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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.3 pp.30-35
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.3.030

Streng thening E ffect of a C ircular Wood W rapped w ith a CFRP S heet

Sang-Woo Kim1, Dong-Ju Lee2, Kim, Jin-Sup3
1Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Master’s Course, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Associate Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea


Corresponding author: Kim, Jin-Sup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 501, Jinju Daero, Jinju, Korea. Tel: +82-55-772-1791, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
May 24, 2021 June 7, 2021 June 9, 2021

Abstract


As eco-friendly architecture has recently become a hot topic, many studies have been conducted for a representative system of eco-friendly architecture along with the earthquake-resistant performance of wooden buildings. Therefore, research on enhancing the demand and performance of wooden structures is increasingly being conducted. However, research on the reinforcement methods for non-homogeneous materials such as wood remains primitive. In this study, we performed compression and bending strength experiments by reinforcing a circular wood with CFRP sheets. The experimental results were analyzed to investigate the reinforcement effect on the same area based on the overlap length and number of reinforcement layers of CFRP sheets. The experiments revealed that the compression and bending loads were increased by the CFRP reinforcement. The bending load tended to increase with the increase in the overlap length and number of reinforcement layers. However, the compression load remained unclear because of the inhomogeneous nature of wood, which indicated no specific trend.



CFRP Sheet로 보강된 원형 목재의 보강효과

김상우1, 이동주2, 김진섭3
1경상국립대학교 토목공학과 박사과정
2경상국립대학교 토목공학과 석사과정
3경상국립대학교 토목공학과 부교수

초록


최근 친환경 건축이 대두되고 있는 가운데, 목조건축물의 내진성능과 더불어 친환경 건축의 대표적 시스템으로 많은 연구가 진행되며 다시 각광을 받고 있다. 따라서 목재 구조물의 수요와 성능 개선에 관한 연구는 활발히 증가되고 있지만 목재 와 같은 비균질 재료에 대한 보강법에 대한 연구는 아직 초기 수준이다. 본 연구에서는 원형단면의 목재기둥을 CFRP 시트로 보강하여 압축 및 휨 강도실험을 수행하였다. 실험 결과를 분석하여 동일한 면적에 CFRP 시트의 보강겹수와 겹침이음길이에 따른 보강효과를 나타내었다. 실험 결과 보강 시 압축 응력과 휨 응력이 증가하였다. 보강겹수와 보강재의 겹침 이음 길이의 증 가에 따른 휨 응력 또한 모두 증가하는 경향을 나타내었으나, 압축응력은 목재의 비균질한 성질로 인한 횡방향 팽창이 불특정 하게 나타나 특정 경향 없이 나타나는 것을 확인하였다.



    Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement(KAIA)
    21CTAP-C157156-02

    1. 서 론

    목재는 불이 붙는 가연성 재료로 내화성에 매우 취 약하여 안전성이 낮은 건축재로 인식되어 왔다. 그 에 따라 불연성의 철근콘크리트가 목재의 자리를 대 체하기 시작하면서 건설현장에서 목재는 거푸집, 흙 막기 버팀목 등의 가시설물 설치에만 사용되었다. 또한 목재는 비균질 섬유구조가 한계로 지적된다. 목재는 섬유소라 불리는 세포로 이루어져 있다. 섬 유소의 각각의 배열에 따라 섬유가 가지는 방향성을 ‘섬유방향’이라고 한다. 이때 목재의 ‘섬유방향’은 일 정하지 못하며, 방향에 따라 성능의 차이가 다르게 나타난다. 따라서 목재는 균일한 성능을 보장하기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 그러나 최근 친환경 건축이 대두되고 있는 가운데, 목조건축물의 내진성 능과 더불어 친환경 건축의 대표적 시스템으로 많은 연구가 진행되며 다시 각광을 받고 있다(Ryoo et al., 2018;Oh et al., 2021). 이는 목조 건축이 빠른 시공 과 탄소절감 효과, 그리고 경량성 등의 장점을 가지 고 있기 때문이다. 또한 목재를 건축재로 활용하기 위한 다양한 연구가 활발하게 진행이 되면서, 목재 에 대한 부정적인 인식이 긍정적으로 많이 바뀌게 되었다. 이에 목조건축이 새로운 건축 트렌드로 대 두되고 있다.

    목재의 내화성 문제를 개선하기 위해 목구조 전 문가들은 화재에 강한 특성 지닌 방화석고보드를 목 재 골조 위에 설치하여 목조골조를 보호하거나, 화 재에 노출이 쉬운 부분의 목재의 단면을 두껍게 설 계하여 화재가 발생하더라도 대피와 구조를 할 수 있는 시간을 확보하는 방법 등을 적용한다. 또한 목 재의 비균질성 문제를 해결하기 위해 가장 최근 개 발된 공학목재로 구조용집성판(Crosslaminatedtimber: CLT)이 있다. 이와 같이 목재 구조물의 수요와 성능 개선에 관한 연구는 활발히 증가되고 있지만 목재와 같은 비균질 재료에 대한 보강법에 대한 연구는 아 직 초기 수준이다.

