최근 철근 콘크리트 구조물에서 철근의 부식문제를 근본적으로 해결하기 위한 대안으로 섬유강화폴리머(Fiber Reinforced Polymers, FRP)가 주목받고 있다. FRP는 철근에 비해 높은 비강도를 가지며, 무게가 가볍다. 특히 내부식성이 뛰어나 염해와 같은 열악한 환경에 특히 유용하다. 그러나 재료단가가 철근에 비해 높고, 장기거동에 대해 구축되어 있는 정보가 적으며 항복 거동을 보이는 철근과는 달리 취성파괴를 일으키기 때문에 FRP를 토목재료로 사용하려는 노력은 더디게 진행되고 있다. FRP 제작에 사용되는 섬유 중 유리섬유가 가장 경제적이지만 강성이 철근에 비해 대략 1/4 정도 밖에 되지 않아 휨부재에 사용될 경우 과도한 처짐 문제가 발생한다. 이에 본 연구에서는 유리섬유로 제작된 FRP(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP) 로드(Rod)의 인장특성을 개선하고자 탄소와 유리섬유로 제작된 하이브리드 로드의 인장특성에 관한 연구를 수행하였다. 로드 제작에 사용되는 수지 종류와 배치 방법에 대해 변수를 설정하여 총 40개의 시편을 제작하여 인장실험을 실시하였다. 하이브리드 로드의 인장특성은 섬유가 혼합되지 않은 순수한 유리섬유와 탄소섬유로만 제작된 로드의 인장특성과 비교하였다. 실험 결과에 따르면 로드의 핵은 탄소섬유로, 외피는 유리섬유로 제작된 하이브리드 로드의 인장특성이 가장 우수하였다.
최근 철근 콘크리트 구조물에서 철근의 부식문제를 근본적으로 해결하기 위한 대안으로 섬유강화폴리머(Fiber Reinforced Polymers, FRP)가 주목받고 있다. FRP는 철근에 비해 높은 비강도를 가지며, 무게가 가볍다. 특히 내부식성이 뛰어나 염해와 같은 열악한 환경에 특히 유용하다. 그러나 재료단가가 철근에 비해 높고, 장기거동에 대해 구축되어 있는 정보가 적으며 항복 거동을 보이는 철근과는 달리 취성파괴를 일으키기 때문에 FRP를 토목재료로 사용하려는 노력은 더디게 진행되고 있다. FRP 제작에 사용되는 섬유 중 유리섬유가 가장 경제적이지만 강성이 철근에 비해 대략 1/4 정도 밖에 되지 않아 휨부재에 사용될 경우 과도한 처짐 문제가 발생한다. 이에 본 연구에서는 유리섬유로 제작된 FRP(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP) 로드(Rod)의 인장특성을 개선하고자 탄소와 유리섬유로 제작된 하이브리드 로드의 인장특성에 관한 연구를 수행하였다. 로드 제작에 사용되는 수지 종류와 배치 방법에 대해 변수를 설정하여 총 40개의 시편을 제작하여 인장실험을 실시하였다. 하이브리드 로드의 인장특성은 섬유가 혼합되지 않은 순수한 유리섬유와 탄소섬유로만 제작된 로드의 인장특성과 비교하였다. 실험 결과에 따르면 로드의 핵은 탄소섬유로, 외피는 유리섬유로 제작된 하이브리드 로드의 인장특성이 가장 우수하였다.
Recently, Fiber Reinforced Polymers(FRP) has been emerged as an alternative material to solve the corrosion of steel reinforcement in reinforced concrete structures. FRP exhibits higher specific strength and lower weight compared to steel reinforcement. Moreover, good resistance to corrosion of the ...
Recently, Fiber Reinforced Polymers(FRP) has been emerged as an alternative material to solve the corrosion of steel reinforcement in reinforced concrete structures. FRP exhibits higher specific strength and lower weight compared to steel reinforcement. Moreover, good resistance to corrosion of the FRP may be useful in aggressive environments causing deterioration such as chloride environment. However, causes for higher initial cost of FRP than that of steel, little information on the long-term behavior of FRP, and brittle failure make the efforts to apply FRP in civil structures slow. Glass fiber among the fibers used to manufacture FRP can be seen as the most beneficial material with regard to initial costs. But its low elastic modulus, which attains barely a quarter of steel, nay thus lead to excessive deflections when used as reinforcement for flexural members. This research was carried out on the tensile properties of hybrid rods made with glass and carbon fibers to improve those of FRP rod made with glass fiber. Parameters were resin type and the arrangement of glass and carbon fibers. The tensile properties of hybrid rods were compared with those of rods manufactured with only glass or carbon fibers. The results indicated that the tensile properties of hybrid rod were good when the carbon fiber was arranged in the core.
