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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.6 pp.71-77
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.6.071

Reinforced Concrete Beams Strengthened with an Unbonded and Prestressed Near Surface Mounted Tendon

Woo-Tai Jung1, Jong-Sup Park1, Jae-Yoon Kang1, Hee Beom Park2, Sang-Hyun Kim3
1Research Fellow, Department of Infrastructure Safety Research, Gyeonggi-do, Korea
2Senior Researcher, Department of Infrastructure Safety Research, Gyeonggi-do, Korea
3Researcher, Department of Infrastructure Safety Research, Gyeonggi-do, Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 01월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 02월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Jung, Woo-Tai Department of Infrastructure Safety Research, KICT, Gyeonggi-Do, Korea. Tel: +82-31-910-0580, Fax: +82-31-910-0121 E-mail: woody@kict.re.kr
October 19, 2020 November 2, 2020 November 9, 2020

Abstract


Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strengthens concrete structures due to its corrosion resistance. Various structural strengthening methods have been developed and applied to strengthen deteriorated reinforced concrete structures, such as externally bonded reinforcements (EBRs) and near surface mounted (NSM) systems. However, both EBR and NSM reinforcement demonstrate premature failure. Recent research has attempted to prestress NSM reinforcement, but this requires a special prestressing system and various strengthening behaviors without filler. Therefore, this study develops a CFRP tendon and prestressing system for NSM reinforcement and investigates the strengthening effect considering the unbonded performance without filler and the damaged concrete. The test results reveal that the unbonding of the CFRP tendon improves the strengthening effect by 38%; however, it remains 17% less strong than the bonded specimen. The strengthening effect of the damaged concrete is similar to that of the general strengthened specimen. The use of a CFRP tendon with filler and anchorage system appears to improve stable strengthening behavior.



비부착 표면매립 긴장보강된 철근 콘크리트 보의 거동 분석

정 우태1, 박 종섭1, 강 재윤1, 박 희범2, 김 상현3
1한국건설기술연구원 연구위원, 공학박사
2한국건설기술연구원 수석연구원, 공학박사
3한국건설기술연구원 박사후연구원, 공학박사

초록


본 논문은 콘크리트 구조물 보강공법 중 하나인 CFRP 표면매립 긴장보강의 거동을 분석하였다. 이를 위해 CFRP 긴 장재 및 긴장시스템을 개발하고 손상후 보강거동 및 충전재 유무에 따른 비부착 보강거동을 고찰하였다. 실험결과, 비부착 실험 체의 보강효과는 무보강 실험체보다 38% 증가하지만, 부착 실험체보다 17% 감소하였다. 손상된 콘크리트를 보강한 경우는 건 전한 콘크리트의 보강효과와 유사했다. 정착장치와 부착된 CFRP 긴장재는 안정된 보강효과를 보였다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT)
    17SCIPB128496-01

    1. 서 론

    철근 콘크리트 구조물은 시간이 경과함에 따라 철근 부식, 콘크리트 열화 등의 손상으로 인하여 초기 성 능보다 감소할 수 있다. 이러한 노후되고 성능이 감 소된 콘크리트 구조물을 원래의 성능으로 향상시키 는 보강방법은 강판 부착보강, 탄소섬유 부착보강, 외부 긴장보강, 표면매립보강 등 다양하다. 표면매립 보강을 제외하면 대부분 보강재는 외부에 노출되기 때문에, 구조물 보강후 화재, 충돌 등 외부로부터 다 양한 손상을 받을 수 있다. 표면매립보강은 이러한 단점을 최소화하는 공법으로 보강재를 콘크리트 하 단 홈에 매립하는 것으로 보강재를 외부의 직접적인 손상으로부터 보호한다(Hassan and Rizkalla, 2003;De Lorenzis and Teng, 2007;El-Hacha and Gaafar, 2011).

    표면매립보강은 미리 제작된 홈 안에 보강재를 고 강도 에폭시나 그라우트를 사용하여 매립하기 때문에, 강판 또는 탄소섬유 부착보강과는 달리 표면 준비 작 업이 필요하지 않다. 표면매립보강의 적용은 콘크리트 덮개에 따라 좌우되며, 표면매립보강에 사용된 보강재 는 시공 후에 외부적인 손상으로부터 보호될 수 있다.

