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문제 정의
- 본 연구는 이와 같은 목적을 위해 국내에서 제작한 하이브리드 FRP의 일종인 CFGFRP(탄소-유리섬유강화 플라스틱)를 중심으로 다양한 형태의 바(bar)를 콘크리트보강근으로 이용하여 자가진단 센서로서의 기능과 콘크리트 부재 내에서의 작용특성에 대하여 검토하였다.
제안 방법
- 탄소섬유와 유리섬유의 적정 함유율은 다음 실험을 통해 정하였다. 또한, 본 연구에서는 기존 연구*©에서와는 달리, 센서 기능을 갖는 탄소섬유강화플라스틱 (CFRF)의 체적비 (Vol.%) 를 변화시키고, 하이브리드 재료로서 유리섬유 강화플라스틱 (GFRP)뿐만 아니라 아라미드섬유강화플라스틱 (AFRP) 을 추가로 실험 하였다.
- 설치하였다. 또한, 전기저항 측정은 직류 2단자법을 이용하고, FRP 보강근 바(bar)를 콘크리트 시험체 바깥으로 나오게 배근한 후, CF재료의 양단에 전극을 도전성 접착제로 접착한 시험체에 1mA의 일정전류를 통전한 상태에서, 하중 단계별 재하 시의 전압변화를 전기저항변화로서 컴퓨터 레코더에 기록해서 구하였다.
- CF는 범용 저저항률 섬유이면서 저항측정 중에 주위 온도의 영향이 없는 섬유이다. 보호역할의 GF(유리섬유) 와 AF(아라미드섬유)는 복합섬유로드가 CF의 파단에도 최종파괴 되지 않도록 CF보다 훨씬 큰 파단신장과 작은종탄성률 특성을 갖는 섬유로서, CF보다는 파단 특성(취성파괴특성)이 양호하다고 고려하여 실험에 반영하였다. Fig.
- FRP bar형 섬유는 장 섬유 다발 묶음 상이다. 전체 실험은 탄소섬유강화프라스틱 (CFRP) 단독 보강근과 탄소-유리섬유강화프라스틱 (CFGFRP), 아라미 드-유리 섬 유강화프라스틱 (AFGFRP) 하이 브리 드 보강근의 3가지 조건으로 대별하여 실시하였다.
- 6와 같다. 처짐과 휨 인장변형률-전기저항-하중의 관계를 얻기 위해 변위 변환계 (Displacement transducer), 스트레인 게이지와 전기저항 측정기, 로드셀을 이용하였다.
- 휨 하중 재하시 콘크리트 시험체의 하단부 인장변형률과 처짐을 측정하기 위해 각각 변우】(처짐) 변환 센서 (Displacement transducer), 스트레인게이지를 설치하였다. 또한, 전기저항 측정은 직류 2단자법을 이용하고, FRP 보강근 바(bar)를 콘크리트 시험체 바깥으로 나오게 배근한 후, CF재료의 양단에 전극을 도전성 접착제로 접착한 시험체에 1mA의 일정전류를 통전한 상태에서, 하중 단계별 재하 시의 전압변화를 전기저항변화로서 컴퓨터 레코더에 기록해서 구하였다.
대상 데이터
- 4, GF(유리섬유)로 보강된 CF함유 Vol.%가 3.3인 2종류의 하이브리드 FRP조건을 선정하였다. 이들 3종류의 FRP는 모두 섬유질의 이형 리브를 바(bar) 표면에 가공 부착하여 콘크리트와의 부착을 양호하게 하였다.
- 이러한 자가진단 기능을 갖는 하이브리드 FRP bar의 형상은 Fig. 2과 같이 제작하였으며, Fig. 3은 제작된 탄소-유리섬유강화플리스틱 (CFGFRP)의 예이다. 탄소섬유와 유리섬유의 적정 함유율은 다음 실험을 통해 정하였다.
- 콘크리트 시험체는 중앙점 재하법에 따른 콘크리트의 휨강도 시험용 공시체 (KS F 2403)로서, 그 크기는 단면적 100mmx 100mm, 길이 400mm이고, 휨 파괴시험은 UTM시험기를 이용하였다. 휨 파괴 시험체의 치수와 측정 방법을 Fig.
- 크리트 배합표에 의해 배합하였으며, KS F 2403과 KS F 2407에 따라 압축강도용 시편과 휨강도용 시편을 각각 제작하였다. 콘크리트의 배합조건은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 1) 단일형 및 하이브리드형 FRP 보강근의 특성에 대하여 검토해 본 결과, 하중의 증가와 더불어 전기저항은 직선적으로 증가해 가지만, 어느 변형량을 초과하면 비직선적으로 전기저항이 변화하게 됨을 알 수 있다. 이 때, 하중변화는 미소함에 반해 저항변화량은 급격히 변화하는 영역이 존재함을 알 수 있다.
