구조보강용 FRP 복합체의 역학적 특성치 분석을 위한 인장시험방법 평가 연구 Appraisal Study on Tensile Test Method of Mechanical Properties of FRP Composite Used in Strengthening RC Members원문보기
본 논문에서는 RC 구조물의 보수 보강 공사에 적용되는 FRP 복합체의 역학적 특성치를 평가하기 위하여 각국에서 제안된 시험규격을 비교 분석하고, 시험편 형상 및 시험방법의 차이가 재료성능에 미치는 영향에 대한 실험적 검증을 통하여 표준화된 시험방법 및 평가기준을 도출하고자 하였다. 주 실험변수는 FRP 복합체의 종류, 시험편의 폭, 보강매수 및 가력속도로 설정하였다. 본 시험결과에 의하면, 최대 인장강도와 최소변동계수를 나타내는 인장 시험편의 폭은 FRP의 종류/직조방법에 따라 다르게 나타났으며, 특히 적층형으로 시공되는 FRP 복합체는 보강매수에 따른 인장강도의 저하현상이 관측되므로, 이를 적절히 고려할 수 있는 평가기준의 설정이 필요할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 RC 구조물의 보수 보강 공사에 적용되는 FRP 복합체의 역학적 특성치를 평가하기 위하여 각국에서 제안된 시험규격을 비교 분석하고, 시험편 형상 및 시험방법의 차이가 재료성능에 미치는 영향에 대한 실험적 검증을 통하여 표준화된 시험방법 및 평가기준을 도출하고자 하였다. 주 실험변수는 FRP 복합체의 종류, 시험편의 폭, 보강매수 및 가력속도로 설정하였다. 본 시험결과에 의하면, 최대 인장강도와 최소변동계수를 나타내는 인장 시험편의 폭은 FRP의 종류/직조방법에 따라 다르게 나타났으며, 특히 적층형으로 시공되는 FRP 복합체는 보강매수에 따른 인장강도의 저하현상이 관측되므로, 이를 적절히 고려할 수 있는 평가기준의 설정이 필요할 것으로 판단된다.
Experimental study has been performed in order to construct the standard test methods and appraisal criteria by investigating the influence of specimen types(property, width, layers) and loading rate on the tensile characteristics of FRP used in strengthening RC structures. The FRP composite tested ...
Experimental study has been performed in order to construct the standard test methods and appraisal criteria by investigating the influence of specimen types(property, width, layers) and loading rate on the tensile characteristics of FRP used in strengthening RC structures. The FRP composite tested in this study are the unidirectional CFRP sheet/strip and the bidirectional GFRP sheet. Test variables consist of the various width ranging from 10mm to 25mm and number of CFRP sheets plied up to 5 layers. Test results indicated that maximum tensile strength and minimum coefficient of variation are recorded at each different width according to the fiber types and weaving directions. Also, the average tensile strengths of CFRP sheets are decreased as the number of layer of CFRP sheet are increased.
Experimental study has been performed in order to construct the standard test methods and appraisal criteria by investigating the influence of specimen types(property, width, layers) and loading rate on the tensile characteristics of FRP used in strengthening RC structures. The FRP composite tested in this study are the unidirectional CFRP sheet/strip and the bidirectional GFRP sheet. Test variables consist of the various width ranging from 10mm to 25mm and number of CFRP sheets plied up to 5 layers. Test results indicated that maximum tensile strength and minimum coefficient of variation are recorded at each different width according to the fiber types and weaving directions. Also, the average tensile strengths of CFRP sheets are decreased as the number of layer of CFRP sheet are increased.
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문제 정의
이로 인하여 섬유 사이에 함침수지가 균일하게 분포되지 못할 확률이 높아지므로 인장강도는 감소하게 되며, 이러한 경향은 적층매수의 증가에 비례하는 것으로 보고되고 있다.(3) 따라서 본 절에서는 FRP 복합체의 보강매수에 따른 인장강도 특성치를 파악하기 위한 시험을 실시하고, 인장강도 저하 현상을 보강설계에 반영할 수 있는 설계 기본자료를 구축하고자 한다.
