[논문]FRP bar를 주근으로 사용한 콘크리트 휨부재의 압축측 콘크리트 구속에 따른 거동

서대원; 한범석; 신성우

doi:10.11112/jksmi.2008.12.3.110

FRP bar를 주근으로 사용한 콘크리트 휨부재의 압축측 콘크리트 구속에 따른 거동
Behavior According to Confinement of Compressive Concrete on Flexural Members Reinforced with FRP Bars 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.12 no.3 = no.49, 2008년, pp.110 - 118

서대원 (한양대학교 건축공학과) , 한범석 (동부건설(주) 기술지원실) , 신성우 (한양대학교 건축학부)

초록
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FRP bar는 높은 인장강도와 경량의 재료로 철근부식문제를 해결할 수 있는 대안으로 대두되고 있다. 그러나 FRP와 콘크리트 모두 취성적인 재료로 철근콘크리트보다 낮은 연성을 갖게 되며, 갑작스러운 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 FRP 보강근을 사용한 휨부재의 압축측을 나선형 보강근으로 구속하여 거동을 개선하고자 하였으며, 구조실험을 통하여 파괴모드의 개선 및 연성증가를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of FRP bar as reinforced concrete beams is considered as one of the most prominent solution that may overcome the corrosion of reinforcing steel bars. However, in the case of FRP reinforced concrete, both the reinforcing and the reinforced materials are brittle. For this reason, ductility of structures with FRP reinforcement is much less than that of structures with steel reinforcements. In this study, a method has been suggested to provide a meaningful quantification of ductility for concrete beams reinforced with FRP bars. This paper shows which the confinement to the compression concrete by the spiral can increase the ductility of FRP over-reinforced concrete beams.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 상대적으로 콘크리트의 압축파괴가 소성거동을 보이기는 하지만, 결과적으로 균형보강비 이하에서의 FRP 의 파단에 의한 인장파괴나 균형보강비 이상에서의 압축측 콘크리트의 압축파괴는 모두 취성적 파괴이다. 따라서 본 연구에서는 FRP bar를 사용한 부재의 거동을 개선하기 위한 방법으로 압축측의 콘크리트를 구속하는 보강 근을 추가로 사용하여 콘크리트의 압축파괴 이후에 내력의 급격한 손실을 방지하고자 계획하였다. 최종파괴가 압축 측 콘크리트 파괴로 발생하도록 균형보강비 이상으로 실험체가 계획되었으며, 보강근의 인장강도에 따라 두 종류의 보강근이 계획되었으며, 균형보강비에 대해 1.
따라서 FRP bar를 사용한 부재의 연성 혹은 변형능력을 정의하기 위해서는 새로운 정의가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 FRP bar를 사용한 부재의 연성을 평가하기 위하여 Jeager 등(10) 에의해 제안된 변형도계수(deformability factor)에 의한 방법과 Naaman, Jeong(11)에 의해 제안된 에너지에 의한 연성비, 처짐에 의한 연성비를 사용하여 FRP bar를 사용한 보를 압축구속한 경우(SFB, SNFB)와 압축구속하지 않은 경우(FB, NFB)로 구분하여 비교하였으며, FRP bar를 사용한 부재의 변형능력을 평가하기 위한 각 방법들의 적정성을 평가하였다.
따라서, 본 연구에서는 FRP bar를 사용한 콘크리트 부재의 취성적 파괴를 막기 위한 방안으로 제안된 압축 측 콘크리트의 구속철근을 사용하여 구조실험을 수행하였으며, 취성적 파괴의 개선효과를 검토하였다.

