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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 CFRP판 및 에폭시 수지의 거동 특성과 CFRP판과 콘크리트 사이의 경계면 거동을 규명한 후, CFRP판으로 프리스트레싱 보강된 콘크리트 구조의 거동을 보다 신뢰성 있게 예측하고 보강설계에 보다 효과적으로 적용할 수 있는 비선형 구조 해석모델을 개발하고자 한다.
- 본 연구에서는 수행된 에폭시의 일축 인장실험결과와 국내 . 외의 문헌분석 및 기존 연구결과를 바탕으로 에폭시 거동특성을 분석하고, Fig.
- 본 연구에서는 프리스트레싱이 도입된 CFRP 판의 거동특성을 분석하였다. 프리스트레싱이 도입된 구조물에 분포되는 프리스트레싱력의 분포 범위를 발현길이(development length)라고 정의할 수 있으며, 이것은 다시 프리스트레싱력의 분포가 최대가 되어 부착 저항능력을 충분히 발현하는 휨부착 길이(flexural bond length)와 프리스트레싱력의 분포가 불 균일한 구간인 전달길이(transfer length)로 구분할 수 있다.
제안 방법
- 3) 실험체 보강을 위해 사용된 에폭시와 CFRP에 대하여 일축인장강도 실험을 수행하였다. 또한 문헌분석 및 실험결과를 바탕으로 에폭시는 연화 거동이 추가된 거동 모델을, CFRP는 기존의 단일 선형 거동 모델을 개선한 다중선형거동 모델을 제안함으로써 거동 예측의 정확성을 향상시켰다.
- 4) 제안된 재료 모델을 적용하여 프리스트레싱이 도입된 CFRP로 보강된 콘크리트 구조물의 구조 거동을 예측할 수 있는 구조해석 모델을 개발하였다.
- CFRP에 3000με의 변형이 발생할 때까지 프리스트레스를 적용한 후 CFRP에서 각 위치별로 종 방향변형률을 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 4와 같다. 여기서 Case1과 Case2는 동일한 규격의 실험체로부터 측정한 결과를 도시한 것이다.
- 한편, 에폭시는 일반적으로 콘크리트와 CFRP 의 경계면 역할을 수행하게 되므로 3차원 interface element(Q24IF)와 같은 경계면 요소를 사용하여 모델링이 가능하다. 그러나, 해석 대상 구조에 사용된 에폭시는 CFRP보다 두꺼운 2mm의 소요 두께를 가질 뿐만 아니라, 콘크리트와 대등한 수준의 강도를 소요하고 있으므로, 본 해석에서는 Solid element를 이용하여 에폭시를 모델링 하였다.
- CFRP에 프리스트레싱을 도입하게 되면 전달 길이 구간이 발생하여 CFRP의 불균일한 응력이 분포하게 되어 보강 효율성이 저하될 우려가 있다. 따라서 CFRP의 프리스트레싱 도입 과정에서부터 CFRP의 위치별 응력-변형률 관계를 분석하여 전달길이의 발생 유무를 분석하였다. 이를 위하여 Fig.
- 그러나 CFRP를 선형탄성재료로 가정하는 기존의 연구는 CFRP가 일축 인장강도에 도달하기 전까지의 단계별 거동을 고려하지 않고, 최대 인장강도만을 고려한 평균 탄성계수를 적용함으로써 결과적으로 CFRP의 성능을 과소평가하는 경향이 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 20개의 CFRP의 일축 인장실험 결과를 바탕으로 인장거동을 4단계로 구분하여 거동특성을 분석하고, Fig. 2와 같이 CFRP 거동 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 CFRP의 인장거동특성을 반영한 구성방정식이며, 이를 함수식으로 나타내면 다음과 같다.
- 사용하여 모델링 하였다. 또한 CFRP와 정착 장치는 콘크리트와 동일한 Solid element로 모델링하였다. 한편, 에폭시는 일반적으로 콘크리트와 CFRP 의 경계면 역할을 수행하게 되므로 3차원 interface element(Q24IF)와 같은 경계면 요소를 사용하여 모델링이 가능하다.
- 또한 실험변수로는 CFRP판의 보강방법과 프리스트레싱 수준 등을 고려하였다. 보강방법은 무보강, 표면부착, 단부정착 그리고 프리스트레싱 등으로 나누었으며, 프리스트레싱 수준은 4%와 6%를 각각 선정하였다.
