일호2, 이 종억2, 장 준호3
1계명대학교 토목공학과 박사수료
2계명대학교 토목공학과 석사과정
3계명대학교 토목공학과 교수

초록


최근 FRP 보강공법의 보강성능 저하 요인으로 발생하는 박리파괴를 방지하고자 다양한 앵커리지 시스템이 개발되고 있다. 본 연구는 기존 사용되고 있는 기계식 정착 앵커와 FRP 앵커를 복합하여 새로운 메커니즘의 Hybrid 앵커모델을 개발하였 다. Hybrid 앵커를 개발하기 위해 다양한 종류의 기계식 앵커와 Carbon 및 Aramid 섬유를 조합하였다. 개발된 다양한 앵커모델 에 대한 특성을 평가하고자 Pull out 강도 실험을 수행하였다. 예비 실험 결과 Drop-in 앵커와 Undercut 앵커의 경우 낮은 정착력 으로 적용에 한계가 있었다. Stud 앵커는 높은 정착력을 확인하였으며, 앵커와 FRP를 결합하기 위해서는 일체화가 중요한 것으 로 나타났다. 일체화를 위해 앵커 내부에 홀을 천공하여 FRP rod를 결합하는 형태로 I-Hybrid 앵커를 제작하였다. I-Hybrid 앵커 의 경우 앵커 내부 홀에서 뽑히는 거동을 보였다. 따라서 향후 연구에서 I-Hybrid 앵커가 일체화된다면 FRP 박리파괴 저감에 효 과적일 것으로 사료된다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2018R1D1A1B07050901

    1. 서 론

    최근 2000년대부터 기존 건설된 RC 구조물의 보 수ㆍ보강에 관한 연구 및 공법들이 개발되어 활용 되고 있다. 그중 최근 FRP(Fiber-reinforced polymer) 를 활용하여 RC구조 부재의 보강이 많이 이루어지 고 있으며, 보강성능에 대한 실험, 해석을 통해 성능 평가에 대한 많은 연구가 수행되었다(Kim and Smith, 2009). 그중 기둥의 경우 랩핑(wrapping)공법과 자켓 팅 공법은 전 단면에 대해 보강이 진행되어 구속효 과로 인해 박리에 대한 위험성은 낮다. 하지만 보와 슬래브의 경우 U 자켓팅, 단순 부착 형태의 공법으로 보강이 활용되고 있지만 일부 콘크리트 면에 균열이 발생하며, FRP와 콘크리트의 계면을 따라 균열이 진행 되면서 박리파괴가 발생한다(Teng et al., 2003;Smith and Gravina, 2007).

    박리파괴의 발생은 FRP의 최대 인장 변형량보다 훨씬 작은 변형에서 발생하며, FRP의 보강성능을 현 저히 떨어트리는 파괴형상이다. 따라서 FRP 보강의 성능을 높이기 위해서는 이러한 박리파괴 모드를 제 어해야 한다(Kim and Smith, 2010). 박리파괴를 방지 하거나 지연시키기 위해 금속앵커를 활용하여 여러 가지 종류의 앵커리지를 적용하는 연구가 진행되었 다(Sharif et al., 1994). 또한 FRP의 고유 특성을 유지 시키기 위해 FRP섬유를 롤링하여 만든 앵커의 한쪽 끝을 콘크리트 부재에 천공한 구멍에 에폭시를 이용 해 삽입하고, 나머지 부분을 FRP 플레이트에 부재형 태로 부착하는 FRP 앵커에 대한 연구가 수행되었다 (Kim and Smith, 2010). 하지만 기존 섬유로만 FRP 앵커를 제작하고 정착시키는 데 수많은 수고와 번거 로움, 시간이 걸리는 단점을 가지고 있다.

    따라서 본 연구에서는 FRP 앵커의 제작 및 시공 단계에서 작업성이 열악한 한계점을 개선하고자 한 다. 이를 위해 기계식 정착장치를 갖는 앵커리지 요 소와 FRP 보강 플레이트와 결합력을 높이기 위한 FRP 부착 팬 요소를 가지는 새로운 형태의 앵커 모 델을 개발하고, 특성을 평가하였다.

