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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.13 No.2 pp.19-27
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2022.13.2.019

Freezing and Thawing of RC Beams After Adhesion Reinforced with a CFRP Plate

Lee Su-Young 1, Gu Jong-Hyeon 1, Bae Chan-Young 1, Kim Sang-Woo2, Kim Jin-Sup3
1Master Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Associate Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2022년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2022년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jin-Sup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Korea. Tel: +82-2-400-2208, Fax: +82-2-400-2268 E-mail: kosacs@hanmail.net
March 2, 2022 March 25, 2022 March 29, 2022

Abstract


In Korea, subzero winter conditions severely affect reinforced concrete structures because of repeated freezing and thawing every year. Thus, to strengthen a damaged reinforced concrete structure, carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) reinforcement was used. CFRP is a high-strength and -elastic lightweight material with excellent workability, tensile strength, and elastic modulus. In this study, the bending performance of reinforced concrete beams exposed to the freezing and thawing environment (FTB), reinforced concrete beams reinforced with a CFRP plate (FPB), and reinforced concrete beams exposed to freezing and thawing environments after reinforcing with the CFRP plate (FFP) were tested. The strength of FTB decreased rapidly after reaching the maximum level. Moreover, FPB exhibited increased strength and stiffness before reaching the maximum strength, but no effect was observed after the premature failure of the CFRP plate. Furthermore, FFB exhibited a lower maximum strength than FPB. These findings conclude that the interfacial shear stress between the concrete surface and CFRP plate due to freezing and thawing is reduced.



CFRP 플레이트로 부착보강된 철근콘크리트 보의 동결융해에 따른 휨 실험 연구

이수영1, 구종현1, 배찬영1, 김상우2, 김진섭3
1경상국립대학교 토목공학과 석사과정
2경상국립대학교 토목공학과 박사과정
3경상국립대학교 토목공학과 부교수

초록


국내 철근콘크리트 구조물은 겨울철 영하의 날씨로 매년 동결융해가 반복된다. 동결융해의 영향으로 철근콘크리트 구조물에 여러 가지 문제가 발생한다. 동결융해에 의해 손상이 된 철근콘크리트 구조물을 보강하기 위하여 다양한 보강공법 중 CFRRP(탄소섬유강화플라스틱)보강공법을 사용하였다. CFRP는 고강도, 고탄성 경량 소재로 시공성이 우수하며 인장강도, 탄성계 수가 뛰어나다. 본 연구에서는 동결융해 환경에 노출된 철근콘크리트 보(FTB), CFRP 플레이트로 보강한 철근콘크리트 보(FPB), CFRP 플레이트로 보강한 후 동결융해 환경에 노출된 철근콘크리트 보(FFP)의 휨 성능 실험을 하였다. 실험결과 FTB는 최대강 도 도달 이후 강도가 급격하게 감소하였다. FPB는 최대강도 도달하기 전에 강도와 강성이 증가하지만 CFRP 플레이트의 조기 파괴 후에는 효과가 없음을 보여준다. 또한 FFP는 FPB보다 최대강도가 낮았다. 이는 동결융해에 의한 콘크리트 표면과 CFRP 플레이트 사이의 계면전단응력의 감소로 판단된다.



    1. 서 론

    일반적인 철근콘크리트 구조물은 시간이 지날수록 재료 및 외부환경적 요인에 노출되어 노후화 및 내 구성 저하가 일어난다. 특히 우리나라는 겨울철 기 상환경변화에 의한 동결융해 현상이 구조물의 손상 및 내부균열을 발생시킨다(Koh et al., 2001). 동결융 해로 인한 철근콘크리트 구조물의 적절한 보수⋅보 강을 위해 여러 섬유 복합재료 중 탄소 섬유 복합재 료(Carbon Fiber Reinforced Polymer: CFRP) 연구가 널리 활용되고 있다. 현재 국내에서도 CFRP에 의한 RC 구조부재의 보강효과가 검증되어 콘크리트 설계 기준에 반영됨으로써 실무자들이 설계에 활용할 수 있도록 하였다(Architectural Institute of Korea, 2000).