- 한편, 보의 중앙에는 변위계 (linear variable displacement transducer, LVDT) 를 설치하여 하중-처짐 관계를 계측하였으며, 인장철근과 CFRP판에는 변형률 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 또한, 데이터 로거(data logger)를 이용하여 실험체의 최종 파괴 시까지 실험체 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 그리고 CFRP판의 변형률을 하중단계별로 측정하였다. 아울러 실험체의 초기균열과 균열진행상황, CFRP판의 탈락 등을 육안으로관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서 발생되는 균열을 부재면에 기록하여 실험종료 후 균열도를 작성하고 사진촬영을 하였다.
- 특히, 유영찬 등⑸은 CFRP판에 프리스트레싱 수준을 CFRP 판의 인장강도를 기준으로 0%, 20%, 40%, 60%, 70% 로 변화시킨 RC 보에 대한 휨실험을 실시하여 프리스트레싱 보강공법의 경우 CFRP판에 도입된 프리스트레싱 수준에 의해 균열하중, 항복하중 및 공칭하중은 증가하며 최종파괴 시의 부재의 처짐은 감소한다고 보고하였다. 또한, 박종섭 등⑹은 부착과 비부착식 CFRP판 프리스트레싱 공법으로 휨보강된 휨 실험체에 대한 휨실험을 실시하고 휨성능 개선효과 및 연성능력을 평가하였다. 그러나 이들의 연구는 휨성능에 영향을 미칠 수 있는 여러 변수들을 고려하지 않고 주로프리스트레싱 수준에 초점을 맞춘 연구로서 프르스트레싱 공법으로 휨보강된 휨부재의 성능개선 효과를 보다 신뢰성 있게 평가하기에는 무리가 있다.
- 수준 등을 고려하였다. 보강방법은 무보강, 표면부착, 단부정착 그리고 프리스트레싱 등으로 나누었으며, 프리스트레싱 수준은 4%와 6%를 각각 선정하였다.
- 본 연구에서는 재료물성 실험에 근거하여 개발된 해석기법과 네덜란드 Delft 공대와 TNO Building and Construction Research에서 개발한 Diana Ver. 7.2를 이용하여 비선형 유한요소 해석을 수행하였으며, 실험결과와의 비교분석을 통해 개발된 해석모델의 신뢰성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 프리스트레싱이 도입된 CFRP 판으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨성능 개선효과를 분석하기 위해 Fig. 6과 같은 실험체를 제작하여 휨 실험을 실시하였다. 실험체 단면은 폭과 높이가 300mm이고 길이가 2980mm 이며, 보강된 실험체에서 휨파괴나 CFRP판의 박리파괴가 발생하기 전에 전단파괴가 발생되는 것을 방지하기 위해 전단철근을 150 mm 간격으로 배근하였다.
- 6과 같은 실험체를 제작하여 휨 실험을 실시하였다. 실험체 단면은 폭과 높이가 300mm이고 길이가 2980mm 이며, 보강된 실험체에서 휨파괴나 CFRP판의 박리파괴가 발생하기 전에 전단파괴가 발생되는 것을 방지하기 위해 전단철근을 150 mm 간격으로 배근하였다.
- 실험체에 CFRP판을 보강하기 전 인장부에 묻어있는 레이턴스를 제거하기 위해 그라인딩을 하고 고압세척을 실시하였다. 프리스트레싱을 가하지 않고 표면부착만 하는 실험체는 부착위치에 에폭시를 얇게 바른 다음 CFRP판을 콘크리트면에 압착하는 방법으로 보강을 실시하였다.
- 실험체의 파괴형태는 실험 시 콘크리트 균열의 발생과 진전, CFRP판의 탈락유무, 그리고 인장철근과 CFRP판에 부착한 변형률 게이지 및 변위계의 값을 참고로 하여 각 실험체의 파괴과정과 최종파괴 형태를 결정하였으며, 각 실험체별 실험결과를 Table 5 및 Fig. 7에 나타내었다.
- 또한, 데이터 로거(data logger)를 이용하여 실험체의 최종 파괴 시까지 실험체 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 그리고 CFRP판의 변형률을 하중단계별로 측정하였다. 아울러 실험체의 초기균열과 균열진행상황, CFRP판의 탈락 등을 육안으로관찰하여 기록하였으며, 각 하중단계에서 발생되는 균열을 부재면에 기록하여 실험종료 후 균열도를 작성하고 사진촬영을 하였다.
- 본 연구에서는 수행된 에폭시의 일축 인장실험결과와 국내 . 외의 문헌분석 및 기존 연구결과를 바탕으로 에폭시 거동특성을 분석하고, Fig. 1과 같이 에폭시 거동 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 인장 거동특성을 반영한 구성방정식이며, 이를 함수식으로 나타내면 다음과 같다.
