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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.1 pp.11-17
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.1.011

Long-Term Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Near-Surface Mounted Fe-Based Shape Memory Alloy Strips

Yeongmo Yeon1, Kinam Hong2, Wonbo Shim3
1Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hong, Kinam Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 1, Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju-si, Korea. Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-261-2268 E-mail: hong@cbnu.ac.kr
January 22, 2020 February 10, 2020 February 10, 2020

Abstract


This paper reports an experimental study on the flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams strengthened with near-surface mounted Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA) strips under sustained load. Three specimens were prepared with/without Fe-SMA strips and Fe-SMA activation. To investigate the long-term behavior, a ton concrete weight was hung on their center; under the load, the Fe-SMA was activated via the electrical resistance method by using a 15 kW power supply. The mid-span deflection of the specimens was measured with a dial gauge for 528 days. After that time, a flexural failure test was performed to evaluate their residual strength. Upon hanging the concrete piece, the deflection of the specimens reinforced with Fe-SMA strips became immediately 50% smaller than that of the nonstrengthened ones and, after 528 days, it was reduced by 35.3% compared with those having nonactivated Fe-SMA strips. The flexural failure test showed that the strength of the specimens reinforced with Fe-SMA strips was about 25% greater than that of the nonstrengthened ones. In addition, the Fe-SMA activation had little effect on the ultimate strength improvement, but it was effective on the initial stiffness enhancement.



홈삽입 철계-형상기억합금 스트립으로 보강된 RC보의 장기거동

연 영모1, 홍 기남2, 심 원보3
1충북대학교 토목공학과 박사과정
2충북대학교 토목공학부 교수
3충북대학교 토목공학과 박사수료

초록


본 논문은 지속하중을 받은 철계-형상기억합금 표면매립보강 철근콘크리트 보의 휨 거동에 대한 실험적 연구이다. 연 구를 위하여 철계-형상기억합금 보강 유ㆍ무 및 철계-형상기억합금 활성화 유ㆍ무를 변수로 하여 3개의 실험체를 제작하였다. 장기거동을 측정하기 위해 약 1 ton 중량의 콘크리트 추를 시험체 중앙에 거치하였다. 상재하중 재하 후 철계-형상기억합금을 15kW용량의 전력공급장치를 통해 활성화하였다. 이 후 다이얼게이지를 이용하여 실험체 중앙의 처짐을 528일동안 측정하였다. 528일 후 실험체의 잔존강도를 확인하기 위해 휨 파괴 실험을 실시하였다. 실험결과, 콘크리트 추를 거치한 후 철계-형상기억합 금으로 보강된 실험체는 무보강 실험체 대비 50%이상 감소된 즉시처짐을 나타냈다. 또한 철계-형상기억합금을 활성화 시킨 실 험체가 활성화 시키지 않은 실험체에 비해 약 35.3% 감소된 추가처짐을 나타냈다. 잔존강도 실험결과 철계-형상기억합금으로 보강한 실험체는 무보강 실험체대비 26% 이상의 극한강도 증가를 나타냈다. 또한 철계-형상기억합금 활성화는 초기 강성을 증 가시키며 극한 강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19CTAP=C151899-01

    1. 서 론

    철근콘크리트는 우수한 내구성 및 내화성을 갖는 재 료이며, 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 건 설재료이다. 그러나 철근콘크리트 구조물은 시공 중 설계변경에 의한 내력저하, 설계 불량, 구조물의 노 후화, 구조물 용도변경으로 인한 하중 증가 등 여러 가지 원인에 의해 손상이 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전 세계적으로 철근콘크리트 구조물 보수·보강에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다 (Ashour et al., 2004;Fathlbab et al., 2014).

