대부분의 콘크리트 교량 구조물은 과도한 교통량과 구조물의 사용수명의 도래로 손상된다. 콘크리트의 손상은 철근의 부식과 콘크리트와 철근의 분리로 인하여 성능저하 촉진의 원인이 된다. 손상된 콘크리트 구조물의 빠른 복원은 콘크리트 구조 체계에서 콘크리트 성능저하의 심화를 막기 위하여 매우 중요하게 되었다. 최근 섬유시트는 고인장강도, 내구성, 부식저항성, 경량성, 제작편리성, 비용절감, 균열 제어, 두께 대비 고강도, 사용성 등의 많은 장점이 원인이 되어 손상된 콘크리트 구조물의 보강에 널리 사용되고 있다. 그러나 섬유시트 보강에 따른 공칭휨모멘트 성능을 예측하는 방법에 대한 해석과정의 결여로 구조물의 보강 과정에서 효과적인 인자의 결정이 어렵게 된다. 본 연구에서는 T형 철근콘크리트보의 보강을 위해 부재의 밑면에 부착된 섬유시트가 휨 강도에 미치게 되는 영향이 연구된다. 또한 밑면섬유시트의 박리 방지를 위해 감싸는 섬유시트의 옆면부분에 의한 부수적인 휨 보강 효과가 이론적으로 조사된다. 제안한 접근방법을 입증하기 위하여 해석 결과가 참고된 다른 실험연구의 결과와 비교된다. 예측된 결과와 실험결과는 잘 일치하였다.
대부분의 콘크리트 교량 구조물은 과도한 교통량과 구조물의 사용수명의 도래로 손상된다. 콘크리트의 손상은 철근의 부식과 콘크리트와 철근의 분리로 인하여 성능저하 촉진의 원인이 된다. 손상된 콘크리트 구조물의 빠른 복원은 콘크리트 구조 체계에서 콘크리트 성능저하의 심화를 막기 위하여 매우 중요하게 되었다. 최근 섬유시트는 고인장강도, 내구성, 부식저항성, 경량성, 제작편리성, 비용절감, 균열 제어, 두께 대비 고강도, 사용성 등의 많은 장점이 원인이 되어 손상된 콘크리트 구조물의 보강에 널리 사용되고 있다. 그러나 섬유시트 보강에 따른 공칭휨모멘트 성능을 예측하는 방법에 대한 해석과정의 결여로 구조물의 보강 과정에서 효과적인 인자의 결정이 어렵게 된다. 본 연구에서는 T형 철근콘크리트보의 보강을 위해 부재의 밑면에 부착된 섬유시트가 휨 강도에 미치게 되는 영향이 연구된다. 또한 밑면섬유시트의 박리 방지를 위해 감싸는 섬유시트의 옆면부분에 의한 부수적인 휨 보강 효과가 이론적으로 조사된다. 제안한 접근방법을 입증하기 위하여 해석 결과가 참고된 다른 실험연구의 결과와 비교된다. 예측된 결과와 실험결과는 잘 일치하였다.
Most of the concrete bridge structures are exposed to damage due to the excessive traffic loading and the aging of the structure. The damage of concrete causes the further deterioration of the function in the concrete structure due to corrosion of the reinforced bars and decohesion between the concr...
Most of the concrete bridge structures are exposed to damage due to the excessive traffic loading and the aging of the structure. The damage of concrete causes the further deterioration of the function in the concrete structure due to corrosion of the reinforced bars and decohesion between the concrete and the reinforced bar. The quick rehabilitation of the damaged concrete structures has become of great importance in the concrete structural system in order to avoid the further deterioration of the structures. Recently fiber sheets are used for strengthening the damaged concrete structures due to its many advantages such as its durability, non-corrosive nature, low weight, ease of application, cost saving, control of crack propagation, strength to thickness ratio, high tensile strength, serviceability and aesthetic. However, the lack of analytical procedures for assessing the nominal moment capacity by the fiber sheet reinforcement leads to difficulties in the effective process of decisions of the factors in the strengthening procedure. In this work, flexural strengthening effects by fiber sheets bonded on bottom face of the member are studied for the reinforced concrete T beam. In addition, auxiliary flexural strengthening effects by U-type fiber sheets bonded on bottom and side faces of the member to prevent delamination of the bottom fiber sheet are theoretically investigated. The analytical solutions are compared with experimental results of several references to verify the proposed approach. It is shown that the good agreements between the predicted results and experimental data are obtained.