그러나 시험편의 폭이 증가되면 시험편 제작시 섬유의 직진성을 유지하기 어려워지며 이와 동시에 단면내의 응력 불균형이 증가되어 부분적인 파단이 발생될 확률이 증가되므로 인장강도 측면에서 불리하게 된다.(3) 이에 따라 본 연구에서는 다양한 시험편 폭에 대한 검증시험을 통해 시험편차를 최소화할 수 있는 표준화된 시험편 폭을 도출하고자 하였다.
8과 같이 비례한도 내에서 구간을 결정하는 방식에 따라서, 초기 변형률 구간에 대한 응력/변형률 비에 의해서 구하는 방식과 최대응력을 기준으로 일정 구간에 대한 응력/변형률 비로 구하는 방식이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 각 규격에서 제시하는 비례한도 구간에 대한 각 FRP 복합체의 인장탄성계수를 산정하여 비교 . 분석하였다.
반면, 공장제작형 탄소섬유판과 같은 인발성형 제품은 일정한 재료구성비로 비교적 균질하게 제작되기 때문에 완성된 복합체의 인장탄성률을 사용한다. 따라서 본 연구에서는 각 규격에서 제시하는 인장 탄성률의 산정방식에 따라서 현재 국내에서 상용되고 있는 FRP 복합체의 인장탄성률을 비교 . 검토하였다.
일반적으로 시험편의 인장강도는 시험속도에 비례하여 부분적으로 증가되는것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 현행 각국의 인장시험규격에서 제시하고 있는 가력속도를 실험적으로 비교 . 검토하였다.
통상적으로 탄소섬유쉬트에 의한 보강에서는 보강매수가 5매를 초과하지 않는다. 따라서, 본 연구에서는 탄소섬유쉬트를 1매에서 5매까지 제작하여 인장특성치를 파악하였다.
본 논문에서는 FRP 복합체의 인장시험에 대한 표준화된 시험방법 및 평가방법을 도출하기 위하여 국내 . 외의 다양한 시험규격을 비교.
(11)을 비교. 분석하고, 각국의 시험규격에서 설정하고 있는 시험방법의 차이가 재료성능에 미치는 영향에 대한 실험적인 검증을 통하여 FRP 복합체에 대한 표준화된 시험방법 및 평가기준을 도출하고자 하였다.
검토하였다. 실험결과를 바탕으로 가력속도의 변화에 따른 인장강도 특성치의 평균, 표준편차 및 변동계수를 분석하여 합리적인 가력속도를 선정하고자 하였다.
한편 2방향 유리섬유쉬트는 weaving 형태로 제작되기 때문에 1방향 탄소섬유에 비하여 가공오차가 클 것으로 판단되므로 기존 규격에서도 공통적으로 25mm의 시험편 폭을 규정하고 있다. 이에 따라 본연구에서는 시험편 폭의 길이가 인장장도에 미치는 영향을 상호 비교 . 검토하기 위하여 2방향 유리섬유쉬트의 경우는 25mm 시험변수를 포함하여 5가지 타입으로 세분화하여 시험을 실시하였다.
제안 방법
FRP 복합체의 인장시험에서 가력속도에 의한 영향을 파악하기 위하여 각국의 시험규격에서 제시하고 있는 가력속도를 참고하여 Table 4와 같이 5단계의 가력속도에 대하여 검토하였다. 가력속도 검증을 위한 FRP 복합체 시험편은 국내에서 생산된 탄소 섬유판으로 제작하였다.
외의 다양한 시험규격을 비교. 검토하고 실험적 검증을 수행하였다. 실험결과로부터 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다
이에 따라 본연구에서는 시험편 폭의 길이가 인장장도에 미치는 영향을 상호 비교 . 검토하기 위하여 2방향 유리섬유쉬트의 경우는 25mm 시험변수를 포함하여 5가지 타입으로 세분화하여 시험을 실시하였다. 시험종류별 시험체의 제원 및 시험변수를 나타내면 Table 3과 같다.
