최근에 노후화된 콘크리트 구조물의 보수 보강 방법으로 FRP를 이용한 보강이 효과적인 것으로 알려지고 있다. 본 연구의 목적은 FRP로 보강된 콘크리트 실린더의 거동을 실험적으로 조사하고자 하는 것이다. 실험 변수로는 콘크리트의 압축강도, FRP재료의 종류 및 구속비이다. 본 연구에서 아라미드, 탄소 및 유리섬유로 보강된 콘크리트의 성능을 압축강도 실험을 통한 연구 결과를 보이고 있다. 이를 위해 축방향 하중, 축방향 및 횡방향 변형률을 측정하였다. 본 연구를 통하여 콘크리트의 강도와 횡방향 변형률과 횡방향 구속응력의 비로 정의되는 구속비가 구속 콘크리트의 응력-변형률을 결정하는 주요 인자인 것으로 나타났다. FRP로 더 많은 보강을 한 실험체는 우수한 구속력으로 인한 강도의 증가를 야기하였다. 고강도 콘크리트의 경우 FRP에 의한 보강으로 구속력의 증가이 증가되더라도 실험체의 압축변형률이 감소하여 취성파괴의 경향을 보였다. 구속된 콘크리트의 파괴는 FRP 재료의 극한 변형률 보다 낮은 변형률에서 FRP의 파단으로 시작되어 콘크리트의 파괴에 도달하였다.
최근에 노후화된 콘크리트 구조물의 보수 보강 방법으로 FRP를 이용한 보강이 효과적인 것으로 알려지고 있다. 본 연구의 목적은 FRP로 보강된 콘크리트 실린더의 거동을 실험적으로 조사하고자 하는 것이다. 실험 변수로는 콘크리트의 압축강도, FRP재료의 종류 및 구속비이다. 본 연구에서 아라미드, 탄소 및 유리섬유로 보강된 콘크리트의 성능을 압축강도 실험을 통한 연구 결과를 보이고 있다. 이를 위해 축방향 하중, 축방향 및 횡방향 변형률을 측정하였다. 본 연구를 통하여 콘크리트의 강도와 횡방향 변형률과 횡방향 구속응력의 비로 정의되는 구속비가 구속 콘크리트의 응력-변형률을 결정하는 주요 인자인 것으로 나타났다. FRP로 더 많은 보강을 한 실험체는 우수한 구속력으로 인한 강도의 증가를 야기하였다. 고강도 콘크리트의 경우 FRP에 의한 보강으로 구속력의 증가이 증가되더라도 실험체의 압축변형률이 감소하여 취성파괴의 경향을 보였다. 구속된 콘크리트의 파괴는 FRP 재료의 극한 변형률 보다 낮은 변형률에서 FRP의 파단으로 시작되어 콘크리트의 파괴에 도달하였다.
Recently, fiber-reinforced plastic(FRP) wraps are blown as an effective material for the enhancement and rehabilitation of aged concrete structures. The purpose of this investigation is to experimentally investigate behavior of concrete cylinder wrapped with FRP materials. Experimental parameters in...
Recently, fiber-reinforced plastic(FRP) wraps are blown as an effective material for the enhancement and rehabilitation of aged concrete structures. The purpose of this investigation is to experimentally investigate behavior of concrete cylinder wrapped with FRP materials. Experimental parameters include compressive strength of concrete cylinder, FRP material, and confinement ratio. This paper presents the results of experimental studies on the performance of concrete cylinder specimens externally wrapped with aramid, carbon and glass fiber reinforced Polymer sheets. Test specimens were loaded in uniaxial compression. Axial load, axial and lateral strains were investigated to evaluate the stress-strain behavior, ultimate strength ultimate strain etc. Test results showed that the concrete strength and confinement ratio, defined as the ratio of transverse confinement stress and transverse strain were the most influential factors affecting the stress-strain behavior of confined concrete. More FRP layers showed the better confinement by increasing the compressive strength of test cylinders. In case of test cylinders with higher compressive strength, FRP wraps increased the compressive strength but decreased the compressive sham of concrete test cylinders, that resulted in prominent brittle failure mode. The failure of confined concrete was induced by the rupture of FRP material at the stain, being much smaller than the ultimate strain of FRP material.
