혹독한 자연환경하에서의 구조물의 내구성이 주요한 관심사도 대두되면서 건설분야에서 섬유강화폴리머의 사용이 점차 증가하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 FRP bar를 휨부재의 휨보강근으로서의 적용가능성을 평가하기 위하여 휨실험을 수행하였다. 탄소섬유, 유리섬유 및 탄소와 유리섬유를 혼합한 hybrid 섬유 보강근을 사용하여 보강량을 변화시킨 12개의 실험체를 제작하여 실험을 수행하였으며, 그결과는 파괴형태, 모멘트-변위, 휨강도, 연성지수 및 단면에서의 변형율분포 등에 대하여 분석하였다. 실험결과는 ACI 기준에 제시된 모델과 비교하였으며, 전체적으로 보의 휨강도는 강도설계이론에 의한 결과와 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 처짐의 경우에는 유리섬유의 경우는 이론이 과대평가 되었으며, 탄소섬유는 과소평가되는 것으로 나타났다.
혹독한 자연환경하에서의 구조물의 내구성이 주요한 관심사도 대두되면서 건설분야에서 섬유강화폴리머의 사용이 점차 증가하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 FRP bar를 휨부재의 휨보강근으로서의 적용가능성을 평가하기 위하여 휨실험을 수행하였다. 탄소섬유, 유리섬유 및 탄소와 유리섬유를 혼합한 hybrid 섬유 보강근을 사용하여 보강량을 변화시킨 12개의 실험체를 제작하여 실험을 수행하였으며, 그결과는 파괴형태, 모멘트-변위, 휨강도, 연성지수 및 단면에서의 변형율분포 등에 대하여 분석하였다. 실험결과는 ACI 기준에 제시된 모델과 비교하였으며, 전체적으로 보의 휨강도는 강도설계이론에 의한 결과와 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 처짐의 경우에는 유리섬유의 경우는 이론이 과대평가 되었으며, 탄소섬유는 과소평가되는 것으로 나타났다.
The use of fiber reinforced polymer (FRP) composites is significantly growing in construction and infrastructure applications where durability under harsh environmental conditions is of great concern. In order to examine the applicability of FRP rebar as a reinforcement in flexural member, flexural ...
The use of fiber reinforced polymer (FRP) composites is significantly growing in construction and infrastructure applications where durability under harsh environmental conditions is of great concern. In order to examine the applicability of FRP rebar as a reinforcement in flexural member, flexural tests were conducted. 12 beams with different FRP materials such as CFRP, GFRP and Hybrid FRP and reinforcement ratio were tested and analyzed in terms of failure mode, moment-deflection, flexural capacity, ductility index and sectional strain distribution. The test results were also compared with the theoretical model represented in ACI 440.1R06. Test results indicate that the flexural capacity of the beams reinforced by FRP bars can be accurately predicted using the ultimate design theory. They also show that the current ACI model for computing the deflection overestimates the actual deflection of GFRP series and underestimates the deflection of CFRP series.
The use of fiber reinforced polymer (FRP) composites is significantly growing in construction and infrastructure applications where durability under harsh environmental conditions is of great concern. In order to examine the applicability of FRP rebar as a reinforcement in flexural member, flexural tests were conducted. 12 beams with different FRP materials such as CFRP, GFRP and Hybrid FRP and reinforcement ratio were tested and analyzed in terms of failure mode, moment-deflection, flexural capacity, ductility index and sectional strain distribution. The test results were also compared with the theoretical model represented in ACI 440.1R06. Test results indicate that the flexural capacity of the beams reinforced by FRP bars can be accurately predicted using the ultimate design theory. They also show that the current ACI model for computing the deflection overestimates the actual deflection of GFRP series and underestimates the deflection of CFRP series.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
(1)-(6) 그러나아직까지 국내에서는 FRP 보강재의 종류, 보강량 등에 따른 기초적인 물성에 대한 평가뿐만 아니라, 실제 콘크리트 구조물에 FRP 보강재를 활용하기 위해 필요한 충분한 구조적인 실험 및 이론데이터가 부족한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 직경별 유리섬유, 탄소섬유 보강근 및 유리섬유와 탄소섬유를 혼입한 hybrid bar를 보강근으로 활용하여 휨거동을 실험적으로 분석하여 FRP 복합구조체의 기본적인 구조성능을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 CFRP, GFRP 그리고 CFRP+ GFRP 섬유로 제작된 FRP bar를 휨보강재로 사용하여 FRP보강콘크리트보의 휨거동 성능을 평가하였다. 시험변수는 섬유 종류와 보강재량으로 제한하여 총 12개의 시험체를 제작하였다.