    콘크리트 구조물을 능동적으로 보강하기 위해서 는 외력이 도입되는 긴장보강이 필요하며, 표면매립 보강에 긴장력을 도입하는 연구가 진행되고 있다 (De-Lorenzis et al., 2002;Nordin and Taljsten, 2006). 표면매립 긴장보강을 위해서는 긴장장치가 필요하 며, 많은 연구자들이 기존 PSC 구조물의 프리텐션방 식과 유사한 방식으로 구조물과 별도로 설치된 반력 대를 이용하여 구조물에 긴장력을 도입하고 있다 (Badawi, 2007;Jung et al., 2011;El-Hacha and Soudki, 2013). 이런 방식은 긴장력을 도입하기는 편리하나, 현장적용 등 실용화에는 적합하지 않은 방식이다. 한국건설기술연구원은 현장적용이 가능한 긴장력 도 입 방법을 개발했다. 기존 프리텐션방식과 달리 긴 장력 도입후에 긴장장치 해체가 가능하기 때문에 보 강기간을 단축할 수 있는 장점을 가지고 있는 방법 이다(KICT, 2015;Jung et al., 2017).

    기존 연구된 표면매립 긴장보강은 보강재와 충전 재의 부착이 완벽한 경우에 대해 거동을 분석하고 있 다. 그러나 콘크리트와 충전재 사이의 계면과 충전 재와 보강재 사이의 계면에서 문제가 발생할 경우, 보강 거동이 어떻게 바뀌는 지 파악할 필요가 있다.

    본 연구에서는 개발된 긴장시스템으로 표면매립 긴장보강을 수행하였고 충전재를 제거한 비부착 표 면매립 긴장보강과 부착 표면매립 긴장보강의 휨보 강성능을 고찰하고자 한다. 또한 보강전 철근 콘크 리트 보를 사전가력하여 손상을 유도한 후 보강하여 보강효과를 검토하였다.

    2. 보강성능 실험

    2.1 실험 변수

    실험 변수는 Table 1과 같고, 변수 설명은 Fig. 1과 같다. 실험체 변수명에서 B는 Bond를 나타내고, UB 는 Un-Bond를 의미한다. 두 번째 숫자는 모재 콘크 리트의 강도를 나타낸다. 세 번째 숫자는 모재 콘크 리트의 손상률이며, Control 실험체의 최대하중 대비 사전가력 하중의 비이다. 모재 콘크리트에 손상을 가하기 위하여 철근 콘크리트 보를 제작한 후 최대 하중 대비 30%의 하중을 4점 재하로 사전가력하여 손상을 주고 보강을 하였다. 모든 보강된 실험체에 서 CFRP 긴장재는 1열 보강, 부착길이는 4800mm로 동일하게 적용하였다.

    2.2 CFRP 긴장재

    보강에 사용된 CFRP 긴장재는 ϕ10mm이며, CFRP 긴장재의 물성은 인장강도 3,058MPa, 파괴시 변형률 17,890μm, 탄성계수는 171GPa 이다. 표면매립 긴장보 강공법에서 제안되는 도입 긴장력은 FRP 긴장재 강 도의 60% 이하를 허용하고 있다. 따라서 이번 실험 체 제작에서는 대상 FRP 긴장재의 인장강도인 240kN의 약 40%인 100kN의 긴장력을 적용하였다.

    CFRP 긴장재는 Fig. 2와 같이 표면처리가 되어 있지 않은 상태로 생산되며, 실험에 사용하기 위해 알루미늄 옥사이드를 사용하여 CFRP 긴장재 표면에 표면처리 하였다.

    2.3 실험체 제작 및 보강

    실험체의 제원은 길이 6.4m, 높이 600mm, 폭 400mm 의 직사각형보이며, 설계기준강도 40MPa 레미콘을 사용하여 제작하였다. Control 실험체는 보강효과를 나타내기 위해, 균형철근비의 10%인 0.0039로 인장 철근 D19 3개 배치하였고, 압축철근은 D22 3개를 사 용한 과소철근보로 설계하였다. 전단파괴를 방지하 기 위해 전단구간은 D10의 전단철근을 100mm간격 으로 설계하였다. 보강설계는 CFRP 긴장재가 콘크리 트와 완전부착으로 거동할 경우, 보강재의 인장파괴 가 선행한 후, 콘크리트 압축파괴가 발생하도록 설 계하였다.

    모든 실험체에서 보강재 개수 및 보강길이는 변 수에 따른 성능 향상 효과를 관찰하기 위하여 모두 동일한 단면 제원을 갖도록 제작하였다.