    2. 실험목적

    FRP 앵커의 경우 파괴모드는 FRP 앵커의 콘크리트 콘 파괴, 접착제와 콘크리트의 접착파괴, 앵커와 접착 제의 접착파괴, 복합 접착파괴, 앵커 파괴 등의 다양 한 파괴양상을 보인다. 이러한 파괴요인은 콘크리트의 강도, 접착제의 강도, 앵커 사용된 섬유 및 경화제의 강도, 작업자의 숙련도 등 다양한 요인이 작용한다.

    FRP 앵커의 뽑힘강도(Pull-out strength)를 산정하 기 위해 산정한 강도식의 대다수가 ACI 349에 제안 하고 있는 CCD(Concrete Capacity Design)에 기초를 두고 있다. ACI 349-85에서는 콘크리트의 45° 원추형 콘 파괴강도를 파열 파괴강도로 평가하고 있었으나, 이후 ACI 349-01에서 파괴 콘을 35° 각도를 갖는 피 라미드 형상으로 정의하고 있다. 따라서 콘크리트 콘 파괴강도는 유효매입깊이의 1.5승에 비례하는 것 으로 제안하고 있다.

    FRP 앵커의 뽑힘강도 모델의 경우 식 (1)과 같이 콘크리트 콘 파괴 모델(Ncc)와 접착파괴 모델(Ncb), 앵 커파괴 모델(Nar) 중 최소강도로 사용한다(Kim and Smith, 2010;Llauradó et al., 2017).

    N u = min ( N c c , N c b , N a r )
    (1)

    여기서 각각의 파괴모드별 제안된 강도모델은 Table 1에 나타내었다. Ncc의 경우 대부분의 ACI 349-01에서 제안한 모델을 기초로 실험결과를 회귀 분석을 통해 상수를 변화시키는 형태로 제안되고 있 다. Ncb는 ACI에서 제안된 강도모델의 부재로 인해 각 연구자에 따라 제시되고 있으나 정착되는 홀의 단면적과 접착제의 전단응력으로 비교적 단순하게 제안되고 있다. 앵커의 파괴모델인 Nar의 경우에도 섬유의 단면적과 강도에 안전율 계수를 두는 형태로 제시되고 있다.

    이와 같이 다양한 연구자에 의해 FRP 앵커의 강 도를 산정하기 위해 실험식이 제안되었다. 하지만 본 연구에서는 기계식 정착을 통한 접착 파괴모드를 배제하고, 콘크리트 콘 파괴 모드와 앵커의 파괴 모 드만을 고려하여 앵커의 뽑힘강도를 설계할 수 있도 록 뽑힘강도 산정식의 간소화하고자 한다.

    3. 실험개요 및 내용

    3.1 실험개요

    3.1.1 콘크리트 블록 제작

    콘크리트 콘 파괴 단면은 ACI 349-08에 따라 유효 근입깊이 60mm 기준으로 산정했을 때 Fig. 1과 같이 가로ㆍ세로가 3hef=180mm로 산정되며, 대각선 최대 파괴 범위는 254.6mm로 산정되었다. 따라서 뽑힘강 도 실험을 콘크리트 위한 콘크리트 블록은 안전율을 고려한 실험실의 조건에 맞추어 가로 300mm, 세로 300mm, 높이 300mm로 제작하였다.

    3.1.2 앵커 실험체 제작

    FRP 앵커의 실제 뽑힘강도 평가는 Kim and Smith (2010)의 실험과 비교를 위해 FRP 앵커 실험체는 Fig. 2(a)의 형태로 110mm 너비의 섬유를 에폭시로 함침과 동시에 총 길이 300mm로 제작하였다. 또한 FRP와 기계식 앵커의 결합을 위해 Fig. 2(b)와 같이 Eye nut에 섬유를 묶는 형태로 제작한 E-Hybrid 앵커 를 예비실험을 위해 제작하였다. 또한 E-Hybrid 앵커 의 한계점을 보완하기 위해 Fig. 2(c)와 같이 FRP Rod를 제작함과 동시에 기계식 앵커 본체부에 천공 한 홀에 넣어 함침하여 결합한 I-Hybrid를 제작하였 다. 앵커의 상부에는 시험기 지그에 고정할 수 있도 록 알루미늄파이프에 에폭시를 이용해 결합하였다.