가설 설정
그리고 3) FRP의 파단에 의한 파괴로 분류할 수 있다.(1)(2) 철근콘크리트보의 경우, 철근의 항복이후의 소성 거동이 구조물의 연성적인 파괴를 유도함으로서 구조물의 파괴징후를 사용자에게 전달할 수 있다는 점 때문에 저 보강 콘크리트 보로 설계하도록 하고 있다.
제안 방법
FRP를 사용한 콘크리트 보의 단순화된 모멘트-곡률 관계는 CEB-FiP에서 제안하고 있는 가정을 변형하여 예측할 수 있다. Fig.
변위계 (LVDT)를 보 중앙부와 지점으로부터 1/6과 1/3 지점에 설치하여 실험체의 변위형상을 측정하였다. Table 2에서 완전탄성재료인 탄소섬유 및 유리섬유 보강근으로 제작된 시험체(C 계열과 G 계열)의 경우에는 콘크리트 압괴파괴를 유도할 수 있도록 균형보강비보다 큰과보강보로 설계하였으며, 탄소섬유와 유리섬유를 혼합한 보다 연성적인 보강근을 사용한 H계열 시험체는보강근의 연성파괴를 유도할 수 있도록 저보강으로 설계하였다.
변위계 (LVDT)를 보 중앙부와 지점으로부터 1/6과 1/3 지점에 설치하여 실험체의 변위형상을 측정하였다. Table 2에서 완전탄성재료인 탄소섬유 및 유리섬유 보강근으로 제작된 시험체(C 계열과 G 계열)의 경우에는 콘크리트 압괴파괴를 유도할 수 있도록 균형보강비보다 큰과보강보로 설계하였으며, 탄소섬유와 유리섬유를 혼합한 보다 연성적인 보강근을 사용한 H계열 시험체는보강근의 연성파괴를 유도할 수 있도록 저보강으로 설계하였다.
보 중앙단면의 변형율 분포를 분석하기 위하여 시험체의 중앙부 압축측 콘크리트부터 3cm 간격으로 총 4 개의 콘크리트 게이지를 설치하여 하중단계별 변형률 분포를 측정하였으며, 5개 시험체의 결과를 Fig. 8에 도시하였다.
보강재의 변형율을 측정하기 위하여 보강재 중앙에 철근 게이지를 설치하였으며, 단면 깊이에 대한 콘크리트 변형률 분석을 위하여 보의 상면에서부터 4cm 간격으로 총 4개의 콘크리트 게이지를 부착하였다. 변위계 (LVDT)를 보 중앙부와 지점으로부터 1/6과 1/3 지점에 설치하여 실험체의 변위형상을 측정하였다.
대상 데이터
시험변수는 섬유 종류와 보강재량으로 제한하여 총 12개의 시험체를 제작하였다. 보 제작에 사용된 콘크리트는 28일 압축강도 30MPa의 레미콘 제품을 사용하였으며, 항복강도 400MPa의 D10 철근을 스터럽으로 사용하였다. 적용된 FRP 보강근은 D사의 제품을 사용하였으며, 제조사에서 제시한 극한강도 및 극한변형률은 Table 1에 정리하였다.
평가하였다. 시험변수는 섬유 종류와 보강재량으로 제한하여 총 12개의 시험체를 제작하였다. 보 제작에 사용된 콘크리트는 28일 압축강도 30MPa의 레미콘 제품을 사용하였으며, 항복강도 400MPa의 D10 철근을 스터럽으로 사용하였다.
보 제작에 사용된 콘크리트는 28일 압축강도 30MPa의 레미콘 제품을 사용하였으며, 항복강도 400MPa의 D10 철근을 스터럽으로 사용하였다. 적용된 FRP 보강근은 D사의 제품을 사용하였으며, 제조사에서 제시한 극한강도 및 극한변형률은 Table 1에 정리하였다.
