이형철근의 부식이 우려되는 경우, GFRP 보강근의 사용이 사용될 수 있다. 이 연구에서는 GFRP 보강근으로 보강된 총 36개 보 및 일방향 슬래브의 휨 실험을 수행하였다. 4종의 GFRP 보강근을 실험에 사용하였고, 보강근 직경은 13 mm이었다. 대부분의 실험체의 보강근은 중앙부에서 겹침이음되었다. 모든 보 및 슬래브는 4점재하 되었으므로, 이음부는 균일한 모멘트를 받도록 계획하였다. 실험변수는 이음길이, 피복두께 및 보강근 간격이었다. 보수적으로 부착강도를 평가하기 위하여 이음부에는 스터럽을 사용하지 않았다. 실험결과 보강근과 콘크리트 간 발생한 부착응력을 비선형 단면해석을 통하여 결정하였다. 2변수 선형 회귀분석을 사용하여 평균부착강도의 예측식을 유도하였다. 5% 분위수 개념을 사용하여 이음길이 설계식을 제안하였다. 이 연구의 결과로 이론적인 이음길이 설계식이 제안되었으며 결과를 ACI 440 정착설계식과 비교하였다.
이형철근의 부식이 우려되는 경우, GFRP 보강근의 사용이 사용될 수 있다. 이 연구에서는 GFRP 보강근으로 보강된 총 36개 보 및 일방향 슬래브의 휨 실험을 수행하였다. 4종의 GFRP 보강근을 실험에 사용하였고, 보강근 직경은 13 mm이었다. 대부분의 실험체의 보강근은 중앙부에서 겹침이음되었다. 모든 보 및 슬래브는 4점재하 되었으므로, 이음부는 균일한 모멘트를 받도록 계획하였다. 실험변수는 이음길이, 피복두께 및 보강근 간격이었다. 보수적으로 부착강도를 평가하기 위하여 이음부에는 스터럽을 사용하지 않았다. 실험결과 보강근과 콘크리트 간 발생한 부착응력을 비선형 단면해석을 통하여 결정하였다. 2변수 선형 회귀분석을 사용하여 평균부착강도의 예측식을 유도하였다. 5% 분위수 개념을 사용하여 이음길이 설계식을 제안하였다. 이 연구의 결과로 이론적인 이음길이 설계식이 제안되었으며 결과를 ACI 440 정착설계식과 비교하였다.
Glass fiber reinforced polymer (GFRP) bars are sometimes used when corrosion of conventional reinforcing steel bar is of concern. In this study, a total of 36 beams and one-way slabs reinforced using GFRP bars were tested in flexure. Four different GFRP bars of 13 mm diameter were used in the test p...
Glass fiber reinforced polymer (GFRP) bars are sometimes used when corrosion of conventional reinforcing steel bar is of concern. In this study, a total of 36 beams and one-way slabs reinforced using GFRP bars were tested in flexure. Four different GFRP bars of 13 mm diameter were used in the test program. In most test specimens, the GFRP bars were lap spliced at center. All beams and slabs were tested under 4-point loads so that the spliced region be subject to constant moment. Test variables were splice lengths, cover thicknesses, and bar spacings. No stirrups were used in the spliced region so that the tests result in conservative bond strengths. Average bond stresses that develop between GFRP bars and concrete were determined through nonlinear analysis of the cross-sections. An average bond stress prediction equation was derived utilizing two-variable linear regression. A splice length equation based on 5% fractile concept was then developed. As a result of this study, a rational equation with which design splice lengths of the GFRP bars can be determined, was proposed.
Glass fiber reinforced polymer (GFRP) bars are sometimes used when corrosion of conventional reinforcing steel bar is of concern. In this study, a total of 36 beams and one-way slabs reinforced using GFRP bars were tested in flexure. Four different GFRP bars of 13 mm diameter were used in the test program. In most test specimens, the GFRP bars were lap spliced at center. All beams and slabs were tested under 4-point loads so that the spliced region be subject to constant moment. Test variables were splice lengths, cover thicknesses, and bar spacings. No stirrups were used in the spliced region so that the tests result in conservative bond strengths. Average bond stresses that develop between GFRP bars and concrete were determined through nonlinear analysis of the cross-sections. An average bond stress prediction equation was derived utilizing two-variable linear regression. A splice length equation based on 5% fractile concept was then developed. As a result of this study, a rational equation with which design splice lengths of the GFRP bars can be determined, was proposed.
