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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.2 pp.24-30
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.2.024

Experimental Study on Bond Behavior of Reinforced Concrete Beams Flexural Reinforced with Basalt Fiber Sheets

Yun-Ji Jeong1, Sun-Hee Kim2, Wonchang Choi3, Ki-Bong Choi3
1Master, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Gyeonggi-do, Korea
2Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Gyeonggi-do, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Gyeonggi-do, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, Ki-Bong Department of Architectural Engineering, Gachon University, Gyeonggi-do, 13120, Korea Tel: +82-31-750-5338, Fax: +82-31-757-5837 E-mail: kbchoi@gachon.ac.kr
February 5, 2020 March 26, 2020 April 6, 2020

Abstract


FRP (Fiber Reinforced Polymeric plastic) sheets are used in structures because of their ease of manufacture and application. Previous studies were conducted to predict the flexural strength of reinforced concrete strengthened with FRP sheets. However, these investigations were limited to carbon fiber and glass fiber. This study conducted mechanical property evaluations to investigate the mechanical properties of basalt fiber sheets, and conducted flexural tests on reinforced concrete beams strengthened with basalt fiber sheets. From the results of the flexural test, the strength of the specimens increased with the degree of reinforcement. Furthermore, flexural fracture, sheet rupture, sheet debonding, and delamination occur. In some specimens, delamination occurs, and the maximum load of these specimens is lower than the specimens in which sheet rupture and debonding occur.



바잘트 섬유 시트로 휨 보강된 철근콘크리트보의 부착거동 실험

정 윤지1, 김 선희2, 최 원창3, 최 기봉3
1가천대학교 건축공학과 석사
2가천대학교 건축공학과 조교수
3가천대학교 건축공학과 교수

초록


FRP 시트(Sheet)를 활용한 보강 공법은 제작 과정에서의 간편함과 시공의 용이성으로 현장에서 다수 적용되고 있으 며, 기존 연구자들은 FRP 시트로 보강한 철근콘크리트의 휨강도를 예측하기 위한 연구를 진행하였다. 그러나 이는 주로 탄소 섬유와 유리 섬유에 한정되어 있었다. 이 연구에서는 바잘트 섬유시트의 역학적 성질을 파악하기 위하여 물성 시험을 수행하였 으며, 바잘트 섬유시트로 보강한 철근콘크리트 보의 휨실험을 수행하였다. 휨실험 결과 보강량이 증가할수록 실험체의 내력이 증가하였다. 또한 휨파괴 및 시트 파단, 시트 부착 탈락, 시트 박리가 발생하였다.



    National Research Foundation of Korea
    2018R1D1A1B07042595

    1. 서 론

    FRP (Fiber Reinforced Polymeric plastic) 시트(Sheet)를 구조물의 보수⋅보강재로 활용하기 위한 연구는 1980년대 이후로 꾸준히 진행되고 있다(Choi et al., 2014). 그 중 FRP 시트로 보강한 철근콘크리트 구조 물의 강도를 예측하기 위한 연구가 다수 진행되었 다. 최근 Yang et al. (2019)는 직물섬유를 보강한 콘 크리트 복합패널에 대한 휨성능을 해석적 평가하였 고, Cui and Zhang (2019)는 CFRP판으로 보강한 RC 보의 피로성능을 실험을 통해 평가하였다.

    기존 FRP 보강 철근콘크리트 연구는 주로 탄소 섬유와 유리 섬유에 대한 연구가 주로 이루어졌다. FRP의 종류 중 하나인 바잘트 섬유(Basalt Fiber)는 열과 부식에 강하며 비강도가 높은 천연 섬유로, 기 존에 활용되고 있던 유리 섬유에 비해 강도가 높고 탄소 섬유에 비해 연성이 좋다는 장점을 가지고 있 다(Sim and Park, 2005). 특히, 바잘트 섬유는 열에 대한 저항성이 우수하고, 내충격성 및 내화학적인 특성이 우수하다. 그러나 바잘트 섬유시트로 보강한 휨 부재의 연구는 탄소 섬유와 유리 섬유에 비하여 활발히 이루어지고 있지 않다. 따라서 이 연구에서 는 바잘트 섬유시트로 휨 보강한 철근콘크리트 보의 시편을 제작하여 휨 보강 성능을 실험을 통해 확인 하였다.

