최근 지진, 노후화 등에 따라 손상된 많은 콘크리트 구조물을 보강하기 위하여 고강도이면서 가볍고 내구성이 뛰어난 특성을 가지고 있는 FRP(Fiber-reinforced polymer) 시트가 구미에서 뿐만 아니라 우리나라에서도 널리 사용되고 있으며 관련연구도 활발히 체계적으로 이루어지고 있다. 일반적으로 FRP 시트로 보강된 RC구조물은 지진, 교통, 온도 등에 의해 자주 반복하중을 받는다. 그러나 대부분의 연구가 일축 하중하에 이루어진 경우가 대부분이며 이러한 연구결과를 토대로 FRP의 부착특성을 확인하고 있으며 다양한 부착모델을 제안하고 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 아라미드섬유, 탄소섬유, 폴리아세탈 섬유와 매수를 변수로 하여 총 18개의 시험체를 제작하고 최대부착강도, 최대변위, 변형률을 측정하고 그 결과에 근거하여 부착응력, 슬립을 계산하여 반복하중하의 FRP 시트와 콘크리트의 부착특성을 미시적으로 살펴보았다.
최근 지진, 노후화 등에 따라 손상된 많은 콘크리트 구조물을 보강하기 위하여 고강도이면서 가볍고 내구성이 뛰어난 특성을 가지고 있는 FRP(Fiber-reinforced polymer) 시트가 구미에서 뿐만 아니라 우리나라에서도 널리 사용되고 있으며 관련연구도 활발히 체계적으로 이루어지고 있다. 일반적으로 FRP 시트로 보강된 RC구조물은 지진, 교통, 온도 등에 의해 자주 반복하중을 받는다. 그러나 대부분의 연구가 일축 하중하에 이루어진 경우가 대부분이며 이러한 연구결과를 토대로 FRP의 부착특성을 확인하고 있으며 다양한 부착모델을 제안하고 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 아라미드섬유, 탄소섬유, 폴리아세탈 섬유와 매수를 변수로 하여 총 18개의 시험체를 제작하고 최대부착강도, 최대변위, 변형률을 측정하고 그 결과에 근거하여 부착응력, 슬립을 계산하여 반복하중하의 FRP 시트와 콘크리트의 부착특성을 미시적으로 살펴보았다.
Fiber-reinforced polymer (FRP) sheets have been successfully used to retrofit a number of existing concrete buildings and structures because of their excellent properties (high strength, light weight and high durability). Bond characteristics between FRP sheets and concrete should be investigated to...
Fiber-reinforced polymer (FRP) sheets have been successfully used to retrofit a number of existing concrete buildings and structures because of their excellent properties (high strength, light weight and high durability). Bond characteristics between FRP sheets and concrete should be investigated to ensure an effective retrofitting system. RC structures strengthened with FRP sheets are often subjected to cyclic load (traffic, seismic, temperature, etc.). This research addresses a local bond stress-slip relationship under cyclic loading conditions for the FRP-concrete interface. 18 specimens were prepared with three types of FRP sheets (aramid, carbon, and polyacetal) and two types of sheet layer(one or two). The characteristics of bond stress-slip were verified through experimental results on load-displacement relationship.
Fiber-reinforced polymer (FRP) sheets have been successfully used to retrofit a number of existing concrete buildings and structures because of their excellent properties (high strength, light weight and high durability). Bond characteristics between FRP sheets and concrete should be investigated to ensure an effective retrofitting system. RC structures strengthened with FRP sheets are often subjected to cyclic load (traffic, seismic, temperature, etc.). This research addresses a local bond stress-slip relationship under cyclic loading conditions for the FRP-concrete interface. 18 specimens were prepared with three types of FRP sheets (aramid, carbon, and polyacetal) and two types of sheet layer(one or two). The characteristics of bond stress-slip were verified through experimental results on load-displacement relationship.
