Sprayed FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 보강성능에 관한 연구

Abstract

현재 국내의 콘크리트 구조물은 1970년대 이후 급격한 경제성장 과정에서 대량 공급되어 도시의 건축물은 대부분 콘크리트 구조물로서, 내구성은 반영구적인 것으로 인식되어 왔으며, 반세기 이상 경과된 콘크리트 구조물도 다수 존재한다. 그러나 콘크리트 구조물은 시간이 경과함에 따라 노후화 및 각종 외부조건에 의해 구조물의 성능이 저하되는 심각한 문제가 발생하여 보수ㆍ보강을 필요로 하게 된다. 이러한 콘크리트 구조물의 재래식 보수ㆍ보강방법으로는 강판보강법, 철골브레이스보강법, 단면증설법, 벽체신설법 등이 있으나, 보강으로 인한 중량증가, 시공조건 및 정밀시공 등이 요구되는 단점을 내포하고 있다. 이러한 재래 보수ㆍ보강법의 단점을 극복하기 위해서 최근 내구성이 우수한 탄소섬유ㆍ유리섬유ㆍ아라미드섬유 등의 경량의 복합 신소재를 이용한 FRP Sheet 보강법 등이 널리 사용되어 지고 있다. 그러나 FRP Sheet 보강법은 재료 자체가 갖는 이방성문제, 사전 표면처리 작업 및 접합부 적용 시 시공성 문제, 비교적 고가의 소재를 사용함에 따른 경제성 문제가 야기되고 있어 현재 시공성 및 경제성이 탁월한 새로운 보강기술의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구의 주목적은 유리 및 탄소 단섬유(short fiber)와 에폭시 및 비닐에스테르 수지(resin)를 외기에서 혼합하여 요철이 많은 콘크리트 표면에 고속의 압찰공기로 랜덤하게 분사하여 기존 콘크리트 구조물을 보강하는 새로운 공법, 즉 Sprayed FRP 보수ㆍ보강 공법을 개발하는 것으로서, 국내ㆍ외적으로 Sprayed FRP 공법에 관한 연구는 극히 드물다. 특히, 수지로서 에폭시를 사용한 연구는 전무하다. 본 연구에서는 Sprayed FRP 보강을 위한 최적의 재료 물성치를 제시하고자 유리 및 탄소단섬유의 길이, 단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르수지의 배합비율 등을 주요변수로 설정하여 재료인장시험을 실시하였다. 또한, 상기 재료시험결과를 바탕으로 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강된 철근콘크리트 휨보 및 전단보의 보강성능을 실험적 연구를 토대로 평가하였다. 그 결과, 유리 및 탄소단섬유의 길이 3.8cm, 섬유와 수지의 배합비율 1:2가 최적의 물성치로 제안되었으며, Sprayed FRP의 휨 및 전단보의 보강효과는 기존 FRP Sheet와 동등 이상의 보강효과가 나타났다. 또한 기존 FRP 설계식의 적용가능성을 분석해본 결과 Sprayed FRP 휨 실험체의 경우 기존 설계식의 적용이 가능한 것으로 드러났으며, 전단실험체의 경우는 전단강도 저감계수 α=0.18이 실험값과 근접한 범위 내에서 안전 측으로 설계가 되는 것으로 판단된다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며 제 1장은 서론, 제 2장은 연구용 기자재, 제 3장은 재료시험, 제 4장은 휨보의 실험, 제 5장은 전단보의 실험, 제 6장은 결론으로 구성되어 있으며, 각 장에 기술된 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 범위 등을 명시하였다. 제 2장에서는 본 연구에서 사용된 Sprayed FRP 보수·보강 연구용 기자재의 원리 및 특징을 기술하였다. 제 3장에서는 재료시험편 계획 및 제작, 재료시험을 통해 얻어진 결과분석을 통하여 Sprayed FRP의 설계두께를 제안하였다. 제 4장에서는 Sprayed FRP로 보강한 휨 실험체의 보강성능 평가에 대해 실험체 계획 및 제작, 재료시험, 실험체 설치에 관련된 사항을 설명하고 실험에서 얻은 결과 분석을 기술하였다. 제 5장에서는 Sprayed FRP로 보강한 전단 실험체의 보강성능 평가에 대해 실험체 계획 및 제작, 재료시험, 실험체 설치에 관련된 사항을 설명하고 실험에서 얻은 결과 분석을 기술하였다. 제 6장에서는 이상과 같은 실험 및 분석 연구를 통해 얻은 결론을 기술하였다.; The main purpose of this study is to develop a Sprayed FRP repair and strengthening method, which is a new technique for strengthening the existing concrete structures by mixing one of the carbon or glass short fibers and one of the epoxy or vinyl ester resins with high-speed compressed air in open air and randomly spraying the mixture onto the concrete surface. At present, the Sprayed FRP repair and strengthening method using the epoxy resin has not been fully discussed. In order to investigate the material property of the Sprayed FRP, this study carried out tensile tests of the material specimens, which were changed with the combinations of various variables including the length of short fiber and the mixture ratio of short fiber and resin. These variables were set to have the equal material strength, compared to that of one layer of the FRP sheet. As a result, the optimal length of glass and carbon short fibers was derived into 3.8cm, and the optimal mixture ratio between short fiber and resin was also derived into 1:2 from each variable. And also, the thickness of the Sprayed FRP to have the equal strength to one layer of the FRP sheet was finally calculated. In this study, a series of experiments were carried out to evaluate the strengthening effects of flexural beams and shear beams strengthened with the Sprayed FRP method, respectively. The results revealed that the strengthening effects of the flexural and shear specimens were reasonably similar to those of the FRP sheet, and the developed Sprayed FRP technique is able to use the strengthening scheme of existing RC building. This paper is made of six chapters, each of which includes following summary. Chapter 1 is the introduction and describes the background, the purpose, presents previous studies, the contents and extents of this study. Chapter 2 describes equipment for Sprayed FRP. Chapter 3 describes the material tests for optimized material properties of Sprayed FRP. Chapter 4 summary about strengthening effects of flexural beams strengthened with the Sprayed FRP method. Chapter 5 summary about strengthening effects of shear beams strengthened with the Sprayed FRP method. Chapter 6 provides the conclusions of this study.