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문제 정의
6(a)에 나타낸 것과 같이 이음부의 양단에 균열유도기 (crack inducer)로서 10 mm × 10 mm의 홈 (notch)을 설치하였고, 이 위치의 보강근 주위에 약 25 mm 길이의 PVC 관을 이용하여 콘크리트와 보강근 간의 부착을 제거하였고, 이 구간에 한 쌍의 변형률게이지 (길이 5 mm)를 설치하였다. 목적은 이음부에 발생한 변형률을 정확히 측정함으로써 보강근의 응력을 결정하고자 한 것이었다. 1차 보 실험의 모든 보 (10개)에서 첫번째 휨 균열은 이음부의 양단으로부터 발생하였다.
이 연구에서는 GFRP 보강근의 이음설계식을 유도하기 위하여 총 36개 보 및 일방향 슬래브의 휨 실험을 수행하였다. 실험 결과를 이용한 비선형 단면해석을 수행하고, 보강근과 콘크리트 간 발생한 평균부착강도를 결정하였다.
제안 방법
(a)에 나타낸 것과 같이 이음부의 양단에 균열유도기 (crack inducer)로서 10 mm × 10 mm의 홈 (notch)을 설치하였고, 이 위치의 보강근 주위에 약 25 mm 길이의 PVC 관을 이용하여 콘크리트와 보강근 간의 부착을 제거하였고, 이 구간에 한 쌍의 변형률게이지 (길이 5 mm)를 설치하였다.
3(c)와 같이 보 또는 슬래브를 뒤집은 상태에서 실험하였다 (즉, 실험 시에는 인장근인 GFRP 보강근이 상부에 위치하였다). 가력은 두 개의 유압실린더 (500 kN)를 사용하였고, 3개의 LVDT를 사용하여 중앙부 및 양단부의 처짐을 계측하였다. 단, 보강근을 이음하지 않은 1개의 슬래브 (S-9K3-no splice)는 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 사용하여 슬래브를 뒤집지 않고 실험을 수행하였다.
GFRP 보강근은 이형철근의 부식이 우려되는 경우 주로 사용되므로 보 보다는 교량 상판에 적용하는 경우가 많다. 그러므로 보 실험에 추가하여 총 11개의 일방향 슬래브를 제작하여 보 실험과 유사한 방법으로 휨 실험을 수행하였다. 1개 슬래브는 이음 없이 주근을 연속 배근하였고, 나머지 10개 슬래브 중 9개는 100% 이음, 1개 슬래브는 일부 보강근을 겹침이음하였다.
보강근의 겹침이음부에서 콘크리트와 보강근 간 비선형으로 발생하는 부착응력의 분포는 정확히 알 수 없다. 따라서 부착강도를 평가하기 위하여 평균부착강도 개념을 사용하는 것이 일반적이므로 이 연구에서도 먼저 보강근의 인장력 (Tf )을 결정한 후, 다음식을 사용하여 평균부착강도를 구하였다.
모든 실험에서 보강근 겹침이음부의 양단에 변형률게이지를 부착하여 보강근의 인장변형률을 측정하였다. 또한 대부분의 실험에서 콘크리트 압축단의 변형률을 측정하였고, 데이터로거를 사용 측정된 모든 데이터를 실시간으로 저장하였다.
이 연구에서는 GFRP 보강근을 사용하여 총 36개의 보 및 일방향 슬래브의 휨 실험을 수행하였고, GFRP 보강근의 부착강도를 정확히 산정하기 위하여 비선형 단면해석을 수행하였다. 또한 통계적 기법을 사용한 부착강도의 분석을 통하여 보다 논리적인 보강근의 이음길이 설계식을 제안하였다.
그 이유는 GFRP 보강근의 탄성계수가 낮아서 주근을 이음하지 않은 슬래브의 경우, 휨 파괴시 처짐이 많이 발생하여 큰 stroke가 필요하였기 때문이었다. 모든 실험에서 보강근 겹침이음부의 양단에 변형률게이지를 부착하여 보강근의 인장변형률을 측정하였다. 또한 대부분의 실험에서 콘크리트 압축단의 변형률을 측정하였고, 데이터로거를 사용 측정된 모든 데이터를 실시간으로 저장하였다.