    표면매립 긴장보강공법은 콘크리트에 CFRP 긴장 재를 매립하여야 하므로, 정착하기 위한 홈을 제작 해야 한다. 홈의 크기는 폭 30mm, 깊이 40mm의 직 사각형이며, 홈의 위치는 Fig. 3과 같다.

    긴장보강 과정은 Fig. 4와 같다. 표면매립 긴장보 강을 하기 위해서 우선 실험체 하부 바닥면에 홈파 기를 하여야한다. 홈파기는 크게 정착장치 설치용 홈과 CFRP 긴장재가 매립되는 종방향 홈으로 나뉜 다. 정착홈에 정착장치를 설치하기 위한 앵커 구멍 을 천공한다. 앵커볼트를 규정된 토크값까지 조이며, 정착장치와 홈사이의 틈을 에폭시로 채워 정착장치 설치를 완료한다(Fig. 4(a)). 고정측 정착장치 홈 안에 긴장 후 늘어나는 길이가 고려된 CFRP 긴장재를 삽 입하고 고정측 슬리브가 정착장치에서 빠지지 않게 고정측 와셔로 고정한다. 고정측 정착장치에 와셔로 고정된 FRP 긴장재의 반대편은 긴장측 정착장치 홈 으로는 삽입되며 너트를 이용하여 고정된다.

    CFRP 긴장은 압착정착된 긴장측 하중단을 유압 실린더에 의해 지점쪽으로 밀어 내면서 시작된다. 이때 긴장시스템 하부의 역 U형의 긴장지그에 압착 정착된 강재 슬리브가 결합되어 긴장측 정착장치의 홀로 밀려진다(Fig. 4(b)). 긴장력 도입은 밀려나온 슬 리브 나사탭에 너트로 고정된다. 마지막으로 홈에 에폭시 충전재를 매입하여 양생하면 보강은 완료된 다(Fig. 4(c)).

    2.4 실험 개요 및 계측계획

    보강성능 실험은 2000kN UTM에서 실시하였으며, 모 든 실험체는 4점 재하 휨실험을 수행하였다. 가력위 치는 모두 동일하게 중앙을 중심으로 양쪽으로 500mm 간격을 두어 순수휨구간의 길이가 1m가 되 도록 하였다. 재하는 안전을 고려하여 변위제어방식 으로 결정하였으며, 재하속도는 초기 30mm 까지는 0.03mm/sec, 이후에는 0.1mm/sec로 제어하였다. 가력 지그와 콘크리트 접촉면에는 고무판을 설치하여 응 력집중이 발생하지 않도록 하였다. 실험 개요도는 Fig. 3(b)와 같으며, 실험 전경은 Fig. 5와 같다.

    실험체의 보강 성능을 검증하기 위하여, 철근 및 콘크리트 표면에는 변형률 게이지를 부착하였으며, 전체적인 거동을 측정하기 위하여 주요 위치에서 변 위를 측정하였다. 실험체의 수직 변위는 중앙 가력 부와 지간거리의 1/4 지점인 총 3개소에서 LVDT를 통해 측정하였으며, 콘크리트 변형률은 중앙에서 시 험체의 상부 표면을 0으로 하여 50mm 100mm 떨어 진 높이와, 가력부 좌, 우 상부 표면에서 콘크리트 변형률을 측정하였다. 또한 내부 철근 변형률을 측 정하기 위한 스틸게이지가 8개소에 설치되었다. CFRP 긴장재에는 중앙과 지간거리의 1/4 지점에 총 3개소에 스틸게이지가 부착되었다.

    3. 실험결과

    3.1 파괴 및 균열 결과

    기준 실험체는 균열 발생, 철근 항복, 콘크리트 압축 파괴로 이어지는 전형적인 휨파괴를 보였다. UB-40-0 를 제외한 보강 실험체는 철근 항복이후에 보강성능 이 나타나면서 콘크리트 압축파괴 전후로 CFRP 긴 장재가 파단되면서 실험이 종료되었다(Fig. 6).

    균열 발생 초기에는 순수 휨 구간에서의 인장부 균열이 발생하고, 하중이 증가함에 따라 균열이 압 축측과 지점부로 확장되었다. 최종적으로 실험체가 파괴되기 전에 공통적으로 좌측 지점부 부근에서 큰 사인장 균열이 발생하며 실험이 종료되었다. 모재 콘크리트의 손상률이 30%인 실험체가 하중이 증가 함에 따라 닫혀있던 균열이 열리면서 다른 실험체들 에 비해 추가적으로 많은 균열 양상을 나타냈다. 반 면, 모재 콘크리트 강도가 40MPa인 실험체는 다른 실험체들에 비해 균열이 심하게 발생하지 않았다.