    콘크리트 구조물 보수·보강을 위해 다양한 재료 및 공법이 사용되고 있다. 그 중 FRP Sheet나 Plate 를 에폭시 수지를 이용하여 외부에 부착하는 외부부 착공법(Extenally bonded, EB)과 FRP bar 또는 FRP strip 을 미리 제작된 홈 안에 삽입 후 에폭시 수지를 이용 하여 부착하는 표면매립공법(Near Surface Mounted, NSM)은 FRP 재료의 많은 장점에 의해 콘크리트 구 조물 보강산업에서 가장 활발히 적용되고 있는 공법 이다. 그러나 FRP 보강재를 이용한 보강공법은 보강 재가 충분한 인장강도에 도달하기 전 조기에 박리, 박락 등으로 인해 그 성능이 100% 발휘하지 못하는 단점이 있다(Yang et al., 2002). 이러한 FRP 부착공 법의 문제를 해결하기 위해 FRP 프리스트레스 보강 공법이 연구되어지고 있다(Hong, 2010). FRP 프리스 트레스 보강공법은 정착장치를 이용하여 CFRP Plate, Rod, Strip 등을 정착시킨 뒤 긴장력을 도입하는 방 식이다. FRP 프리스트레스 보강공법은 하중 초기 단 계에서 구조물 강성을 증가시킬 뿐 아니라 발생된 처짐을 감소시키는 효과를 기대할 수 있으며, 보강 전 발생된 균열을 제어하여 내구성을 증가시키는 등 여러 가지 장점이 있다(Chung et al., 2004). 그러나 이러한 장점에도 불구하고 FRP 프리스트레스 보강 공법은 긴장력 도입공정에서의 고가 장비 사용, 시 공 비용 및 공기 증가, 긴장작업간 안전사고 등 여 러 가지 문제를 가지고 있다(Kang et al., 1999).

    FRP 프리스트레스 보강공법의 단점을 해결하기 위해 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)을 이 용하여 구조물을 보강하기 위한 연구가 국내·외에 서 활발히 진행되고 있다(Hong et al., 2018; Rojob et al., 2017). 형상기억합금이란 소성변형이 발생하여도 일정한 온도에 도달하면 사전에 기억된 형상으로 돌 아가려는 성질을 가진 합금이다. 이때 사전변형이 발생된 SMA의 변형을 구속 후 전기가열 등으로 SMA를 활성화하면 회복응력이라 불리는 내부 응력 이 SMA 전 길이에 걸쳐 발생된다. 이러한 원리를 이용하여 사전변형이 발생된 SMA를 모체의 인장영 역 홈에 매립 후 활성화시키면 회복응력에 의해 압 축응력이 발생하게 되며 이는 프리스트레스와 동일 한 효과이다. 이러한 원리를 이용하여 구조물 보강 시 SMA를 이용하면 정착 및 잭킹과정 없이 간단한 방법으로 구조물에 프리스트레스 효과를 부여하여 FRP 프리스트레스 보강공법의 단점을 해결할 수 있 다(El-Hacha & Gaafar, 2011).

    현재 사용되고 있는 대표적인 SMA는 Ni-Ti계 SMA이다(Kim & Hu, 2019). 그러나 Ni-Ti계 형상기 억합금은 비싼 원자재 가격으로 대형 구조물인 건 축, 토목구조물에 적용하기는 불가능하다. 그러나 1982년 Sato에 의해 철을 기반으로 하는 철계-형상기 억합금(Fe-SMA)가 개발되어 이를 토목구조물에 적 용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다(Sato et al., 1982). Michels 등은 Fe-SMA Plate를 이용하여 보 강된 보의 휨 성능 평가를 실시하였다. 실험 결과 Fe-SMA로 보강된 보는 CFRP로 보강된 보와 유사한 극한하중을 보이며 더 우수한 연성을 보이는 것으로 보고하였다(Michels et al., 2017). Lee 등은 Fe-SMA의 구속조건을 변화시키며 회복응력 실험을 수행하였 다.실험 결과 Fe-SMA에서 발생되는 긴장력 손실은 기존 프리스트레스 공법의 탄성변형에 의한 긴장력 손실 대비 3배 이상 낮은 긴장력 손실을 보이는 것 으로 보고하였다(Lee et al., 2015).

    그러나 대부분 Fe-SMA를 건설재료로써 사용하기 위한 연구는 재료실험 및 단기거동 평가에 국한되어 있으며 장기적인 거동에 대한 실험은 지극히 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 철계-형상기억합금 NSM 공법을 통해 보강된 철근콘크리트 보의 지속 하중에 대한 장기 거동을 파악하고 지속하중이 제거 되고 난 이후의 잔존 강도를 확인하여 Fe-SMA의 구 조물 보강재료로써 사용가능성을 확인하고자 한다.

    2. 실험 개요

    2.1 실험체 제원 및 변수

    Fe-SMA를 NSM공법으로 보강한 RC 보의 장기거동 및 잔존강도를 평가하기 위하여 총 3개의 RC보를 제작하였다. Fig. 1과 같이 보의 단면치수는 300mm × 200mm이며 피복두께는 30mm이다. 실험체의 길이는 3,000mm이며, 순지간은 2,700mm로 양쪽 부재 끝에 서 중심부로 150mm 거리를 두고 지점을 설치하였 다. 인장철근으로 D10 이형철근 3개를 배근하였으 며, 압축철근으로 D13 이형철근 2개를 배근하였다. 실험체는 레디믹스트 콘크리트를 이용하여 타설하였 으며, 타설 후 28일간 습윤양생을 실시하였다. 실험 체의 양생이 끝난 후 홈파기 장비를 이용하여 폭 15mm, 깊이 30mm의 홈을 실험체 인장부에 종방향 으로 형성하였다. 홈파기 완료 후 폭 20mm, 두께 1.5mm 길이 3,000mm의 사전변형된 Fe-SMA를 홈에 삽입 후 초속경 모르타르를 이용하여 순경간의 90% 수준으로 홈을 충진하였다. 모르타르 충진이 끝난 후 28일간 기건양생을 실시하였다.

