[논문]섬유시트로 보강된 RC 보의 해석기법 연구

김성도

doi:10.11112/jksmi.2006.10.6.154

문제 정의

본 논문에서는 많은 설계인자들을 고려한 보강보실험, 섬유시트의 적절한 파단변형률을 평가하기 위한 실험적 연구, 콘크리트의 인장성능을 고려한 비선형 단면해석 등을 통해 섬유시트로 보강된 RC 휨 부재의 해석 및 설계기법을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 보강보에 대해서 비선형 응력분포, 보강재의 파단변형률, 콘크리트 인장성능 등을 고려한 비선형 해석법을 제안한다. 힘의 평형조건과 변형률 적합 조건을 만족하고 섬유시트와 콘크리트 인장면 사이의 부착은 완전하다고 가정한다.

가설 설정

해석법을 제안한다. 힘의 평형조건과 변형률 적합 조건을 만족하고 섬유시트와 콘크리트 인장면 사이의 부착은 완전하다고 가정한다. 부착을 위해 사용된 접착제의 거동은 무시하며, 철근의 지름과 섬유 시트의 두께는 보의 깊이와 비교할 때 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 철근과 섬유시트 단면에서의 응력들은 각 재료 도심축의 응력과 같은 크기의 응력이 작용한다고 본다.
부착을 위해 사용된 접착제의 거동은 무시하며, 철근의 지름과 섬유 시트의 두께는 보의 깊이와 비교할 때 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 철근과 섬유시트 단면에서의 응력들은 각 재료 도심축의 응력과 같은 크기의 응력이 작용한다고 본다. 또한, 섬유시트는 보의 하부에만 위치하는 것으로 가정하여 계산한다. 비선형 해석법으로 인장 측 콘크리트에 균열이 발생한 이후의 보강보 휨강도 Mn 을 산정할 때 적용되는 변형률 및 응력 분포도는 Fig.

제안 방법

탄소, 유리, 아라미드 섬유시트 인장시험편의 적층 수를 각각 1매에서 4매까지 4가지 형태로 구성하였으며, 각 형태별로 10개씩 총 120개의 섬유시트 인장 시험편을 제작하여 섬유시트들의 인장성능인 인장강도 및 섬유파단변형률 등의 재료 물성치들을 측정하였다.
섬유시트로 보강된 철근콘크리트 보에 대한 정당한 해석 및 설계기법을 이끌어 내는데 필요한 실험자료를 얻기 위해 보강보의 휨성능 실험을 수행하였다. 철근콘크리트 보는 폭 200mm, 깊이 300mm인 직사각형 단면에 길이 3.
2m로 제작하였다. 다양한 인장철근비 (P)와 섬유 보강양에 대한 섬유시트 변형률의 변화 및 보강보의 휨 특성을 파악할 목적으로인장철근은 2-D13(p = 0.00507 ), 2-D16(p = 0.00794 ), 2-D19 (p = 0.01146 )의 3가지를, 섬유적층수는 1~4겹을 선택하였다. 전단파괴를 방지하기 위하여 스터럽(D10)을 100mm 간격으로 배근하여 보 실험체를 제작하였다.
실험결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 2개의 동일한 보를 제작하였다. 따라서 각 섬유 시트(탄소 유리, 아라미드)에 대해 각각 24개의 보강보가 만들어 졌으며, 총 72개의 보강보 및 섬유 시트를 부착하지 않은 3개의 기준보에 대해 휨실험이 수행되었다. 철근 콘크리트보 및 보강보에 사용된 구성재료의 물성치를 Table 2에 나타내었다.
보강보의 휨실험을 통해 작용하중과 처짐 거동 및 섬유 시트의 변형률 관계를 살펴보았다. Fig.
본 논문에서는 많은 설계인자들(섬유 종류, 인장 철근비, 섬유적층수, 등)을 고려한 보강보 휨실험 및 섬유 시트의 적절한 파단변형률을 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하였고, 실험결과들을 바탕으로 콘크리트의 비선형 압축 분포 및 인장성능이 해석에 포함되는 비선형 단면해석 과정을 전개하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
2) 많은 해석 변수들이 전개되고 반영된 섬유시트 보강 RC 휨부재의 비선형 해석 기법을 개발하였다. 비선형 해석기법에서는 콘크리트의 비선형 응력분포를 고려하였으며, 부재 단면 하연의 평균 인장응력을 콘크리트 휨인장강도의 10%로 간주하였다.

대상 데이터

철근콘크리트 보는 폭 200mm, 깊이 300mm인 직사각형 단면에 길이 3.2m로 제작하였다. 다양한 인장철근비 (P)와 섬유 보강양에 대한 섬유시트 변형률의 변화 및 보강보의 휨 특성을 파악할 목적으로인장철근은 2-D13(p = 0.
01146 )의 3가지를, 섬유적층수는 1~4겹을 선택하였다. 전단파괴를 방지하기 위하여 스터럽(D10)을 100mm 간격으로 배근하여 보 실험체를 제작하였다.
제작된 철근 콘크리트보의 하부에 폭 150mm, 길이 2.5m의 섬유시트를 부착하였으며, 섬유시트의 정착능력을 강화하기 위하여 보강보의 양 단부의 하부 및 양 측면에 폭 500mm의 동일한 섬유시트를 덧붙였다(U-밴드 보강). 실험결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 2개의 동일한 보를 제작하였다.