Most of the concrete bridge structures are exposed to damage due to the excessive traffic loading and the aging of the structure. The damage of concrete causes the further deterioration of the function in the concrete structure due to corrosion of the reinforced bars and decohesion between the concrete and the reinforced bar. The quick rehabilitation of the damaged concrete structures has become of great importance in the concrete structural system in order to avoid the further deterioration of the structures. Recently fiber sheets are used for strengthening the damaged concrete structures due to its many advantages such as its durability, non-corrosive nature, low weight, ease of application, cost saving, control of crack propagation, strength to thickness ratio, high tensile strength, serviceability and aesthetic. However, the lack of analytical procedures for assessing the nominal moment capacity by the fiber sheet reinforcement leads to difficulties in the effective process of decisions of the factors in the strengthening procedure. In this work, flexural strengthening effects by fiber sheets bonded on bottom face of the member are studied for the reinforced concrete T beam. In addition, auxiliary flexural strengthening effects by U-type fiber sheets bonded on bottom and side faces of the member to prevent delamination of the bottom fiber sheet are theoretically investigated. The analytical solutions are compared with experimental results of several references to verify the proposed approach. It is shown that the good agreements between the predicted results and experimental data are obtained.
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문제 정의
그러므로 옆면 보강의 이러한 효과를 검증하고 이용하기 위해서는 옆면부착이 휨 성능 향상에 미치는 영향을 검토할 필요가 있다. 결과적으로, 본 연구에서는 보의 밑면과 옆면에 섬유시트를 부착하여 보강된 T형 철근콘크리트보의 중립축과 휨모멘트가 T형 철근콘크리트보의 휨 강도 해석과정을 바탕으로 이론적으로 평가된다.
본 연구에서는 극한강도 설계법을 바탕으로 하여 일반적으로 철근콘크리트보의 전단보강, 콘크리트의 탈락파괴 또는 섬유시트의 박리파괴의 방지, 휨 및 사인장 전단균열의 발생을 억제시키는데 활용되는 옆면보강 또는 U형(wrapping) 보강에서 사용되는 옆면섬유시트가 T형 단면의 보강 철근콘크리트보의 휨강도에 미치는 영향을 이론적으로 평가한다. 밑면섬유시트의 두께가 커질수록 보강 철근콘크리트보의 휨모멘트는 증가된다.
가설 설정
1. 단면의 변형률 분포는 선형이다.
2. 콘크리트의 인장응력은 무시하고 압축응력은 등가 직사각형 응력분포로 가정한다.
3. 철근은 항복점 이하는 탄성, 항복 후에는 완전소성으로 가정한다.
4. 섬유시트는 파괴시까지 선형탄성 거동을 한다.
5. 콘크리트, 철근, FRP시트는 완전 부착되어 일체화 거동을 한다.
6. 섬유시트 파괴 시 변형률은 철근의 항복변형률 이상인 것으로 가정한다.
7. 복철근콘크리트보의 극한거동 시 압축철근은 이미 항복한 것으로 가정한다.
그리고 이밖에 섬유시트의 단부에서 국부적으로 발생되는 콘크리트와 섬유시트사이의 박리 파괴(debonding failure)와 콘크리트 덮개가 떨어져 나가는 탈락파괴(peeling failure)와 같은 취성파괴가 있는데 이는 섬유시트의 단부를 볼트 또는 섬유시트를 이용한 정착장치를 도입함으로서 미연에 방지할 수 있다11). 본 연구에서는 콘크리트, 철근, 섬유시트가 일체화 거동을 하고, 섬유시트 단부의 정착에 의해 탈락파괴, 박리파괴가 발생되지않는다는 가정 하에 보강 철근콘크리트보를 해석하였다. 해석상의 가정은 다음과 같이 사용하였다.
형상 조건이 hw＜ (h-tf)이므로 옆면섬유시트가 중립축과 플랜지위에 있는 경우는 존재하지 않는다. 이 경우 압축철근이 항복하는 경우보다 그렇지 않은 경우가 많으나 해석상 제한으로 압축철근이 항복한다고 가정하였다.
제안 방법
T형 철근콘크리트보의 밑면과 옆면을 섬유시트로 보강한 후의 휨 거동을 해석하였다. 철근콘크리트보의 강도설계법을 기준으로 T형보 복부의 밑면과 옆면이 U형으로 보강된 경우에 대하여 옆면섬유시트의 부착이 보의 휨모멘트에 미치는 영향을 평가하였다.
또한 Fig. 8과 같이 밑면 전체를 한 겹 보강한 상태를 기준으로 옆면섬유시트의 최대 · 최소 보강높이를 구함으로써 인장파괴에 지배되는 섬유시트 단면적의 범위내에 있는 밑면과 옆면을 랩핑하여 보강된 철근콘크리트보에 대하여 중립축 및 극한휨모멘트를 평가하였다. 보강 이전의 T형 철근콘크리트보의 중립축의 위치는 보의 상단에서 21mm이며 공칭 휨모멘트는 84kN-m이다.