- Figs. 11과 12에서와 같이 CFGFRP(CF 3.3 Vol. %)보강근 콘크리트 휨 강도 시험 시 전기저항 값을 측정하여 얻은 데이터가 처짐, 인장변형률과 어떠한 관계가 있는지 측정한 결과, 하중의 증가에 따라 처짐은 서서히 증가하다가 하중 31kN이 가해졌을 때 20.4mm의 값을 나타내며 파괴되었다. 전기저항(초기전기저항값 : 6.
- 2) 이로부터, CF를 파괴정보 센서로서 사용하고, 이보다 연성효과를 갖는 GFRP, AFRP 등을 보강재료로 사용하면, 그 강도비에 따라 극한 파괴하중까지 충분한 기계적 여유를 부여할 수 있어, 그 기간 동안에는 보강 등의 대책을 수립할 수 있어 안정된 구조물의 유지관리 모니터링에 유효하게 응용할 수 있다고 판단된다. 또한, 평균파단 신장위치는 큰 파단 신장의 CF단을 이용한 경우에 CF단의 극한 파단 신장의 크기에도 의존하게 할 수 있어, 치명적 파괴로의 경고위치를 CF단의 파단신장특성에 따라서도 쉽게 제어할 수 있다.
- Figs. 9오} 10에서와 같이 CFAFRP (CF 18.4 Vol.%) 보강근 콘크리트 휨강도 시험시 전기저항값을 측정하여 얻은 데이터가 처짐, 인장변형률과 어떠한 관계가 있는지 측정한 결과, 하중의 증가에 따라 비슷한 비율로 증가하다가 처짐이 16.1mm일 때 39.6kN을 나타내며 파괴되었다.
- 또한, 평균파단 신장 위치는 큰 파단신장의 CF단을 이용한 경우에 평균파단 신장 위치는 CF단의 파단신장특성에 따라 쉽게 제어할 수 있다. 따라서 보다 저 파단신장의 도전섬유를 이용하면 더욱 초기 변화율 단계로부터 치명적 파괴방지의 정보를 얻을 수 있음을 알 수 있어 본 단독 CFRP 보강근과 CFGFRP, AFGFRP 하이브리드 FRP 보강근의 자기진단 센서로서의 역할은 충분히 가능할 것으로 전망된다. 한편, 전기저항 변화는 콘크리트의 변위변화상태와 상관관계를 나타내고 있다.
- 따라서, 이와 같은 특성을 이용하면, 대단히 큰 외력이 구조물에 가해지는 상황에서 명료하고 간단한 파괴상황모니터링시스템을 확립하는 것이 가능하다고 판단된다. 또한, 전기저항이 크게 증가하는 변형률 위치는 사용하고 있는 탄소섬유다발의 파단신장률에 의존하게 된다.
- 또한, 하이브리드 FRP에서 CF의 체적비(vol.%)는 본 실험에서 사용한 범위에서는 센서로서의 기능을 충분히 발휘함을 알 수 있었다. 그러나 가급적 CF의 첨가비 (vol.
- 의 증가에 따라 인장변형률도 서서히 증가하다가 하중 29.3kN 정도에서 최대값을 나타내면서 점점 감소하는 경향을 보였다. 전기저항-인장변형률도 전기저항이 서서히 증가하는 하중 29.
- 이상의 3조건에 대한 하이브리드형 FRP 보강근의 하중 단계별 센서기능 특성에 대하여 검토해 본 결과, 시험체에 가해진 응력과 변형률, 처짐과의 관계는 시험체가 파괴되기까지는 거의 직선관계를 나타내지만, 변형률과 CF의 전기저항변화 관계에 대해서는 특징적인 현상을 나타내었다. 하중의 증가와 더불어 전기저항은 직선적으로 증가해 가지만, 어느 변형량을 초과하면 비직선적으로 전기저항이 변화하게 됨을 알 수 있다.
- 3kN 정도에서 최대값을 나타내면서 점점 감소하는 경향을 보였다. 전기저항-인장변형률도 전기저항이 서서히 증가하는 하중 29.3kN 부근까지 인장변형률은 증가하고 하중이 점점 더 올라가면서 전기저항은 최대값을 나타내며 올라간 반면 인장변형률은 오히려 감소되는 양상을 나타내었다.
- 콘크리트 휨강도 시험시 전기저항값을 측정하여 얻은 데이터가 처짐, 인장변형률과 어떠한 관계가 있는지 측정한 결과, 하중의 증가에 따라 처짐은 서서히 증가하다가 하중 35.4kN이 가해졌을 때 14.8mm의 값을 나타내며 파괴되었다. 전기저항(초기전기저항값 :10.