데이터처리

비선형 휨해석 기법에 따라 보강보에 대한 하중과 변위를 산정하였으며 이 결과를 보강보 실험결과와 비교하였다. Fig.

이론/모형

철근 콘크리트 보에 적용된 섬유시트들은 현재 많이 사용되고 있는 탄소 유리, 아라미드 섬유들이며, 이들에 대한 인장시험은 유리섬유 강화 플라스틱의 인장시험 방법 (KS F2241, 1994)과 R&D/99-건축07 보고서(한국건설기술연구원, 2001)에 제시된 탄소섬유 시트 보강재료 품질시험 방법에 준하여 수행하였다. 탄소, 유리, 아라미드 섬유시트 인장시험편의 적층 수를 각각 1매에서 4매까지 4가지 형태로 구성하였으며, 각 형태별로 10개씩 총 120개의 섬유시트 인장 시험편을 제작하여 섬유시트들의 인장성능인 인장강도 및 섬유파단변형률 등의 재료 물성치들을 측정하였다.
콘크리트 압축응력 fc(£)는 다음과 같이 변형률의 항으로 주어지는 Shah 모델식(Shah 등, 1983)을 적용하였다.
한편, 콘크리트 인장성능에 대해서는, 단면내 인장변형률 e, 를 콘크리트 인장강도에 대응하는 콘크리트 인장파괴변형률 E支 과 비교하여 E支 보다 작은 영역에서는 선형 응력 분포를 큰 영역에서는 비선형 응력분포를 가정한 다음과 같은 Gopalaratnam의 제안식 (Gopalaratnam 등, 1985)을 사용하였다.

성능/효과

인장강도 및 파단변형률에 대한 시험결과들은 10개의 인장시험편들의 평균값들이며, 평균적인 개념의 실험값들은 설계자료에서 주어진 값들을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다. 인장시험 결과에서 알 수 있듯이 섬유 적층 수에 따른 물성치들의 변화는 크지 않았으며, 대부분의 시험 결과들이 설계자료 값을 밑도는 것으로 나타났다.
알 수 있다. 인장시험 결과에서 알 수 있듯이 섬유 적층 수에 따른 물성치들의 변화는 크지 않았으며, 대부분의 시험 결과들이 설계자료 값을 밑도는 것으로 나타났다.
하였다. 섬유시트 파단변형률에 대한 실험 결과에 의하면, 탄소섬유시트의 경우 한 겹에서는 설계자료에서 주어지는 섬유시트 파단변형률의 72~79%, 두 겹에서는 56~67%, 세 겹에서는 50~59%, 네 겹에서는 52~58% 사이의 값들이, 유리섬유의 경우 한 겹에서는 39~56%, 두 겹에서는 37~51%, 세 겹에서는 33~51%, 네 겹에서는 29~46% 사이의 값들이, 아라미드섬유의 경우 한 겹에서는 35~52%, 두 겹에서는 36~40%, 세 겹에서는 32~34%, 네 겹에서는 29~31% 사이의 값들이 섬유시트 파단변형률로 평가되었다. 유리와 아라미드보다 탄소섬유 시트의 경우 파단변형률의 감소가 작았으며, 모든 경우 섬유 적층 수가 증가할수록 섬유시트 파단변형률은 감소하였다.
섬유시트 파단변형률에 대한 실험 결과에 의하면, 탄소섬유시트의 경우 한 겹에서는 설계자료에서 주어지는 섬유시트 파단변형률의 72~79%, 두 겹에서는 56~67%, 세 겹에서는 50~59%, 네 겹에서는 52~58% 사이의 값들이, 유리섬유의 경우 한 겹에서는 39~56%, 두 겹에서는 37~51%, 세 겹에서는 33~51%, 네 겹에서는 29~46% 사이의 값들이, 아라미드섬유의 경우 한 겹에서는 35~52%, 두 겹에서는 36~40%, 세 겹에서는 32~34%, 네 겹에서는 29~31% 사이의 값들이 섬유시트 파단변형률로 평가되었다. 유리와 아라미드보다 탄소섬유 시트의 경우 파단변형률의 감소가 작았으며, 모든 경우 섬유 적층 수가 증가할수록 섬유시트 파단변형률은 감소하였다. 동일한 섬유적층수에 대해서 인장철근비가 커지면 섬유시트 파단변형률은 대체로 감소하는 경향을 보여주며, 유리섬유의 경우 그 경향은 두드러지고 나머지두 섬유는 영향이 미미한 것으로 나타났다.
유리와 아라미드보다 탄소섬유 시트의 경우 파단변형률의 감소가 작았으며, 모든 경우 섬유 적층 수가 증가할수록 섬유시트 파단변형률은 감소하였다. 동일한 섬유적층수에 대해서 인장철근비가 커지면 섬유시트 파단변형률은 대체로 감소하는 경향을 보여주며, 유리섬유의 경우 그 경향은 두드러지고 나머지두 섬유는 영향이 미미한 것으로 나타났다.
기준보는 하연의 응력이 콘크리트 휨인장강도에 도달함과 동시에 콘크리트에 인장균열이 발생하였으며, 하중이 증가함에 따라발생된 균열은 중립축을 향해 보의 상부로 전파하였다. 기준보에 발생된 균열과 균열 간격은 약 150~ 200mm로 측정되었으며, 철근이 항복에 도달할 때의 균열폭은 약 1.0mm로 측정되었다(Fig. 2 (a)).
2 (a)). 최대하중에 도달할 때까지 균열과 균열 사이에 새로운 균열은 대체로 발생하지 않았으며, 이 때의 균열폭은 약 4.0mm에 이르는 것으로 관찰되었다. 보강보에 발생된 최초의 인장균열 분포는 기준보의 경우와 거의 동일한 것으로 측정되었으나 Fig.
항복점에 도달할 때 보강보의 균열폭은 약 0.4mm 로 측정되었으며, 최대하중 도달시 균열 폭은 약 2.0mm에 이르는 것으로 측정되어 보강보의 균열폭은기준보보다 작은 것으로 측정되었다. 보강보의 섬유 시트는 콘크리트 균열 폭의 증가를 억제하며, 이는 사용성 측면에서 볼 때 중요한 관점으로 인식된다.
보강보의 섬유 시트는 콘크리트 균열 폭의 증가를 억제하며, 이는 사용성 측면에서 볼 때 중요한 관점으로 인식된다. 섬유 시트에 의해 구속된 콘크리트 인장응력은 외부하중에 대한 저항력을 향상시켜 보강보의 휨성능을 향상시키는것으로 나타났으며, 보강보의 정당한 해석을 위해서는 콘크리트의 인장성능은 반드시 고려되어야 할 것으로 판단된다.
비교