배근하였다. 휨시험체는 200x300mm 단면의 직사각형 단면에 길이 2400mm로 제작하였으며, 순지간은 2000mm 이다. 콘크리트 덮개는 일렬배근의 경우 4cm로 고정하였으며, 이열배근의 경우에는 일렬배근 시험체와 유사할 수 있도록 2cm로 제작하였다.
성능/효과
이는 기존의 철근콘크리트 보의 균열 이후 응력재분배 현상보다 크게 나타나는 것으로서 FRP보강근의 상대적으로 부족한 부착강도 특성에 기인하는 것이라 판단된다.(8)-(10) 응력재분배 이후 하중과 보강근의 중앙부 변형율의 관계는 파괴시까지 선형을 이루는 것으로 나타났으며, H계열의 시험 체만 이중 선형 형태를 나타내었다.
1) FRP 휨보강근으로 보강된 시험체의 경우 인장강도가 가장 높은 탄소섬유 보강근의 경우가 휨강도가 가장 높게 나타났으며, 복합섬유의 경우 강도의 증진 효과보다는 연성적인 휨거동을 나타내는 것으로 관찰되었다 따라서 사용성 측면에서는 복합섬유 보강재의 경우가 보다 효과적인 것으로 판단된다.
5에 나타내었다. 과보강보인 CFRP 보강보의 경우는 모두 압괴파괴 되었으나, 유사한 조건인 GFRP 보강보의 경우는 과보강보임에도 G2-10 시험체의 경우는 FRP 보강근 외부 섬유와 콘크리트가 같이 FRP pull-out되는 형태로 파괴되었으며, G1-19 균형 파괴 형태로 파괴되었다. 이에 비하여 저보강보인 Hybrid FRP로 보강된 보의 경우는 모두 균형파괴로 파괴되어 보강재의 종류가 보강비에 따른 파괴형태에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다.
균열하중 거동에서 모든 시험체가 균열하중이후 내력의 증가 없이 일정정도 변위가 증가한 후 균열 면의 응력재분배가 이루어진 후 내력이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 Fig. 7의 하중-변형율 관계에서 명확히 관찰할 수 있다. 이는 기존의 철근콘크리트 보의 균열 이후 응력재분배 현상보다 크게 나타나는 것으로서 FRP보강근의 상대적으로 부족한 부착강도 특성에 기인하는 것이라 판단된다.
그림에 나타낸 것과 같이 거의 모든 시험체의 균열모멘트는 보강량과 보강재의 종류에 관계없이 10O0OkN-mm인 것으로 나타났으며, 이는 철근콘크리트 보의 경우와 같이 균열휨강도의 경우는 콘크리트 휨강도에 지배를 받는다는 사실을 나타내는 것이다. 균열하중이후 콘크리트와 보강재 사이의 응력재분배로인하여 하중 증가 없이 변형이 증가하는 현상이 나타났으며, 이는 Fig. 7의 모멘트-변형율 관계에서도 확인할 수 있다. 응력재분배 현상은 철근콘크리트 보의 경우보다 뚜렷하게 나타나는 것으로 콘크리트와 FRP 보강재사이의 부착특성이 철근의 경우보다 상대적으로 낮기 때문인 것으로 판단된다.
4와 같이 휨 지배에 의하여 파괴되었으며, 동일한 보강비을 갖는 경우 인장강도가 높은 탄소섬유 보강근으로 보강된 시험체의 경우의 파괴 강도가 가장 높은 것으로 나타났다. 보강비가 증가할수록 강도가 선형적으로 증가하는 형태를 보였으며, 강성 또한 증가하는 것으로 나타났다. 보강비와 섬유 종류에 따른 파괴형태의 변화는 Fig.
시험체는 보강근의 종류에 관계없이 Fig. 4와 같이 휨 지배에 의하여 파괴되었으며, 동일한 보강비을 갖는 경우 인장강도가 높은 탄소섬유 보강근으로 보강된 시험체의 경우의 파괴 강도가 가장 높은 것으로 나타났다. 보강비가 증가할수록 강도가 선형적으로 증가하는 형태를 보였으며, 강성 또한 증가하는 것으로 나타났다.
