[논문]콘크리트 보강용 고연성 하이브리드 FRP 보강근의 인장 및 파괴 특성

박찬기; 원종필

doi:10.5389/ksae.2004.46.1.041

문제 정의

본 연구는 FRP 보강근 보강재의 단점인 취성적성질을 개선하여, 3% 이상의 소성변형구간을 갖는 고연성 하이브리드 FRP 보강근의 인장거동 특성 및 파괴특성을 평가하기 위한 것으로서, 연구 결과는 기존의 GFRP 보강근과 비교 평가하였다. 시험 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 고연성 하이브리드 FRP 보강 근의 성능을 평가하기 위하여 전단(Interlaminar shear stress) 및 인장성능을 평가하였으며, 그 결과는 현재 해외에서 널리 사용되고 있는 미국 Hughes brothers 사의 GFRP 보강근의 성능과 비교 분석하였다.
본 연구에서는 고연성 하이브리드 FRP 보강 근의 인장 거동과 파괴특성을 규명하기 위하여 2가지 종류의 하이브리드 FRP 보강근 및 현재 사용되고 있는 GFRP 보강근의 인장시험 및 전단시험을 실시하여 인장거동, 파괴특성 및 파괴 모드를 평가하고자 한다.

가설 설정

재하되는 하중이 작은 단계에서 Chinese finger 효과는 매트릭스 수지에 어느 정도 구속을 받게 된다.¹⁰⁾ 그러나 인발력이 증가하였을 때 수지의 강도는 평면 전단력에 의해서 약해지며, 이와 같은 현상은 섬유를 재배열하게 한다. 따라서 코어 FRP 보강근은 인장력과 횡축 압축력을 동시에 받게 된다.
하이브리드 FRP 보강근의 인장시험 시 코어 FRP 보강근에 발생하는 인발력으로 인해 Chinese finger 효과가 발생하여 코어 FRP 보강근에는 압축력이 전달된다.¹⁰⁾작용하는 인발력이 증가하게 되면 슬리브를 구성하는 브레이드 섬유는 보다 많은 인발력이 전달되게 된다. 재하되는 하중이 작은 단계에서 Chinese finger 효과는 매트릭스 수지에 어느 정도 구속을 받게 된다.
기존 FRP 복합소재의 파괴 모드 분석은 복합체 산업 분야에서 가장 널리 사용되는 방법인 라미네이트 복합체를 이용하여 해석할 수 있다. 하이브리드 FRP 보강근을 라미네이트 복합체의 관점에서 보면 코어 FRP 보강근은 방향각이 0º인 내부 적층판이며, 슬리브를 구성하는 브레이딩 및 필라멘트 와이딩 섬유는 브레이딩 각을 가진 외부 적층판으로 가정할 수 있다. 하중이 작용하면 FRP 보강근의 유효강성에 비례하여 코어 라미네이트에 의해서 인장력이 전달되고 슬리브 라미네이트에 의해서 인장력과 평면 전단력 (in plane shear)이 전달된다.

제안 방법

1) 고연성 하이브리드 FRP 보강근 인장시험용 공시체는 변위를 조절할 수 있는 250 KN 용량의 UTM을 사용하여 시험재하속도 5 mm/min으로 하여 시험을 실시하였으며 FRP 보강근의 변형률을 측정하기 위해서 LVDT를 설치하였다(Fig. 3).
사용하였다.2) 전단시험은 허용용량 50 KN의 변위를 조절할 수 있는 UTM을 사용하여 변위의 속도를 1.3 mm/min로 하여 시험을 실시하였다.
본 연구에서 사용한 2가지 종류의 하이브리드 FRP 보강근은 압출성형/브레이딩/필라멘트 와인딩 공법으로 생산된 제품으로 구성재료 및 특성은 Table 1과 같다. 또한 GFRP 보강근은 미국 Huges brothers의 제품으로(제품명: Aslan GFRP 보강근) 콘크리트 모체와 부착성능을 향상시키기 위하여 보강근의 표면을 규사코팅과 나선형 wrap을 표면에 처리하였으며 그 특성은 Table 1 과 같다. 본 연구에서 사용된 하이브리드 FRP 보강근 및 GFRP 보강근의 표면형상은 Fig.
하이브리드 FRP 보강근의 인장 거동 및 파괴 특성을 평가하기 위하여 2가지 종류의 하이브리드 FRP 보강근 및 한가지 종류의 GFRP 보강근을 비교 실험하였다. 본 연구에서 사용한 2가지 종류의 하이브리드 FRP 보강근은 압출성형/브레이딩/필라멘트 와인딩 공법으로 생산된 제품으로 구성재료 및 특성은 Table 1과 같다.