비선형 해석은 보강보 실험결과들을 훌륭하게 예측하고 있으며, 탄소섬유시트 경우 최대 6.6%, 유리섬유의 경우 최대 8.9%, 아라미드 섬유의 경우 최대 9.7%의 최대하중 차이를 나타내 보였다. 비선형 해석법의 정당성 및 엄밀성을 그림이나 표에 의해 확인할 수 있었다.
1) 섬유시트 인장시험 결과 섬유적층수에 따른 물성치들의 변화는 크지 않았으나 대부분 설계자료 값을 밑도는 것으로 나타났으며, 보강보의 실험 결과에서는 섬유적층수에 따른 파단변형률 감소경향을 확인할 수 있었다. 따라서 정당하고 안전한 보강보 해석이나 설계를 위해서는 보강재 양의 증감에 따라 적절한 감소계수가 도입된 섬유시트 파단 변형률을 적용해야 한다.
따라서 정당하고 안전한 보강보 해석이나 설계를 위해서는 보강재 양의 증감에 따라 적절한 감소계수가 도입된 섬유시트 파단 변형률을 적용해야 한다. 본 연구에서는 보강보의 실험 및 비선형 휨해석 결과들을 바탕으로 각 섬유시트의파단변형률에 대한 감소계수로서, 섬유적층수가 한 겹에서 네 겹으로 변할 때 탄소섬유시트의 경우 각각 0.75, 0.65, 0.55, 0.50의 값들을, 유리섬유의 경우 각각 0.55, 0.50, 0.45, 0.40의 값들을, 아라미드섬유의 경우 각각 0.45, 0.40, 0.35, 0.30 의 값들을 추천한다.
비선형 해석기법에서는 콘크리트의 비선형 응력분포를 고려하였으며, 부재 단면 하연의 평균 인장응력을 콘크리트 휨인장강도의 10%로 간주하였다. 섬유시트로 보강된 RC 휨부재의 비선형 해석기법을 통해 보수적인 결과를 주는 현재의 해석 및 설계방법보다 더 엄밀하고 정당한 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

3) 본 연구에서 개발된 비선형 해석 기법은 섬유 시트로 보강된 RC보의 하중-변위 응답 및 휨거동 특성을 정확하게 예측하였으며, 이는 포괄적인 FRP 복합재료들로 보강된 구조물의 휨거동을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 섬유시트로 보강된 RC 보의 해석기법 연구
Analysis of RC Beams Strengthened with Fiber Sheets 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 섬유시트로 보강된 RC 보의 해석기법 연구 Analysis of RC Beams Strengthened with Fiber Sheets 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김성도 (25)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 섬유시트로 보강된 RC 보의 해석기법 연구
Analysis of RC Beams Strengthened with Fiber Sheets 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문