[논문]부분 비부착 NSM Hybrid FRP 보강근에 의한 철근콘크리트보의 연성보강

이차돈; 정상모; 원종필; 이승환

doi:10.4334/jkci.2003.15.1.143

부분 비부착 NSM Hybrid FRP 보강근에 의한 철근콘크리트보의 연성보강
Ductile Strengthening of Reinforced Concrete Beams by Partially Unbonded NSM Hybrid FRP Rebars 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.15 no.1, 2003년, pp.143 - 153

이차돈 (중앙대학교 건축공학과) , 정상모 (한동대학교 토목공학과) , 원종필 (건국대학교 지역건설환경공학과) , 이승환 (중앙대학교 건축공학과)

초록
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철근콘크리트를 FRP 복합재로 보강할 경우, 취성파괴를 방지하고 연성파괴를 확보할 수 있는 새로운 기법을 표면매립공법(Near Surface Mounted technique: 이하 NSM 공법)에 근거하여 제시하였다. 제안된 기법은 Hybrid FRP rebar를 부분적으로 비부착 시킴으로서 보강된 보의 연성을 확보한다. Hybrid FRP rebar의 일부를 비부착으로 한 경우와 전부를 부착으로 한 경우의 NSM 공법에 의한 FRP 보강된 철근 콘크리트보의 거동을 비교하기 위한 실험을 실시하였다. 실험 결과, 부분 비부착 NSM 공법으로 보강된 철근 콘크리트보만이 연성거동을 함이 관찰되었다. 부분 비부착 보강된 보의 극한 시 내력을 확보하기 위한 최소한의 FRP의 부분 비부착길이를 이론적으로 산정하여 제시하였다. 제시된 부분 비부착 NSM 공법은 FRP 복합재로 보강된 철근 콘크리트 부재의 구조적 거동을 크게 향상시킬 수 있으리라 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

New strengthening method based on Near Surface Mounted technique (NSM) is suggested, which can overcome the brittle nature of failure inherent to those reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials. The suggested technique secures ductile failure of reinforced concrete beams by having the strengthening Hybrid FRP rebars unbonded in parts. Experiments were performed in order to compare structural behaviors of strengthened beams with and without unbending along the Hybrid FRP rebars. Test results showed that only those beams strengthened by partially unbonded NSM failed in ductile manner. Theoretical expressions were derived for the minimum unbonded length of Hybrid FRP rebars with which ultimate strength of the reinforced concrete beam with partially unbonded NSM could be reached. The suggested partially unbonded NSM technique is expected to significantly improve the structural behavior of the strengthened beam with FRP composite materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 재료자체의 연성을 갖는 Hybrid FRP rebar에 대하여 구성 및 그 파괴 메카니즘에 대하여 간략히 고찰하였다. 또한 Hybrid FRP rebar를 철근콘크리트 휨 부재에 보강재로 적용할 경우, 보의 거동을 실험적으로 고찰하였으며 연성을 확보할 수 있는 공법을 NSM 공법을 중심으로 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 FRP 복합소재로 보강된 보의 최대 취약점인 취성적인 파괴를 방지하고 연성적인 거동을 확보하기 위한 새로운 공법을 제시하고자 하였다 제안된 공법은 연성을 갖는 Hybrid FRP rebar를 NSM 공법에 적용하되 일부 구간을 비부착 시킴으로서 연성을 확보하는 방법이다.
. 본 연구에서는 Hybrid FRP rebar를 철근콘크리트 보 실험체에 NSM 공법으로 보 하부에 보강하여 휨내력을 증진시키고자 하였다. Fig.
초기 항복강도에 도달한 후 그 후의 소성변형은 저탄성계수 섬유가 저항하는 구간으로 가정하였다. 본 연구에서는 상기의 이론 모델에 의하여 개발된 Hybrid FRP rebar를 NSM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보에 적용하여 연성을 확보할 수 있는 공법을 개발하고자 하였다.
Hybrid FRP rebar의 경우, 응력-변형률 곡선이 철근과 같이 항복점을 가지며 잔류응력을 갖는다. 본 연구에서는 이러한 재료자체의 연성을 갖는 Hybrid FRP rebar에 대하여 구성 및 그 파괴 메카니즘에 대하여 간략히 고찰하였다. 또한 Hybrid FRP rebar를 철근콘크리트 휨 부재에 보강재로 적용할 경우, 보의 거동을 실험적으로 고찰하였으며 연성을 확보할 수 있는 공법을 NSM 공법을 중심으로 제시하고자 하였다.
본 절에서는 PUNSM 공법 적용 시, 철근콘크리트 휨 부재의 극한 시에 연성적 거동의 확보를 위한 최소한의 비부착 길이를 이론적으로 산정하여 제시하였다. Fig.