Recently, Fiber Reinforced Polymers(FRP) has been emerged as an alternative material to solve the corrosion of steel reinforcement in reinforced concrete structures. FRP exhibits higher specific strength and lower weight compared to steel reinforcement. Moreover, good resistance to corrosion of the FRP may be useful in aggressive environments causing deterioration such as chloride environment. However, causes for higher initial cost of FRP than that of steel, little information on the long-term behavior of FRP, and brittle failure make the efforts to apply FRP in civil structures slow. Glass fiber among the fibers used to manufacture FRP can be seen as the most beneficial material with regard to initial costs. But its low elastic modulus, which attains barely a quarter of steel, nay thus lead to excessive deflections when used as reinforcement for flexural members. This research was carried out on the tensile properties of hybrid rods made with glass and carbon fibers to improve those of FRP rod made with glass fiber. Parameters were resin type and the arrangement of glass and carbon fibers. The tensile properties of hybrid rods were compared with those of rods manufactured with only glass or carbon fibers. The results indicated that the tensile properties of hybrid rod were good when the carbon fiber was arranged in the core.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 RC 구조물에 적용할 수 있는 FRP 보강근 개발 연구과제의 일환으로 유리나 탄소섬유로만 구성된 FRP 보강근의 단점을 상호 보완하기 위하여 두 종류 이상의 섬유로 FRP 로드(Rod)를 구성할 때 나타나는 하이브리드 효과를 관찰하고 섬유배치에 따른 인장성능의 개선 정도를 살펴보는데 그 목적이 있다.
본 연구는 수지의 종류와 탄소섬유 배치방법에 따른 FRP 로드의 하이브리드 효과를 관찰하고자 수행된 것으로 인장실험 결과를 요약하여 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 종류가 다른 섬유의 혼합에 따른 하이브리드 효과와 인장특성의 개선 정도를 파악하기 위하여 유리섬유와 탄소섬유를 고려하였으며, FRP 로드는 Table 1 에 나타낸 바와 같이 총 5가지 종류의 형 태로 제작하였다.
Kretsis, 는 식 ⑴은 수지가 섬유와 섬유사이에서 힘을 효과적으로 전달한다는 가정에 근거한 선형방정식이기 때문에 예측값은 큰 편차를 나타낸다고 하였다. 상기 영향에 의해 실험값과 예측값 사이에는 어느 정도 차이가 존재하지만 Table 3에서 보듯이 변동계수가 크지 않기 때문에 실험값에는 일관성이 있다고 볼 수 있고, 본연구의 목적은 로드 단면 내에 탄소섬유를 배치하는 방법에 따른 상대적인 거동 변화를 살펴보기 위한 것이므로 본 논문에서는 식 ⑴에 의한 예측값과 실험값의 차이에 대해서는 논하지 않기로 한다.
그러나 유리섬유는 탄성계수가 강재에 비해 1/4 정도 밖에 되지 않아 휨부재에 적용할 경우 과도한 처짐 문제가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 경제성 및 우수한 인장특성을 가진 FRP 로드를 개발하고자 유리섬유로 제작된 FRP 로드에 탄소섬유를 혼합하여 인장특성을 개선하고자 하였다.
복합체 (hybrid composites)'라고 한다. 이렇듯 하이브리드화시키는 목적은 각 구성물의 장점만을 취하는 새로운 재료를 만들기 위해서이다.
하이브리드 FRP 로드의 인장특성은 여러 가지 매개변수에 따라 변할 것이나 본 연구에서는 일차적으로 섬유 배합률을 고정시키고 탄소섬유의 배치방법과 수지 종류에 따른 변화를 살펴보고자 하였다.