    3.1.3 실험체 설치

    본 연구에서는 Hybrid 앵커의 뽑힘강도를 평가하기 위하여 콘크리트 블록에 제작한 앵커 실험체를 설치 하였다. 실험체의 설치 순서는 Fig. 3(a)~(f)와 같은 순서로 진행하였다. FRP 앵커의 제작순서는 다음과 같다. (a) 콘크리트 블록에 앵커를 설치할 구경의 홀 을 천공한다. (b) 에어건을 이용하여 홀 내부의 이물 질을 제거한다. (c) 홀에 앵커를 정착하기 위해 섬유 종류에 맞는 에폭시를 주입한다. (d) 에폭시를 주입 한 홀에 FRP 앵커를 삽입하고 수직을 유지할 수 있 도록 스페이서를 이용하여 고정한다. Hybrid 앵커는 Fig. 3(a), (b)처럼 동일하게 진행하며, Fig. 3(e)와 같 이 기계식 앵커부의 정착을 위해 해머드릴 또는 해 머를 이용해 항타한 후 (f)와 같이 제작한 결합부를 볼트 또는 너트를 이용하여 결합하는 방식으로 설치 하였다. 따라서 기존 FRP 앵커의 경우 에폭시의 경 화기간인 5~10일 후에 정착력을 발현할 수 있는 단 점이 있지만, Hybrid 앵커는 시공 즉시 정착력이 발 현될 수 있는 장점이 있다.

    3.2 실험내용

    3.2.1 예비 실험 변수

    본 연구에서는 기계식 정착이 가능한 Hybrid 앵커 모델을 개발하고자 다양한 형태의 기계식 앵커와 FRP Rod를 결합했을 때의 강도 및 파괴모드를 산정 실험을 수행하였다. 앵커의 종류는 Fig. 4(a)~(c)와 같 이 Drop-in, Stud, Undercut 앵커를 사용하였다. 또한 기존 FRP 앵커와 비교를 위해 총 4가지를 사용하였 으며, 섬유에 따른 특성 평가를 위해 많이 사용되고 있는 Carbon 섬유와 Aramid 섬유를 사용하였다.

    앵커의 근입깊이에 따른 거동특성을 평가하기 위 해, 근입깊이 40mm, 60mm 두 가지로 설정하였다. 실험 변수는 Table 2와 같이 총 16가지 변수로 두고 종류별로 3개의 실험체로 총 48개에 대한 실험을 수 행하였다.

    3.2.2 본 실험 변수

    예비실험을 통해 적용이 가능한 기계식 앵커는 Stud 앵커로 선정하였다. Stud 앵커 본체부에 천공을 하 고, 내부에 FRP rod를 에폭시로 결합시키는 방법을 사용한 I-Hybrid 앵커의 뽑힘강도 실험을 수행하였 다. 실험 변수는 Table 3과 같이 예비실험에서 확인 하지 못한 FRP 앵커의 뽑힘강도 특성평가를 위해 Ncb가 나타날 것으로 예상되는 60mm에 대해 2종류 의 섬유를 사용하였다. 또한 Stud 앵커의 뽑힘거동을 확인하기 위해 Stud 앵커만 사용한 PNS 실험체, I-Hybrid 앵커에 Carbon 섬유와 Aramid 섬유를 사용 한 PCH와 PAH에 대해 각각 근입깊이 40mm, 60mm 에 대해 실험을 수행하였다.

    3.3 사용 재료

    3.3.1 섬유

    본 연구에 사용된 섬유는 기존 보수ㆍ보강에 많이 활용되는 Carbon과 Aramid를 사용하였다. 사용된 섬 유의 물성치는 Table 4에 나타내었다.