식 (1)에서 보강근에 작용하는 인장력 Tf를 정확하게 결정하기 위하여 콘크리트의 비선형 재료적 성질을 고려할 수 있는 Hognestad 응력-변형률 모델을 이용한 비선형 단면해석을 수행하였는데, 실험결과 결정된 최대모멘트 (Table 4, 5의 Mult)를 이용하여 단면의 중립축과 콘크리트 압축변형률을 결정하였다.11) 이러한 단면해석의 결과를 이용하여 보강근의 변형률 및 인장력을 결정하였고, 식 (1)을 사용하여 평균부착강도를 산정한 결과를 보 및 슬래브에 대하여 Tables 4 및 5에 각각 나타내었다.
이 연구에서는 GFRP 보강근의 이음설계식을 유도하기 위하여 총 36개 보 및 일방향 슬래브의 휨 실험을 수행하였다. 실험 결과를 이용한 비선형 단면해석을 수행하고, 보강근과 콘크리트 간 발생한 평균부착강도를 결정하였다. 평균부착강도의 2변수 선형 회귀분석을 수행하고, 5% 분위수 개념을 사용하여 GFRP 보강근의 이음설계식을 제안하였다.
이 연구에서는 GFRP 보강근을 사용하여 총 36개의 보 및 일방향 슬래브의 휨 실험을 수행하였고, GFRP 보강근의 부착강도를 정확히 산정하기 위하여 비선형 단면해석을 수행하였다. 또한 통계적 기법을 사용한 부착강도의 분석을 통하여 보다 논리적인 보강근의 이음길이 설계식을 제안하였다.
실험 결과를 이용한 비선형 단면해석을 수행하고, 보강근과 콘크리트 간 발생한 평균부착강도를 결정하였다. 평균부착강도의 2변수 선형 회귀분석을 수행하고, 5% 분위수 개념을 사용하여 GFRP 보강근의 이음설계식을 제안하였다.
대상 데이터
4,8) ACI 정착 설계식은 총 67개의 보 실험 및 유사 보 실험 (보 단부 실험, notch 보 실험) 결과에 근거하였고, 쪼갬파괴된 실험 결과만을 대상으로 하였다. 따라서 Table 6에 나타낸 것과 같이 ACI 440 식 (11-6)과 식 (7) 두 가지 식을 각각 정착설계식 및 이음설계식으로 직접 비교가 가능한 것으로 사료된다.
Table 2에 나타낸 것과 같이 총 25개 보의 휨 실험을 수행하였다. 보 실험에는 3종의 GFRP 보강근 (AsUS, IsoCN, K2KR)을 사용하였고, 1개 보는 이음 없이 연속된 보강근을 사용하였으며, 나머지 24개 보는 모두 중앙부에서 보강근을 겹침이음하였다.
두 가지 지름의 이형철근을 각각 다음 목적으로 사용하였고, D10, D13 이형철근의 항복강도는 각각 450 MPa, 540 MPa이었다.
레미콘 공장으로부터 보통강도 콘크리트를 주문하여 실험체를 제작하였다. 휨 실험 수행 시 콘크리트의 압축 강도는 23.
보 및 슬래브 실험에서 이음부의 균열 양상을 보다 자세히 관측하기 위하여 Fig. 3(c)와 같이 보 또는 슬래브를 뒤집은 상태에서 실험하였다 (즉, 실험 시에는 인장근인 GFRP 보강근이 상부에 위치하였다). 가력은 두 개의 유압실린더 (500 kN)를 사용하였고, 3개의 LVDT를 사용하여 중앙부 및 양단부의 처짐을 계측하였다.
Table 2에 나타낸 것과 같이 총 25개 보의 휨 실험을 수행하였다. 보 실험에는 3종의 GFRP 보강근 (AsUS, IsoCN, K2KR)을 사용하였고, 1개 보는 이음 없이 연속된 보강근을 사용하였으며, 나머지 24개 보는 모두 중앙부에서 보강근을 겹침이음하였다. 보 실험은 2차에 걸쳐서 수행되었다.