따라서 본 연구에서는 FRP 복합체의 품질 시험 항목 중에서 역학적 특성을 평가할 수 있는 인장시험 방법에 대하여 각국의 시험규격 (ISO 527-5, (8) EN 2561, (9) JIS K 7073, (5) ASTM D 3039, (10) CSA 806, (11)을 비교. 분석하고, 각국의 시험규격에서 설정하고 있는 시험방법의 차이가 재료성능에 미치는 영향에 대한 실험적인 검증을 통하여 FRP 복합체에 대한 표준화된 시험방법 및 평가기준을 도출하고자 하였다.
1과 같다. 본 연구에서는 시험편의 폭을 제외한 치수는 FRP 복합체의 인장성능에 영향이 없을 것으로 판단하고 ISO의 규격을 공통적으로 적용하였다. 가력을 위한 실험장치는 Fig.
실험에서의 측정항목은 로드셀에 의한 하중과 스트레인 게이지를 이용한 FRP 복합체의 변형률을 측정하며, 측정된 하중을 FRP 복합체의 공칭단면적으로 나누어 인장강도를 산정하였다. FRP 복합체 인장시험 편의 개수는 최소 20개 이상을 시험하며, 시험편의 정착부 파괴 및 슬립 부분파단 등 비정상적인 파괴 형태의 시험편은 평가에서 제외하였다.
. 외의 다양한 시험규격을 비교. 검토하고 실험적 검증을 수행하였다.
대상 데이터
FRP 복합체의 보강매수 증가에 따른 인장 특성치의 변화를 평가하기 위하여 적층형으로 시공되는 탄소섬유쉬트를 대상으로 실험을 수행하였다. 통상적으로 탄소섬유쉬트에 의한 보강에서는 보강매수가 5매를 초과하지 않는다.
대하여 검토하였다. 가력속도 검증을 위한 FRP 복합체 시험편은 국내에서 생산된 탄소 섬유판으로 제작하였다.
본 연구에서는 시험편 폭의 변화에 따른 인장강도 특성치의 변동을 평가하기 위하여 1방향 탄소섬유는 기존 규격에서 제시하고 있는 3가지 유형의 폭, 즉 10mm, 12.5mm 및 15mm에 대하여 각각 검토하였다. 한편 2방향 유리섬유쉬트는 weaving 형태로 제작되기 때문에 1방향 탄소섬유에 비하여 가공오차가 클 것으로 판단되므로 기존 규격에서도 공통적으로 25mm의 시험편 폭을 규정하고 있다.
데이터처리
FRP 복합체 인장시험 편의 개수는 최소 20개 이상을 시험하며, 시험편의 정착부 파괴 및 슬립 부분파단 등 비정상적인 파괴 형태의 시험편은 평가에서 제외하였다. 이와 같은 시험을 통하여 얻어진 각 시험편의 값으로부터 평균인장강도 및 표준편차를 구하고, 식 (1)에 따라 인장강도의 신뢰 하한치를 구하였다(ACI 440.2R-02(7)). 즉,
성능/효과
1) 시험편 폭을 변수로 한 시험에서 평균인 장강 도와 변동계수를 고려하였을 때 1방향 FRP 복합체는 15mm, 2방향 FRP 복합체는 20mm 폭이 적절할 것으로 판단된다.