적용하였다. 보의 밑면에 두께 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0mm의 섬유시트가 부착된 상태에서 보강 높이를 50mm 씩 복부 전체높이까지 증가시켜 중립축 위치와 극한휨모멘트의 변화를 검토하였다. 옆면섬유시트의 최대 · 최소 보강단면적 AwMax 과 AwMin 은 밑면섬유시트의 보강단면적에 따라 다르며, Fig.
2와 식 (3), (4)에 의해 제안한 방법으로 구할 수 있다. 본 연구에 적용된 예에서는 복부 전체에 걸쳐 인장파괴에 지배되는 섬유시트의 보강범위를 갖게 된다. 보강재료에 따른 섬유시트 보강단면적의 증가에 대한 중립축의 변화와 극한휨모멘트 변화를 각각 Fig.
섬유시트는 고강도(High Strength Fiber Sheets, HS FS) 와 고탄성(Hgh Elasticity Fiber Sheets, HE FS) 두 종류이다. 이 연구에서는 Watson Bowman Acme Corp.13)에서 생산되는 Wabo®MBrace Fibers의 HS FS와 HE FS를 사용하여 이론적으로 비교하였다.
후의 휨 거동을 해석하였다. 철근콘크리트보의 강도설계법을 기준으로 T형보 복부의 밑면과 옆면이 U형으로 보강된 경우에 대하여 옆면섬유시트의 부착이 보의 휨모멘트에 미치는 영향을 평가하였다. 중립축 위치는 밑면섬유시트의 보강단면적이 증가될수록 보강 전 중립축 위치에서 보의 하단 방향으로 이동하게 된다.
대상 데이터
섬유시트 보강 철근콘크리트보의 휨성능을 평가하기 위해 Shahawy 등9)의 실험모델과 유사하게 임의로 플랜지 폭 600mm, 플랜지 높이 90mm, 복부 폭 92mm, 유효깊이 340mm, 높이 445mm, 인장철근 단면적 113mm2 (D6×4)인 T형 단면의 단철근콘크리트 단면과 Table 3의 재료를 적용하였다. 섬유시트는 고강도(High Strength Fiber Sheets, HS FS) 와 고탄성(Hgh Elasticity Fiber Sheets, HE FS) 두 종류이다.
섬유시트는 고강도(High Strength Fiber Sheets, HS FS) 와 고탄성(Hgh Elasticity Fiber Sheets, HE FS) 두 종류이다. 이 연구에서는 Watson Bowman Acme Corp.
데이터처리
휨 성능에 대한 해석 결과를 검증하기 위해 Shahawy 등9) 및 Wang과 Restreto12)의 실험결과와 본 연구에서 제안된 식의 계산결과를 비교하였다. Table 1, 2와 Fig.
성능/효과
즉 옆면섬유시트 부착면의 증가로 섬유시트파괴, 탈락파괴 그리고 전단파괴의 방지효과가 증가되고, 해석결과와 실험결과가 잘 일치하게 됨을 알 수 있다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 휨 해석의 결과는 밑면만 보강된 T형 철근콘크리트보 보다는 해석에 사용된 완전부착의 가정이 성립되고 휨 파괴를 얻을 수 있는 옆면 전체에 걸쳐 랩핑하여 보강된 T형 철근콘크리트보의 실험결과와 더 잘 일치함을 알 수 있다.
1로부터 섬유시트의 단면적과 중립축 위치가 섬유시트의 극한변형률 상태에서의 최소 보강단면적과 최소 중립축위치보다 작은 경우에는 철근항복 이전에 섬유시트가 파괴되는 섬유시트파괴(FF)에 지배되고, 철근과 콘크리트의 균형상태에서의 최대 보강단면적과 최대 중립축위치보다 큰 경우에는 철근항복과 섬유시트파괴가 발생되기 전에 압축부 콘크리트가 파괴되는 압축파괴(CF)가 발생하게 된다. 결과적으로 섬유시트의 최대 · 최소 단면적 이내로 보강함으로써 보강 철근콘크리트보의 연성을 확보할 수 있다. 밑면과 옆면이 보강된 T형 단면의 철근콘크리트보에 대한 경우에서 인장파괴(TF)에 지배되기 위한 섬유시트 보강단면적의 상한값 AFMax 과 하한값 AFMin은 중립축의 위치와 철근의 배치 등에 따라 다르고, 그 해석모델은 각 경우에 대하여 다음 절에서 자세히 기술된다.
고탄성 섬유시트가 고강도 섬유시트의 동일한 섬유보강량에 대해 극한휨모멘트 증가량이 크다. 두 섬유시트 모두 보강량이 증가할수록 중립축과 극한휨모멘트의 증가율이 감소하였다.