    CFRP는 비부식성, 경량성, 높은 인장강도, 우수 한 전기전도성, 낮은 열팽창율등 재료적 장점과 필 요한 형태로 만들 수 있는 우수한 성형성을 가지고 있다. 또한, 전단강도 및 휨강도를 효과적으로 증진 할 수 있어 CFRP의 활용은 점차 발전할 것이다. 하 지만 CFRP는 인장강도에 비해 전단강도가 작고 응 력 파손 위험이 있으며, 실제시공의 경우 보강 면의 표면상태와 접착제로 사용된 에폭시의 성능 및 양생 에 따라 보강효과가 달라지는 문제가 발생한다(Kim, N. et al, 2004).

    따라서, 본 연구에서는 동결융해에 따른 철근콘 크리트 보의 장기거동성에 따른 노후화 특성과 CFRP 플레이트로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 보강효과를 분석하기 위하여 기존 재료동결융해 시 험법을 참고하여 구조부재에 대한 철근콘크리트 보 의 동결융해 실험을 수행하였다. 동결융해와 보강재 의 유무에 따라 4가지의 철근콘크리트 보를 제작하 여 4절점 휨 실험을 통해 검토하였다.

    2. 실험 계획

    2.1 시험체 설계

    본 연구에서는 300mm×450mm×2,440mm 철근콘크리 트 보를 설계하였다. 전단철근은 SS400의 D13, 주철 근은 SS400의 D19를 사용하였다. 전단철근은 200mm 간격으로 배근하였고 피복두께는 50mm로 설계하였 다. 철근의 항복강도는 400MPa이며, 콘크리트는 설 계강도 24MPa의 보통 콘크리트를 사용하였다. 재료 에 대한 물성치는 Table 1에 정리하였다. 주요 실험 변수로는 동결융해 유무와 보강재의 유무이며, 총 4 종류를 제작하였다. 시험체는 동결융해와 보강하지 않은 일반 실험체(NB), 동결융해를 한 실험체(FTB), 일반 실험체에 복합플레이트 보강재인 CFRP 플레이 트로 보강한 실험체(FPB), CFRP 플레이트로 보강하 여 동결융해를 수행한 실험체(FFB)로 나뉜다. 본 실 험에 사용된 실험체명은 Table 2에 나타내었다. 전단 검토의 경우, 설계 전단력보다 지점의 반력이 더 낮 으므로 설계 전단에는 이상이 없음을 확인하였다. 전단검토를 위한 설계 상세정보는 Table 3과 같다.

    철근콘크리트 보 부재의 휨 변형률을 측정하기 위하여, 중앙부 철근에 스트레인 게이지(Straingage)를 총 7개 부착하였다. 스트레인 게이지는 시험체 중앙 을 기준으로 200mm씩 스트럽 간격의 중앙에 부착하 였다. 시험체 단면과 스트레인 게이지 부착위치는 Fig. 1과 같다.

    2.2 시험체 보강

    보 실험체에 사용된 복합플레이트 보강재는 CFRP 플레이트를 사용하였다. 사용된 CFRP 플레이트의 두 께는 2mm이며 인장강도는 2810MPa, 인장탄성률은 172GPa이다. 보강하기 전 글라인더로 부착표면을 매 끄럽게 한 후, 에폭시 퍼티를 사용하여 CFRP 플레이 트를 바로 부착하였다. 보강한 실험체의 바닥면의 순경간 2,100mm에 대해서 보강하였다. 보강은 실험 실 내부에서 이루어졌으며 보강설계는 Fig. 2에 나타 내었다.

    2.3 동결융해 실험법

    철근콘크리트 보의 동결융해에 따른 장기거동특성을 알아보기 위해 동결융해 실험을 진행하였다. 본 연 구에서는 기존 재료 동결융해 시험법(KS F 2456, 2013;ASTM C666/C666M, 2008)을 참고해 구조부재 의 동결융해 실험을 진행하였다(Kim et al., 2020). 동 결융해 실험은 콘크리트 공시체 표면에서 5cm를 기 준으로 온도가 -18℃와 +4℃ 사이를 1Cycle로 하여 최종 300Cycle을 수행하도록 하였다.

    2.4 실험 가력계획

    보 실험은 4절점 휨 실험(Four point bending test)으로 수행하였고 실험 세팅은 Fig. 3과 같다. 하중은 변위 제어로 5mm에서 10mm씩 증가시켜 80mm까지 반복 사이클을 주며 실험을 진행하였다. 반복가력 변위 사이클은 Fig. 4와 같다.