제안 방법
각 시편의 인장강도는 실험으로부터 측정된 최대하중을 로드의 단면적 &淑로 나누어 계산하였으며, 탄성계수 耳可는 CSA 규준에 따라 다음과 같이 산출하였다.
변형률은 시편 중앙부에 변형률 게이지를 부착하여 측정하였으며, 로드의 상하 단부를 ASTM D 3916”)의 알루미늄 그립 어댑터를 이용하여 거치하였다.
각 변수에 대해 4개씩 총 40개의 시편을 제작하여 인장특성을 비교하였다. 섬유의 혼합 방법에는 여러 가지가 있겠으나 본 연구에서는 일차적으로 섬유의 배합비율은 고정시키고 로드의 단면 내에 유리섬유와 탄소섬유를 배치시키는 방법에 초점을 맞추어 실험을 실시하였다.
시편 설계시 A, B Type 로드의 인장강도를 900 MPa 이상으로 설정하였으며 하이브리드 로드(C, D, E Type)의 인장강도도 이와 근사한 값을 갖도록 유리와 탄소섬유의 섬유 비율을 결정하였다.
대상 데이터
FRP 로드 제작에 사용된 수지는 비닐에스터와 불포화 폴리에스터 수지이며, 섬유배치는 탄소섬유를 ① 중앙에 집중 ② 외피에 위치 ③ 단면 내 산포 등 3가지 방법이 적용되었다. 실험결과의 비교를 위해 유리 혹은 탄소섬유로만 구성된 FRP 로드도 제작하였다.
실험결과의 비교를 위해 유리 혹은 탄소섬유로만 구성된 FRP 로드도 제작하였다. 각 변수에 대해 4개씩 총 40개의 시편을 제작하여 인장특성을 비교하였다. 섬유의 혼합 방법에는 여러 가지가 있겠으나 본 연구에서는 일차적으로 섬유의 배합비율은 고정시키고 로드의 단면 내에 유리섬유와 탄소섬유를 배치시키는 방법에 초점을 맞추어 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 FRP 로드와 콘크리트 사이의 부착 특성은 고려하지 않기 때문에 로드는 매끄러운 표면을 가진 직경 12.7mm의 원형 단면으로 제작하였다. 유리섬유는 E-glass 계열인 한국 Owens Coming사의 RS-4400-366 을 사용하였고, 탄소섬유는 일본 Toray사의 T-700 12K를 사용하였다.
수지는 비닐에스터(Vinylester, 시편명 : VE)와 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester, 시편명 : PE) 수지를 사용하였으며 각각에 대해 4개씩 총 40개의 시편을 제작하여 실험하였다. 시편 설계시 A, B Type 로드의 인장강도를 900 MPa 이상으로 설정하였으며 하이브리드 로드(C, D, E Type)의 인장강도도 이와 근사한 값을 갖도록 유리와 탄소섬유의 섬유 비율을 결정하였다.
실시하였다. 시편의 길이는 850mm이며 1, 000kN 용량의 UTM를 이용하여 실험하였다.
실험결과의 비교를 위해 유리 혹은 탄소섬유로만 구성된 FRP 로드도 제작하였다. 각 변수에 대해 4개씩 총 40개의 시편을 제작하여 인장특성을 비교하였다.
7mm의 원형 단면으로 제작하였다. 유리섬유는 E-glass 계열인 한국 Owens Coming사의 RS-4400-366 을 사용하였고, 탄소섬유는 일본 Toray사의 T-700 12K를 사용하였다. 인발성형(Pultrusion)으로 FRP 로드를 제작하기 위해 비닐에스터와 불포화 폴리에스터 수지를 사용하였다.
유리섬유는 E-glass 계열인 한국 Owens Coming사의 RS-4400-366 을 사용하였고, 탄소섬유는 일본 Toray사의 T-700 12K를 사용하였다. 인발성형(Pultrusion)으로 FRP 로드를 제작하기 위해 비닐에스터와 불포화 폴리에스터 수지를 사용하였다. 비닐에스터와 불포화 폴리에스터 수지는 경제적이고, 점성이 낮으며, 경화가 빠르기 때문에 인발성형 방법에 가장 이상적인 것으로 알려져 있다.
이론/모형
FRP 로드에 대한 인장특성 실험방법은 CSA 규준顶에 근거하여 실시하였다. 시편의 길이는 850mm이며 1, 000kN 용량의 UTM를 이용하여 실험하였다.