- 따라서 CFRP의 프리스트레싱 도입 과정에서부터 CFRP의 위치별 응력-변형률 관계를 분석하여 전달길이의 발생 유무를 분석하였다. 이를 위하여 Fig. 3과 같이 폭 50mm, 길이 1800mm의 CFRP에 3000με의 변형률을 유발시키는 프리스트레싱을 도입하고, 콘크리트 시험체에 부착하여 경화시킨 후 CFRP 위치별 응력분포를 관찰하였다.
- 1과 같이 에폭시 거동 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 인장 거동특성을 반영한 구성방정식이며, 이를 함수식으로 나타내면 다음과 같다.
- 4에서 보는 바와 같이 CFRP의 모든 위치에서 3000με과 유사한 변형률이 측정되었다. 프리스트레스력을 도입한 후 콘크리트 시험체와 CFRP판을 에폭시를 이용하여 부착시킨 후, 가동단을 고정하여 정착한 다음 48시간 경화시켰으며, 이후 4점 휨 실험을 실시하여 프리스트레싱된 CFRP판의 휨거동을 추가적으로 관찰하였다. 실험결과 CFRP가 파괴되어 구조 내력을 완전히 상실하기 전까지 CFRP 초기에 도입된프리스트레스력은 동일한 하중인 경우 위치에 관계없이 일정하게 분포되어 가해지는 하중에 저항하는 것으로 분석되었으며, CFRP의 하중별 응력분포 측정 결과는 Fig.
- 프리스트레싱 CFRP 보강 실험체의 휨파괴 거동 해석을 수행하였으며, 실험체 중앙부의 하중-변위 관계는 Fig. 12에 나타내었다. 또한 하중단계별 시험체의 응력분포, 처짐 형상 및 균열 분포 등은 Fig.
- 실시하였다. 프리스트레싱을 가하지 않고 표면부착만 하는 실험체는 부착위치에 에폭시를 얇게 바른 다음 CFRP판을 콘크리트면에 압착하는 방법으로 보강을 실시하였다. 한편, 프리스트레싱 보강하는 실험체는 먼저 Photo 2에 나타낸 정착장치를 설치하기 위한 앵커볼트 구멍을 햄머드릴을 이용하여 뚫고, 고압 세척하여 앵커구멍에 남아있는 먼지를 제거하였다.
- 하중은 보의 중앙에서 360mm 떨어진 두 점에서 변위 제어방식에 의해 4점 재하하였다. 한편, 보의 중앙에는 변위계 (linear variable displacement transducer, LVDT) 를 설치하여 하중-처짐 관계를 계측하였으며, 인장철근과 CFRP판에는 변형률 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 또한, 데이터 로거(data logger)를 이용하여 실험체의 최종 파괴 시까지 실험체 중앙부에서의 처짐과 철근, 콘크리트 그리고 CFRP판의 변형률을 하중단계별로 측정하였다.
- 프리스트레싱을 가하지 않고 표면부착만 하는 실험체는 부착위치에 에폭시를 얇게 바른 다음 CFRP판을 콘크리트면에 압착하는 방법으로 보강을 실시하였다. 한편, 프리스트레싱 보강하는 실험체는 먼저 Photo 2에 나타낸 정착장치를 설치하기 위한 앵커볼트 구멍을 햄머드릴을 이용하여 뚫고, 고압 세척하여 앵커구멍에 남아있는 먼지를 제거하였다. 프리스트레스를 도입하는 방법은 ① 실험체의 양쪽 단부에 Photo 2에 나타낸 앵커 플레이트를 설치한 후 이를 이용하여 CFRP판의 한쪽을 고정한다.
대상 데이터
- CFRP판으로 보강한 실험체의 휨실험을 위해 Photo 3과 같이 시험장비를 구성하였으며, 250kN 용량의 Actuator를 이용하여 실험을 수행하였다. 하중은 보의 중앙에서 360mm 떨어진 두 점에서 변위 제어방식에 의해 4점 재하하였다.
- 본 연구에 사용된 인장철근은 KS D 3504 이형철근으로 SD40인 D19를 사용하였다. 또한, 압축철근과 전단철근으로는 D10이 사용되었으며, Table 2에 사용 철근에 대한 재료 물성값을 나타내었다.
- 실험체 보강을 위해 사용한 CFRP판은 스위스 S 사에서 개발된 제품으로서 두께는 1.4mm이며 철근과 비교하여 탄성계수는 거의 같으나 인장강도는 약 5배인 재료이며, CFRP판의 부착에 사용된 에폭시는 같은 회사에서 생산된 제품으로서 재료 물성값은 Table 3 및 4와 같다.