    Fe-SMA를 이용하여 표면매립 보강된 실험체의 장기거동 및 잔존강도 평가를 위한 실험 변수를 Table 1에 나타내었다. 실험 변수로써 Fe-SMA 보강 유·무 및 활성화 유·무를 고려하였다.

    2.2 사용재료

    실험에 사용된 레디믹스 콘크리트의 설계기준강도는 30MPa이다. 압축강도 측정을 위해 실험체 타설시 Φ 100×200mm 공시체를 3개를 제작하였으며 재령 28일 압축강도는 평균 33.4MPa로 나타났다. Table 2에 실험 에 사용된 레디믹스 콘크리트의 배합표를 나타냈다.

    실험에 사용된 철근은 SD400 등급을 사용하였다. Table 3에 제조사로부터 입수한 철근의 기계적 특성 을 나타냈다.

    본 연구에서 보강재로 사용된 철계-형상기억합금 은 스위스 R사에서 제작된 것으로 화학 조성비는 Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V,C)이다. Fe-SMA의 기계적 특성을 확보하기 위해 직접인장시험을 실시하였다. Table 4에 직접인장시험을 통해 확보한 Fe-SMA의 기계적 특성을 나타냈다. 또한 Fe-SMA의 회복응력 을 확인하기 위해 회복응력 실험을 실시하였다. 실 험결과 사전변형 4%, 회복온도 160℃에서 Fe-SMA의 회복응력은 약 347.5MPa로 나타났다.

    Fe-SMA의 회복응력을 발생시키기 위하여 100℃ 이상의 온도로 Fe-SMA를 활성화 시켜야 한다(Yeon, 2018). 따라서 기존 NSM 공법에서 부착제로 사용되 는 에폭시 수지를 사용하여 Fe-SMA를 부착할 경우 에폭시 수지의 낮은 유리전이 온도로 적절한 회복응 력을 확보하지 못할 뿐 아니라 보강재 탈락을 유발 할 수 있다. 위와 같은 문제를 해결하기 위해 본 연 구에서는 초속경 모르타르를 부착제로 사용하였다. 사용된 초속경 모르타르의 압축강도를 확인하기 위 하여 ASTM C1329 기준에 따라 50×50×50mm 크기의 정육면체 시편 제작 후 습윤양생을 실시하였다. 시 험 결과 초속경 모르타르는 2시간, 3시간, 1일, 28일 에서 압축강도는 각각 25MPa, 30MPa, 40MPa, 80.5MPa 이다.

    2.3 실험방법

    Fe-SMA를 NSM보강으로 보강한 RC보의 장기거동을 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 가로 1,000mm, 세로 1,080mm, 폭 300mm 중량 약 1tonf의 콘크리트 추를 시편 중앙에 매달아 상재하중을 재하하였다.

    상재하중을 재하한 후 실험체 인장부에 매립된 Fe-SMA를 활성화시키기 위하여 Fig.3과 같이 전력공 급장치를 통해 15kW의 전력을 공급하여 보강재를 160℃까지 약 30초간 전기저항가열을 실시하였다. 실험체가 목표 온도에 도달 후 전력을 차단하여 Fe-SMA를 상온까지 냉각시켰다. Fe-SMA의 표면온 도를 측정하기 위해 절연성 K-type 열전대를 보강재 중앙에 부착하였으며 활성화 작업 간 10mm 용량의 LVDT를 이용하여 열팽창에 의한 처짐 및 형상회복 효과로 인해 발생된 긴장력에 의한 처짐 회복량을 1 초 간격으로 측정하였다.

    상재하중 재하 전 10mm 용량의 다이얼게이지를 보 중앙 하단에 설치하여 상재하중으로 인한 즉시처 짐 및 장기처짐을 확인하였으며, 데이터수집장치 (DAQ)를 이용하여 실험체 중앙부 인장철근 및 콘크 리트 상부의 변형률을 측정하였다. 데이터는 초기 90일 동안은 1일 간격으로, 90일 이후 7일 간격으로 528일간 측정하였다.