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문제 정의
이 연구에서는 탄소섬유, 아라미드섬유, 폴리아세탈 섬유 FRP 시트와 시트 매수를 변수로 콘크리트 블록 시험체에 시트를 접착하고 반복적인 직접 인장시험을 통하여 FRP 시트와 콘크리트 사이의 부착특성을 검토하였다. 이 실험연구를 통해 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
각 FRP 시트에 대한 부착특성을 살펴보기 위하여각 시험체에서 얻어진 변위 및 FRP 시트의 변형률로부터 각 시험체의 슬립(S)과 부착응력(丁)을 다음과 같이 계산하였다.
탈형 후 일반적으로 가장 많이 사용하는 방법인 샌드그라인더를 사용하여 시험체 표면을 연마하여 레이턴스 및 불순물을 제거하였다. 시험체 양면에는 폭 50mm를 가진 각각의 종류의 시트를 접착하였는데, 아라미드와 탄소 섬유 시트는 같은 종류의 접착제를 사용하였으며 폴리아세탈 섬유인 경우는 높은 연성을 갖는 접착제를 사용하였다. 접착제의 특성은 표 1과 같다.
이러한 관점에서 이 연구에서는 아라미드섬유, 탄소섬유, 폴리아세탈 섬유와 매수를 변수로 하여 총 18개의 시험체를 제작하고 최대부착강도, 최대변위, 변형률을 측정하고 그 결과에 근거하여 부착응력, 슬립을 계산하여 반복하중하의 FRP 시트와 콘크리트의 부착 특성을 미시적으로 살펴보았다.
거푸집에 콘크리트 타설이 이루어진 후 시험체에 젖은 헝겊을 덮어 1주일동안 습윤양생을 실시하였으며 타설 1주일 후에 거푸집을 탈형하였다. 탈형 후 일반적으로 가장 많이 사용하는 방법인 샌드그라인더를 사용하여 시험체 표면을 연마하여 레이턴스 및 불순물을 제거하였다. 시험체 양면에는 폭 50mm를 가진 각각의 종류의 시트를 접착하였는데, 아라미드와 탄소 섬유 시트는 같은 종류의 접착제를 사용하였으며 폴리아세탈 섬유인 경우는 높은 연성을 갖는 접착제를 사용하였다.
대상 데이터
시트 접착된 시험체는 90일 정도 상온(평균 22℃)에서 보관되었으며 가력전에 변형률게이지를 부착하였다. 2mm의 측정 길이를 가진 변형률 게이지를 사용하였으며 Fig. 1과 같이 25mm간격으로 한 면에만 9개를 부착하였다. 양면으로 부착하지 않은 이유는 기초실험을 실시한 결과 한쪽 단면으로만 부착하여도 충분히 부착특성을 확인할 수 있다는 결론을 얻었기 때문이다.
1과 같이 100mmx100mmx600mm 의 형상을 갖는 콘크리트 블록으로 이루어 졌으며 FRP 시트의 종류와 매수에 대한 인자를 가지고 제작되었다. 시트 종류는 아라미드섬유(A), 탄소섬유(C), 폴리아세탈섬유(P)를 대상으로 하였으며 시트 매수는 1매와 2매를 선택하였다. 사용된 시트의 역학적 성질은 Fig.
시험제는 Fig. 1과 같이 100mmx100mmx600mm 의 형상을 갖는 콘크리트 블록으로 이루어 졌으며 FRP 시트의 종류와 매수에 대한 인자를 가지고 제작되었다. 시트 종류는 아라미드섬유(A), 탄소섬유(C), 폴리아세탈섬유(P)를 대상으로 하였으며 시트 매수는 1매와 2매를 선택하였다.
시험체는 철제 거푸집에 의해 제작되었으며 철근의 위치를 고정시키기 위하여 양면에는 합판을 이용하였다. 시험체에 사용된 콘크리트는 보통포틀랜드시멘트와 최대크기가 20mm인 굵은 골재가 사용되었다.
시험체에 사용된 콘크리트는 보통포틀랜드시멘트와 최대크기가 20mm인 굵은 골재가 사용되었다. 거푸집에 콘크리트 타설이 이루어진 후 시험체에 젖은 헝겊을 덮어 1주일동안 습윤양생을 실시하였으며 타설 1주일 후에 거푸집을 탈형하였다.