가설 설정

같이 유도된다. 단, Hybrid FRP rebar의 변형률보다 큰 변형률이 작용하게 되면 모든 단면에 최대잔유인장력인 σ_p가 작용한다고 가정한다. 만일 Hybrid FRP rebar의 변형이 그 최대변형률(ε_m)보다 큰 변형률을 갖는 상태라면 위험단면에 w 만큼의 변위가 발생하였다고 할 수 있다.
이 모델에서 FRP rebar의 초기항복강도는 고탄성계수를 가진 섬유의 파괴 변형률에서의 값으로 정의하였다. 초기 항복강도에 도달한 후 그 후의 소성변형은 저탄성계수 섬유가 저항하는 구간으로 가정하였다. 본 연구에서는 상기의 이론 모델에 의하여 개발된 Hybrid FRP rebar를 NSM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보에 적용하여 연성을 확보할 수 있는 공법을 개발하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 두 가지 보강방법을 적용하였다. 즉, 기존의 NSM 공법과 같이 Hybrid FRP rebar를 홈 전체에 삽입한 후에 에폭시로 보강한 "부착 NSM 공법 (Bonded NSM: 이하 BNSM)"과 Hybrid FRP rebar의 양단만을 홈에 부착시킨 "부분 비부착 NSM 공법 (Partially Unbonded NSM: 이하 PUNSM)"으로 하였다. PUNSM 공법은 본 저자들에 의하여 Hybrid FRP rebar의 연성적인 특성이 보강 시에도 발휘될 수 있도록 본 연구에서 제안하고자 하는 공법이다.
특성을 나타내고 있다. Hybrid FRP rebar의 인장응력 실험은 Hybrid FRP rebar의 양단에 고정 grip을 설치한 후에 변위제어 UTM을 사용하여 실시하였다.
투명 튜브는 가능한 한 FRP rebar의 직경과 거의 같도록 하여 홈에 효율적으로 삽입되고 동시에 홈에 에폭시가 충진될 경우 튜브 내로 에폭시가 스며들지 않도록 하였다. Hybrid FRP rebar의 중앙부를 튜브로 감싼 후에 홈에 전체를 삽입하고 홈 전체 길이에 대하여 에폭시로 충진하였다. PUNSM 실험체의 양단 최소정착길이(l_d)는 Eshani가 GFRP rebar에 대하여 제안한 l_d=d_Fσ_p/189 (여기서, l_d, d_F,σ_p의 단위는 각각 cm, cm, kgf/cm²)의 값인 319 mm 보다 크도록 하였다¹⁴⁾.
본 연구에서는 두 가지 보강방법을 적용하였다. 즉, 기존의 NSM 공법과 같이 Hybrid FRP rebar를 홈 전체에 삽입한 후에 에폭시로 보강한 "부착 NSM 공법 (Bonded NSM: 이하 BNSM)"과 Hybrid FRP rebar의 양단만을 홈에 부착시킨 "부분 비부착 NSM 공법 (Partially Unbonded NSM: 이하 PUNSM)"으로 하였다.
실험은 단순 지지된 상태로 3점 또는 4점 하중을 가하여 휨 파괴를 실시하였다. 가력은 100tf 용량의 변위제어 UTM을 사용하여 가력 하였다.
1 mm 플라스틱 튜브를 이용하여 감싼다. 투명 튜브는 가능한 한 FRP rebar의 직경과 거의 같도록 하여 홈에 효율적으로 삽입되고 동시에 홈에 에폭시가 충진될 경우 튜브 내로 에폭시가 스며들지 않도록 하였다. Hybrid FRP rebar의 중앙부를 튜브로 감싼 후에 홈에 전체를 삽입하고 홈 전체 길이에 대하여 에폭시로 충진하였다.

대상 데이터

424 mm, 424 mm, 937 mm이다. 실제 비부착된 길이는 800 mm, 1200 mm, 800 mm로서 PUNSM-1 및 PUNSM-2 실험체는 최소 비부착 길이를 만족하나 PUNSM-3의 경우, 실제 비부착 길이는 이론적인 최소 비부착 길이의 약 85 %임을 알 수 있다. 그러나 PUNSM-3의 이론적인 최소비부착 길이 937mm는 식 (15b)에 의한 조건에 의한 값이며 실험관찰 결과, Hybrid FRP re bar의 위험 단면이 비부착 구간 내에 발생함으로써 연성적 거동을 확보하였다.
6은 이 Hybrid FRP rebar의 인장 응력-변형률을 나타낸다. 실험에 사용된 Hybrid FRP rebar는 탄소섬유와 아라미드를 혼합한 복합재로서 항복 변형률까지는 직선적인 선형변형을 하다가 이후 응력의 가감이 나타나는 연성을 확보함이 고찰되었다. 그러나 Hybrid FRP rebar의 경우, 심부의 섬유가 파단되는 위치에서 심부를 감싸는 외부 섬유의 변형이 집중됨으로써 위험단면이 형성된다.

이론/모형

4와 같은 모델을 제시하였다. Tapfer가 사용한 모델은 초기 탄성계수를 결정함에 있어 혼합법칙을 적용하였으며 Hybrid FRP rebar의 파괴는 rebar의 변형률이 고탄성계수를 갖는 섬유의 변형률에 도달하였을 때 파괴가 발생하기 시작하며, 이때 강도를 식(1)과 같이 정의하였다.