    2. 바잘트 섬유시트로 보강한 철근콘크리트 보의 휨 실험

    2.1 실험 재료

    실험에서 사용한 콘크리트는 설계강도 21MPa의 레 미콘 제품을 사용하였으며 콘크리트의 압축강도는 16.5MPa, 슬럼프는 80mm이다. 상대적으로 콘크리트 압축강도와 슬럼프가 작게 발생한 이유는 1) 콘크리 트 양생시 충분한 습도가 유지 되지 않아 발생한 현 상이라고 판단되고, 2) 실험 당시 기온의 영향으로 콘크리트의 수분 증발로 인해 발생한 현상이라 판단 된다. 인장철근은 항복강도 400MPa의 D13 철근을 사용하였으며, 전단철근은 항복강도 400MPa의 D10 철근을 사용하였다. 콘크리트의 역학적 성질은 Table 1에 나타내었다. 바잘트 섬유시트는 중국에서 제조 한 시트 Type C와 국내에서 제조한 시트 Type K의 두 종류의 시트를 사용하였으며 시트의 사진은 Fig. 1에 나타내었다. 시트 Type C는 2방향의 평직으로 직조 되었으며 시트 Type K는 날실과 씨실, 대각선 방향의 4방향으로 직조 되어있다. 바잘트 섬유시트 의 역학적 성질은 Table 2에 나타내었다. 바잘트 시 트의 역학적 성질은 ASTM D3039를 준용하여 실험 을 통해 얻은 결과이다.

    2.2 실험체 제작

    모든 실험체의 단면은 동일하게 설계 되었으며 휨 실험체의 단면 치수 및 단면 상세는 Fig. 2와 같다. 실험체는 길이 1,800mm, 폭 200mm, 깊이 310mm에 철근비 0.004의 단철근 보로 제작되었다. 인장철근 은 SD400의 D13 철근을 배근하였고 전단철근은 SD400의 D10 철근을 배근하여 휨파괴가 발생하도 록 설계하였다. 또한 스터럽의 위치는 하부철근에 135mm의 간격을 두어 용접을 통해 스터럽을 고정시 켰고 철근 하단에 간격재를 두어 콘크리트 타설을 하였다. 바잘트 섬유시트의 보강은 보 전체 길이(L) 의 0.8L위치에 보강하였다.

    2.3 실험체 보강

    바잘트섬유 시트의 보강은 Fig. 3과 같이 표면 그라 인딩 작업을 거친후 주제와 경화제의 비율을 2:1로 혼합시켜 프라이머로 도포하였다. 주제와 경화제 비 율을 2:1로 균일하게 혼입한 함침용 레진을 사용하 여 철근콘크리트 보에 FRP시트를 부착하였다. 시트 위에서 섬유방향에 따라 탈포 롤러로 강하게 문질 러 함침과 탈포 작업을 반복하여 보강하였다.

    2.4 실험 변수

    실험의 변수는 바잘트 섬유시트의 재료 성질과 FRP 의 보강 겹 수이며 실험의 변수는 Table 3과 같다. 보강 길이는 기존 연구(Sim et al., 1998;Sim, 2002;Sim and Park, 2005;Park et al., 2005; Jeong, 2008) 결과 보강길이가 1.0일 경우와 0.8일 경우 보강차이 가 없어 전체 길이의 0.8배로 하였으며, 보강 폭은 보의 폭과 동일한 크기로 보강하였다.

    2.5 실험 방법

    바잘트 섬유시트로 보강한 보의 휨성능을 평가하기 위한 실험 장치는 Fig. 4와 같다. 실험은 보의 순수 휨 구간에서의 균열과 파괴 양상을 확인하기 위해 1,000kN 용량의 Oil-jack을 사용하여 4점 재하 방식 (4-point system)으로 하중을 재하 하였다. 하중은 2mm/min의 속도로 재하 하였으며 단순 지지로 실험 을 진행하였다. 또한, 콘크리트보의 균열확인은 Oiljack 하중의 20kN마다 단계별로 균열을 측정하였다.