Recently, fiber-reinforced plastic(FRP) wraps are blown as an effective material for the enhancement and rehabilitation of aged concrete structures. The purpose of this investigation is to experimentally investigate behavior of concrete cylinder wrapped with FRP materials. Experimental parameters include compressive strength of concrete cylinder, FRP material, and confinement ratio. This paper presents the results of experimental studies on the performance of concrete cylinder specimens externally wrapped with aramid, carbon and glass fiber reinforced Polymer sheets. Test specimens were loaded in uniaxial compression. Axial load, axial and lateral strains were investigated to evaluate the stress-strain behavior, ultimate strength ultimate strain etc. Test results showed that the concrete strength and confinement ratio, defined as the ratio of transverse confinement stress and transverse strain were the most influential factors affecting the stress-strain behavior of confined concrete. More FRP layers showed the better confinement by increasing the compressive strength of test cylinders. In case of test cylinders with higher compressive strength, FRP wraps increased the compressive strength but decreased the compressive sham of concrete test cylinders, that resulted in prominent brittle failure mode. The failure of confined concrete was induced by the rupture of FRP material at the stain, being much smaller than the ultimate strain of FRP material.
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문제 정의
90년대 들어서 외국에서는 이와 관련된 많은 연구가 진행되어 새로운 설계기준이 마련되기에 이르렀다'心。). 본 연구에서는 FRP로 보강된 콘크리트의 강도 및 변형률에 대한 정확한 예측을 위하여 102개의 원형 콘크리트 공시체를 제작하여 선형 탄성적인 재료인 탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유로 횡구속하여 압축강도의 변화를 측정하였다. 또한 실험을 통해 섬유 구속량, 단면의 크기, 콘크리트 압축강도를 실험 변수로 하여 콘크리트의 축방향 압축강도, 축방향 및 횡방향 변형률, 체적 변형률 등을 조사하여 원형 콘크리트 공시체의 거동을 비교 분석하였다.
제안 방법
본 연구에서는 FRP로 보강된 콘크리트의 강도 및 변형률에 대한 정확한 예측을 위하여 102개의 원형 콘크리트 공시체를 제작하여 선형 탄성적인 재료인 탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유로 횡구속하여 압축강도의 변화를 측정하였다. 또한 실험을 통해 섬유 구속량, 단면의 크기, 콘크리트 압축강도를 실험 변수로 하여 콘크리트의 축방향 압축강도, 축방향 및 횡방향 변형률, 체적 변형률 등을 조사하여 원형 콘크리트 공시체의 거동을 비교 분석하였다.
섬유의 역학적 특성과 에폭시의 물리적 특성은 Tables 3과 4에 각각 나타내었다. 또한, 섬유의 국부 파괴를 피하기 위해 Fig. 1 과 같이 실험체의 양쪽 끝단에 5 mm씩 간격을 두고 섬유 보강을 수행하였다. 보강섬유의 접합부는 50 mm의 겹침 이음 길이를 확보하였다.
섬유로 보강하기 전 콘크리트의 표면은 충분히 건조시킨 상태에서 표면을 매끄럽게 처리하여 프라이머와 병행하여 수지로 함침시킨 다음 24시간 이후에 섬유를 원형 콘크리트 공시체에 감아 접착하였으며, 에폭시수지 조건에 맞는 상온(23℃이상)에서 10일간 양생하였다. 7~10 일 동안 상온에서 양생된 에폭시수지 강도는 90% 이상 성능을 발휘하는 것으로 보고되고 있다.
기준 시험체로서 무보강 시험체를 제작하였으며, 공시체는 100x200mm, 150x300mmS 하였다. 실험체의 상세는 Table 1에 나타내었으며 단면의 크기, 강도 및 보강량에 따라 3종류의 그룹으로 구분하였다. 실험체의 배합비는 Table 2와 같다.
증가 및 체적 변형 특성을 구명하였다. 이를 위하여 압축강도, 보강 재료, 실험체의 크기 및 보강량에 따른 압축강도의 증가 효과 및 응력-변형률의 관계를 조사하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
최근에 황진석(2001)은 탄소섬유쉬트로 횡구속된 콘크리트의 응력-변형도 특성을 조사하였다. 이를 통하여 횡구속압에 의한 횡팽창 특성을 구명하고 회귀분석을 통하여 최대 팽창률과 극한 팽창률을 제안하였다8). 90년대 들어서 외국에서는 이와 관련된 많은 연구가 진행되어 새로운 설계기준이 마련되기에 이르렀다'心。).