제안 방법

본 연구에서 실험된 균형보강비 이상의 FRP bar가 보강된 휨부재의 경우 압축측 콘크리트의 파괴에 의해 최종파괴가 일어나므로, 인장파괴시의 갑작스러운 파단에 비하여 소성적인 거동을 나타내며, 이러한 특성을 이용하여 압축파괴시의 처짐값과 최대처짐값의 비를 사용하여 연성지수를 정의하여 각 실험체의 성능개선 효과를 파악하였다 정의된 처짐에 의한 연성지수는 식⑺과 같으며, 이를 Fig. 11에 기존의 철근콘크리트에 대한 연성지수와 비교하였다
4와 같이 단순지지 상태에서 600mm 가력지점간에 순수 휨만 발생하도록 2점가력 방식으로 하였으며, 가력은 10, 000kN UTM을 사용하여 초기균열까지 하중제어 후에 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 실험중의 데이터 측정은 하중의 증가에 따른 보의 처짐을 측정하기 위해 변위계 (LVDT)를 설치하였으며, 게이지는 Fig. 5와 같이 인장 측 주근과 콘크리트 압축측 단면에 부착하여 변형을 측정하였다.
실험체의 설치는 Fig. 4와 같이 단순지지 상태에서 600mm 가력지점간에 순수 휨만 발생하도록 2점가력 방식으로 하였으며, 가력은 10, 000kN UTM을 사용하여 초기균열까지 하중제어 후에 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 실험중의 데이터 측정은 하중의 증가에 따른 보의 처짐을 측정하기 위해 변위계 (LVDT)를 설치하였으며, 게이지는 Fig.
따라서 본 연구에서는 FRP bar를 사용한 부재의 거동을 개선하기 위한 방법으로 압축측의 콘크리트를 구속하는 보강 근을 추가로 사용하여 콘크리트의 압축파괴 이후에 내력의 급격한 손실을 방지하고자 계획하였다. 최종파괴가 압축 측 콘크리트 파괴로 발생하도록 균형보강비 이상으로 실험체가 계획되었으며, 보강근의 인장강도에 따라 두 종류의 보강근이 계획되었으며, 균형보강비에 대해 1.89 p b, 2.04 p b, 2.36 p b의 세 종류의 보강비를 계획하였다. 이는 이전 연구(1)에서 1.

대상 데이터

사용된 콘크리트는 설계기준강도 30MPa의 일 반레디 믹스트 콘크리트를 사용하였으며, 28일 압축강도 시험 결과 36MPa, 탄성계수 25GPa을 나타내었다. 주근에 사용된 FRP 보강근은 국내기술로 개발된 제품으로 Fig.