    3. 실험 결과

    3.1 균열형상

    Figs. 58은 변위별 NB, FTB, FPB, FFB의 균열형상 을 나타내고 있다. 4개의 부재 모두 초기균열은 20mm에서 발생하였다. NB는 30mm부터 휨균열이 시험체의 중앙 하단 부분에서 고르게 발생하기 시작 하며, 40mm부터는 시편의 가력부 사이 구간에서 콘 크리트 커버의 탈락이 발생하였다. Fig. 9는 NB의 실험 종료 후 균열형상 사진이다. (a)는 콘크리트 커 버 파괴의 모습이며, (b)는 시험체 하부의 균열 모습 이다.

    FTB는 20mm 이전에서는 NB와 유사한 거동을 보였지만, 20mm에서 30mm 사이 구간에서 좌측 전 단파괴가 발생해 휨균열이 많이 진전되지 않았다. Fig. 10은 FTB의 실험 종료 후 균열형상 사진이다. (a)는 콘크리트 커버 파괴의 모습이며, (b)는 시험체 전체 균열 모습이다.

    FPB는 10mm에서 20mm사이 구간에서 콘크리트 의 표면과 CFRP 플레이트 접합부의 접착제에 의한 계면파괴박리가 발생함과 동시에 주철근이 항복하였 다. 이후 30mm에서 40mm 사이 구간부터 단부에서 발생하는 응력집중현상으로 인해 CFRP 플레이트가 피복콘크리트를 물고 떨어지는 단부파괴박리도 일어 나면서 보강판의 박리된 주변으로 휨균열이 발생하 였다. 계면파괴박리와 단부파괴박리는 조기파괴의 한 형태이다. 보강재로 철근콘크리트 구조물을 보강 할 때 보강판 강성, 보강길이 등 여러 가지 변수에 따라 조기파괴(Premature Failure)가 발생할 수 있다. 조기파괴 형태는 ⅰ) 주철근의 항복과 보강판의 항 복 또는 파단으로 인한 휨파괴, ⅱ) 보강판의 단부에 서 시작해서 콘크리트-접착제-보강판의 계면파괴로 발생하는 보강판의 벗김박리파괴(Peeling Off Failure), ⅲ) 보강판 단부에서 응력집중으로 인해 단부에서 발생한 사인장균열로 파괴되는 전단파괴, ⅳ) 전단균 열 또는 휨균열로 인해 가력점 근처 콘크리트 하단 과 보강판의 접착면에 계면균열로 시작되어 단부로 진전되는 계면파괴박리 (Interface Debonding Failure), ⅴ) 보강판의 단부에서 발생하는 응력집중으로 인한 균열로 인하여 보강판이 피복콘크리트를 물고 떨어 지는 단부파괴박리(Rip-Off Failure)등 크게 5가지로 분류한다(Kim & Sim, 1999). Fig. 11은 FPB의 실험 종료 후 균열형상 사진이다. (a)는 시험체의 조기파 괴 형태인 계면파괴박리의 모습이며, (b)는 시험체의 조기파괴 형태인 단부파괴박리의 모습이다.

    FFB도 10mm에서 20mm사이 구간에서 콘크리트 의 표면과 CFRP 플레이트 접합부의 접착제에 의한 계면파괴박리가 일어났으며, 30mm부터 시편의 가력 부 사이 구간에서 휨균열이 발생하기 시작하였다. 40mm부터는 시편 가력부 사이 구간에서 콘크리트 커버의 탈락이 발생하였다. Fig. 12는 FFB의 실험 종 료 후 균열형상 사진이다. (a)는 시험체의 조기파괴 형태인 계면파괴박리의 모습이며, (b)는 시험체 전체 균열 모습이다.

    3.2 변위-하중 관계

    Fig. 13은 시험체별 변위에 따른 하중의 관계를 나타 낸 그래프이다. NB는 변위 15mm까지 강도가 증가한 후 20mm부터 일정하게 유지된다. 약 40mm에서 강도 가 약간 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 서로 부착되 어 있던 콘크리트와 주철근의 사이가 주철근의 항복 이후 변위가 증가할수록 점차 느슨해지면서 하중을 버티지 못함에 따라 생기는 강도 감소로 판단된다.