2와 같이 실험체 및 계측 장비를 설치하여 횡방향 및 축방향 변형률을 측정하였다. 축방향 변위는 Fig. 2와 같이 컴프레서미터로 양쪽을 고정시킨 뒤 180도 각도로 두 측점에서 50mm 변위계 2개를 설치하여 계측하였으며, 횡방향 변위는 컴프레서미터와 동일한 측점에서 익스텐서미터를 고정시켰으며 20mm 변위계 1개를 사용하여 계측하였다. 그리고 축방향 하중은 용량 1,500 kN의 load cell을 사용하여 계측하였다.
보강섬유의 접합부는 50 mm의 겹침 이음 길이를 확보하였다. 축방향 하중재하를 위하여 만능 재료 실험기를 사용하였으며, 하중 재하시 편심이 생기지 않도록 양쪽 단면을 콘크리트 연마기로 평면 작업 하였다.
콘크리트 공시체를 아라미드, 탄소, 유리섬유로 보강할 경우 보강 효과를 구명하기 위하여 압축강도의 증가, 변형률의 증가 및 체적 변형 특성을 구명하였다. 이를 위하여 압축강도, 보강 재료, 실험체의 크기 및 보강량에 따른 압축강도의 증가 효과 및 응력-변형률의 관계를 조사하였다.
대상 데이터
주요 실험 변수로서 보강 및 무보강, 단면의 크기, 콘크리트의 강도, 보강 재료의 종류이다. 기준 시험체로서 무보강 시험체를 제작하였으며, 공시체는 100x200mm, 150x300mmS 하였다. 실험체의 상세는 Table 1에 나타내었으며 단면의 크기, 강도 및 보강량에 따라 3종류의 그룹으로 구분하였다.
본 실험은 탄소, 아라미드, 유리섬유에 의해 횡 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계를 고찰하기 위해 102개의 콘크리트 공시체를 제작하였다. 주요 실험 변수로서 보강 및 무보강, 단면의 크기, 콘크리트의 강도, 보강 재료의 종류이다.
공시체를 제작하였다. 주요 실험 변수로서 보강 및 무보강, 단면의 크기, 콘크리트의 강도, 보강 재료의 종류이다. 기준 시험체로서 무보강 시험체를 제작하였으며, 공시체는 100x200mm, 150x300mmS 하였다.
성능/효과
1) 보강 실험체의 파괴는 내부 콘크리트의 압축파괴로 인한 횡팽창 이후 보강 섬유의 구속 효과에 의해 파괴가 지연되었으며 파괴단면은 실험체의 내부에서 발생하였으며 계면 파괴는 일어나지 않았다. 또한, 보강섬유의 인장파괴는 섬유의 겹침 이음부 부근에서 발생하여 섬유의 겹침 이음 길이에 대한 연구가 요구된다.
2) 탄소, 아라미드, 유리섬유로 보강한 실험체의 압축강도의 증가율은 무보강 실험체의 압축강도와 반비례하였다. 즉, 고강도 콘크리트일수록 보강에 의한 압축강도 증가율은 감소하였다.
5(a), (b)에서와 같이 보강 실험체의 압축강도의 증가율은 콘크리트의 압축강도가 증가할수록 작아지는 것으로 조사되었다. 20 MPa의 강도에서는 약 3~3.7배 압축강도가 증가하였으며 43 MPa에서는 약 2배 압축강도가 증가하였다. 이러한 압축강도와 압축강도 증가율의 관계는 지수함수(exponential function)의 경향을 보이고 있다.
3) 보강 실험체의 응력-변형률 관계는 2선형으로 나타나고 초기 응력-변형률 관계는 무보강 실험체와 유사하였으나 콘크리트의 압축강도 이후 보강 실험체의 2차 응력-변형률은 선형을 보이고 보강비가 클수록 높은 기울기를 보였다.
3종류의 보강재료를 비교해보면 단면의 크기와 무관하게 아라미드섬유에 의한 강도 증진 효과가 낮은 구속력에서도 높은 강도 증진 효과를 발휘하는 것으로 조사되었다.
