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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.5 pp.15-21
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.5.015

Compressive Behavior of Concrete Specimen Reinforced by Velcro

Dongjoo Lee1, Sangwoo Kim1, Kyeongmin Kim1, Jin-Sup Kim2
1Master Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Kim, Jinsup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea. Tel: +82-55-772-1791, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
September 3, 2020 September 10, 2020 September 11, 2020

Abstract


This study examined the compressive behavior of concrete specimens confined by Velcro. Velcro consists of two components; a first fabric consisting of a large number of small hooks, and a second fabric consisting of a large number of loops, and is available in different forms. When the two fabrics are brought into physical contact they combine and undergo adhesion. The Velcro reinforcement method has the advantages of low construction cost and convenience, as it is easy to use and fast because it does not require the use of adhesive. In this study, the compressive behavior of Velcro-confined concrete members was evaluated for different confined areas. In order to investigate the confinement effect, the Velcro reinforcement areas were designed to be 50%, 75%, and 100% of the height of the respective concrete member. It was experimentally determined that, the increase in compressive strength of the member due to the Velcro reinforcement did not increase dramatically. In addition, the increase in the confining effect strength, compared to that of the unreinforced case, was also minimal. However, ductile behavior was evident after the yield point. This study provides the basic information necessary for further development of concrete reinforcement using Velcro.



벨크로 보강에 따른 콘크리트 공시체의 압축거동

이 동주1, 김 상우1, 김 경민1, 김 진섭2
1경상대학교 토목공학과 석사과정
2경상대학교 토목공학과 부교수

초록


본 연구는 벨크로를 이용하여 콘크리트 공시체의 압축거동시 구속합축효과를 검토하였다. 벨크로(Velcro)는 갈고리 모양의 후크(Hook)와 고리모양의 루프(Loop)가 물리적으로 결합하여 접착력을 가지는 제품으로 다양한 형태를 가지고 있다. 벨 크로 보강 공법은 접착제를 사용하지 않아 쉽고 빠른 시공이 가능하여 공사비가 낮고 시공 시 편리한 장점이 있다. 본 연구에 서는 벨크로로 횡 구속된 콘크리트 압축부재에 대하여 보강면적변화에 따른 벨크로 횡구속 콘크리트 부재의 압축거동에 대하여 연구하였다. 벨크로로 보강된 시편의 압축거동을 조사하기 위하여 횡구속 콘크리트 시편을 제작, 보강면적변화에 따른 횡 구속 성능을 평가하였다. 보강면적은 50%, 75%, 100%로 설계하였다. 실험 결과 벨크로 보강에 의한 압축 강도 증가는 크게 증가하지 않았다. 또한 보강 전과 비교하여 구속 효과의 강도 증가도 미미했습니다. 그러나 항복점 이후의 거동에서는 연성 거동이 나타 났다. 본 연구를 통해 Velcro를 이용한 콘크리트 보강재 개발에 필요한 기본 정보로 활용할 수 있습니다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20CTAP-C157156-01

    1. 서 론

    토목 분야에서 사용 되는 재료 중 콘크리트는 가격 대비 성능이 높은 재료이고, 구조물의 형상과 크기 에 제약을 받지 않기 때문에 현재까지도 전 세계적 으로 사용되고 있는 재료이다. 하지만 콘크리트는 압축강도에 비해 인장력과 휨강도에서 취약한 것으 로 알려져 있다(Jeong et al., 2020). 콘크리트로 시공 된 구조물은 시간이 지남에 따라 여러 환경에 따른 노후화 현상이 나타난다(Jung et al., 2013). 노후화된 구조물에 대하여 국내에서는 단면증설공법, 외부 프 리스트레싱 보강공법, 강판외부 부착공법 등이 주로 사용되어 왔다(Lee et al., 2007). 철근 콘크리트를 이 용한 단면 증설 공법의 경우 부재의 단면과 자중의 증가로 인해 하중 부담이 기초부에 집중되는 단점이 있다(Kim et al., 2013). 또한, 강판 부착 공법은 시공 에 어려움이 많고, 취급의 용이성 및 여러 환경적 요소에 대한 저항성이 적으며 부식 또는 내화성 저 하에 의해 강도가 감소될 우려가 있어 효율성이 떨 어진다는 문제점도 발견되고 있다(Teng et al., 2002). 그러나 섬유보강방법의 경우, 주 보강 재료인 섬유 는 무게대비 강도가 크고, 구조물에 하중 부담이 적 은 편이고, 비교적 시공의 간편함을 갖추고 있으며, 보강효과 또한 우수하다는 장점이 있다(Kim et al., 2013). 국내에선 1990년 이후 FRP섬유를 이용한 새 로운 보강공법 개발에 대한 연구가 계속해서 진행 중에 있다(You et al., 2008). 그 중 벨크로 보강공법 은 최근 개발된 공법으로 벨크로 섬유를 이용하여 성능이 부족한 철근콘크리트 구조물의 연성 특성을 높여 지진과 같은 재해로 인한 급격한 건물 붕괴를 막고 인명이 대피 가능한 시간을 확보하는 기술이 다. 벨크로(Velcro)는 의류에 사용되는 부착용 재료로 갈고리 모양의 후크(Hook)와 고리모양의 루프(Loop) 가 물리적으로 결합하여 접착력을 가지는 제품이다.

