재하상태를 고려하여 CFS와 강판으로 전단보강한 보의 거동에 관한 연구

Abstract

급격한 경제성장과 함께 1970년대 이후 주거용 및 업무용 철근콘크리트 건축물의 대량공급에 따른 다양한 원인으로 인하여 상당수의 건축물에서 구조적 문제가 발생하였다. 특히, 콘크리트의 강도부족, 시공부실 등으로 인한 구조물의 안전성 문제가 다량 발생하여 건축물을 보수·보강하는 사례가 많이 발생하였다. 그러므로 현시점에서 구조물의 보수·보강에 관한 연구는 절실한 상황이다. 이러한 취지에서 그동안 보수 보강에 관한 많은 연구가 진행되어 왔으나 아직까지 전단보강에 관한 연구는 미흡한 실정이고 또 대부분이 하중을 제거하고 실험체를 제작하여 다시 가력하는 방식의 연구이므로 실제 구조체에서 보수·보강 작업시 하중이 그대로 유지되는 상태에서 이루어지는 것과는 차이가 있을 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 실제와 유사하게 철근콘크리트보에 하중이 유지되는 상태에서 전단 보강하여 보강시 부재의 손상의 정도에 따른 정확한 구조체의 거동을 파악하고자 한다. 실험적 고찰을 위해 전단무보강 시험체와 전단근만 보강한 기본시험체 1개, 탄소섬유쉬트의 Jacket형, Strip형 보강시험체, 강판 Jacket형 보강시험체를 각각 의 경우에 따라 보강시 재하레벨이 최대 전단내력의 0%, 30%, 50%, 70%일때로 나누어 총 14개의 실험체를 제작하였다. 실험은 실제와 유사하게 하중을 재하한 상태에서 보강작업을 하고 다시 가력하는 방식으로 4점 재하를 실시하였고 실험의 주변수는 보강시 하중크기, 보강재료, 보강형식으로 하여 각 실험체에 대한 전단보강효과 및 파괴양상 등 실제 구조체에서의 보강 거동을 연구하였다. 실험수행 후, 탄소섬유쉬트로 보강한 실험체에 대하여 스트럿-타이로 모델링 하여 해석적 고찰을 수행하여 실험결과와 비교하였다. 연구결과, 보강시 가력되어 있는 재하 수준이 클수록 보강효과가 커진다. 탄소섬유쉬트는 항복 강도까지 이르지 못한 상태에서 시험체와 보강재 사이에서의 부착파괴가 먼저 발생하므로 탄소섬유쉬트의 강도 계산시 부착강도를 고려한 강도 저감계수의 도입이 필요하다. 탄소섬유쉬트의 보강형식에 있어 Jacket형식의 보강방법보다는 Strip형식의 보강이 더 효율적이다. 강판으로 보강한 시험체는 충분히 연성을 확보해 시험체를 휨파괴로 유도하였다. 강판으로 보강한 후 모든 전단력은 강판이 거의 부담하는 것으로 나타났다. ACI 규준식은 콘크리트가 부담하는 전단력이 실제보다 작게 계산되는 것으로 나타났지만, 스트럿-타이 모델로 적용하여 해석하였을 경우에 실제값에 더욱 근접한 결과값을 얻을 수 있었다. 탄소섬유쉬트의 최대 전단내력을 정확하게 분석하기 위해 강도저감계수 K의 값을 계산하여 식을 제안한 결과, 탄소섬유쉬트를 Jacket형으로 보강한 실험체의 경우 K_(Jacket) = -11.0X^(3)+13.6X^(2)-3.8X+0.5을, Strip형으로 보강한 실험체의 경우 K_(Strip) = 3.4X^(2)-1.3X+0.5를 적용하여 K값을 계산해 스트럿-타이로 모델링하여 V_(CFS)값을 계산하면 모든 실험체에서 10% 미만의 낮은 오차율을 보여 실험값에 매우 근사한 값을 가짐으로 보강시 가력되어있는 하중레벨에 따른 정확한 탄소섬유쉬트의 전단부담내력값을 계산할 수 있다.;The shear strengthening of RC beams have been achieved by epoxy bonded steel plates or carbon fiber sheets (CFS) to the web of the beams. Many researches are recently carried out to investigate the effect of retrofitting methods and materials on the behavior of strengthened members. From the previous researches, the effectiveness and variety of failure modes of either epoxy bonding steel plates or CFS have been identified. However, there are few researches on the strengthening of RC beams in which the effect of loading conditions at the time of strengthening works is considered. The aim of this study was to estimate the shear strengthening of reinforced concrete beams by external bonded steel plates and strip and jacketed CFS to the web of the beams under three pre-loading conditions, strengthening materials(CFS, steel plate), and strengthening method(jacket type, strip type). In this paper, 14 specimens were tested to investigate shear strengthening effect and the beam tests were peformed under 4-points loading. 1 non-strengthened specimen, 1 strengthened by only stirrup, and 12 strengthened by carbon fiber sheet, & steel plate specimens that are respectively different the Experimental data is classified and is analyzed the shear strengthening effect of pre-loaded reinforced concrete beams by load-displacement curve, load-strain curve, moment curvature curve and so on. And experimental result compared with analytical result. As the results of the study, the shear strength of the beams strengthened with CFS increases as pre-loads increase and the strip method is more effective than Jacket method for shear strengthening of beams. CFS strength reduction factor K. The beams strengthened with steel plate show that the stirrups are not effective to resist shear force after steel plates are bonded to web.