    FRP는 고강도, 비부식성, 경량성 등의 장점을 가 지고 있어 콘크리트 구조물의 보수, 보강재로 널리 사용되고 있으며, FRP 합성수지는 구속제 혹은 전단 을 보강하기 위한 외부 부착 보강재로 사용되고 있 다(Kaminski and Trapko, 2006;Bulavs et al., 2005). CFRP 시트는 고강도, 고강성을 가지므로 콘크리트 기둥을 구속하여 보강하기에 매우 이상적이다. CFRP 시트로 구속된 콘크리트에 압축력을 작용시키면 하 중 축의 직각 방향(횡방향)으로 팽창하게 되며, 심부 콘크리트는 3축 응력 상태가 된다. 이 상태에서 콘 크리트의 압축 성능은 CFRP의 인장력에 의한 구속 압에 영향을 받게 되며 CFRP는 선형탄성 거동을 하 므로 콘크리트가 횡방향으로 팽창할수록 구속압은 증가한다(Mirmiran et al., 2000;Fam and Rizkalla 2001;Sadeghian et al., 2008).

    FRP로 구속된 콘크리트에 대해 이론 및 실험 연 구가 많이 수행되었지만 목재에 대한 연구는 부족하 다. Hale and Bulent (2010)는 CFRP를 활용하여 목재 의 기계적 성능을 보강하고자 하였다. CFRP로 직사 각형 목재 실험체를 보강하여 성능실험을 수행하였 다. 그 결과 CFRP를 활용하여 목재를 구속함으로써 압축 및 휨 성능을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 보강효과는 단면이 증가할수록 감소함을 확인 하였다. 하지만 오직 직사각형 단면에서의 결과만 나타나 있으며, 보강겹수와 겹침이음에 대한고려는 포함되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 원형단 면의 목재기둥을 CFRP로 보강하여 압축 및 휨 강도 실험을 수행하였다. 실험 결과를 분석하여 보강겹수 와 겹침이음길이에 따른 보강효과를 나타내었다.

    2. 시험 계획

    2.1 시험체 설계

    시험체는 Fig. 1에 나타난 것과 같이 압축 시험체는 KS F 2403의 콘크리트 압축 실험체를 참고하여 직 경이 100mm이고, 높이가 200mm인 원주형 시험체를 사용하였다. 휨 시험체는 KS F 2408의 콘크리트 휨 시험체를 참고하여 직경이 100mm이고, 길이 500mm 인 원주형 시험체를 사용하였다.

    2.2 사용재료

    2.2.1 목재

    시험체 제작에는 미국산 솔송나무(Western Hemlock)를 사용하였다. 본 목재는 소나무(pine)과에 속하며 합판 재, 토목재등으로 주로 사용되며 용도가 다양하다.

    2.2.2 탄소섬유시트(CFRP Sheet)

    보강효과를 확인하기 위하여 탄소섬유시트를 사용하 였다. Table 1에 제조사에서 제공한 재료의 물성치를 정리하였다.

    2.3 가력설계 및 시험체 설치

    시험은 Fig. 2에 나타난 것과 같이 시험체를 설치하 여 시험을 수행하였다. 압축 실험은 2mm/min 속도의 변위제어로 가력설계 하였으며, 휨 실험은 2mm/min 속도의 변위제어로 가력설계 하였다.

    2.4 보강설계

    시험체에 대한 보강은 Fig.3에 나타난 것과 같이 원 주형 시험체의 측면을 구속하였다. 압축실험체는 보 강재의 국부파괴를 피하기 위해 실험체 양쪽 끝단에 10mm씩 간격을 두고 보강하였다. 휨 실험체는 중심 축을 기준으로 양쪽 끝단 방향으로 125mm씩 총 250mm를 보강하였다. 겹 수(layer)에 따른 보강효과 와 거동을 확인하기 위해 압축 실험체는 1겹, 2겹, 3 겹 그리고 4겹의 변수를 설정하였으며, 휨 실험체는 1겹, 2겹의 변수를 설정하였다. 겹침이음길이(Overlap length)에 따른 보강효과와 거동을 확인하기 위해 압 축 및 휨 실험체 모두 30mm, 50mm 그리고 80mm의 변수를 각각 설정하였다. Table 2에 각 시험체 별 상 세 및 시편 이름을 정리하였다.

    3. 시험결과 및 분석

    압축강도 실험결과를 Table 3에, 휨강도 실험결과를 Table 4에 정리하였다. 각 변수별 3개씩 실험하였으 며, 각 시험체의 최대응력(Max stress)과 최대응력 발 생 변형률(Strain)을 나타내었으며, 각 변수별 실험결 과 수치를 산술평균하여 비교 분석하였다.