식 (4)는 보 및 슬래브의 휨 실험으로부터 얻어지고, 비선형 단면해석의 결과 결정된 평균부착강도를 통계적으로 분석한 결과이다. 분석 대상인 모든 휨 부재에서 최종 파괴모드는 콘크리트 쪼갬이었다. 또한 분석에 포함된 보 및 슬래브는 GFRP 보강근을 100% 이음하였고 (1개 슬래브만 부분 이음), 굽힘모멘트가 작용하는 구간에 이음부가 위치하였고, 또한 보수적으로 부착강도를 평가하기 위하여 스터럽을 사용하지 않았다.
3 mm). 슬래브 실험에서는 보 실험과 달리 한 종류의 GFRP 보강근 (K3KR)만이 사용되었다. 또한, 이 연구에서 피복두께 및 철근 간격에 대한 표기는 Fig.
실험적 연구에서는 총 4종의 D13 GFRP 보강근이 사용되었다. Fig.
데이터처리
1) 이 연구에서 수행한 실험 결과의 비선형 단면해석 및 단면해석 결과의 통계적 분석을 통하여 식 (7)을 GFRP 보강근의 이음설계식으로 제안하였다.
) 및 피복두께(C)를 정의하였고, 식 (2)의 기본식을 제안하였다. 또한 FRP 보강근의 정착 및 이음 설계식에 대한 ACI 440 위원회 보고서의 근간이 되는 Wambeke 등8)의 연구에서도 동일한 기본식을 채택하여 회귀분석을 실시하였다.
이 연구에서는 식 (2)를 기본 형태로 한 [case 1]과 식 (3)의 수정계수를 고려한 [case 2] 등 2가지 형태에 대해 총 34개 실험 결과를 이용한 2변수 선형 회귀분석을 실시하였고 회귀분석 결과를 Table 6에 정리하였다.
이론/모형
슬래브 실험에서는 보 실험과 달리 한 종류의 GFRP 보강근 (K3KR)만이 사용되었다. 또한, 이 연구에서 피복두께 및 철근 간격에 대한 표기는 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 ACI 408 위원회의 표기방법에 따랐다.9)
전술한 바와 같이 미국 ACI 440 위원회의 정착설계식은 이 연구와 동일한 방법 (즉, 실험 결과의 통계적 처리 기법)을 사용하였다.4,8) ACI 정착 설계식은 총 67개의 보 실험 및 유사 보 실험 (보 단부 실험, notch 보 실험) 결과에 근거하였고, 쪼갬파괴된 실험 결과만을 대상으로 하였다.
성능/효과
6(d)와 같이 보강근 간격이 피복 두께보다 크고 (cb < csi 또한 cso < csi), 이 경우 예상과 같이 측면 및 전면 쪼갬파괴 (side-and-face split)가 발생하였다.10) 균열발생은 보강근과 콘크리트 간 발생한 부착응력의 방사방향 분력에 의한 것으로 판단된다. 2차 보 실험 (15개)은 주근이 겹침이음되지 않은 한개의 보를 포함하였다.
2) 이 연구에서 제안된 이음설계식과 ACI 440 정착설계식을 비교한 결과, 모든 겹침이음을 B급 이음으로 가정하고 이음길이를 정착길이의 130%로 제안한 현재 ACI 440 위원회의 권고 사항은 피복두께가 작은 경우 비보수적이고, 반대로 피복두께가 큰 경우에는 비경제적인 것으로 판단된다.
0] 이상으로 제한하였다. 또한 피복두께가 증가함에 따라서 이음길이는 감소하므로, 보수적으로 ACI 440과 같이 상한선을 [cmin/db = 3.0]으로 제한할 필요가 있다고 판단되었다. 이 상한은 GFRP 보강근의 인발실험에서 파괴모드가 쪼갬으로부터 뽑힘 또는 보강근 파괴로 바뀌는 최소 피복두께에 해당한다.
회귀분석의 결과 [case 1]은 R2 = 0.792의 비교적 높은 상관성을 보이며, 5%분위수 (실제 강도가 공칭강도를 초과할 확률 95%에 대한 90%의 신뢰도)계수 n5% = 0.711이었다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
언제 유리섬유보강폴리머 보강근을 사용하여 설계하는가?
철근콘크리트 휨 부재에서 철근의 부식이 우려되는 경우, 미국, 캐나다 등에서는 이형철근을 대체하여 유리섬유보강폴리머 (glass fiber reinforced polymer, 이하 GFRP) 보강근을 사용하는 설계가 증가하고 있다. GFRP 보강근은 철근보다 높은 설계 인장강도를 갖고 있으나, 탄성계수는 철근의 1/4~1/5 수준으로 낮다.