성능/효과
1) 유리섬유 37%, 탄소섬유 23%를 혼합하여 제작한 하이브리드 로드의 극한변형률은 탄소섬유와 수지만으로 제작된 FRP 로드의 극한변형률에 비해 탄소섬유 배치방법에 따라 8 〜 32% 증가하여 섬유 혼합에 의한 하이브리드 효과가 발생하였다.
2) 탄소섬유를 로드의 단면에 산포시킨 시편(E-VW의 극한 변형률이 탄소섬유와 수지만으로 구성된 시편(B-VE)의 극한변형률에 비해 32% 증가되었지만 제작의 연속성 및 정밀성이 보장되지 않는다면 탄소섬유의 산포 정도가 달라질 수 있기 때문에 E-PE 시편의 결과와 같이 극한변형률의 증가정도는 달라질 수 있다.
3) 사용된 수지의 종류에 관계없이 탄소섬유가 중심에 위치하는 시편(C type)0] 외피에 위치하는 시편(D type)에 비해 인장강도와 탄성계수, 극한변형률이 모두 증가하였다. 탄소섬유를 단면 내 산포시키는 시편(E-V0에는 중앙에 집중시킨 시편(C-V空)에 비해 인장강도는 감소하였지만 극한변형률은 증가하였다.
4) 탄소섬유를 단면 내에 산포시킬 경우에 하이브리드 효과가 가장 크게 나타났고, 중앙에 집중시킬 경우에는 인장강도의 증가가 가장 크게 나타났다. 하이브리드 효과와 인장강도, 탄성계수의 증가 정도가 탄소섬유의 배치 방법에 따라 다르게 나타나므로 구조물에 적용할 경우에는 설계 목적에 적합한 인장특성이 나타나도록 설계해야 할 것으로 사료된다.
B거ki』는 탄소섬유가 산포된 시편의 경우 의사연성 효과가 다른 경우에 비해 확연히 나타난다고 하였으나, 본 연구에서는 Yujin 등$의 실험에서와 마찬가지로 짧은 변형률 범위에서 응력 최고점이 증감을 반복하는 거동을 나타내었다(Fig. 6 (c), (f)).
비닐에스터 수지를 사용한 경우에 탄소섬유를 로드 단면 내에 분포시킨 시편 (E-VE) 에서 하이브리드 효과가 가장 크게 발생하였고, 탄소섬유를 로드의 바깥쪽에 배치한 시편(D-V®에서 가장 작게 나타났다. 불포화 폴리에스터 수지를 사용한 경우에는 이 효과가 상대적으로 작게 나타났는데 이는 탄소섬유의 배치상태와 관련이 있을 것으로 추측되며 이에 대해서는 다음 절에서 설명하기로 한다.
시편의 크기, 그립 방법(Grip method), 제작시 섬유 손상이나 배열의 잘못됨 등에 따라 인장실험에는 다양한 강도감소효과가 나타나기 때문에 탄소섬유 복합체의 경우 극한 변형률은 일반적으로 함침되지 않은 스트랜드에 비해 쿠폰 실험값이 15〜 20 % 작게 발현되는 것으로 알려져 있다& 또한 Malvar⑵는 ASTM D 3916 형식과 Clamp 형식 등의 그립 어댑터에 대한 실험에서 ASTM D 3916 그립 어댑터에 의한 FRP 로드의 인장강도가 가장 작게 나오는 것을 관찰하였다. Kretsis, 는 식 ⑴은 수지가 섬유와 섬유사이에서 힘을 효과적으로 전달한다는 가정에 근거한 선형방정식이기 때문에 예측값은 큰 편차를 나타낸다고 하였다.
실험으로부터 구한 탄성계수는 Table 3에서 보듯이 예측값에 비해 21% 크게 나타났고, 인장강도는 24% 낮게 나타났다.
유리섬유 37%, 탄소섬유 23%를 혼합하여 하이브리드 로드를 제작할 경우 모든 시편에 있어서 극한변형률이 B type의 극한변형률에 비해 증가하는 하이브리드 효과가 나타났다. 비닐에스터 수지를 사용한 경우에 탄소섬유를 로드 단면 내에 분포시킨 시편 (E-VE) 에서 하이브리드 효과가 가장 크게 발생하였고, 탄소섬유를 로드의 바깥쪽에 배치한 시편(D-V®에서 가장 작게 나타났다.