    FTB는 변위 15mm까지 강도가 일정하게 상승하 지만, 20mm에서 30mm 사이 구간에서 하중이 급격 하게 감소하는 양상을 보였다. 이는 시험체의 전단 파괴로 인한 강도 감소로 판단된다.

    FPB는 변위 약 15mm까지 강도가 증가하였다. 이 후 15mm에서 20mm 사이 구간에서 강도가 감소하 였다. 이는 첫 번째 CFRP 플레이트 조기파괴인 계면 파괴박리가 발생하면서 강도가 감소한 것을 알 수 있다. 이후 30mm에서 40mm 사이 구간에서 두 번째 조기박리인 단부파괴박리가 발생하면서 약간의 강도 감소가 일어났음을 확인할 수 있다. 40mm부터는 강 도가 일정하게 유지된다. 따라서 조기박리가 발생하 면 보강판인 CFRP 플레이트가 기대되는 보강성능을 다 이루지 못하였다.

    FFB는 변위 15mm까지 강도가 일정하게 상승한 직후 바로 강도가 떨어졌다. 이는 CFRP 플레이트 조 기박리인 계면파괴박리가 발생하면서 강도가 감소한 것을 알 수 있다. 이후 30mm부터 강도가 점차 감소 하는데 이는 동결융해에 의한 온도변화에 따른 콘크 리트, 에폭시, CFRP 플레이트의 선팽창계수차이로 인한 계면전단응력의 감소로 판단된다.

    3.3 주철근 변형률

    Fig. 14는 주철근 중앙에 부착한 스트레인게이지 결 과이다. 지점별 변위 사이클에 따른 변형률을 나타 내었다. 각 시험체마다 스트레인게이지가 항복하거 나 변위에 따른 가력에 의한 게이지 소실로 변형률 값이 측정되지 않는다. 시험체별 전체적으로 20mm 에서 가장 큰 변형률이 측정되었다. NB는 20mm에서 주철근 전체가 항복했다. st_4(중앙지점)에서 가장 큰 변형률이 측정되었다.

    FTP는 20mm에서 주철근 전체가 항복했다. st_3 에서 변위사이클 20mm일 때 가장 큰 변형률이 발생 하였다. 이는 20mm에서 30mm 사이 구간에서 좌측 의 전단파괴에 의한 영향임을 유추해 볼 수 있다.

    FPB는 20mm에서 주철근 전체가 항복했다. st_4 (중앙지점)에서 변위사이클 20mm일 때 가장 큰 변형 률이 발생하였다. 이는 20mm에서 CFRP 플레이트 박 리과정에 의해 큰 변형률이 발생했음을 알 수 있다.

    FFB 20mm에서 주철근 전체가 항복했다. st_4에 서 가장 큰 변형률이 발생하였는데 이는 20mm에서 CFRP 플레이트의 박리과정에 의한 것으로 판단된다.

    4. 결과 분석

    4.1 동결융해 검토

    Fig. 15(a), (b)는 동결융해 시험체별 비교를 위해 휨강도 실험결과를 단편적으로 나타낸 그래프이다. 동결융해 검토를 위해 NB와 FTB를 비교하면 최대 강도가 NB는 365.37kN, FTB는 387.46kN으로 동결융 해 후 강도가 22.09kN 증가하였고 강성 역시 약 2.61kN/mm 증가하였다. 이는 동결융해 시 철근콘크 리트 시험체의 표면으로부터 5cm까지는 동결융해의 영향을 받았지만, 중심부에는 동결융해 기간 동안 양생이 이루어져 주철근과 콘크리트 사이의 부착강 도의 증가로 휨에 대한 강성이 증가한 것으로 판단 된다. 변위 약 20mm에서 최대강도 도달 이후 NB는 강도가 일정하게 유지됨을 보이지만 FTB는 급격하 게 감소하는 거동을 보인다. 이는 휨균열이 지배적 으로 발생하는 NB와 달리, FTB는 전단파괴가 발생 하여 그 부분에 응력이 집중됨에 따라 시험체의 하 중이 급격하게 감소한 것으로 판단된다.