2) 시험범위로 설정된 가력속도 범위 내에서 인장강도의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다 따라서, 적정 가력속도는 변형률 속도를 기준으로 약 1%/ 분(1.5mm분) 정도가 합리적일 것으로 판단된다
2방향 유리섬유쉬트의 인장시험편 폭은 각 규격에서 공통적으로 25mm를 제안하고 있는 반면, 본 연구에서 실시한 인장시험결과에 의하면 25mm 시험편 폭에서는 Fig. 4에서 보는 같이 폭 방향 섬유의 불균등 파단에 의해서 인장강도가 저하되고, 변동계수가 10% 이상으로 증가되는 것으로 나타났다. 따라서, 2방향유리섬유쉬트의 시험편 폭에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
4) FRP 복합체의 인장탄성계수는 산정기준에 따라 약 10% 정도 변하는 것으로 나타났다. 따라서 사용성과 관련된 계산시에는 초기변형률 산정법에 의한 탄성계수를 적용하고, 극한강도와 관련된 계산 시에는 최대응력을 기준으로 산정된 탄성계수를 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
Fig. 3에서 보는 바와 같이 시험편의 폭이 증가할수록 평균 인장강도는 비례적으로 증가하는 경향을 보이고, 시험결과에 대한 변동계수는 작아지는 것으로 나타났다. 즉, 시험편의 폭이 15mm일 경우에 평균 인장강도가 최대가 되며, 강도편차를 나타내는 변동계수도 최소값을 나타났다.
가력속도를 변수로 하여 탄소섬유판의 인장강도를 대상으로 실험한 결과, 현행 각 규격에서 제시하고 있는 가력속도의 범위 내에서는 탄소섬유판의 인장강도에 미치는 영향이 매우 적은 것으로 나타났다. 따라서 가장 많은 시험규격에서 일반적으로 제시하고 있는 변형률 속도 1%/min을 가력속도로 제시해도 무관할 것으로 판단된다.
정도 변하는 것으로 나타났다. 따라서 사용성과 관련된 계산시에는 초기변형률 산정법에 의한 탄성계수를 적용하고, 극한강도와 관련된 계산 시에는 최대응력을 기준으로 산정된 탄성계수를 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
조건이 될 것으로 예상된다. 따라서, 사용성 검토를 위한 탄성계수는 초기변형률 산정법에 근간하여 산정하고, 극한강도 검토를 위한 탄성계수는 최 대응력 기준 산정법에 근간하여 산정하는 것이 보다 합리적일 것으로 판단된다
시험편 폭의 변화에 따른 인장강도를 비교해 보면, Fig. 5에서와 같이 20mm 이하의 시험편에서는 폭 방향 불균등 파단이 관측되지 않았으나, 시험편 폭이 감소할수록 평균인장강도는 감소하며 변동계수가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 2방향 FRP 복합체의 시험편 폭은 20mm가 적합할 것으로 판단된다.
3에서 보는 바와 같이 시험편의 폭이 증가할수록 평균 인장강도는 비례적으로 증가하는 경향을 보이고, 시험결과에 대한 변동계수는 작아지는 것으로 나타났다. 즉, 시험편의 폭이 15mm일 경우에 평균 인장강도가 최대가 되며, 강도편차를 나타내는 변동계수도 최소값을 나타났다. 이러한 이유는 1방향 탄소섬유쉬트 또는 탄소섬유판의 경우 섬유의 직진성이 우수하여 폭의 증가에 따른 강도저감 효과를 무시할 수 있는 반면, 시험편 절단시 가공오차로 인하여 섬유가 훼손되는 확률이 시험편 폭의 증가에 따라 감소된 것에 기인하는 것으로 판단된다.
표에서 보는 바와 같이, 동일한 시험편의 응력-변형률 곡선에 대해서도 탄성계수를 평가하는 방법에 따라서 약 10% 정도의 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다. 즉, 초기 변형률을 기준으로 산정된 CFRP 복합체의 인장 탄성계수는 최대응력을 기준으로 산정하는 경우와 비교하여 약 10% 정도 작은 것을 볼 수 있으며, 이와 반대로 GFRP 복합체의 경우는 초기 변형률을 기준으로 산정된 탄성계수 값이 최대응력을 기준으로 산정된 값에 비하여 약 10% 정도 큰 것을 볼 수 있다.