    3.1 보강겹수에 따른 영향

    CFRP 시트의 보강겹수에 따른 보강 효과를 검토하 기 위해 동일한 겹침이음길이로 보강된 시험체의 압 축응력와 휨 응력를 비교하였다. Fig. 4는 각 보강겹 수 별 겹침이음길이의 보강효과를 비교한 것이다.

    겹침이음길이가 30mm인 시험체들은 보강겹수가 증가할수록 압축과 휨 응력이 모두 증가하는 경향을 나타내고 있다. 겹침이음길이가 50mm인 시험체들은 보강겹수가 2장일 때 최대압축응력을 나타내었으며, 3장 이상 보강할 시 압축응력이 감소하는 경향이 나 타났다. 휨 응력은 증가하는 경향을 나타내고 있다. 겹침이음길이가 80mm인 시험체들은 보강겹수가 2장 일 때 압축응력이 가장 낮게 나타나며, 4장일 때 가 장 높게 나타난다. 휨 응력은 증가하는 경향을 나타 내고 있다.

    휨 응력은 보강겹수가 증가할수록 모든 겹침이음 길이에서 증가하였으나, 압축 응력은 30mm의 겹침 이음 길이의 경우를 제외하고는 뚜렷한 경향을 나타 내지 않았다. 이는 목재가 외력을 받으면 부피가 감 소하는 성질을 가지고 있어 횡방향 부피 증가에 대 한 보강재의 구속 효과가 작게 작용하기 때문이다.

    3.2 겹침이음길이에 따른 영향

    CFRP 시트의 겹침이음에 따른 보강효과를 검토하기 위해 동일한 보강겹수로 보강된 시험체의 압축강도 와 휨 강도를 비교하였다. Fig.5은 각 겹침이음길이 별 보강겹수의 보강효과를 비교한 것이다.

    보강겹수가 1, 2, 그리고 3겹인 시험체들은 50mm 의 겹침이음길이에서 압축응력이 가장 높게 나타났 으나, 4겹인 시험체들은 50mm의 겹침이음길이에서 압축응력이 가장 낮게 나타났다. 휨 응력은 보강겹 수가 1겹인 시험체들은 50mm에서 가장 높게 나타났 으며, 2겹인 시험체들은 미세하게 증가하나 약 22MPa으로 유사하게 나타났다.

    실험결과 압축과 휨 모두 50mm가 최적의 겹침이 음길이로 나타났다. 겹침이음길이의 증가에 따른 보 강 효과의 뚜렷한 경향은 나타나지 않았다. 이는 목 재의 비균질성으로 인해 압축에 의한 푸아송 비가 불특정하게 나타나고, 따라서 보강재의 구속효과가 일정하게 발현되지 않기 때문이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 CFRP 시트로 횡구속된 원형 목재에 대하여 보강겹수와 겹침이음길이를 변수로 설정하여 시험한 결과를 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.

    • (1) CFRP 시트로 횡구속된 원형 목재의 압축 성 능과 휨 성능은 기존의 연구 결과와 동일하 게 구속효과에 의해 개선되었다.

    • (2) 보강겹수의 증가에 따라 휨 응력이 증가하는 경향을 보였으나, 압축응력은 횡방향 부피 팽 창이 불특정하게 나타나 경향 도출이 어렵다.

    • (3) 겹침이음길이의 증가에 따라 휨응력은 1겹과 보강에서는 50mm의 겹침이음길이에서 가장 높은 수치를 나타내었다. 2겹 보강에서는 겹 침 이음 길이가 증가할수록 휨 응력이 미세 하게 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 압 축응력은 겹침이음길이 증가에 따른 특정 경 향을 나타내지 못했으며 이는 목재의 옹이의 유무 및 위치 그리고 횡방향 팽창의 불특정 성 때문으로 판단된다.

    • (4) CFRP 시트를 부착한 원형 목재의 보강효과는 겹침이음길이보다 보강겹수에 더 큰 영향을 받으며 압축 성능보다는 휨 성능 보강에 효 과적이다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This work is supported by the Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement(KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (Grant 21CTAP-C157156-02).

    Figure

    KOSACS-12-3-30_F1.gif
    Non-Wrapped Specimen
    KOSACS-12-3-30_F2.gif
    Test Set-up
    KOSACS-12-3-30_F3.gif
    Wrapped Specimen
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    Mechanical Properties of Circular Wood by Multiple Layers
    KOSACS-12-3-30_F5.gif
    Mechanical Properties of Circular wood by Multiple Overlap Length

    Table

    Mechanical Properties of CFRP Sheet
    Summary of Test Parameters
    Compressive Test Result
    Flexural Test Result

    Reference

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