Sprayed FRP로 보강된 철근 콘크리트 전단 기둥의 보강 성능 평가

Abstract

콘크리트 구조물의 재래적 보수·보강법으로는 강판 보강법, 철골 브레이스 보강법, 벽체 신설법, 단면 증설법 등이 있으나, 이러한 재래공법은 건물의 중량을 증가 시키며, 보수·보강 시 작업 공간 확보가 어렵고, 이용 공간이 제한되는 단점을 내포하고 있다. 또한, 가장 많이 이용되고 있는 재래공법 가운데 하나인 강판 보강법의 경우, 운반 및 압착 작업 등에서 강판 작업으로 인한 작업의 어려움이 있으며, 특히 지진 등의 각종 피해가 발생된 구조물에 강판압착 하였을 경우 모재와 강판 사이가 충분하게 접착되었는지의 확인이 불가능하며, 오히려 무거운 강판이 모재에 매달려 있는 상태가 되어서 건물을 더욱 불리하게 만드는 경우도 존재한다. 상기 재래식 보수·보강법이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 1990년대 초반 탄소섬유ㆍ아라미드섬유ㆍ유리섬유 등과 같은 복합 신소재를 이용한 새로운 연속섬유시트 보수·보강공법이 개발되어 주목을 받고 있으나, 이 공법 또한 거친 표면 작업을 위한 사전준비가 필요하며, 섬유의 시공방향에 따른 보강효과, 즉 이방성 문제가 존재하며, 좁은 공간 시공시 공간 확보에 어려운 점이 있으며, 소재의 가격이 비싸다는 경제적인 문제점 등을 내포하고 있다. 따라서 기존의 재래식 보수·보강법 및 복합 신소재를 이용한 연속섬유시트 보수· 보강공법이 가지는 단점을 보완하고 극복할 수 있는 새로운 보수 보강법의 개발이 요구되고 있는 것이 현 상황이다. 본 연구의 주목적은 탄소 및 유리 단섬유(chopped Fiber)와 에폭시 및 비닐에스테르 수지(Resin)를 외기에서 혼합하여 요철이 많은 콘크리트 표면에 고속의 압찰 공기로 랜덤하게 분사하여 기존 콘크리트 구조물을 보강하는 새로운 방법, 즉 Sprayed FRP 보수·보강공법을 개발하는 것으로서, 국내·외적으로 Sprayed FRP 공법에 관한 연구는 극히 드물며, 특히 수지로서 에폭시를 이용한 연구는 극히 드물다. 본 연구는 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강된 철근콘크리트 전단 파괴형 기둥의 내진보강성능을 실험적 연구를 토대로 평가하였다. 이러한 목적을 수행하기 위하여 2/3 크기로 축소된 총 6개의 기둥 실험체를 제작하여 일정한 축하중 (10% Agfck)과 반복 횡 하중을 이용하여 구조 실험을 수행하였다. 4개의 실험체는 재료시험 결과를 바탕으로 단섬유 (유리 및 탄소 단섬유) 와 수지 (에폭시 또는 비닐 에스테르)를 조합하여 Sprayed FRP로 보강하였다. 비교 목적을 위하여 고강도 탄소 섬유 시트로 보강된 실험체 1개와 보강 되지 않은 실험체 1개를 포함하였다. 재료 실험결과, 최적의 물성치로써 유리 및 탄소단섬유의 길이는 38mm, 섬유와 수지의 배합비율은 1:2로 제안하였고, Sprayed FRP의 설계두께는 유리단섬유와 에폭시 및 비닐에스테르 수지의 경우 4.2mm, 4.4mm, 탄소단섬유의 경우 3.0mm, 4.0mm로 나타났다. 또한 구조실험 결과, Sprayed FRP로 보강된 실험체의 최대 내력은 무 보강 실험체 대비 10%~30%가 증가 하였을 뿐만 아니라, 연성은 약 1.15배 향상되어, 본 연구에서 제안한 Sprayed FRP 공법은 충분한 보강효과가 기대되는 신기술 이라고 판단된며, 기존 FRP 보강 설계식의 적용 가능성을 분석한 결과, 전단설계의 안전성능을 고려한다면 Sprayed FRP 보강법에서는 일본방재협회식에 강도저감계수 =0.73을 이용한 전단 내력식이 가장 유용한 이론식이라고 사료된다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며 제 1장은 서론, 제 2장은 보수·보강용 기자재, 제 3장은 재료 시험, 제 4장은 구조 실험, 제 5장은 전단 강도저감계수 제안, 제 6장은 결론 순으로 기술하였다. 각 장에 기술된 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다. 제 1 장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 범위, Sprayed FRP 보수·보강법 특징 및 국내·외 연구 동향 등을 명시하였다. 제 2 장에서는 Sprayed FRP 보수ㆍ보강용 기자재의 구입 과정 및 기자재의 특성에 대해 정리하였다. 제 3 장에서는 Sprayed FRP 공법의 최적 재료물성을 파악하기 위한 재료시험 개요에 대하여 기술하였고, 재료의 성질과 재료 시험편 계획 및 제작, 재료 시험 결과 및 분석을 정리하였다. 제 4 장에서는 Sprayed FRP 공법을 이용하여 보강한 전단 기둥의 실험체 설치, 실험 실시, 실험결과 분석에 관련된 토의가 이루어 졌다. 제 5 장에서는 Sprayed FRP 공법을 이용한 기둥의 Sprayed FRP용 전단 강도저감계수를 제안하였다. 