- 실험체는 레미콘을 이용하여 제작하였으며, 설계기준 압축강도는 40MPa로 설정하였다. 28일 경과 후 휨 실험 당일 0100x200mm 크기의 원주형 공시 체에 대한 압축강도 시험을 실시하였으며, 실험결과 실제 콘크리트 압축강도는 48.
- 프리스트레싱 CFRP 보강 실험체에서 콘크리트는 Drucker-Prager 파괴기준을 갖는 3차원 8절점 Solid element(HX24L)을 사용하였으며, 철근은 Bar element (BAR)를 사용하여 모델링 하였다. 또한 CFRP와 정착 장치는 콘크리트와 동일한 Solid element로 모델링하였다.
데이터처리
- 5) 개발된 해석 모델을 적용하여 무보강, 표면부착 및 프리스트레싱 보강 실험체의 휨파괴 거동을 해석하였으며, 실험결과와 해석결과를 비교 분석하여 개발된 해석기법의 신뢰성을 검증하였다. 검증 결과 본 해석기법은 CFRP를 사용한 보강설계에 효과적으로 적용이 가능하다고 판단된다.
이론/모형
- 비선형 유한요소 해석의 재료모델링에는 본 연구에서 제안한 에폭시 거동 모델과 CFRP의 다중선형 거동 모델을 Diana의 user-subroutine에 적용하였으며, 콘크리트와 철근 등은 CFRP 보강 휨부재 파괴실험에 사용한 재료 물성값을 고려하여 최적의 재료 물성값을 입력하였다.
성능/효과
- 1) 기준실험체에 비해 CFRP판을 표면부착한 경우 파괴하중은 14.3% 증가하였으며, 프리스트레싱 보강한 경우는 48.9 ~ 52.6 %까지 증가하여 보강에 따른 휨성능 증대효과를 나타내었다.
- 2) CFRP판의 프리스트레싱 보강을 통해 콘크리트의 초기균열 발생시점을 상당히 지연시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었고, 프리스트레싱 보강한 경우프리스트레싱 수준이 증가함에 따라 파괴하중이 증가하였다.
- 압축강도는 40MPa로 설정하였다. 28일 경과 후 휨 실험 당일 0100x200mm 크기의 원주형 공시 체에 대한 압축강도 시험을 실시하였으며, 실험결과 실제 콘크리트 압축강도는 48.9MPa로 나타났다.
- 검증 결과 본 해석기법은 CFRP를 사용한 보강설계에 효과적으로 적용이 가능하다고 판단된다. 그러나 표면부착의 경우 신뢰도가 다른 보강방법에 비해 다소 떨어지는 것으로 나타나 이에 대한 추가 보완 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 평가되었다. 그러나 RS 실험체는 균열하중과 항복 하중의 경우 실험결과와 해석결과의 신뢰도가 약 94% 인 반면, 극한하중은 78%의 신뢰도를 나타내었다.
- 일축인장강도 실험을 수행하였다. 또한 문헌분석 및 실험결과를 바탕으로 에폭시는 연화 거동이 추가된 거동 모델을, CFRP는 기존의 단일 선형 거동 모델을 개선한 다중선형거동 모델을 제안함으로써 거동 예측의 정확성을 향상시켰다.
- 또한, 프리스트레싱 보강된 실험체의 경우 기준실험체에 비해 초기균열 발생시점의 하중이 크게 증가하여 초기균열 억제효과가 매우 큰 것을 확인할 수 있었다. 그러나 프리스트레싱 보강된 실험체는 CFRP 판의 파단에 의해 취성적으로 파괴되므로 기준실험체에 비해 상대적으로 처짐은 작게 나타났다.
- 프리스트레스력을 도입한 후 콘크리트 시험체와 CFRP판을 에폭시를 이용하여 부착시킨 후, 가동단을 고정하여 정착한 다음 48시간 경화시켰으며, 이후 4점 휨 실험을 실시하여 프리스트레싱된 CFRP판의 휨거동을 추가적으로 관찰하였다. 실험결과 CFRP가 파괴되어 구조 내력을 완전히 상실하기 전까지 CFRP 초기에 도입된프리스트레스력은 동일한 하중인 경우 위치에 관계없이 일정하게 분포되어 가해지는 하중에 저항하는 것으로 분석되었으며, CFRP의 하중별 응력분포 측정 결과는 Fig. 5와 같다. 여기서, 하중 16tonf의 변형률 값에 변동이 발생한 이유는 하중 16tonf가 파괴직전의하중으로써, 그에 따른 CFRP를 이루고 있는 fiber가 국부적으로 파단되고 있어서 해당 게이지 부착구간에서 변형률이 변동을 보이고 있기 때문인 것으로 판단된다.