대상 데이터

또한 GFRP 보강근은 미국 Huges brothers의 제품으로(제품명: Aslan GFRP 보강근) 콘크리트 모체와 부착성능을 향상시키기 위하여 보강근의 표면을 규사코팅과 나선형 wrap을 표면에 처리하였으며 그 특성은 Table 1 과 같다. 본 연구에서 사용된 하이브리드 FRP 보강근 및 GFRP 보강근의 표면형상은 Fig. 1과 같다.
실험하였다. 본 연구에서 사용한 2가지 종류의 하이브리드 FRP 보강근은 압출성형/브레이딩/필라멘트 와인딩 공법으로 생산된 제품으로 구성재료 및 특성은 Table 1과 같다. 또한 GFRP 보강근은 미국 Huges brothers의 제품으로(제품명: Aslan GFRP 보강근) 콘크리트 모체와 부착성능을 향상시키기 위하여 보강근의 표면을 규사코팅과 나선형 wrap을 표면에 처리하였으며 그 특성은 Table 1 과 같다.

이론/모형

고연성 하이브리드 FRP 보강근의 인장거동을 평가하기 위하여 ACI 440에서 제시하고 있는 기준에 따라 인장시험을 실시하였다. ACI 440에서는 FRP 보강근의 시험길이는 직경의 40배 이상으로 규정하고 있으며, 최소 시험길이 역시 100 mm 이상으로 규정하고 있다.
전단특성을 평가하기 위하여 ASTM D 4475 (Standard Test Method for Apparent Hori zontal Shear Strength of Pultruded Reinforced Plastic Rods by in Short-Beam Method)의 방법을 사용하였다.2) 전단시험은 허용용량 50 KN의 변위를 조절할 수 있는 UTM을 사용하여 변위의 속도를 1.