GFRP 보강근의 장단점은?
철근콘크리트 휨 부재에서 철근의 부식이 우려되는 경우, 미국, 캐나다 등에서는 이형철근을 대체하여 유리섬유보강폴리머 (glass fiber reinforced polymer, 이하 GFRP) 보강근을 사용하는 설계가 증가하고 있다. GFRP 보강근은 철근보다 높은 설계 인장강도를 갖고 있으나, 탄성계수는 철근의 1/4~1/5 수준으로 낮다. 또한, 경량성, 비부식성 및 비자기성 등의 우수한 공학적 성질을 갖고 있는 반면에 낮은 탄성계수로 인한 과도한 처짐, 균열이 발생할 수 있고, 보강근의 선형거동으로 인한 취성파괴가 문제점이다. GFRP 보강근은 이형철근에 비하여 고가임에도 불구하고, 캐나다는 극한 기후로 인한 잦은 동해 방지용 염분 살포, 미국은 동남부의 고온다습한 기후 등으로 인하여 철근의 부식이 현실적인 문제이며, 이에 따라서 교량 상판 등에서의 GFRP 보강근 사용이 증가하고 있는 추세이다.
보 실험에 추가하여 총 11개의 일방향 슬래브를 제작하여 보 실험과 유사한 방법으로 휨 실험을 수행한 이유는?
GFRP 보강근은 이형철근의 부식이 우려되는 경우 주로 사용되므로 보 보다는 교량 상판에 적용하는 경우가 많다. 그러므로 보 실험에 추가하여 총 11개의 일방향 슬래브를 제작하여 보 실험과 유사한 방법으로 휨 실험을 수행하였다.
참고문헌 (14)
Japan Society of Civil Engineers (JSCE), “Recommendations for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials,”Concrete Engineering Series No. 23, 1997.
Architectural Institute of Japan, Design and Construction Guideline of Continuous Fiber Reinforced Concrete, AIJ, 2001.
CAN/CSA S806-02, Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers, Canadian Standard Association, Rexdale, Ontario, Canada, 2002: Annex H., Test Method for Bond Strength of FRP Rods by Pullout Testing.
ACI 440 Committee, Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars (ACI 440.1R-06), American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 2006.
최동욱, 하상수, 이창호 “인발실험에 의한 GFRP 보강근의 정착길이 제안,”콘크리트학회논문집, 19권, 3호, 2007, pp. 323-331.
한국건설기술연구원, FRP 복합재료 보강재 개발 및 이를 활용한 콘크리트구조물 건설기술 개발, 한국건설기술연구원, 1차년도 최종 보고서, 2004.
한국건설기술연구원, FRP 복합재료 보강재 개발 및 이를 활용한 콘크리트구조물 건설기술 개발, 한국건설기술연구원, 2차년도 최종 보고서, 2005.
Wambeke, B. W. and Shield, C. K., “Development Length of Glass Fiber-Reinforced Polymer Bars in Concrete,”ACI Structural Journal, Vol. 103, No. 1, 2006, pp. 11-17.
ACI 408 Committee, Bond and Development of Straight Reinforcing Bars in Tension (ACI 408R-03), American Concrete Institute, Detroit, Michigan, US, 2003, 49 pp.
Orangun, C. O., Jirsa, J. O., and Breen, J. E., “A Reevaluation of Test Data on Development Length and Splices,” ACI Journal, Vol. 74, No. 11, 1977, pp. 114-122.
Park R. and Pauley, T., Reinforced Concrete Structures, John Wiley and Sons, 1975, 769 pp.
Eshani M. R., Saadatmanesh H., and Tao S., “Design Recommendations for Bond of GFRP Rebars to Concrete,” ASCE J. of Structural Engineering, Vol. 122, No. 3, Mar. 1996, pp. 247-254.
Darwin, D., Tholen, M. L., Idun, E. K., and Zuo, J., “Splice Strength of High Relative Rib Area Reinforcing Bars,”ACI Structural Journal, Vol. 93, No. 1, 1996, pp. 95-107.
Haldar, A. and Mahadevan, S., Probability, Reliability and Statistical Methods in Engineering Design, John Wiley & Sons, Inc., 2000, 304 pp.
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