    하중의 처짐을 측정하기 위하여 실험체의 중앙 부, 1/4 지점, 3/4 지점, 하중 가력 위치에 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)를 설치하였 다. LVDT 설치 위치 및 하중 재하 위치는 Fig. 5와 같다. 실험의 균열 양상 및 파괴 형태를 확인하기 위하여 실험체 표면에 100mm 간격으로 격자를 그린 후 균열을 확인하였다.

    2.6 실험 결과

    2.6.1 휨파괴

    휨파괴는 Fig. 6과 같이 기준 실험체인 B1과 B2에서 발생하였다. B1과 B2는 각각 재하 하중 17kN와 15kN 에서 실험체의 가력점 하부에서 초기 휨균열이 발생 한 후 균열이 점진적으로 상부로 진전되었다. Fig. 7 은 휨파괴 균열 형상이다.

    2.6.2 바잘트 섬유시트의 파단

    바잘트 섬유시트 파단은 Fig. 8과 같다. C-11-2 실험 체에서 바잘트 섬유시트의 인장파괴가 발생하였고 15kN에서 가력점 하부와 우측 하부에서 초기 균열 이 발생하였다. 이후 실험체 중앙부 및 좌우 측으로 휨균열의 발생 분포가 확산되며 상부로 균열이 진전 되었다. 67kN 이후에 보의 중앙부에서 바잘트 섬유 시트의 파단이 발생하였고 균열이 크게 열리며 콘크 리트의 압괴가 발생하였다. Fig. 9는 바잘트 시트 파 단의 균열 형상이다.

    2.6.3 바잘트 섬유시트의 박리

    Type C s eries 중 C-11-1, C-22-1 실험체와 Type K series 중 K-11-2 실험체에서 Fig. 10과 같이 바잘트 섬유시트의 박리가 발생하였다. 각 실험체의 균열 형상은 Fig. 11에 나타내었다. 27kN에서 균열이 발생 하여 40kN에서 균열이 상부로 진전되었다. 이후 하 중이 증가하면서 균열 분포가 확산 되었고 균열은 점차 상부로 진전되었다. 67kN에서 균열의 열리기 시작하여 최대 하중에 도달하였을 때 보의 중앙부에 서 바잘트 섬유시트가 박리되어 단부까지 급작스럽 게 박리가 진행되었다.

    2.6.4 바잘트 섬유시트의 부착 탈락

    Type C series 중 C-22-2, C-33-1, C-33-2 실험체와 Type K series 중 K-11-1, K-22-1, K-22-2, K-33-1, K-33-2 실험체에서 바잘트 섬유시트의 탈락이 Fig. 12와 같 이 발생하였다.

    각 실험체의 균열 형상은 Fig. 13에 나타내었다. 27kN에서 상부로 균열이 진전하였으며 이후 하중이 증가하면서 휨 균열의 분포가 확산 되었으며 80kN에 도달하며 균열이 크게 열렸다. 그 후 최대 하중에 도 달하였을 때 바잘트 섬유시트가 부착 탈락하며 균열 이 상부로 급진전하여 콘크리트의 압괴가 발생하였다.

    3. 바잘트 섬유 시트로 보강한 철근콘크리트 보의 결과 분석

    3.1 시트 Type C의 하중-변위

    시트 Type C의 보강 결과는 Table 4에 나타내었으며 1겹 보강 시 항복 하중(철근이 항복하는 시점)의 평 균은 58.1kN으로 측정 되어 무보강 실험체에 비하여 7.3%와 38.5% 증가하였다. 2겹 보강 시의 항복 하중 은 평균 62.9kN으로 측정되어 평균 33.2% 증가하였 다. FRP 보강에 따라 항복 하중이 증가하는 경향을 보였으나, 3겹 보강 시에는 항복 하중 평균 60.6kN 으로 평균 28.3% 증가하였다. 3겹 보강 시의 항복 하중은 2겹을 보강했을 경우의 항복 하중보다 다소 감소하는 경향을 보였다.

    또한, 바잘트 섬유 시트 박리가 발생한 경우 C-11-1과 C-22-1을 비교한 결과 바잘트 섬유 시트를 2겹 보강한 C-22-1의 시편이 1겹 보강한 C-11-1의 경 우보다 항복하중이 15.7% 증가함을 확인하였다. 바 잘트 섬유 시트는 1겹보다 2겹으로 보강하는 것이 보강효과가 높음을 확인하였다.