    본 연구에서는 벨크로 보강에 따른 콘크리트 공 시체의 압축거동을 연구하였다. 이를 위하여 벨크로 재료의 기계적 특성을 우선적으로 조사하였다. 벨크 로로 보강된 시편의 압축거동을 조사하기 위하여 횡 구속 콘크리트 시편을 제작, 보강면적변화에 따른 횡 구속 성능을 평가하였다.

    2. 벨크로의 재료 특성

    2.1 재료 특성

    벨크로의 경우 Fig. 1과 같이 갈고리 역할을 하는 후 크(Hook)부분과 반대로 동그란 올무같은 형태인 루 프(Loop)로 나뉘어져 있다. 이 두면을 접합하여 구성 요소 간의 접착력이 발생한다. 이 접착력에 의해 밀 착함으로써 단단히 고정하게 된다. 접착력을 최대화 하기 위해 시중에서 이용하는 제품과 다르게 후크 부분의 모양을 버섯 모양의 머리(Fig. 2)를 갈고리 후크를 사용하였다(Kwon et al., 2016).

    2.2 재료 설계 및 인장 시험

    벨크로 인장 시험에서 벨크로는 루프와 후크부분을 접합시켜 벨크로 인장 시험체를 제작하였다. 인장 시 험체의 경우 길이는 200mm(시험길이 : 100mm), 폭 50mm, 두께 0.6mm(각 후크와 루프의 두께는 0.3mm) 이다. 벨크로 인장 시험체에 대한 규격은 Fig. 3과 같다. 인장시험 시, 데이터 샘플링속도는 1.0Hz이고, 하중속도는 1mm/min이었다. 인장 실험을 위하여 100kN 용량의 재료시험기와 데이터 측정기가 사용 되었다. 실험에 사용된 벨크로 인장 시험체의 제원 은 Table 1에 정리하였다. 인장시험에서 사용한 재료 시험기는 Fig. 4와 같다.

    2.3 벨크로 인장 시험 결과

    벨크로 인장 시험 결과 그래프는 Fig. 5와 같다. 본 실험에서는 인장 강도와 인장 변위를 모두 측정하였 다. 인장 시험 결과는 Table 2에 나타내었다. 벨크로 인장 실험 표본의 최대 인장 하중은 2.97kN에서 3.24kN까지의 결과로 나타났다. 또한, 최대 인장 변 위는 53.6mm에서 62.3mm까지 범위로 나타났다. 시 험 결과를 바탕으로 평균 최대 하중과 최대 인장 변 위는 각각 3.13kN과 56.9mm으로 계산되었다. 벨크 로 인장 시험의 평균 탄성 계수(Young’s modulus)는 1138.2MPa으로 계산되었다.

    3. 벨크로 횡 구속 실험체 설계

    콘크리트에 압축을 가했을 때 축방향으로 압축력이 작용한다. 이 때, 콘크리트 내 횡적 팽창력이 발생하 게 되는데, 이러한 팽창력을 다양한 재료에 의하여 구속, 압축함으로써 콘크리트의 압축 성능이 개선된 다. 본 연구에서는 벨크로를 사용하여 콘크리트의 횡 팽창력를 구속하여보고, 압축강도 및 압축거동에 대하여 검토하고자 한다.

    3.1 실험체 설계

    벨크로는 콘크리트 공시체의 높이에 대하여 각각 0%, 50%, 75%, 100%로 보강하였다(Fig. 6). 본 실험에서 제작된 벨크로 보강 압축시편의 경우, 벨크로의 구 속효과를 위한 보강방법은 Fig. 7과 같은 형태로 보 강하였다.

    3.2 실험체 제작

    벨크로로 횡 구속된 실험 시편을 제작하기 위하여 Φ100×200mm 원형 콘크리트 표준 공시체 12개를 제 작하였다. 공시체의 제작은 Ready-Mixed Concrete를 사용하였으며, 재령이 28일 강도는 18.721MPa이었다. 그 중 벨크로로 보강된 실험 시편는 9개이며 50%, 75%, 100%의 보강 면적으로 나뉘었다. 공시체의 보 강 면적은 중앙지점에서부터 길이로 측정하였다. 50%는 중앙부 양방향으로 100mm, 75%는 150mm, 100%는 200mm로 보강하였다. 제작된 실험체는 아래 의 Fig. 8과 같다. 벨크로 횡 구속 실험체의 제원은 Table 3에 정리하였다.

    3.3 실험 방법

    본 실험에서는 벨크로의 콘크리트에 대한 횡 구속 효과를 검토하기 위하여 압축강도 실험을 수행하였 다. 압축강도 실험을 수행하기 위하여 만능재료시험 기(UTM, Capacity : 2000kN)를 사용하였다. 하중 재 하는 콘크리트 압축강도 시험방법 KS F 2405에 따 라 일정한 속도의 변위로 제어 하였으며, 가력속도 는 매초 0.6±0.4MPa로 하였다. 축방향 변형률은 만 능재료시험기의 변위센서를 이용하여 계측된 변위값 을 바탕으로 시험체의 축방향 변형률을 계산하였다. Fig. 9는 압축강도 실험체 거치 사진이다.