    UB-40-0 실험체의 경우, 최대하중에 도달하기 전 에 정착장치가 파괴되면서 정착부에서 정착장치가 탈락되면서 실험이 종료되었다. 비부착 보강의 경우, 하중증가에 따라 정착단부에 응력이 집중되면서 정 착단부 너트부분이 파단되었고, 그 충격에 정착장치 가 실험체 단부로부터 탈락되었다. 또한 정착부 홈 파기 시공시, 과도한 모재 콘크리트 탈락으로 정착 장치의 시공 불량도 이러한 영향을 준 것을 판단된 다. 따라서 비부착보다는 부착으로 정착단부의 응력 집중을 최소화하는 것이 필요하다(Fig. 7). 실험체의 휨성능 실험결과를 Table 2에 요약하였다.

    3.2 CFRP 긴장재 비부착 거동 분석

    에폭시가 충전되지 않은 비부착 실험체(UB-40-0)의 경우는 Control 실험체보다 균열하중 81%, 항복하중 28%, 최대하중 38%의 성능향상이 이루어졌다. 에폭 시가 충전되어 긴장재와 부착이 이루어진 실험체 (B-40-0)인 경우는 Control 실험체 보다 균열하중 84%, 항복하중 36%, 최대하중 61%의 성능향상이 이루어 졌다. 비부착 실험체는 철근 항복 이전은 부착실험 체와 유사한 거동이 보였지만, 철근 항복이후에 비 부착으로 인하여 단면 강성이 낮아져서 부착 실험체 보다 보강효과가 낮은 것으로 나타났다(Fig. 8). 부착 실험체(B-40-0)의 경우는 비부착 실험체(UB-40-0)보다 균열하중은 16%, 항복하중은 10%, 최대하중은 17% 성능이 향상되었다. 에폭시 충전을 통한 CFRP 긴장 재와 에폭시의 부착은 모든 하중 단계에서 성능이 향상되는 것으로 분석되었다. 따라서 충전을 통해 CFRP 긴장재와 콘크리트를 부착하는 것은 보강성능 을 향상 시키는 데 필요한 것으로 나타났다.

    3.3 모재 콘크리트 손상 거동 분석

    콘크리트 구조물은 다양한 열화인자에 의해 노후화 되며 성능도 감소할 수 있다. 따라서 보강 전 사전 가력을 실시하여 기존 무보강 실험체 최대하중의 30% 수준까지 사전가력하여 노후화 손상을 모사하 고 보강하여, 이들 손상에 대한 보강효과를 검토하 였다. 모재 콘크리트의 손상률이 30%인 실험체 (B-40-30)는 Control 실험체와 비교하였을 때, 항복하 중 37%, 최대하중 65%의 성능향상이 이루어졌다. 사 전가력으로 균열을 유도한 실험체를 보강한 경우는 균열하중이 나타나지 않고 철근 항복하중까지 선형 으로 거동하였고 이후 거동은 다른 보강실험체 거동 과 유사하였다(Fig. 9). 사전가력을 통한 손상 실험체 인 B-40-30는 모두 Control 실험체보다 모든 단계의 하중이 향상되었고 무손상 실험체인 B-40-0과 거동 이 유사한 것으로 나타났다. 손상된 콘크리트 구조 물을 표면매립 긴장보강으로 보강할 경우 성능 복원 뿐만 아니라 성능 향상도 가능할 것으로 판단된다.

    3.4 CFRP 긴장재 변형률

    CFRP 긴장재의 인장성능은 240kN 하중에서 변형률 은 약 18000με의 변형률을 가진다. 그러나 실험체 파괴 전에 CFRP 긴장재 표면에 설치된 게이지에 손 상이 발생하면, CFRP 긴장재 파단변형률은 계측할 수 없다. 따라서 실험체의 최대 하중을 고려하여 측 정된 최종 변형률에서 실험체 파괴시까지 직선 보간 하면 변형률을 분석할 수 있다(Fig. 10). 파괴까지 예 측된 변형률은 Table 3과 같다.