성능/효과

1) Hybrid FRP rebar는 항복응력 시에 위험단면에서 국부적인 항복현상을 나타내므로 변형률이 측정 게이지 길이에 따라 다른 값을 가진다.
1) 첫 균열이 부재에 발생하기까지 전체적으로 Hybrid FRP rebar는 변형률 적합성에 의하여 변형이 발생한다(Fig. 10(b)).
2) Hybrid FRP rebar를 기존의 부착 NSM 공법에 적용하여 철근콘크리트보를 보강할 경우, Hybrid FRP rebar의 국부적인 항복현상에 따른 파괴 메카니즘이 발생한다. 따라서 Hybrid FRP rebar의 변형은 보의 위험 단면 균열 증가에 종속된 국부적인 집중변형 현상을 일으켜 보의 취성파괴를 발생시킨다.
하고; 2) 부재 비부착 구간 전체의 곡률에 의하여 Hybrid FRP rebar의 변형률이 결정되도록 함으로써 취성적인 파괴를 방지한다. Fig.
2) 최대 휨내력을 받는 부분에 휨균열이 발생하면 하중이 증가함에 따라 Hybrid FRP rebar가 위치한 부위의 균열폭이 증가하게 된다(Fig. 10(c)).
2) 최대 휨내력을 받는 부분에 휨균열이 발생하면 하중이 증가함에 따라 균열폭이 증가하게 된다(Fig. 11(c)).
3) Hybrid FRP rebar를 사용하되 부분 비부착 NSM 공법으로 철근콘크리트보를 보강하면 보강된 보의 위험 단면에서의 최대 균열크기의 증가와 무관하게 비부착된 구간에서 항복현상이 발생하므로 연성을 확보할 수 있다.
3) 보 하단의 균열폭이 증가함에 따라 균열폭에 비례하는 Hybrid FRP rebar의 변형이 발생한다(Fig. 10(c)).
4) Hybrid FRP rebar를 비부착 NSM 공법으로 철근콘크리트 보를 보강할 경우, Hybrid FRP rebar의 게이지 길이에 종속된 변형률과 국부적인 항복메카니즘을 극복하기 위한 최소한의 Hybrid FRP rebar의 비부착 길이가 필요하다. 본 연구에서는 이 길이에 대한 이론 식을 제안하였으며 이에 대한 추가적인 실험 검증이 요구된다.
4) 균열이 발생한 위험단면에서 Hybrid FRP rebar의 집중된 변형(w)이 잔유강도를 더 이상 유지할 수 없는 최대치(w_max)에 이르면 보강된 휨재는 취성적인 파괴를 일으키게 된다(Fig. 10(d)).
8). BNSM 공법으로 보강된 보와는 달리 Hybrid FRP rebar의 최대변형이 철근콘크리트 보의 최대균열에 집중되지 않았으며 보 하부균열의 폭이 증가함과 무관하에 항복변형이 발생하였음이 고찰되었다. 모든 PUNSM 보에서 양단의 부착된 부분에서 정착파괴는 관찰되지 않았다.
BNSM 공법으로 보강된 보와는 달리 Hybrid FRP rebar의 최대변형이 철근콘크리트 보의 최대균열에 집중되지 않았으며 보 하부균열의 폭이 증가함과 무관하에 항복변형이 발생하였음이 고찰되었다. 모든 PUNSM 보에서 양단의 부착된 부분에서 정착파괴는 관찰되지 않았다. 실험에 의한 최대내력은 변형률 적합성에 근거한 이론치 이상으로 관찰되었다(Table 2).
8은 Hybrid FRP rebar를 기존의 부착공법(BNSM) 및 본 연구에서 제안하고자 한 비부착공법(PUNSM)으로 보강한 보의 휨 거동을 나타내고 있다. 모든 보는 전형적인 휨 파괴 양상을 나타내었으며 홈삽입 부분에서의 부착파괴는 고찰되지 않았다.
2(a)). 이들의 실험 결과에 따르면 하중이 증가함에 따라 부착된 구간의 일부에 debonding에 의한 파괴가 선행됨으로 인하여 연성이 확보됨이 관찰되었다(Fig. 2(b)).
9에 나타난 바와 같이 BNSM 공법으로 보강된 보의 경우, 최대 균열이 발생한 위치와 Hybrid FRP rebar의 위험 단면이 일치함을 볼 수 있다. 즉, 하중증가에 따른 보 하부면의 위험단면에서의 균열 폭이 증가함에 따라 Hybrid FRP rebar의 변형이 이 균열에 집중되어 발생하였고 이 변형의 크기가 Hybrid FRP rebar의 위험단면에서의 최대변형 크기( w_max= 10mm)에 이르게 된 경우 취성파괴가 발생하였음이 고찰되었다. 실험에 의한 최대내력은 변형률 적합성에 근거한 이론치 이상으로 관찰되었다(Table 2).

후속연구

필요하다. 본 연구에서는 이 길이에 대한 이론 식을 제안하였으며 이에 대한 추가적인 실험 검증이 요구된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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