성능/효과
1) 일반적으로 재료의 강성이 클수록 최대하중은 높고 최대변위는 작은 결과를 보여주었으며, 시트 매수에 따라 명확히 최대하중과 최대변위는 차이를 보여주었다. 그러나 폴리아세탈 섬유 시험체인 경우 아라미드 섬유 시험체 보다 최대하중이 높게 나타나 시험재령이 원인이라고 추측된다.
2) 초기 이력에서는 시험체의 중간부분에서만 시트에서 변형이 발생하다가 이력을 거듭할수록 시트의 변형이 단부 쪽으로 증가되며, 시트 매수가 2매인 시험체의 변형률 분포는 안정되고 중앙부의 시트에 부착력이 집중되면서 전체적으로 하중에 저항하는 경향을 보여주고 있다. 또한 시트의 강성이 클수록 작은 변형률을 보여주었다.
그렇지만 최대하중과 최대변위에 대한 1매와 2매의 비율에 있어서 다른 연구자의 실험결과와는 다른 값의 비율을 보여주고 있어 시트매수에 따라 섬유 타입별로 최대하중과 최대변위의 비율에 어떤 영향을 끼치는가에 대해서는 심도 있는 검토가 필요하다. 각 섬유종류에 따른 실험결과를 살펴보면, 최대하중은 탄소섬유, 폴리아세탈섬유, 아라미드 섬유 시험체 순서로 높고 최대변위는 폴리아세탈섬유, 아라미드섬유, 탄소섬유 순서로 낮은 값을 보여주고 있다. 일반적으로 재료의 강성이 클수록 최대하중은 높고 최대변위는 작은 결과를 보여주는데 폴리아세탈섬유 시험체인 경우 아라미드 섬유 시험체보다 최대하중이 높게 나타나서 폴리아세탈 섬유 시험체에 사용된 접착제의 연성이 높고 시험 재령이 길어서 이런 결과가 나타났다고 추측되지만 좀더 검증이 필요하리라 사료된다.
또한 시트 매수의 증가에 따라 최대 변형률은 작게 나타났다. 각각 시험체에 대하여 시트 종류에 따른 최대 변형률을 살펴보면 시트의 강성이 큰 탄소섬유 시트가 가장 작은 변형률을 보여주었으며 아라미드섬유, 폴리아세탈 섬유 순서로 큰 변형률을 나타내었다. 특히 폴리아세탈 섬유의 시험체는 이력 수가 많은 경우 변형률게이지의 측정범위를 벗어나는 경우가 발생할 정도로 매우 높은 변형률을 보여주었다.
3과 같으며 이 하중 조건은 부착응력-슬립 관계 그래프에서 최대 부착응력 이후의 하중이력을 명확하게 하기 위해서 채택하였으며, 하중조건은 단조 하중 하의 부착거동 실험결과에 근거하여 시험체는 각각의 변형률 게이지 위치에서의 슬립이 #최대 부착응력 # 에 해당하는 슬립, A점)를 초과할 경우 제하되었으며 그 다음 제하는 슬립이 # (B점)일 경우에 이루어졌다. 결과적으로 변형률게이지 숫자의 2배만큼 총 18번의 재하와 제하가 반복되도록 계획되었으나 결과적으로 Fig. 4와 같이 그 전에 시험체의 종국파괴가 관찰되었다. 시험체의 전체적인 변형은 Fig.
의미한다. 전체적으로 반복하중 조건에 따라 부착응력-슬립 관계도 반복적인 형태를 보여주고 있으며 최대 부착 응력 (#)과 그때의 슬립 &:0~ 3mm)도 확인될 수 있었다.