4) 보강 콘크리트의 축방향 응력-횡방향 변형률을 조사한 결과 콘크리트의 압축강도 이후 보강 섬유의 보강 효과가 효과적으로 발휘됨을 알 수 있었다.
즉, 고강도 콘크리트일수록 보강에 의한 압축강도 증가율은 감소하였다. 그러나, 동일한 압축강도를 갖는 실험체는 모든 보강 섬유에서 섬유의 보강비와 압축강도 증가비는 비례 관계를 보였다.
여기서 (+)는 체적의 감소를 (-)는 체적의 증가 즉, 팽창을 의미한다. 무보강 실험체는 체적변형도가 압축강도의 80%까지는 거의 선형으로 감소하는 것으로 조사되었다. 이후 응력의 증가에 따라 체적변형도가 바뀌어 파괴에 도달하기까지 체적이 팽창하여 체적 변형도가 (-)의 값을 보인다.
보강량이 증가할수록 보강 섬유의 효과로 콘크리트의 파괴 변형률이 다소 증가할 것으로 예상되며 콘크리트가 항복 하는 전이역(transition zone)에서의 강도가 다소 증가하였다.
이는 콘크리트의 압축강도가 작더라도 보강에 의한 구속 효과로 인하여 축방향 및 횡방향 변형률이 상대적으로 크게 증가하였기 때문이다. 압축강도가 42 MPa인 고강도 콘크리트는 극한하중에서 낮은 변형률을 나타내었으나 콘크리트의 압축강도 이후 변형률 경화(hardening) 구간에서의 2차 기울기가 상대적으로 높게 나타났다.
일반적으로 모든 보강 재료에서 고강도 콘크리트에 비해 일반 콘크리트의 보강 효과가 뛰어난 것으로 조사되었으며 아라미드와 유리섬유의 경우에는 횡구속력의 증가에 따라 강도 증가를 보이고 탄소섬유의 경우에는 강도 증가가 상대적으로 작은 것으로 조사되었다. 3종류의 보강재료를 비교해보면 단면의 크기와 무관하게 아라미드섬유에 의한 강도 증진 효과가 낮은 구속력에서도 높은 강도 증진 효과를 발휘하는 것으로 조사되었다.
즉, 고강도 콘크리트일수록 보강에 의한 압축강도 증가율은 감소하였다. 그러나, 동일한 압축강도를 갖는 실험체는 모든 보강 섬유에서 섬유의 보강비와 압축강도 증가비는 비례 관계를 보였다.
특히, 동일한 압축강도 33 MPa에서 섬유를 2겹 보강한 실험체(33-10-A2, 33-10-C2, 33-10-G2)의 변형률은 보강량이 2배인 실험체(33-10-A4, 33-10-C4, 33-10-G4)에 비해 높은 변형률을 보였다. 즉, 보강량이 증가할수록 실험체의 횡방향 변형을 효과적으로 제어함을 보여준다. 실험체의 축방향 응력-팽창률 곡선의 기울기는 보강량에 따라 증가하였다.
6은 Group(A) 계열의 실험체의 응력-변형률을 나타내었다. 탄소, 아라미드, 유리섬유 실험체는 각각 무보강 콘크리트 압축강도에 따라 2.22, 2.62, 2.59배의 강도가 증가하였고 변형률은 2.28, 9.3, 8.67배로 나타났다. 섬유로 구속된 실험체의 응력-변형률 관계는 구속이 없는 실험체의 강도값 부근에서 기울기가 변화, 즉 연화 (softening)되어 2선형 (bilinear)으로 나타난다.
13에서와 같이 보강량이 증가할수록 실험체의 팽창을 억제하여 변형률이 작게 나타났다. 특히, 동일한 압축강도 33 MPa에서 섬유를 2겹 보강한 실험체(33-10-A2, 33-10-C2, 33-10-G2)의 변형률은 보강량이 2배인 실험체(33-10-A4, 33-10-C4, 33-10-G4)에 비해 높은 변형률을 보였다. 즉, 보강량이 증가할수록 실험체의 횡방향 변형을 효과적으로 제어함을 보여준다.
그리고 Group(B)의 응력-변형률을 보면 콘크리트의 압축강도가 높은 실험체일수록 변형률이 작아지는 것을 볼 수 있다. 특히, 콘크리트의 압축강도가 28 MPa 및 16MPa인 실험체는 극한강도가 거의 유사한 것으로 나타났다. 이는 콘크리트의 압축강도가 작더라도 보강에 의한 구속 효과로 인하여 축방향 및 횡방향 변형률이 상대적으로 크게 증가하였기 때문이다.