발생하였다. 유리-탄소섬유 복합 보강근이 적용된 부재의 경우에는 균열하중 이후 보강근내 섬유의 부분적인 파단 등으로 인하여 파괴시까지 수차례의 하중 증가-하락의 과정을 거친 후 파괴되는 다소 연성적인 파괴형태로 부재가 파괴되었으나, 동일한 보강량의 유리섬유 시험체에 비하여 강도는 약간 작거나 같은 것으로 나타났다. 최대강도 이후, 탄소섬유 보강근의 경우 잔류강도가 거의 없는 반면 다른 보강근의 경우에는 일정정도의 잔류강도를 갖는 것으로 관찰되었다.
과보강보인 CFRP 보강보의 경우는 모두 압괴파괴 되었으나, 유사한 조건인 GFRP 보강보의 경우는 과보강보임에도 G2-10 시험체의 경우는 FRP 보강근 외부 섬유와 콘크리트가 같이 FRP pull-out되는 형태로 파괴되었으며, G1-19 균형 파괴 형태로 파괴되었다. 이에 비하여 저보강보인 Hybrid FRP로 보강된 보의 경우는 모두 균형파괴로 파괴되어 보강재의 종류가 보강비에 따른 파괴형태에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다.
3과 4를 적용하여 산정하였다. 전체적으로 유리섬유의 경우는 이론식이 과대평가되고, 탄소섬유와 Hybrid섬유는 과소평가되었으며, 이는 탄성계수와 유효단면이차모멘트의 상관관계의 영향인 것으로 판단된다.
유리-탄소섬유 복합 보강근이 적용된 부재의 경우에는 균열하중 이후 보강근내 섬유의 부분적인 파단 등으로 인하여 파괴시까지 수차례의 하중 증가-하락의 과정을 거친 후 파괴되는 다소 연성적인 파괴형태로 부재가 파괴되었으나, 동일한 보강량의 유리섬유 시험체에 비하여 강도는 약간 작거나 같은 것으로 나타났다. 최대강도 이후, 탄소섬유 보강근의 경우 잔류강도가 거의 없는 반면 다른 보강근의 경우에는 일정정도의 잔류강도를 갖는 것으로 관찰되었다.
후속연구
2) 본 연구에서 FRP 휨 보강근의 구조성능 분석 결과, 추후 휨 설계 계수 등의 연구를 통하여 FRP 보강근을 적용한 콘크리트 구조물의 현장 적용성에 대한 추가적인 분석되어져야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (10)
ACI 440.1R-01. 'Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars'. ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2001. p. 41
ISIS Canada: Design Manual 3. Reinforcing concrete structures with fiber reinforced polymers. The Canadian Network of Centers of Excellence on Intelligent Sensing for Innovative Structures, University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada, September 2001. p. 207
Pecce M., Manfredi G. and Cosenza E., 'Experimental response and code models of GFRP RC beams in bending', J. Compos. Constr.44, 2000, pp. 182-190
Houssam A. Toutanji, Mohamed Saafi 'Flexural Behavior of Concrete beams Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer(GFRP) Bars', ACI Structural Journal, 2000. 9, pp. 712-719
Benmokrame B., Chaallal O. and Masmoudi R. 'FLexural Response of Concrete Beams Reinforced with FRP Reinforcing Bar', ACI Structural Journal, 1996. 1, pp. 46-55
Pilakoutas, K. Neocleous and M. Guadagnini, 'Design philosophy issues of fiber reinforced polymer reinforced concrete structures', ASCE J Compos Constr 6, 2002. 3, pp. 154-161
Theriault M. and Benmokrane B., 'Effects of FRP reinforcement ratio and concrete strength on flexural behavior of concrete beams', J Compos Construct 2, 1998. 1, pp. 7-16
Newhook J., Ghali A. and Tadros G., 'Cracking and deformability of concrete flexural sections with fiber reinforced polymer', ASCE J Struct Eng128, 2001. 9, pp. 1195-1201
Masmoudi R., Benmokrane B. and Chaallal O., 'Cracking behaviour of concrete beams reinforced with fiber reinforced plastic rebars', Can J Civil Eng23, 1996, pp. 1172-1179
Faza SS, GangaRao HVS., 'Pre- and post- cracking deflection behaviour of concrete beams reinforced with fibre-reinforced plastic rebars', In: Neale KW, Labossiere P, editors. Proceedings of 1st international conference on advanced composite materials in bridges and structures (ACMBS 1), CSCE, Sherbrooke, Que.; 1992. pp. 151-60
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.