성능/효과

1),4) 미국의 경우 총 580,000개의 교량 중에 180, 000개의 교량이 결함이 발견되어 즉시 보수 및 보강이 필요하며 이와 같은 양은 전체 교량 구조물의 약 31% 정도로 노후화의 주요 원인은 보강 철근의 부식에 의한 것으로 보고되었다.⁴⁾ 현재 미연방 도로국에서는 연간 교량 구조물의 보수에 소요되는 예산은 약 2억달러(한화: 2,400억원/년)로 추정하고 있으며 고속도로 및 고속도로 교량의 유지관리 및 보수를 위한 비용으로 해마다 3억 1천만달러(한화: 약 3,720억원/년)를 사용하고 있다.
1. 전단시험결과 고연성 하이브리드 제조시 변형률을 증가시키기 위하여 사용된 유리섬유, 아라미드섬유에 의한 영향은 크지 않았으나 강도 및 변형률이 모두 우수한 아라미드섬유가 유리섬유를 사용하였을 때보다는 성능 향상이 나타남을 알 수 있었다.
2. 인장강도 특성 결과 고연성 하이브리드 FRP 보강근(A) 와 (B)는 목표로한 3% 이상의 소성변형률을 만족하는 결과를 보여주었다.
3. 하이브리드 FRP 보강근의 특성상 소성병형구간은 변형률을 증가시키기 위하여 사용된 아라미드섬유 및 유리섬유에 의하여 큰 영향을 받는데 아라미드섬유를 사용한 FRP 보강근이 아라미드섬유와 유리섬유를 동시에 사용하였을 때 보다 우수한 인장 거동 특성을 보여주었다. 이는 아라미드섬유가 유리섬유에 비하여 강도, 탄성계수, 변형률 특성이 모두 우수하여 코어를 구성하는 섬유로 사용된 탄소섬유의 파괴시 그 충격에 의한 저항성이 우수하기 때문이다.
4. 하이브리드 FRP 보강근의 파괴모드는 슬리브를 구성하는 섬유의 불규칙적인 파괴, 코어를 구성하는 섬유의 일반적인 파괴 및 슬리브와 코어 FRP 보강근에 사용된 매트릭스 수지의 찢겨짐 파괴 등이 복합적으로 작용하여 발생한다.
5. 슬리브를 구성하는 섬유는 지속적으로 파괴가 발생하면서 하중을 계속적으로 전달하는 동시에 하이브리드 FRP 보강근이 완벽한 파괴가 발생할 때까지 소성변형구간을 확보하도록 한다. 이때 아라미드섬유로 슬리브를 구성할 경우 아라미드섬유의 특성상 국부적인 단면감소와 신장 및 섬유의 쪼개짐 등에 의하여 파괴가 발생하여 하중을 계속적으로 전달하는 역할이 강하다.
복합체의 최종 파괴는 하중 전달을 더 이상 할 수 없을 정도까지 단면적을 통과하는 결함층의 성장하여 약해질 때 발생한다.⁹⁾ Fiber break propagation 모델은 파괴의 초기 단계에서는 cumulative weakening 모델과 비슷하지만, 결함은 응력집중 효과에 의해서 결함이 발생한 섬유에서 바로 이웃한 섬유로 전달되며, 파괴되는 국부적인 파괴가 발생한다. 최종파괴모드는 복합체가 더 이상 하중을 지탱할 수 없을 정도로 복합체의 단면을 통과하는 파괴가 형성되었을 때 발생한다(Fig.
고연성 하이브리드 FRP 보강근(A)는 항복강도 (735.9MPa) 및 극한강도(765.7MPa)가 매우 높은 값을 보여주었으며 고연성 하이브리드 FRP 보강근(B)는 항복강도가 434.7(MPa)를 나타내었고 극한 강도는 446.5(MPa)를 나타내었다(Fig. 8(a)).
7). 고연성 하이브리드 FRP 보강근과 보강철근의 인장거동을 비교하면 보강 철근에 비하여 안정적이지는 않지만 적어도 3% 이상의 소성변형구간을 확보할 수 있었다. 특히 고연성 하이브리드 FRP 보강근(A)의 경우 보강 철근보다 높은 강도 이상을 유지하면서도 약 3% 이상의 변형률을 나타내었다.
5). 고연성 하이브리드 FRP 보강근의 ISS 시험결과를 살펴보면 GFRP 보강근의 ISS가 53.2 MPa인데 고연성 하이브리드 FRP 보강근의 ISS는 각각 119.0 MPa(A) 과 114.5 MPa(B) 를 나타내었다. 이와 같은 결과는 FRP 보강근의 파괴가 섬유와 매트릭스수지의 재료적 파괴가 아닌 섬유와 매트릭스 수지의 부착표면에 분리에 의한 쪼개짐 파괴가 주로 발생하였기 때문이다.