후속연구
또한, 보강섬유의 인장파괴는 섬유의 겹침 이음부 부근에서 발생하여 섬유의 겹침 이음 길이에 대한 연구가 요구된다.
보강 재료의 콘크리트 구속 효과 및 내구성 등을 고려한 적절한 재료의 선택을 위하여 재료의 탄성계수 및 내구성에 대한 합리적인 선택을 위하여 추후 관련 연구가 필요한 것으로 사료된다.
참고문헌 (20)
Teng, J. G., Chen, J. F., Smith, S. T., and Lam, L., FRPStrengthened RC Structures, John Wiley & Sons Ltd., New York, 2002
Priestley, M. J. N., Seible, F., and Calvi, G. M., Seismic Design and Retrofit of Bridges, John Wiley & Sons, Inc., 1996, pp.585-653
Richart, F.E., Brandtzaeg, A., and Brown, R. L., 'A Study of the Failure of Concrete under Combibed Compressive sterss', Bulletin 185, University of Illinois Engineering Experimental Station, Champion, IlI., 1928
Toutanji, H., 'Stress-Strain Characteristics of Concrete Columns Externally Confined with Advanced Fiber Composite sheets', ACI Materials Journal, Vol.96, No.3, 1999, pp. 397-404
정신욱, 류천, 김의성, 김화일, 김상섭, '탄소섬유쉬트로 횡구속된 콘크리트의 강도 증진에 관한 연구', 한국콘크리트학회 가을학술발표대회 9권 2호, 1997, pp.462-471
천성철, 김지영, 박형철, 박칠림, '탄소섬유로 횡구속된 콘크리트의 응력-변형도 모델에 관한 연구', 대한건축학회 논문집, 15권 1호, 1997, pp.27-36
ACT 440R-96, State-of-the-Art Report on Fiber Reinforecd Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, American Concrete Institute (ACT) Committe 440, Farmington Hill, Michigan, USA
Mander, J. B., Priestley, M. J. N., and Park, R. 'Theoretical Stress-Strain Moedel for Confined Concrete', Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.114, No.8, 1988, pp. 1804-1826
Mirmiran, A., Samaan, M., Cabrera, S., and Shahawy, M., 'Design, Manufacture Concrete Beam-Columns', Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.125 , No.10, 1998, pp.1085-1093
Mirmiran, A. Shahawy, M., Samaan, M., and EI Echary, H., 'Effect of Column Paramerters on FRP-Confined Concrete', Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol.2, No.4, 1998, pp.175-185
Mirmiran, A., Samaan, M., Cabrera, S., and Shahawy, M., 'Design, Manufacture Concrete Beam-Columns,' Journalof Structural Engineering, ASCE, Vol.125, No. 10, 1998, pp.1085-1093
Mirmiran, A, Shahawy, M., EI Khoury, C., and Naguib, W., 'Large Beam - Column Tests on Concrete-Filled Composite Tubes', ACI Structural Journal, Vol.97, No.2, 2000, pp.268-276
Richart, F. E., Brandtzaeg, A., and Brown, R. L., 'A Study of the Failure of Concrete under Combined Compressive Stresses', University of Illinois, Engineering Experimental Station, Illinois, USA, 1929
Richart, F. E., Brandtzaeg, A, and Brown, R. L., 'The Eailure of Plain and Sprially Reinforced Concrete in Compression', University ofIllinois, Engineering Experimental Station, Illinois, USA, 1929
Saafi, M., Toutanji, H. A, and Li, Z., 'Behavior of Concrete Columns Confined wiht Fiber Reinforced Polymer Tudes', ACI Materials Journal, Vol.96, No.4, 1999, pp.500-509
Smaan, M., Mirmiran, A, and Shahawy, M., 'Model of Concrete Confined by Fiver Composite', Journal of Structurnal Engineering, ASCE, Vol.124, No.9, 1998, pp.1205- 1031
Xiao, Y. and Ma, R., 'Seismic Retrofit f RC Ccircular Columns Using Prefabricate Composite Jacketing', Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.123, No.3, 1997, pp.1357- 1364
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