성능/효과

있다.(2而® FRP bar를 사용한 휨부재의 파괴형태는 콘크리트의 압축파괴에 의한 파괴 인장측 FRP bar 의 파 단으로 구분할 수 있다. Fig.
1) FRP 보강근을 사용한 콘크리트 휨부재는 초기균열에 의해 강성이 저하된 이후 파괴시까지 선형적으로 거동하는 이선형 (bilinear) 거동을 나타내었으며, FRP 보강근의 인장강도 증가, 인장보강비의 증가에 따라 연성의 증가효과가 있었다.
2) 압축측 구속을 한 FRP 보강 콘크리트(FRP RC) 휨부재는 압축측 연단의 콘크리트 압축파괴 이후에 콘크리트의 구속효과로 일정내력을 유지하여 갑작스러운 파괴를 막는데 효과적인 것으로 나타났다.
3) FRP bar를 주근으로 사용한 실험체 들의 변형도 계수, 에너지, 처짐에 의한 연성의 평가에서 압축 측 구속을 한 실험체들의 연성증가를 지수화하여 적절히 평가할 수 있었으나 처짐에 의한 방법은 압축파괴 시에만 사용가능하였으며, 에너지에 의한 연성 계산은 압축파괴시의 내력의 저하 이후에 대한 평가가 적절치 않으므로 변형도 계수에 의한 방법이 파괴모드와 관계없이 FRP bar를 사용한 부재의 연성평가에 보다 합리적인 것으로 판단된다.
7에 나타내었다. 그림에서와 같이 초기 및 최대 강도까지의 거동은 압축 측을 보강한 SFB, SNFB 실험체들과 FRP bar만 을 사용한 FB, NFB 실험체들간에 큰 차이가 발생하지 않았으나, 압축측 콘크리트의 압축파괴가 발생한 이후 FRP bar만을 사용한 실험체들에서는 곧 최종파괴가 발생하였으나, 압축측을 나선형 철근으로 구속한 SNFB-4, SNFB-5 실험체는 압축측 콘크리트의 압축파괴 이후 급격한 파괴가 발생하지 않고 일정 내력을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 압축측의 나선형 철근이 압축측 연단의 콘크리트의 파괴이후에 구속된 압축 측의 콘크리트의 파괴를 지연시키기 때문으로 FRP 보강콘크리트의 거동을 개선시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
효과적인 것으로 판단된다. 또한 인장강도 705 MPa의 Type 1 FRP bar를 사용한 FB 실험체보다 인장강도 1050 MPa의 Type 2 FRP bar를 사용한 NFB 실험체들이 변형도가 크게 나타남으로 보강근의 인장강도의 증가에 따라, 연성이 증가하는 것으로 판단된다. 또한 동일한 보강근을 사용항 SNFB- 4와 SNFB-5를 비교하면 인장보강근의 보강비의 증가에 따라 변형계수가 증가하는 것으로 판단된다.
균열양상에 있어서는 FRP 보강콘크리트 실험체(NFB)와 압축 측 콘크리트를 구속 보강한 실험체 (SNFB)간에 큰 차이는 발생하지 않았으나, 압축측을 구속한 SNFB 실험체들의 경우 처짐이 더 크게 발생함에 따라 주근의 변형이 크게 발생하여 길이방향으로 균열이 발생하며 콘크리트의 박리가 발생하였다. 보강근의 인장강도가 낮은 FB 실험체들에서는 휨균열이 경사균열로 진전되며 최종파괴에서 압축측 콘크리트의 파괴와 함께 전단균열이 NFB 실험체들보다 진전되는 양상을 보였다.
압축측 콘크리트의 구속은 균형보강비 이상의 배근 된 부재에서 압축측 연단의 압축파괴이후에 콘크리트의 파괴를 지연시켜 변형능력의 증진과 함께 상대적으로 안정된 파괴양상을 보이게 되며, Table 4와 같이 약 20~40%의 연성이 증가되는 것으로 나타났다. 변형도 계수, 에너지법, 처짐에 의한 연성평가방법은 실험체들의 연성증가에 대한 지표로서 모두 사용 가능하였으나 처짐에 의한 연성평가방법은 FRP bar를 사용한 부재에서 균형보강비 이상의 압축측 파괴를 유도한 경우에만 사용가능한 한계가 있으며, 에너지법, 변형도 계수에 의한 방법은 파괴모드와 상관없이 사용할 수 있는 장점이 있었다.
9는 하중의 증가에 따른 콘크리트와 FRP 보강근의 변형을 비교한 것이다. 압축측을 구속한 실험체 (SFB, SNFB) 와 FRP bar를 주근으로 사용한 다른 실험체들과 큰 차이는 발생하지 않았으나, 탄성계수 44 GPa의 Type 1 FRP bar를 주근으로 사용한 FB 실험체에서는 보강근의 변형의 차이가 크게 나타났다. 이는 압축측을 구속한 SFB 실험체가 예측과는 달리 최종파괴형태가 전단균열이 크게 진전되어 균열폭이 FB 실험체보다 크게 발생함에 따라 측정 위치에서의 변형이 작게 나타난 것으로 추측된다.
이는 압축측을 구속한 SFB 실험체가 예측과는 달리 최종파괴형태가 전단균열이 크게 진전되어 균열폭이 FB 실험체보다 크게 발생함에 따라 측정 위치에서의 변형이 작게 나타난 것으로 추측된다. 콘크리트의 압축측 파괴에 의해 파괴된 NFB 실험체들에서는 콘크리트 압축측의 구속이 주근 및 콘크리트의 변형에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

참고문헌 (11)

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신성우, 안종문, 한범석, 서대원, 'FRP 보강근을 주근으로 사용한 콘크리트 보의 보강비 효과', 대한건축학회 논문집 구조계, 제21권 2호, 2006, pp. 19-26
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상세보기
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상세보기
Intelligent Sensiing for Innovative Structures (ISIS), 'Reinforcing Concrete Structures with Fibre Reinforced Polumers', ISIS Canada, 2001
Jaeger, L. G., and Mufti, A., 'Balanced Section, Ductility and Deformability in Concrete with Reinforcement', Research Report No.2 -1995, Industry's center for Computer-Aided Engineering, Technical University of Nova Scotia, Halifax, Canada, 1995, pp. 29
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용어 설명 출처 목록 (6)

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