- 같다. 실험결과 기준실험체와 비교하여 CFRP 판을 표면부착한 경우 하중저항능력이 14.3% 증가하였으나, 단부정착 및 프리스트레싱 보강된 실험체는 43.8 ~52.6% 증가하여 보강효과가 표면부착한 경우에 비해 크게 개선됨을 확인할 수 있었다.
- 철근의 변형률이 항복변형률 이상으로 증가하면서 CFRP판과 콘크리트의 부착면에서 약간의 파괴음이 발생하기 시작하였으며, 재하하중이 최대하중에 도달하면서 실험체의 중앙부에서 CFRP판과 콘크리트를 일체화시키고 있던 에폭시가 콘크리트로부터 떨어지면서 엄청난 폭음이 발생하였다. 재하하중은 부착 면의 급작스런 탈락과 동시에 5~ 10kN 정도 급격하게 감소하였으며, 실험이 지속적으로 진행되면서 중앙부 CFRP판의 탄소섬유들이 한 가닥씩 파단되어 떨어져 나가면서 점차적으로 내력을 상실하다가 순간적으로 CFRP판이 인장파단되는 파괴모드를 나타내었다(Fig. 10).
- 4kN에서 발생하였으며, 하중이 증가하면서 실험체 인장부에 휨 균열이 일정한 간격으로 발생하기 시작했다. 최대하중 이후 새로운 휨균열은 발생하지 않고 실험체 중앙부 근처의 균열이 압축부로 성장하면서 균열 폭이 증가하여 처짐이 크게 증가하였다. 최종파괴 시점에서는 인 장부에 발생한 균열이 성장하여 압축부까지 도달하였으며, 이로 인해 압축부 콘크리트가 압괴하는 전형적인 휨 파괴 양상을 나타내었다.
- 최대하중 이후 새로운 휨균열은 발생하지 않고 실험체 중앙부 근처의 균열이 압축부로 성장하면서 균열 폭이 증가하여 처짐이 크게 증가하였다. 최종파괴 시점에서는 인 장부에 발생한 균열이 성장하여 압축부까지 도달하였으며, 이로 인해 압축부 콘크리트가 압괴하는 전형적인 휨 파괴 양상을 나타내었다.(Fig.
- 프리스트레싱 보강한 실험체는 모두 RU 및 RS 실험체와 비교해서 초기균열 발생하중이 크게 증가하였으며, 균열이 지점부까지 균일한 간격으로 발생하였다. 철근의 변형률이 항복변형률 이상으로 증가하면서 CFRP판과 콘크리트의 부착면에서 약간의 파괴음이 발생하기 시작하였으며, 재하하중이 최대하중에 도달하면서 실험체의 중앙부에서 CFRP판과 콘크리트를 일체화시키고 있던 에폭시가 콘크리트로부터 떨어지면서 엄청난 폭음이 발생하였다.
후속연구
- 최근에는 CFRP 쉬트부착공법의 대안으로 CFRP판을 이용한 보강공법에 대한 연구가 연구자들에 의해서 활발하게 진행되고 있다.(4)⑸ 이들의 연구결과를 분석해 보면 CFRP 판으로 콘크리트 구조물을 보강할 경우 CFRP판의 보강량, 보강길이, 단부보강방법 등 여러 변수에 따라 서로 다른 구조적 거동을 기대하지만 실제 설계시 기대되는 CFRP판의 재료성능을 발휘하지 못한다. 이는 전단균열 또는 휨균열로 인해 가력점 근처 콘크리트 하단과 CFRP판의 접착면에 계면균열로 시작되어 단부로 진전되는 계면박리파괴 또는 CFRP판의 단부에서 발생하는 응력집중으로 인한 균열로 인하여 보강판이 피복 콘크리트를 물고 떨어지는 단부박리파괴 등으로 인한 조기파괴가 발생하기 때문이며, 이러한 파괴형태는 경제적인 측면이나 역학적인 측면에서 바람직하지 않다.
- 검증 결과 본 해석기법은 CFRP를 사용한 보강설계에 효과적으로 적용이 가능하다고 판단된다. 그러나 표면부착의 경우 신뢰도가 다른 보강방법에 비해 다소 떨어지는 것으로 나타나 이에 대한 추가 보완 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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