탄소섬유를 산포시킨 시편(E type)의 인장강도는 중앙에 위치시킨 시편(C type)에 비해 비닐에스터와 불포화 폴리에스터 수지별로 각각 18%, 9% 감소하였고, 극한변형률은 6% 증가, 10% 감소하였다. 수지 별로 증감상태가 다른 것은 서술한 바와 같이 수지의 영향은 거의 없으므로 산포되어 있는 정도 차이에 기인한 것으로 판단된다.
한편, 불포화 폴리에스터 수지를 사용한 경우에 대한 실험결과는 비닐에스터 수지를 사용한 경우에 비해 인장강도와 탄성계수 모두 1.6% 이내의 차이를 보이고 있어 수지 종류에 따른 인장강도와 탄성계수의 변화는 거의 없는 것으로 관찰되었다.
후속연구
의사 연성 거동은 탄소섬유의 양 뿐만 아니라 탄소섬유의 산포에 따른 응력 재분배 메커니즘의 영향을 받기 때문에 이에 대해서는 좀 더 많은 논의가 필요하다.
효과를 얻을 수 없었다. 제작방법의 개선을 통하여 이러한 문제점을 해결하는 것에는 한계가 있을 것이기 때문에 섬유 원사 생산과정에서 유리섬유와 탄소섬유를 미리 혼합하여 하이브리드 Roving 형태로 제작한다면 각각의 Roving을 혼합하는 것보다 훨씬 균질한 산포정도를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
증가가 가장 크게 나타났다. 하이브리드 효과와 인장강도, 탄성계수의 증가 정도가 탄소섬유의 배치 방법에 따라 다르게 나타나므로 구조물에 적용할 경우에는 설계 목적에 적합한 인장특성이 나타나도록 설계해야 할 것으로 사료된다. 제작의 난해함과 극한변형률, 탄성계수, 인장강도의 증가를 전반적으로 고려할 경우 탄소섬유가 중앙에 집중되어 위치하는 경우가 가장 유리할 것으로 판단된다.
참고문헌 (12)
Mufti, A., Erki, M. A., and Jaeger, L., eds., Advanced composites materials with application to bridges, Canadian Society of Civil Engineers, Montreal, Canada, 1991
Nanni, A. E., and Dolan, C. W., eds., 'Fiber reinforced plastic reinforcement for concrete structures', Proc. Int. Symp., American Concrete Institute, Detroit, Mich., 1993
한국건설기술연구원, FRP 복합재료 보강재 개발 및 이를 활용한 콘크리트 구조물 건설기술 개발, 1차년도 최종보고서, 2004
Harris, H. G., Somboonsong, W., and Ko, F. K., 'New Ductile Hybrid FRP Reinforcing Bar for Concrete Structures', Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol.2, No.1, 1998, pp.28-37
Kretsis, G., 'A reviewof the tensile, compressive, flexural and shear properties of hybrid fibre-reinforced plastics', Composites, Vol.18, No.1, 1987, pp.13-23
Bakis, C. E., Nanni, A., Terosky, J. A., and Koehler, S. W., 'Self-monitoring, pseudo-ductile, hybrid FRP reinforcement rods for concrete application.', Composite Science and Technology, Vol.61, No.6, 2001
Yujin Liang, Changsen Sun, and Farhad Ansari, 'Acoustic Emission Characterization of Damage in Hybrid Fiber-Reinforced Polymer Rods'. Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol.8, No.1, 2004, pp.70-78
CSA S806-02, Test Method for Tensile Properties of FRP Reiriorcemeni. Canadian Standard Association, Annex C, 2002
ASTM D 3916, Standard Test Method for Tensile Properties of Pultruded Glass- Fiber- Reinforced Plastic Rods, American Society of Testing and Material, ASCE, 2002
Malvar, L. J. and Bish, J., 'Grip effects in tensile testing of FRP bars', Proc. 2nd Int. RILEM Symposium on Non-Metallic (FRP) Reirforcemeni for Concrete Structures, L. Taerwe, ed., Univ, of Ghent, Belgium, 1995. pp.105-115
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.