가로축은 시험체 중간 부분의 변형률게이지위치를 0으로 정하여 각각 9개의 위치 값을 표시한 것이며 세로축의 변형률 값은 그 위치에서 실제 측정된 값을 나타내었다. 전체적인 변형률 분포의 특징을 살펴보면 초기 이력에서는 시트의 변형이 시험체의 중간부분에서만 발생하다가 이력이 거듭될수록 단부 쪽으로 증가되는 것을 알 수 있다. 즉 초기 이력에서는 FRP 시트의 부착력이 국부적으로 하중에 저항하다가 이력수가 증가함에 따라 FRP 시트가 전체적으로 부착력이 발휘된다는 것을 의미한다.
양면으로 부착하지 않은 이유는 기초실험을 실시한 결과 한쪽 단면으로만 부착하여도 충분히 부착특성을 확인할 수 있다는 결론을 얻었기 때문이다. 콘크리트(설계 기준강도=30Mpa, W/C=60%, 슬럼프 12cm, 공기량 =3%)압축강도 공시체도 제작되었으며 평균 압축강도는 33MPa를 나타내었다.
후속연구
상기의 연구결과에 근거하여 향후에는 특정 위치에서 부착 응력-슬립관계가 성립하지 않는 경우의 원인을 검토하고, 이러한 원인을 실험 시 고려하거나, 실험 후에는 이러한 원인을 제거할 수 있는 보정방법을 선택하여 정도 높은 부착응력-슬립관계를 얻을 수 있는 노력이 필요하다고 생각된다.
각 섬유종류에 따른 실험결과를 살펴보면, 최대하중은 탄소섬유, 폴리아세탈섬유, 아라미드 섬유 시험체 순서로 높고 최대변위는 폴리아세탈섬유, 아라미드섬유, 탄소섬유 순서로 낮은 값을 보여주고 있다. 일반적으로 재료의 강성이 클수록 최대하중은 높고 최대변위는 작은 결과를 보여주는데 폴리아세탈섬유 시험체인 경우 아라미드 섬유 시험체보다 최대하중이 높게 나타나서 폴리아세탈 섬유 시험체에 사용된 접착제의 연성이 높고 시험 재령이 길어서 이런 결과가 나타났다고 추측되지만 좀더 검증이 필요하리라 사료된다.
참고문헌 (8)
Brosens, K. and Van Gemert, D. "Anchorage Design for Externally Bonded Carbon Fiber-Reinforced Polymer Laminates." Proceedings of the FRPRCS-4, SP-188, ACI, 1999, pp. 635-645
Chajes, M.j, Finch, Jr., W.W. Januszka, T.F. and Thomson, T.A. "Bond and Force Transfer of Composite Material Plates Bonded to Concrete," ACI Structural Journal, V. 93, No. 2, 1996, Mar.-Apr., pp. 295-303
Dai, J., Ueda, T., and Sato, Y., "Unified Analytical Approaches for Determining Shear Bond Characteristics of FRP-Concrete Interfaces through Pullout Tests." Journal of Advanced Concrete Technology, Vol.4, No.1, 2006. pp. 133-145
Horiguchi, T., and Saeki, N. "Effect Test Method and Quality of Concrete on Bond Strength of CFRP Sheet." Proceedings of Third International Symposium of Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, V.1, 1997, pp. 265-270
Lorenzis, L.D., Miller, B., and Nanni, A. "Bond of Fiber-Reinforced Polymer Fibers to Concrete", ACI Materials J., 2001, pp. 256-264
Maeda, T., Asano, Y., Sato, Y., Ueda, T., and Kakuta, Y. "A Study on Bond Mechanism of Carbon Fiber Sheet." Proceedings of Third International Symposium of Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, V.1, 1997, pp. 279-286
Nakaba, K., Kanakubo, T., Furuta, T., and Yoshizawa, H. "Bond Behavior between Fiber-Reinforced Polymer Laminates and Concrete." ACI Struct. J., 2001, pp. 359-367
Yoshizawa, H., Myojo, T., Oskoshi, M., Mizukoshi, M. and Kliger, H.S. "Effect of Sheet Bonding Condition on Concrete Members Having Externally Bonded Fiber Sheet," Fourth Materials Engineering Conference, ASCE Annual Convention, Washington D.C, 1996
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