    528일간 장기거동을 평가한 후 Fe-SMA로 보강된 보의 잔존 내력 평가를 위해 정적 재하 시험을 실시 하였다. 하중 가력은 2,000kN 용량의 엑츄에이터를 이용하였으며 하중재하는 상재하중 재하와 동일하게 4점재하로 실시하였다. 시험체 가력은 1.5mm/min의 속도로 변위제어를 통해 가력하였다.

    3. 실험 결과

    3.1 즉시처짐

    1tonf의 상재하중에 의한 즉시처짐 결과를 Table 5에 나타냈다. 무보강 실험체인 Control의 경우 1tonf의 상 재하중이 재하되었을 때 5.1mm의 즉시 처짐이 발생 하였다. Fe-SMA로 보강된 실험체인 PS4-N과 PS4-P의 즉시처짐은 각각 2.49mm, 2.51mm로 Control 실험체 대비 평균 51%의 처짐 감소율이 나타났다. 이러한 처짐 감소는 Fe-SMA 보강으로 인해 휨 강성이 증가 되었기 때문인 것으로 판단된다.

    3.2 형상기억합금 활성화

    Fig. 4에 상재하중을 재하한 후 철계-형상기억합금을 활성화하였을 때 시간-처짐 곡선을 나타냈다. 실험 초기 열팽창에 의해 하향 처짐이 발생하였으며 PS4-P 의 열팽창에 의한 하향 처짐은 0.429mm이다. 이후 Fe-SMA가 냉각되며 회복응력에 의해 약 0.452mm의 처짐 회복을 나타내어 최종적으로 0.023mm의 미미한 처짐 감소가 나타났다. 이는 본 실험의 Fe-SMA 보 강비가 0.1%로 식 (1)을 이용하여 도입된 긴장력을 계산하였을 때 20.85kN의 작은 긴장력이 도입되었기 때문으로 판단된다.

    P S M A = σ r e c o v e r y × A S M A
    (1)

    여기서, PSMA, σrecovey , ASMA는 각각 도입된 긴장력, Fe-SMA 회복응력, Fe-SMA 단면적을 나타낸다.

    3.3 장기 처짐

    Fig. 5는 시간경과에 따른 실험체의 장기 처짐곡선을 나타낸다. 상재하중을 재하한 후 Control 실험체는 528일에서 약 9.3mm의 처짐이 발생하여 초기 처짐에 비해 4.2mm 추가적인 처짐이 발생하였다. Fe-SMA의 사전변형이 4%이며 활성화 시키지 않은 실험체인 PS4-N의 528일 처짐량은 7.11mm로 나타났으며 이는 초기 처짐에 비해 4.62mm 추가적인 처짐이다. Fe- SMA를 활성화한 실험체인 PS4-P는 528일 이후 2.99mm 의 추가적인 처짐이 발생하였으며 PS4-N과 비교하면 35.3% 감소한 추가 처짐이다. 이러한 처짐 감소는 Fe-SMA 활성화에 따라 실험체에 프리스트레싱 효과 가 발생했기 때문인 것으로 판단된다.

    3.4 즉시변형 회복

    528일간의 장기 거동 측정이 잔존강도 확인을 위해 상재하중을 제거하였다. 지속하중이 제거되면 즉시 변형 회복이 발생하여 일정량의 변형이 회복된다 (Shim et al., 2010). Control 실험체는 상재하중 제거 후 3.43mm의 즉시변형 회복이 나타났으며 이는 즉 시처짐 대비 약 67% 수준의 처짐회복이다. Fe-SMA 를 이용하여 보강한 실험체인 PS4-N는 상재하중 제 거 후 즉시처짐 대비 약 66% 수준인 1.65mm의 즉시 변형 회복이 나타났다. 그러나 Fe-SMA를 보강 후 활성화시킨 PS4-P 실험체는 상재하중 제거 후 약 1.98mm의 즉시변형 회복이 나타났으며 이는 즉시처 짐 대비 약 79% 수준의 회복이다. PS4-P는 PS4-N에 비해 약 20% 증가된 즉시변형 회복을 나타낸다. 이 러한 증가를 통해 Fe-SMA 활성화에 의해 발생된 프 리스트레싱 효과가 시간이 경과 후에도 적절하게 유 지되는 것을 알 수 있다. 또한 모든 실험체는 상재 하중 제거 후 즉시처짐보다 작은 즉시변형 회복이 나타났다. 이는 콘크리트 크리프, 상재하중 재하 후 발생된 균열 등에 의해 보 강성이 저하되었기 때문 인 것으로 판단된다.