각 규격에서 제시하는 비례한도 구간에서 따라 구한 인장탄성률을 나타내면 Table 6과 같다. 표에서 보는 바와 같이, 동일한 시험편의 응력-변형률 곡선에 대해서도 탄성계수를 평가하는 방법에 따라서 약 10% 정도의 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다. 즉, 초기 변형률을 기준으로 산정된 CFRP 복합체의 인장 탄성계수는 최대응력을 기준으로 산정하는 경우와 비교하여 약 10% 정도 작은 것을 볼 수 있으며, 이와 반대로 GFRP 복합체의 경우는 초기 변형률을 기준으로 산정된 탄성계수 값이 최대응력을 기준으로 산정된 값에 비하여 약 10% 정도 큰 것을 볼 수 있다.
한편, 본 시험결과에 의하면 CFRP 복합체의 경우는 응력이 증가됨에 따라 부분적으로 탄성계수가 증가되는 현상이 관측되었으며, 이와 반대로 GFRP 복합체의 경우는 응력이 증가됨에 따라 부분적으로 탄성계수가 감소되는 것으로 관측되었다.(2) 이와 같은 이유로 하여 인장 탄성계수를 산정하는 방법 및 구간에 따라 FRP 복합체의 탄성계수가 달리 평가될 것으로 판단된다.
후속연구
감소되는 것으로 관측되었다.(2) 이와 같은 이유로 하여 인장 탄성계수를 산정하는 방법 및 구간에 따라 FRP 복합체의 탄성계수가 달리 평가될 것으로 판단된다. 각 규격에서 제시하는 비례한도 구간에서 따라 구한 인장탄성률을 나타내면 Table 6과 같다.
따라서 여러 겹으로 적층된 탄소섬유쉬트 복합체는 전단 면이 균등한 응력분포를 받지 못하기 때문에 인장강도가 저하될 것으로 예상되므로, 적층형으로 제작되는 FRP 복합체의 인장시험에서는 보강매수의 증가에 따른 인장강도의 저하현상을 평가할 수 있도록 재료적인 측면에서 시험항목 및 평가기준의 설정이 필요할 것으로 판단된다.
4에서 보는 같이 폭 방향 섬유의 불균등 파단에 의해서 인장강도가 저하되고, 변동계수가 10% 이상으로 증가되는 것으로 나타났다. 따라서, 2방향유리섬유쉬트의 시험편 폭에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
이에 대하여, FRP의 재료강도는 시험편의 폭에 따라 영향을 받을 것으로 판단되며, 특히 구조용 FRP 복합체의 경우 공통된 시험편의 두께보다는 적층되는 보강재의 매수나 섬유함유량에 의해 인장강도가 영향을받으므로 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
참고문헌 (11)
KS M 3381, "유리섬유 강화 플라스틱의 인장 시험 방법", 한국산업규격, 2004. 7
유영찬 외, "시설물 보강공법 성능인증을 위한 시험항목.방법 및 평가기준 설정 연구," 건설교통부/한국건설교통기술평가원, 2006
유영찬 외, "건축구조물 보수.보강 공법의 성능평가에 관한 연구", 한국건설기술연구원/건설교통부, 2001
유영찬, 최기선, 강인석, 김긍환, "FRP 복합체의 인장특성치 시험방법에 관한 변수 연구", 대한건축학회봄학술발표대회논문집, 제25권 1호, 2005, pp. 297-300
JIS K 7073, "炭素纖維强化プラスチックの引張試驗方法"
일본토목학회, "連續纖維しシ？トを用いたコンクリ？ト構造物の補修補强指針", 2001
ACI 440. 2R-02, "Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures", ACI Committee 440
ISO 527-5:1997, "Plastics－Determination of tensile properties－Part 5: Test conditions for unidirectional fibre-reinforced plastic composites"
EN 2561, "Aerospace series－Carbon fiber reinforced plastics－Unidirectional laminates－Tensile test parallel to the fiber direction"
ASTM D 3039, "Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials"
CSA 806-02 Annex G, "Test method for tension test of flat specimens."
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