    FPB와 FFB를 비교하면 최대강도가 FPB는 375.26kN, FFB는 360.30kN으로 동결융해 후 강도가 14.96kN 감 소하였다. 이는 반복적으로 작용한 동결융해 환경이 콘크리트와 CFRP 플레이트 사이의 계면전단력을 감 소시켜 부착계면의 물리적 성질이 변화되어 변형이 감소하고 작은 응력에서도 박리파괴가 발생하는 것 으로 사료된다(Ryu et al, 2009;Kwak & Jung, 2019). 시험체별 항복강도와 최대강도는 Table 4에 정리하 였다.

    4.2 보강효과 검토

    Fig. 15(c), (d)는 보강 시험체별 비교를 위해 휨강 도 실험결과를 단편적으로 나타낸 그래프이다. 보강 효과를 분석하기 위해 NB와 FPB를 비교하면 FPB는 NB에 비해 최대강도가 약 10kN 증가하였고, 강성도 약 5.12kN/mm 증가하였다. 하지만 CFRP 플레이트 박리 이후의 변위에 따른 거동은 비슷한 양상을 보 인다. 이는 초반에 CFRP 플레이트가 휨에 대한 강성 증가효과가 있으나, 조기박리 이후에는 영향을 미치 지 않는 것으로 파악된다.

    FTB, FFB를 비교해보면 FTB의 강성은 23.75kN/mm, FFB는 24.96kN/mm으로 FTB보다 FFB가 약 1.21kN/mm 만큼 크고 최대강도 도달 이후 FTB는 급격한 강도 감소가 발생하지만, FFB는 강도 감소가 천천히 일어 난다. 하지만 20mm에서 30mm 사이 구간에서 보강 재 파단 이후 FTB는 전단파괴에 의해 급격한 강도 감소가 있었으나, FFB는 휨균열이 지배적으로 발생 해 강도가 일정하게 감소함을 보이는 것으로 판단된 다. 따라서 동결융해 이후 CFRP 플레이트가 전단파 괴의 발생을 막아 주며 휨균열이 발생하도록 유도했 음을 알 수 있다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 동결융해에 따른 철근콘크리트 보 의 장기거동성에 따른 노후화 특성과 CFRP로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 보강효과를 알아보기 위 하여 4절점 휨 실험을 통해 분석하였다. 실험 결과 를 토대로 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 동결융해에 의하여 전단파괴가 발생함에 따라 동 결융해를 수행한 시험체(FTB)는 최대강도 도달 이후 변위에 따라 급격하게 감소하는 거동을 보 인다.

    • 2) CFRP 플레이트의 보강을 통해 강도와 강성이 증 가함을 보였으나, 조기박리 이후에는 영향이 없음 을 확인하였다. CFRP 외부보강 시험체(FPB)는 최 대강도 도달 이전에는 강도와 강성이 증가함을 보이지만 CFRP 조기 박리가 일어난 이후에는 보 강하지 않은 시험체(NB)와 그래프의 거동이 유사 하다.

    • 3) 동결융해에 의한 온도변화로 인해 콘크리트, 접착 제, CFRP 플레이트의 선팽창 계수가 달라지고 부 착계면의 물리적 성질이 변한다. 따라서 콘크리트 표면과 CFRP 플레이트 사이의 계면전단응력의 감 소로 CFRP 외부보강 후 동결융해를 수행한 시험체 (FFB)는 FPB보다 최대강도가 감소한 것으로 판단 된다.

    감사의 글

    본 논문은 2017년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2017R1C1B5016990).

    Figure

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    Details of Test Specimen(Unit : mm)
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    Detail of CFRP Reinforcement(Unit : mm)
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    Four Point Bending Test Setup
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    Loading Protocol
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    Destruction Mode of NB
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    Destruction Mode of FTB
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    Destruction Mode of FPB
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    Destruction Mode of FFB
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    Final Destruction Mode of NB
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    Final Destruction Mode of FTB
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    Final Destruction Mode of FPB
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    Final Destruction Mode of FFB
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    Displacement-Load Relationship Graph
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    Strain of Main Rebar
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    Comparison of Displacement-Load Relationship

    Table

    Material Property
    Name of Specimen and Variables
    Review on Shear(Unit : kN)
    Test Result of Four Point Bending Test

    Reference

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