    바잘트 섬유 부착 탈락이 발생한 경우 C-22-2와 C-33-2를 비교한 결과 C-22-2가 C-33-2보다 항복하중 이 10.6% 증가함을 보였다. 이 결과로부터 철근콘크 리트보의 바잘트 섬유 시트 보강은 3겹보다 2겹이 보강효과가 높음을 확인하였다.

    바잘트 섬유 시트의 파단이 발생한 C-11-2 시편 의 항복하중은 65.5kN으로 2겹으로 보강한 다른 시 편의 항복강도와 상회하는 값을 보였다. 이러한 이유 는 C-11-2의 시편이 철근콘크리트 보에 완전부착되어 보강효과를 발현하였기 때문이다. 따라서, 콘크리트 보에 바잘트 시트 시편이 완전부착 될 경우 충분히 2겹보강할 때 보강효과가 높을 것이라 판단된다.

    Fig. 14와 같이 B-2의 항복 하중인 56.9kN까지의 기울기는 B-1, C-22-2 실험체를 제외한 모든 실험체 가 거의 유사하고 직선에 가까웠다. 이는 인장철근 의 인장력에 의해서 보의 인장력이 부담되었으므로 인장철근이 항복하는 56.9kN까지 거의 동일한 기울 기를 가지고 있었던 것으로 판단된다. 동일한 변위 에서의 하중은 보강 겹수가 증가할수록 증가하였다. 항복 이후의 거동은 변위 약 4mm까지는 선형으로 거동하였고 변위 4mm 이후부터 기울기가 크게 감소 하며 처짐이 크게 증가하였다.

    최대 하중의 경우 무보강 실험체는 평균 71.9kN 으로 측정 되었다. 시트 Type C 1 겹으로 보강한 실 험체는 평균 최대 하중이 79.5kN으로 측정 되었으며 2겹으로 보강한 실험체는 86.6kN으로 나타나 무보강 실험체에 비하여 최대 하중이 각각 10.5%와 20.3% 증가하였다. 시트 Type C 3 겹으로 보강한 실험체의 평균 최대 하중은 88.6kN으로 측정 되어 무보강 실 험체에 비하여 최대 하중이 23.1% 증가하였다. 최대 하중 증가 양상을 비교하였을 때, 2겹과 3겹 보강 시의 최대 하중의 증가량이 2.8% 증가하여 최대 하 중의 증가량이 감소하였다.

    3.2 시트 Type K의 하중-변위

    시트 Type K로 보강한 실험체의 경우, Table 5에 나타낸바와 같이 1겹 보강한 실험체의 평균 항복 하중(철근이 항복되는 시점)은 58.9kN으로 측정 되었으며 2겹으로 보강한 실험체의 평균 항복 하 중은 60.0kN으로 측정 되었다. 3겹으로 보강한 실 험체는 평균 항복 하중이 65.0kN으로 나타나 시트 Type K는 시트 Type C와는 다르게 보강 겹수가 증가할수록 항복 하중이 증가하는 경향을 보였다.

    시트 Type K로 보강한 경우 대부분의 실험체에 서 바잘트 섬유 부착 탈락이 발생하였다. 이러한 이유는 바잘트 섬유 시트가 철근콘크리트보에 완전 부착되지 않아 발생한 현상이다. 그러나, 바잘트 섬 유시트가 완전부착되지 않았어도 시트 Type K의 경우 3겹으로 보강하였을 때 보강효과가 2겹으로 보강하였을 때보다 항복하중이 7.69% 증가함을 보 였다.

    Fig. 15와 같이 B-2의 항복 하중인 56.9kN까지는 K-11-1 실험체를 제외한 모든 실험체의 기울기가 거 의 유사하고 직선에 가까웠다. 이는 시트 Type C의 실험 결과와 마찬가지로, 인장철근의 인장력에 의 해서 보의 인장력이 부담되었으므로 인장철근이 항 복하는 56.9kN까지 거의 동일한 기울기를 가지고 있었던 것으로 판단된다. 동일 변위에서의 하중은 보강 겹수가 증가할수록 증가하였다. 항복 이후의 거동은 변위 5mm까지는 선형으로 거동하였으며 5mm 이후부터 기울기가 크게 감소하고 처짐이 크 게 증가하였다.

