高分子 複合材料로 橫補强된 鐵筋콘크리트 기둥의 力學的 特性에 관한 연구 = (A) Study on Mechanical Characteristics of Reinforced Concrete Columns Confined by Fiber Composite Materials

국문 초록 (Abstract)

철근콘크리트 구조물은 설계, 시공상의 결함이나 시공완료후의 증축 및 노후화 등의 재료, 시공, 환경, 구조적 요인에 의해 성능저하가 일어날 수 있으며, 과하중이나 지진 등에 의해 손상을 받아 구조물 자체의 안정성에 문제가 발생할 수 있다. 이러한 경우 적절한 보수·보강 대책에 의해 구조물의 성능을 보강하여야 한다.
철근콘크리트 구조물의 보수·보강에 있어 단면 증설법이나 강판보강법이 주로 사용되어 왔으나, 기존의 보강공법이 갖는 단점을 해결할 수 있는 방안으로 고분자 복합재료를 이용한 보강에 대한 연구가 이루어지고 있다.
오늘날 건축물이 고층화, 대형화되고 특수구조물이 출현함에 따라 구조물의 경량화, 대형화 및 고층화를 가능케 하고 구조 부재를 감소시킴으로써 경제적인 이점을 갖는 고강도 콘크리트에 대한 관심과 요구가 커지고 있다.

본 연구에서는 콘크리트의 압축강도(422, 672, 974, 1148㎏/㎠)와 횡보강복합재료(탄소섬유쉬트, 유리섬유쉬트, 아라미드섬유쉬트)를 변수로 하여 철근콘크리트 기둥의 보강효과 및 역학적 특성을 고찰하고자 하였다.
철근콘크리트 기둥 시험체는 길이 120×120×520㎜의 정방형 기둥으로 세장비가 15인 압축단주이고, 기둥의 양단부에 응력집중으로 인한 조기파괴를 방지하고 중앙부의 파괴를 유도하기 위하여 헌치를 제작하였다.

일련의 실험을 통하여 얻은 결과를 비교·고찰하여 얻은 결론은 다음과 같다.

1. 중심 축하중을 받는 고강도 철근콘크리트 기둥의 내력

(1) 콘크리트의 압축강도가 증가함에 따라 철근콘크리트 기둥의 강도는 증가하나, 콘크리트의 압축강도의 증가에 대한 기둥 강도의 증가율은 감소하는 것으로 나타난다.

(2) ACI에서 제시하고 있는 등가 직사각형 응력블럭은 보통강도 콘크리트에서는 유효하지만, 고강도 콘크리트에서는 기둥의 내력을 과대평가 한다.
(3) 기둥 시험체의 실험결과를 현행 규준 및 수정 등가 직사각형 응력블럭과 비교해본 결과, Azizinamini, Bing, CSA, MacGregor와 Ibrahim, ACI의 순으로 일치한다.

2. 고분자 복합재료의 보강 효과

(1) 복합재료로 횡보강된 철근콘크리트 기둥은 강도와 변형능력이 일반적으로 크게 증가하여, 에너지 흡수능력과 연성의 확보에 유리하다.

(2) 콘크리트의 강도가 증가함에 따라 보강 기둥의 강도증진효과는 증가하며, 초고강도에서는 보강효과가 다소 둔화된다.

(3) 콘크리트의 강도가 증가함에 따라 보강 기둥의 변형능력은 감소된다.

(4) 연성지수(Ductility Index)는 보통강도에서 가장 크게 나타나며, 콘크리트의 강도가 증가함에 따라 크게 감소된다.

(5) 연성효과는 유리섬유쉬트와 아라미드섬유쉬트가 탄소섬유쉬트에 비해 효과적이다.