중립축이 플랜지 안에 있는 경우 약 0-15mm (전체 높이의 약 1/3)구간 까지는 섬유시트의 보강높이에 따라 극한휨모멘트가 증가되지만, 150mm이후로는 극한휨모멘트의 변화가 거의 없거나 감소되는 경향을 나타낸다. 따라서 보 높이의 1/3이상을 보강한 경우는 보강높이가 증가되어도 극한휨모멘트의 변화가 거의 없거나 감소됨을 알 수 있다. 또한 Fig.
이 실험에서 옆면 부분 랩핑은 옆면 전체 랩핑에 비하여 강도와 연성이 작고 철근량에 따라 바람직하지 않은 박리에 의한 부착파괴가 나타남을 확인했다. 또한, 옆면 전체 랩핑의 경우에 대하여 섬유시트의 단수(layers)가 늘어날수록 항복휨 모멘트와 극한휨 모멘트는 증가되었고, 극한처짐은 감소되었다. Deniand와 Cheng10)은 밑면과 옆면에 FRP 시트를 랩핑한 RC T형보의 전단거동에 대하여 실험하였다.
Shahawy 등9)은 길이방향으로 밑면과 옆면에 CFRP를 랩핑(wrapping) 한 RC T형 거더의 휨 성능에 대하여 조사하였다. 이 실험에서 옆면 부분 랩핑은 옆면 전체 랩핑에 비하여 강도와 연성이 작고 철근량에 따라 바람직하지 않은 박리에 의한 부착파괴가 나타남을 확인했다. 또한, 옆면 전체 랩핑의 경우에 대하여 섬유시트의 단수(layers)가 늘어날수록 항복휨 모멘트와 극한휨 모멘트는 증가되었고, 극한처짐은 감소되었다.
Deniand와 Cheng10)은 밑면과 옆면에 FRP 시트를 랩핑한 RC T형보의 전단거동에 대하여 실험하였다. 전단거동은 전단철근의 양과 FRP의 종류 및 섬유방향에 따라 다르게 나타났으며, 최대 전단강도는 전단철근의 양이 늘어날수록 증가되었다.
6%의 작은 오차를 보인다. 즉 옆면섬유시트 부착면의 증가로 섬유시트파괴, 탈락파괴 그리고 전단파괴의 방지효과가 증가되고, 해석결과와 실험결과가 잘 일치하게 됨을 알 수 있다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 휨 해석의 결과는 밑면만 보강된 T형 철근콘크리트보 보다는 해석에 사용된 완전부착의 가정이 성립되고 휨 파괴를 얻을 수 있는 옆면 전체에 걸쳐 랩핑하여 보강된 T형 철근콘크리트보의 실험결과와 더 잘 일치함을 알 수 있다.
후속연구
보강된 철근콘크리트보가 휨 인장파괴에 의한 연성파괴에 지배되기 위해서는 섬유시트의 최대 · 최소 보강단면적 범위에서 보강되면 가능하다. T형보 복부의 밑면과 옆면 전체에 섬유시트로 감싸서 보강한 U형 보강의 경우, 부착단면적의 확보와 균열의 제어효과로 밑면만 보강되었을 때 나타나는 부착 및 탈락파괴를 막을 수 있으므로 휨 파괴를 얻을 수 있다 따라서 U형 보강의 경우, 본 연구에서 제안한 휨 해석과정이 적용될 수 있다. 또한 보강된 섬유시트의 옆면부에 의하여 부수적으로 휨 보강효과도 얻을 수 있다.
휨 강도는 # 또는 인장부 선단에서 부재 전체높이의 1/3높이까지 옆면섬유시트가 부착되었을 때 최대가 된다. 본 해석은 극한거동 시 항상 압축철근이 항복한다고 가정한 해석상의 제한점이 있고, 또한 압축철근이 있는 T 형보에 대한 실제 실험 결과와의 비교가 이루어지지 않았다. 추가적으로 섬유시트의 박리와 콘크리트의 탈락 및 전단파괴를 고려한 옆면섬유시트의 보강에 관한 연구와 직사각형 단면 철근콘크리트보에 비하여 일반적인 T형 단면철근콘크리트보의 밑면과 옆면섬유시트의 보강에 대한 실험 연구가 이루어져야 할 것이다.
본 해석은 극한거동 시 항상 압축철근이 항복한다고 가정한 해석상의 제한점이 있고, 또한 압축철근이 있는 T 형보에 대한 실제 실험 결과와의 비교가 이루어지지 않았다. 추가적으로 섬유시트의 박리와 콘크리트의 탈락 및 전단파괴를 고려한 옆면섬유시트의 보강에 관한 연구와 직사각형 단면 철근콘크리트보에 비하여 일반적인 T형 단면철근콘크리트보의 밑면과 옆면섬유시트의 보강에 대한 실험 연구가 이루어져야 할 것이다.
참고문헌 (13)
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