    3.3.2 콘크리트

    본 연구에서 사용된 콘크리트 블록은 설계압축강도 36MPa로 사용하였으며, KS F 2403에 준하여 직경 100mm, 높이 200mm 공시체를 제작하였으며, 재령 28 일 동안 양생하였다. Fig. 5와 같이 KS F 2405에 준하 여 압축시험기를 이용하여 28일 재령 콘크리트 공시 체의 압축강도 시험 결과 평균 압축강도 41.05MPa로 결과를 보였다.

    3.4 실험 방법

    본 연구에서는 앵커의 뽑힘실험을 위해 Fig. 6과 같이 실험장치를 제작하여 하부의 홈을 통해 앵커를 시험 기 지그에 고정할 수 있도록 하였다. 또한 실험을 진 행하면서 콘크리트 콘 파괴가 적절하게 발생할 수 있 도록 뽑힘 가이드를 두어 콘크리트 블록과 실험장치 가 이격될 수 있도록 설치하였다. 실험은 KOLAS 인 증기관인 첨담건설재료실험센터의 MTS UTM 장지를 활용하여 실험을 수행하였다.

    4. 실험 결과

    4.1 예비 실험 결과

    본 연구에서 개발하고자 하는 Hybrid 앵커에 적용할 기계식 앵커 선정과 결합방식을 결정하기 위해 수행 한 예비실험을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 7과 같 다 Drop-in 앵커와 Undercut 앵커를 적용한 실험체 에서는 모든 실험체에서 앵커의 뽑힘 현상이 발생 하면서 섬유의 파괴점까지 도달하지 못하는 거동을 보였다.

    FRP 앵커의 강도모델과 실험 결과를 비교하기 위해 Ncc모델은 ACI 349의 제안식을 사용하였으며, Ncb모델과 Nar모델은 Kim and Smith(2010)의 제안식 을 사용하였다. 해당 모델에 본 연구에서 사용한 재 료 및 실험조건을 대입한 결과 Table 5와 같이 40mm에서는 Ncc 거동을 보일 것으로 예측되었으며, 60mm실험체에서는 모두 Ncb 거동을 보이는 것으로 나타났다. Nar의 경우 예측값이 섬유별로 Carbon 섬 유는 41.88kN, Aramid 섬유는 29.13kN으로 다른 파 괴모드에 비해 충분한 강도가 확보되었다.

    예비실험 결과 FRP 앵커 시리즈인 PCN, PCD 시 리즈에서는 두 시리즈 모두 콘크리트 블록의 홀에 에폭시로 결합된 외피부분과 내부의 FRP 앵커부분 이 벗겨지는 형태의 거동을 보였다. 그로인해 예측 값에 비해 현저히 낮은 강도를 보였다. Drop in 앵커 를 사용한 실험체의 경우 모든 실험체에서 앵커가 콘크리트와 충분한 결합력을 갖지 못하고 뽑히는 거 동을 보여 낮은 강도를 보였다. Undercut 앵커 시리 즈의 경우 몇몇 실험체에서는 앵커의 뽑힘현상이 발 생하였으나, 앵커가 충분히 정착된 실험체에서는 섬 유와 앵커의 연결부에서 섬유의 파단이 발생하며 충 분한 강도를 발현하지 못하는 거동을 보였다. Stud 앵커를 사용한 실험체에서는 앵커의 정착은 모두 안 정적으로 이루어졌으나, 모든 실험체에서 섬유와 앵 커 연결부에서 섬유의 파단이 발생하였다.

    따라서 예비실험을 통해 기계식 앵커는 Stud 앵 커를 활용하는 것이 효과적인 것으로 확인하였다. Hybrid 앵커의 연결 상세의 경우 기계식 앵커와 FRP 를 일체화시켜야 할 것으로 확인되었다.

    4.2 본 실험 결과

    본 실험결과 Fig. 8과 같이 섬유만 사용하여 제작한 FRP 앵커의 경우 모두 콘크리트 콘 파괴와 부착파괴 가 복합된 Ncb형태로 파괴되며 충분한 강도를 발현하 였다. Stud 앵커만 사용한 PNS의 경우 40mm에서는 모두 콘 파괴 거동을 보였으나, 60mm 실험체에서는 앵커의 볼트부위에서 파괴가 발생하였다. I-Hybrid 앵 커의 적용한 실험체에서는 모두 앵커 본체와 FRP rod 접합부분에서 FRP rod가 뽑히는 현상을 보이며, 충분 한 강도를 발현하지 못하는 거동을 보였다.