(6) 복합재료를 1겹 보강할 경우 보강효과는 서로 비슷하며, 내력과 연성 면에서 아라미드섬유쉬트가 가장 우수하게 나타난다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Reinforced concrete structures could be deteriorated and damaged by various effects such as defects of design or construction, its enlargements, abnormal loading, earthquake, etc. In this case, the structure requires proper method of rehabilitation and strengthening to complement its structural capacity.
Recently, study has been conducted on rehabilitation and strengthening with fiber composite materials even though majority still prefers to those with steel plate and sectional enlargement.
Nowadays, there are emerging interest and demand on high strength concrete since buildings are getting higher and larger. By using this high strength concrete, section of structure can be reduced so that we enable buildings to be larger and higher effectively.
This paper is focused on strengthening effect and mechanical characteristics of reinforced concrete columns confined by fiber composite materials such as carbon, aramid and glass fiber sheet. Experiments are made with four selected values of concrete strength(422, 672, 974, 1148 ㎏/cm²) and three kinds of fiber composite materials(carbon, glass, aramid fiber sheet) as experimental variables.
In total, 16 square tied columns 12O㎜ × 12O㎜ in cross section, and 520㎜ high are tested under concentric axial compression to failure.
The following conclusions can be drawn from the results of these tests:
1. Load carrying capacity of high strength concrete columns
(1) when the concrete compressive strength increases, strength of columns dose not increase at the same ratio.
(2) ACI equivalent rectangular stress block is conservative for normal strength concrete, but it tends to overestimate strength of columns for high strength concrete.
(3) Equivalent rectangular stress block from results of column specimens shows the agreement in sequence of that proposed by Azizinamini et al., Bing et al., CSA, MacGreor & Ibrahim and ACI.
2. Strengthening effect of fiber composite materials
(1) Reinforced concrete columns, when confined with fiber composite materials around the columns, exhibit a very significant strength gain as well as increased deformability. Thus, it indicates that fiber composites wrapping excels in both energy absorption and ductility.
(2) As the concrete strength increases, strength enhancement of confined columns is significantly increased. However, it slows down incremental ratio in ultra high strength concrete.
(3) As the concrete strength increases, deformability of confined columns reduces.
(4) Ductility index shows maximum level in normal strength concrete, but it lowered remarkably when the concrete strength increases.
(5) GFS and AFS appears to be efficient compared to CFS in terms of ductility.
(6) When column is confined with 1 wrap of fiber composite materials, strengthening effect dose not show any difference from each fiber composite material.
(7) AFS is most superior among others with respect to strength and ductility.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록
• 목차
• 표목차
• 그림목차
• 기호
• 1. 서언 = 1
• 1.1 연구 배경 = 1
• 1.2 연구 목적 = 2
• 1.3 연구 범위 및 방법 = 3
• 2. 문헌 연구 = 4
• 2.1 횡보강된 철근콘크리트 기둥의 특성 = 4
• 2.2 중심축하중을 받는 기둥의 연성평가 = 6
• 2.2.1 축변형율 연성비(Axial Strain Ductility Ratio) = 6
• 2.2.2 연성지수(Ductility Index) = 8
• 3. 실험 = 10
• 3.1 사용재료 = 10
• 3.1.1 시멘트 = 10
• 3.1.2 골재 = 11
• 3.1.3 실리카흄 = 12
• 3.1.4 고성능 감수제 = 13
• 3.1.5 철근 = 14
• 3.1.6 복합재료 = 15
• (1) 탄소섬유쉬트= 15
• (2) 유리섬유쉬트 = 16
• (3) 아라미드섬유쉬트 = 16
• 3.1.7 에폭시 및 프라이머 = 17
• 3.2 콘크리트 = 20
• 3.2.1 배합설계 = 20
• 3.2.2 콘크리트의 역학적 특성 = 21
• (1) 콘크리트의 압축강도 = 21
• (2) 콘크리트의 응력-변형율 관계 = 22
• 3.3 실험 변수 = 24
• 3.3.1 횡보강 복합재료의 종류 = 24
• 3.3.2 콘크리트의 강도 = 24
• 3.4 시험체 제작 = 27
• 3.4.1 기둥 시험체 제작 = 27
• 3.4.2 복합재료의 접착 보강 = 28
• 3.5 시험체의 파괴 = 30
• 3.5.1 실험장치 = 30
• 3.5.2 시험체의 파괴 = 31
• 4. 실험 결과 = 33
• 4.1 기둥 시험체의 파괴양상 = 33
• 4.1.1 무보강 시험체(Prototype) = 33
• 4.1.2 탄소섬유쉬트 보강 시험체 = 37
• 4.1.3 유리섬유쉬트 보강 시험체 = 41
• 4.1.4 아라미드섬유쉬트 보강 시험체 = 45
• 4.2 무보강 시험체(PT-Group)의 강도와 변형특성 = 50
• 4.2.1 강도특성 = 50
• 4.2.2 변형 특성 = 52
• (1) 하중-축변위 관계 = 52
• (2) 변형율 = 53
• 4.3 보강 시험체의 강도와 변형특성 - 복합재료에 따른 특성 = 56
• 4.3.1 강도 특성 = 57
• 4.3.2 하중-축변위 관계 = 59
• 4.3.3 변형율 = 62
• 4.4 보강 시험체의 강도와 변형특성 - 콘크리트의 압축강도에 따른 특성 = 70
• 4.4.1 강도 및 하중-축변위 특성 = 70
• 4.4.2 변형율 = 77
• 5. 실험 결과의 비교·고찰 = 81
• 5.1 무보강 시험체(PT-Group)의 강도 특성 = 81
• 5.1.1 등가 직사각형 응력블럭(equivalent rectangular stress block) = 81
• 5.1.2 실험결과의 비교·분석 = 83
• 5.2 보강 시험체의 보강 효과 = 85
• 5.2.1 보강 시험체의 강도특성 = 86
• 5.2.2 보강 시험체의 변형특성 = 92
• (1) 하중-축변위 = 92
• (2) 변형율 = 95
• 5.3 보강 시험체의 연성 특성 = 98
• 5.3.1 연성지수(Ductility Index) = 98
• 5.3.2 보강 시험체의 연성평가 = 100
• 6. 결언 = 105
• 참고문헌 = 108
• 실험관련사진 = 112
• ABSTRACT = 121