    평균 최대 하중은 1겹 보강 시 84.8kN, 2겹 보강 시 92.6kN, 3겹 보강 시 99.2kN으로 나타나 보강 겹 수가 증가할수록 최대 하중도 증가하는 경향을 보였 다. 최대 하중 증가 양상을 비교하면 무보강 일 때 에 비하여 1겹 보강 시 17.9% 증가, 2겹 보강 시 28.8% 증가, 3겹 보강 시 37.9%의 하중증가율을 보 였다. 시트 Type C와 달리 보강 겹수가 증가할수록 비교적 꾸준한 하중 증가 양상을 보였다. 또한, 시 트 Type K를 3겹 보강였을 경우와 시트 Type C를 2겹 보강하였을 경우 항복하중의 차이가 크게 발생 하지 않았다. 이러한 이유는 시트 Type K의 역학적 성질이 시트 Type C의 경우보다 작기 때문에 발생 한 현상이라 판단된다. 따라서, 콘크리트보를 보수, 보강할 경우 2겹의 바잘트 섬유시트를 완전 부착하 여 보강한다면 충분히 보강효과가 발생할 것이라 판단된다.

    4. 결 론

    이 연구에서는 바잘트 섬유시트 보강한 철근콘크리 트 보의 휨 성능실험을 수행하여 그 성능을 분석하 였다. 이 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 1) 바잘트 섬유시트의 보강 휨실험 결과, 기준 실험체의 휨파괴 및 보강 실험체의 시트 파 단, 시트 부착 탈락, 시트 박리가 발생하였 다. 일부 실험체에서 발생한 박리파괴는 시 트 파단이 발생한 실험체와 시트 부착 탈락 이 발생한 실험체에 비하여 최대 하중이 낮 은 것으로 나타났다. 박리파괴는 시트가 보 강 성능을 충분히 발휘 하지 못하는 결과를 초래하였다. 시트의 박리를 방지하기 위하여 부착 성능을 향상 시키는 조치가 필요한 것 으로 판단된다.

    • 2) 바잘트 섬유시트의 보강 겹수를 변수로 한 실 험 결과, 보의 최대 하중은 보강량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.

    시트 Type C의 경우, 최대 하중은 무보강 실험 체에 비하여 1겹 보강 시 10.5% 증가하였고 2겹 보 강 시 20.3% 증가하였다. 3겹 보강 시에는 23.1% 증가하여 3겹 보강 시에는 하중 증가 폭이 약 10% 에서 3%로 감소하는 것으로 나타났다. 시트 Type C 보강 시 2겹 보강이 더 경제적인 것으로 판단된 다. 시트 Type K의 경우, 최대 하중은 무보강 실험 체에 비하여 1겹 보강 시 18% 증가하였고, 2겹 보 강 시 29% 증가하였다. 3겹 보강 시에는 38% 증가 하여 보강량에 따라 하중 증가량이 약 10%씩 증가 하였다. 이러한 이유는 시트 Type K의 역학적 성질 이 시트 Type C에 비해 작기때문이라 판단된다. 따 라서, 역학적 성질이 우수한 바잘트 시트를 철근콘 크리트보에 2겹으로 보강한다면 충분한 보강효과를 발휘할 수 있을 것이라 판단된다. 추후 연구를 통 해 바잘트 섬유시트의 보강효과를 해석적으로 추정 할 예정이다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2018R1D1A1B07042595).

    Figure

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    Basalt Sheet Type
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    Specimen Details
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    Basalt Sheet Adhesion
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    Test Set-up
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    Location of LVDTs and Loading Point
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    Flexural Fracture
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    Crack Shape of Flexural Fracture
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    Basalt Sheet Rupture
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    Crack Shape of Basalt Sheet Rupture
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    Basalt Sheet Delamination
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    Crack Shape of Basalt Sheet Delamination
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    Basalt Sheet Debonding
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    Crack Shape of Basalt Sheet Debonding
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    Load-deflection Relationship for Sheet Type C
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    Load-deflection Relationship for Sheet Type K

    Table

    Mechanical Properties of Concrete
    Mechanical Properties for Basalt Sheet
    Parameter of Flexural Test
    Results of C-Type Sheet Strengthening
    Results of K-Type Sheet Strengthening

    Reference

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