- 하중-전기저항-인장변형률의 관계를 측정한 결과, 하중이 증가함에 따라 인장변형률은 서서히 증가하다가 하중이 29.3kN을 지나면서 감소하는 경향을 보였다. 이때 인장변형률은 3575卩 이다.
후속연구
- 특히 탄소섬유다발의 vol.%량의 조절을 통해 전기저항 변화를 유도할 수 있다고 사료되어 보다 긴 인장재의 사용이 필요한 현장조건 구조물에 대해서도 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 보다 확실한 것은 CFRP 재료 강도를 변화시켜 현장구조물에 맞는 센서기능을 갖도록 하면, 다양한 형태의 현장구조물에 대해서도 적용이 가능하여, 하중단계별 파괴정보 예측에 관한 진단제어가 가능할 것으로 판단된다.
- %)는 본 실험에서 사용한 범위에서는 센서로서의 기능을 충분히 발휘함을 알 수 있었다. 그러나 가급적 CF의 첨가비 (vol.%)를 작게 할수록 파괴정보를 빨리 얻을 수 있을 것으로 판단되어 민감한 센서로서의 기능이 더욱 향상될 것으로 전망된다.
- %량의 조절을 통해 전기저항 변화를 유도할 수 있다고 사료되어 보다 긴 인장재의 사용이 필요한 현장조건 구조물에 대해서도 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 보다 확실한 것은 CFRP 재료 강도를 변화시켜 현장구조물에 맞는 센서기능을 갖도록 하면, 다양한 형태의 현장구조물에 대해서도 적용이 가능하여, 하중단계별 파괴정보 예측에 관한 진단제어가 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 방법에 의해 구조물의 파괴상황 진단조건을 보다 효과적이고 용이하게 설정하는 것이 가능할 것으로 기대된다.
- 또한, 평균파단 신장위치는 큰 파단 신장의 CF단을 이용한 경우에 CF단의 극한 파단 신장의 크기에도 의존하게 할 수 있어, 치명적 파괴로의 경고위치를 CF단의 파단신장특성에 따라서도 쉽게 제어할 수 있다. 따라서 보다 저 파괴 신장의 도전섬유를 이용하면 더욱 초기 변형률 단계로부터 치명적 파괴방지의 정보를 얻을 수 있음을 알 수 있어 본 CFGFRP 하이브리드 바(bar)의 자가진단 센서로서의 역할은 충분히 가능할 것으로 전망된다.
- 이 때, 하중 변화는 미소함에 반해 저항변화량은 급격히 변화하는 영역이 존재함을 알 수 있다*또한, 파괴는 콘크리트의 인장 측 균열이 진행되면서 CF, AFRP, GFRP, 순으로 발생하였다 . 이에 따라, CF가 파단하는 것으로부터 파괴를 예측하면서, AFRP, GFRP의 파괴강도 또는 CF의 파괴강도를 조절하면 그 기간동안은 구조물의 파괴를 방호 할 수 있을 것으로 사료된다. CF의 파단 후는 파단신장률이 큰 GFRP」AFRP가 기계적 강도를 유지하고 있기 때문에 이 시점에서는 시험체 자신의 파괴는 일어나지 않기 때문이다.
- 그러나 보다 확실한 것은 CFRP 재료 강도를 변화시켜 현장구조물에 맞는 센서기능을 갖도록 하면, 다양한 형태의 현장구조물에 대해서도 적용이 가능하여, 하중단계별 파괴정보 예측에 관한 진단제어가 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 방법에 의해 구조물의 파괴상황 진단조건을 보다 효과적이고 용이하게 설정하는 것이 가능할 것으로 기대된다. 또한, CF 복합재료의 경우는 알칼리에 대한 높은 내식성을 갖고 있기 때문에, 장기간의 내구성을 고려할 때, 보강근의 부식문제로 인한 구조물의 파괴 가능성도 낮아질 것으로 사료된다.
- 즉, CF를 파괴정보 센서로서 사용하고, 이보다 연성 효과를 갖는 GFRP나 AFRP를 보강재료로 사용하면 그 첨가비에 따라 파괴하중까지 충분한 기계적 여유를 부여할 수 있어, 안정된 구조물의 유지관리 모니터링에 유효하게 응용할 수 있다고 판단된다. 또한, 평균파단 신장 위치는 큰 파단신장의 CF단을 이용한 경우에 평균파단 신장 위치는 CF단의 파단신장특성에 따라 쉽게 제어할 수 있다.
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