    3.5 잔존강도

    Table 6과 Fig. 6에 각각 잔존강도 실험결과 요약 및 하중-변위 관계를 나타내었다. Fig. 5에 나타낸 것과 같이 Control 실험체는 항복 이전까지 강성변화를 나 타내지 않았다. 이는 상재하중 거치 후 균열이 발생 하였기 때문으로 판단된다. 또한 Control 실험체의 극한하중 및 극한변위는 각각 41.48kN, 52.48mm로 Fig. 7과 같이 휨 균열 발생 후 압축부 콘크리트 압 축파괴가 나타나는 전형적인 휨 파괴 양상이 나타났 다. PS4-N의 파괴형상은 Control과 동일하게 전형적 인 휨 파괴 양상이 나타났다. 또한 PS4-N의 극한하 중은 54.86kN으로 Control 대비 약 32% 증가된 것으 로 나타났다. PS4-P는 앞선 실험체들과 동일하게 휨 파괴 양상이 나타났으며 극한하중은 52.46kN으로 Contol 대비 약 26% 증가된 것으로 PS4-N실험체에 비해 약 2.4kN가량 감소되었다. 이는 일반적인 프리 스트레스 보와 동일하게 프리스트레스 도입이 극한 강도에 미치는 영향은 미미하기 때문인 것으로 판단 된다. 그러나 Fig. 8에 나타난 것과 같이 초기강성은 Fe-SMA를 활성화시킨 PS4-P가 PS4-N에 비해 높은 것으로 나타났다. 따라서 Fe-SMA의 활성화를 통한 프리스트레스 도입은 구조물 극한강도 증진효과는 미미하며 초기 사용하중 단계의 강성을 증가시키는 효과가 있는 것으로 나타났다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 Fe-SMA을 이용하여 NSM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 지속하중 하에서 장기거 동에 대한 실험적 연구를 수행하였으며 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) Fe-SMA로 보강된 철근콘크리트 보는 상재하 중 재하시 무보강 실험체 대비 50% 이상 감 소된 즉시처짐이 나타났으며 이는 Fe-SMA 보 강에 따라 휨 강성이 증가하였기 때문으로 판 단된다.

    • 2) Fe-SMA 활성화시 약 0.023mm의 미미한 처짐 회복이 나타났다. 이는 Fe-SMA의 보강비가 0.1%로 낮기 때문에 처짐회복이 작게 발생한 것이다. 따라서 적절한 수준의 보강을 할 경 우 더 높은 수준의 처짐 회복을 나타낼 것으 로 판단된다.

    • 3) Fe-SMA로 보강된 보의 장기거동 실험 결과 Control 실험체 대비 24∼41% 감소된 장기처 짐이 나타났다. 또한 Fe-SMA를 활성화 실험 체가 활성화하지 않은 실험체에 비해 장기처 짐이 적게 발생하는 것으로 나타났으며 이는 Fe-SMA 활성화에 따른 프리스트레스 효과에 의한 것으로 판단된다.

    • 4) 상재하중을 제거 후 Control 및 PS4-N은 즉시 처짐 대비 약 66∼67%의 즉시변형 회복이 나 타났으며 Fe-SMA를 활성화한 실험체는 즉시 처짐 대비 약 79% 수준의 즉시변형 회복이 나타났다. 따라서 시간이 경과하여도 Fe-SMA 활성화를 통해 발생된 프리스트레스 효과는 적절히 유지되는 것으로 판단된다.

    • 5) 잔존강도 실험결과 Fe-SMA 보강시 극한강도 는 Control 대비 약 26∼32% 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 Fe-SMA 활성화 유·무는 초기 강성에 영향을 미치며 극한강도에 미치 는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(19CTAP=C151899-01)에 의해 수행되었습 니다.

    Figure

    KOSACS-11-1-11_F1.gif
    Schematic of Long-term Test Setup
    KOSACS-11-1-11_F2.gif
    Long-term Test Setup
    KOSACS-11-1-11_F3.gif
    Activation of Fe-SMA
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    Time-deflection Relationship by Activation of Fe-SMA
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    Time-deflection Relationship of Long-term Test
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    Load-deflection Relationship
    KOSACS-11-1-11_F7.gif
    Failure Mode
    KOSACS-11-1-11_F8.gif
    Load-deflection Relationship of Initial Section

    Table

    Test Variables
    Mixture Design of Used Concrete
    Mechanical Properties of Used Steel Rebars
    Mechanical Properties of Fe-SMA
    Result of Long-term Test
    Result of Residual Strength Test

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