    실험체 모두 긴장재 파괴시의 변형률을 근사하게 가졌으며, 최대하중 근처에서 CFRP 긴장재가 인장성 능에 도달하였기 때문에 긴장재가 파단된 것을 간접 적으로 확인할 수 있다. 다만, 비부착된 실험체의 경 우, 부착 실험체보다 CFRP 긴장재 단부에 변형률 증 가가 크기 때문에, CFRP 긴장재 인장성능에 도달하 지 못하고, 정착 슬리브에서 문제가 발생하여 실험 이 종료되었다. 그러나 부착된 실험체는 강재 슬리 브 압착정착에 의한 정착장치가 CFRP 긴장재의 인 장성능에 도달할 때까지의 성능을 만족하지 않더라 도 충전재의 부착성능으로 CFRP 긴장재의 최종 인 장강도까지 정착할 수 있을 것으로 판단된다.

    Fig. 11은 실험 중 CFRP 긴장재에 발생한 변형률을 실험체 별로 나타냈다. CFRP 긴장재의 길이는 4800 mm이며 변형률 측정을 위한 게이지는 긴장재 길이 의 1/2에 1개, 1/4에 2개를 설치하였다. 그래프의 가 로축은 CFRP 긴장재 길이를 나타내며, 세로축은 변 형률을 나타냈다. 각 실험체별 균열하중, 항복하중, 마지막으로 235kN에서의 변형률을 나타냈다. 에폭시 를 충전하여 콘크리트와 CFRP 긴장재가 부착된 실 험체는 하중에 증가함에 따라 긴장재 중앙에 부착된 게이지의 변형률 증가(Fig. 11 (a))가 뚜렷이 나타난 반면, 비부착된 실험체는 Fig. 11 (b)와 같이 하중별 로 3곳의 변형률 증가량이 유사한 것으로 나타났다.

    따라서 비부착인 경우는 CFRP 긴장재에 고르게 응력이 분포하기 때문에 CFRP 긴장재 단부의 정착 성능이 중요하며, 부착의 경우는 실험체의 균열은 중앙부부터 발생하여 단부로 퍼져 나가면서 CFRP 긴장재의 변형률도 중앙이 가장 크게 발생하기 때문 에, 실험이 끝날 때까지 CFRP 긴장재 단부의 응력은 크지 않을 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 비부착 및 사전 손상에 대해 표면매 립 긴장보강 실험체의 휨 거동을 고찰하였고 다음과 같은 결론이 도출되었다.

    • 1) 충전재와 CFRP 긴장재가 부착된 실험체는 하 중에 증가함에 따라 긴장재 중앙에 부착된 게 이지의 변형률 증가가 뚜렷이 나타난 반면, 비부착된 실험체는 하중별로 변형률 증가량이 유사한 것으로 나타났다. 따라서 비부착인 경 우는 CFRP 긴장재에 고르게 응력이 분포하기 때문에 CFRP 긴장재 단부의 정착성능이 중요 하였다. 부착된 실험체의 경우, 실험체의 균열 은 중앙부부터 발생하여 단부로 퍼져 나가면 서 CFRP 긴장재의 변형률도 중앙이 가장 크 게 발생하기 때문에, 실험이 끝날 때까지 CFRP 긴장재 단부의 응력은 크지 않을 것으 로 판단된다.

    • 2) 정착부 홈파기 시공시, 과도한 모재 콘크리트 탈락으로 정착장치의 시공 불량을 유도할 수 있기 때문에 시공관리가 필요하다.

    • 3) 에폭시 충전을 통한 CFRP 긴장재와 에폭시의 부착은 모든 하중 단계에서 성능이 향상되는 것으로 분석되었다. 따라서 충전을 통해 CFRP 긴장재와 콘크리트를 부착하는 것은 보강성능 을 향상 시키는 데 필요한 것으로 나타났다.

    • 4) 모재 콘크리트 손상 실험체는 기본 보강 실험 체와 휨거동이 유사하게 나타났다. 따라서 손 상된 구조물을 보강하면 기존 성능 복원뿐만 아니라 향상도 가능한 것으로 나타났다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (17SCIPB128496- 01) from Smart Civil Infrastructure Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

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    Designation of Test Members
    KOSACS-11-6-71_F2.gif
    Shape of CFRP Tendon Before and After Surface Treatment
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    Shape and Dimensions of Test Members [mm]
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    Installation Process of Anchor and CFRP Tendon
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    Four-point Bending Test
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    Tensile Rupture of CFRP Tendon in Strengthened Test Member
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    Failure of Anchoring Device
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    Effect of Tendon Bonding
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    Effect of matrix damage ratio
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    Load-strain of CFRP tendon graphs
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    Strain distribution in CFRP tendon

    Table

    Test Variables of Tested Specimens
    Summary of Test Results
    Strain of CFRP tendon

    Reference

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