때문에 적정한 강도의 보강철근을 고려 대체할 수 있을 것이라 판단된다. 고연성 하이브리드 FRP 보강근의 변형률 특성을 살펴보면 GFRP 보강근과 다르게 항복변형률과 극한변형률을 모두 가지고 있는 특성을 보여주었다. 특히 고연성 하이브리드 FRP 보강근(A)와 (B)는 소성변형구간 3% 이상을 목표로 한 본 연구의 결과를 만족하였다.
이때 아라미드섬유로 슬리브를 구성할 경우 아라미드섬유의 특성상 국부적인 단면감소와 신장 및 섬유의 쪼개짐 등에 의하여 파괴가 발생하여 하중을 계속적으로 전달하는 역할이 강하다. 그러나 아라미드섬유와 유리섬유를 같이 슬리브로 구성할 경우 유리섬유가 파괴면이 매끄러운 취성 파괴의 특성으로 고연성 하이브리드 FRP 보강근의 특성에 영향을 미치지만 아라미드섬유가 이를 어느 정도 보완해주어 3% 이상의 변형률과 소성변형 구간을 갖는 우수한 거동을 나타낼 수 있었다.
쪼개짐 파괴의 주요 원인은 매트릭스와 섬유의 부착강도와 FRP 보강근의 생산시 섬유를 한쪽 방향으로 배열하고 매트릭스 수지로 결합시키는 방법을 사용함으로써 섬유의 배열된 길이 방향으로 받는 하중에는 강하나 섬유배열 방향의 수직 방향으로 작용하는 하중에는 매우 약한 특성을 나타낸다. 그러나 하이브리드 FRP 보강근은 섬유의 배열을 일방향이 아닌 격자 모양으로 제직하는 3-D 브레이딩 방법을 사용함으로써 섬유와 매트릭스 수지의 분리에 의한 쪼개짐 파괴를 방지할 수 있어 궁극적으로 섬유와 매트릭스가 파괴될 때까지 하중에 저항하기 때문에 ISS를 증가시킬 수 있었다. 고연성 하이브리드 FRP 보강근 (A) 이 상대적으로 고연성 하이브리드 FRP 보강근 (B) 보다 ISS가 큰 이유는 하이브리드 FRP 보강근 (A)가 유리섬유보다 상대적으로 변형률 및 강도가 큰 아라미드섬유를 포함하고 있기 때문이다(Fig.
아라미드섬유는 강도 및 변형률이 모두 커 탄소섬유의 파괴가 발생할 때 생기는 충격에 의해 저항하는 능력이 강하지만, 유리섬유의 경우 탄소섬유가 파괴할될때 발생하는 충격에 많은 영향을 받기 때문이다. 따라서 슬리브를 구성하는 섬유중 일부를 유리섬유를 사용한 고연성 하이브리드 FRP 보강근(B)이 모든 섬유를 아라미드섬유로 사용한 고연성 하이브리드 FRP 보강근(A)보다 낮은 강도를 나타낸 것이라 판단된다.
즉 비교적 취성인 유리섬유가 섬유의 기하학적 형상에 의해서 어느 정도 변형률을 가지고 파괴되면 섬유의 기하학적 형상뿐만 아니라 재료적 특성이 우수한 아라미드섬유가 단면적 감소, 신장 및 찢김의 현상을 발휘하면서 지속적으로 하중에 저항하여 파괴됨을 알 수 있다. 따라서 슬리브중 유리섬유의 파괴평면은 비교적 매끈하여 취성파괴가 발생하였다는 것을 알 수 있고, 아라미섬유는 연성 파괴가 발생함을 알 수 있다(Fig. 15).
하이브리드 FRP 보강근(B) 의 파괴형상은 슬리브를 구성하는 섬유로 아라미드섬유와 유리섬유가 동시에 취성적 특성과 연성적 특성이 동시에 나타남을 알 수 있다. 즉 비교적 취성인 유리섬유가 섬유의 기하학적 형상에 의해서 어느 정도 변형률을 가지고 파괴되면 섬유의 기하학적 형상뿐만 아니라 재료적 특성이 우수한 아라미드섬유가 단면적 감소, 신장 및 찢김의 현상을 발휘하면서 지속적으로 하중에 저항하여 파괴됨을 알 수 있다. 따라서 슬리브중 유리섬유의 파괴평면은 비교적 매끈하여 취성파괴가 발생하였다는 것을 알 수 있고, 아라미섬유는 연성 파괴가 발생함을 알 수 있다(Fig.

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