    앵커의 뽑힘강도 모델과 비교했을 때 FRP 앵커의 경우 충분한 강도를 발현하며, 콘크리트 콘 파괴 모드 를 유도하였다. 또한 Stud 앵커만 사용한 실험체의 경 우에 근입깊이 40mm 실험체의 경우 모두 콘크리트 콘 파괴가 발생하며, 예측한 강도에 비해 다소 높은 하중에서 콘크리트 콘 파괴를 유도하였다. 하지만 근 입깊이 60mm 실험체의 경우 앵커의 Steel rod 부분에 서 파단이 발생하는 거동을 보였다. I-Hybrid 앵커의 경우 모든 실험체에서 동일하게 Stud 앵커 본체에 결 합된 부분에서 FRP rod가 뽑힘현상이 발생하면서 충 분한 하중을 부담하지 못하는 거동을 보였다. Table 6

    5. 결 론

    본 연구에서는 FRP 앵커의 시공단계에서의 한계점 을 개선하고자 기계식 정착이 가능한 Hybrid 앵커를 개발하고자 다양한 방법으로 모델을 제작하였다. 각 모델의 성능을 평가하기 위해 앵커의 중요한 특성인 뽑힘강도를 평가하기 위해 콘크리트 블록에 앵커를 정착하여 실험을 통해 향후과제를 도출하였다.

    실험 결과, 기존 기계식 앵커 중 Drop-in 앵커와 Undercut 앵커의 경우 하중 전달 메커니즘이 항타에 의한 초기 정착 이후 인발하중이 발생하면 정착력이 약화되는 형태로 나타났으며, Stud 앵커의 경우 초기 정착 이후 앵커의 Stud 면이 충분히 정착되면 인발 하중 하에서 충분한 정착력을 유지할 수 있는 것으 로 보여 추후 Hybrid 앵커 모델에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

    기계식 앵커와 FRP를 결합하기 위해 초기에 사 용하였던 묶음 방식의 경우 섬유 사이에 층이 생기 면서 피복부분에서부터 섬유가닥이 끊어지는 현상에 의해 점진적인 파괴가 발생하였으며, 이로 인해 섬 유의 인장강도에 25% 미만에서 파괴가 발생하는 것 으로 확인되었다.

    FRP를 기계식 앵커 본체 내부에 결합시키는 방 법을 고안하였으며, 내부 홀에 에폭시를 이용하여 FRP rod를 정착시킨 실험체에서는 FRP rod가 앵커 내부 홀에서 충분한 접착력을 가지지 못하고 뽑히는 현상이 발생하였다.

    향후 연구에서 기계식 앵커 내부 홀의 충분한 정 착이 가능하도록 모델을 보완하면 기존 FRP 앵커에 비해 시공성이 개선되고, 균질한 성능을 발현할 수 있는 공법이 될 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 한국연구재단의 기본연구지원사업(NRF-2018 R1D1A1B07050901)의 지원으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-10-5-24_F1.gif
    Section Through Failure Cone
    KOSACS-10-5-24_F2.gif
    Anchor Components
    KOSACS-10-5-24_F3.gif
    Installation of Anchor
    KOSACS-10-5-24_F4.gif
    Type of Post-installed Anchor
    KOSACS-10-5-24_F5.gif
    Compressive Strength Test
    KOSACS-10-5-24_F6.gif
    Anchor Pull-out Test
    KOSACS-10-5-24_F7.gif
    Pilot Test of Pull-out Strength Results
    KOSACS-10-5-24_F8.gif
    Pull-out Strength Results

    Table

    Summary of Existing Analytical Models
    Pilot Experimental Variable
    Experimental Variable
    Fiber Information
    Plilot Experimental Results
    Experimental Results

    Reference

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