    4. 실험 결과

    4.1 파괴형상 분석

    Fig. 10은 실험체의 보강 면적별 대표적인 최종파괴 형상 전후를 나타낸다. GFRP나 CFRP로 횡 보강된 콘크리트의 파괴형태는 최대강도 이후 보강재의 파 단이 일어나고, 그로 인해 취성파괴가 발생함과 동 시에 콘크리트의 압축강도 감소가 이루어진다(Lee et al., 2007). 하지만, 본 실험에서는 벨크로로 횡 보강된 콘크리트의 경우 최대강도 이후 50%, 75%와 100%면 적보강에서 벨크로의 부분적 파단이 발생하였다. 하 지만, 벨크로의 부착면은 탈락하지 않았다.

    4.2 압축거동 특성

    벨크로로 횡 구속된 콘크리트 시험체의 압축강도 시 험결과는 Fig. 11과 같다. 벨크로로 보강된 면적이 증가할수록 적은 변화이지만 최대 압축강도가 증가 하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 최대강도 이후의 거동에서 보면, 항복강도이후 강도의 감소가 발생하 지만, 벨크로의 보강효과로 일부 연성거동이 발생하 고 있다. 이는 벨크로가 파손된 콘크리트의 탈락을 방지하고 있기 때문으로 사료된다.

    4.3 압축강도

    벨크로의 횡 구속효과를 검토하기 위한 콘크리트 공 시체의 압축강도 테스트 결과를 Table 4에 정리하였 다. 각각의 실험체에 대한 압축강도 측정 결과, 벨크 로로 횡 구속된 실험체의 압축응력은 구속하지 않은 실험체(Normal)와 비교하여 50%보강은 1.069배, 75% 보강은 1.064배, 100%보강은 1.025배로, 압축강도의 증가는 미미한 것으로 판단된다.

    5. 결과 분석 및 고찰

    Fig. 12는 벨크로 보강면적에 따른 최대 압축강도 평균값을 수치화하여 나타낸 그래프이다. 비구속 콘 크리트 압축시편과, 보강면적 변화에 따른 구속콘크 리트 압축시편을 비교한 결과 보강 면적의 넓이에 따라 강도의 증가는 거의 나타나지 않은 것으로 판 단된다. 하지만, 향후 벨크로를 활용한 콘크리트 횡 구속 보강을 위한 기초연구로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

    6. 결 론

    본 연구에서는 벨크로로 횡 구속된 콘크리트 공시체 에 대하여 압축강도실험을 수행하였으며, 실험결과 를 바탕으로 벨크로의 구속효과 및 압축거동 특성을 분석하였으며, 본 연구의 결론은 다음과 같다.

    • 1) 벨크로로 횡구속된 콘크리트 압축시험의 경우, 벨크로 보강량이 50%, 75%, 100%의 경우 비 보강과 비교하여 압축강도가 각각 1.069배, 1.064배, 1.025배 증가하였다. 벨크로로 횡구속 할 경우, 압축강도 보강효과는 미미하다.

    • 2) 벨크로 횡구속 콘크리트 압축시편의 경우, 최 대강도 이후 연성특성이 나타났다. 하지만, 벨 크로의 부분적인 파단이후, 급격한 강도소멸 이 발생하였다. 이는 파괴된 콘크리트 파편이 벨크로에 의해서 탈락되지 않아, 항복강도 이 후의 연성거동을 발생시킨 것으로 판단된다.

    • 3) 콘크리트의 횡 구속에 대한 보강재 검토 시, 벨크로와 같은 연성재료로도 구속효과나 발현 됨을 확인하였다. 다만, FRP와 같이 구속효과 에 따른 압축강도 증가는 발생하지 않았지만, 벨크로의 완전파단이 발생하지 않아 콘크리트 의 연성적 거동이 나타남을 확인하였다. 향후, 콘크리트 횡 구속을 위한 보강재 검토 시, 본 연구 결과가 기초자료로 활용가능하며, 다양 한 콘크리트 횡구속 보강재료의 개발에 대한 중요한 가이드라인이 될 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    This work is supported by the Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement(KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (Grant 20CTAP-C157156-01).

    Figure

    KOSACS-11-5-15_F1.gif
    Reinforcement Materials
    KOSACS-11-5-15_F2.gif
    Hook Part of Velcro
    KOSACS-11-5-15_F3.gif
    Test Specimen (Unit= mm)
    KOSACS-11-5-15_F4.gif
    Material Tester
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    Tension Test Results of Velcro Tensile-test Specimens
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    Reinforcement Area Design
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    Reinforcing Method
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    Picture of Test Specimen
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    Test Setup
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    Final Failure Mode of Specimen
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    Stress-strain Curve of Each Square Measure
    KOSACS-11-5-15_F12.gif
    Comparision of Test Results

    Table

    Test Specimen
    Test Specimen Result
    Test Specimen
    Compressive Test Results

    Reference

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