제 6 장에서는 이상과 같은 연구를 통해 얻은 결론을 기술하였다.; Nowadays repair and strengthening by post coating concrete, steel plate jacketing, fiber reinforcements such as carbon, aramid, and glass sheet are utilized as seismic methods for concrete structures. However, these method utilized of compound new material, has the shortcoming of load increase, uneconomic aspect. Therefore, the development of new repair-reinforcing measure to compensate and overcome these shortcomings, is required now. Recently, in developed countries in North America and Japan, the repair-strengthening method of new concept, Sprayed fiber reinforced polymers (Sprayed FRP) is being studied actively, that can compensate the existing shortcoming by using the compound new material like carbon fiber, glass fiber and aramid fiber sheet, and has significant constructible and economic benefit, and has a guaranteed function. Strengthening technique using Sprayed FRP is novel approach to upgrade the structural performance of existing concrete structures. However, hysteretic behavior of columns strengthen using Sprayed FRP have not well understood due to scarcity of experimental data. In this study, a structural performance of reinforced concrete shear columns strengthened with sprayed fiber reinforced polymers was investigated. For this purpose, six 2/3-scaled column specimens were designed and tested by a pseudo-static reversed cyclic load under a constant axial load, which is 10% of the nominal axial strength of the column. Four specimens were strengthened by Sprayed FRP with different combinations of short fibers (carbon or glass) and resins (epoxy or vinyl ester). For comparison purpose, tests of a specimen strengthened with carbon fiber sheet (CFS) and a control specimen without strengthening were carried out, respectively. The result reveals that shear strength of columns strengthened with Sprayed FRP was upgraded to 10~30% compared to those of control column, and that ductility was improved to 15%. Sprayed FRP retained improved seismic performance in terms of shear strength and ductility compared to those of control column. As a result, Sprayed FRP technique suggested in this research is expected to give easy way to strengthen existing. This paper is made of six chapters, each of which includes following summary. Chapter 1 is the introduction and describes the background, the contents and extents of this study, the purpose, presents previous studies. Chapter 2 describes equipment for Sprayed FRP. Chapter 3 describes the material tests for optimized material properties of Sprayed FRP. Chapter 4 analyses test results of shear columns retrofit by Sprayed FRP. Chapter 5 proposes a new strength model using Sprayed FRP methods to reflect the shear reinforcing mechanism. Chapter 6 provides the conclusions of this study.