본 연구에서는 전단보강이 없는 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보의 제작 및 파괴실험을 통하여 FRP bar와 철근의 탄성계수비, 휨보강근비 및 전단지간비의 영향을 동시에 고려하여 콘크리트 전단강도를 평가할 수 있는 수식을 제안하였다. 실험변수로서 2종류의 FRP bar, 3종류의 전단지간비 및 3종류의 휨보강근비를 사용하였으며, 총 36개의 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보를 제작하고 4점 휨 실험을 수행하였다. 전단지간비의 영향을 상세히 분석하기 위하여 앞서 연구된 2종류의 전단지간비에 대한 실험결과를 인용하였다. 실험자료들을 회귀분석하여 콘크리트 전단강도 계산에 필요한 전단강도보정계수를 구하는 수식을 제안하였다. 제안된 수식의 검증을 하기 위하여 여러 문헌으로부터 조사된 31개의 실험결과에 대하여 본 연구의 제안식과 다른 연구자들이 제안한 수식들을 함께 적용하여 비교 분석하였다. 그 결과, 본 연구에서 제안된 수식은 실험결과에 가장 근접하는 결과를 주는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 전단보강이 없는 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보의 제작 및 파괴실험을 통하여 FRP bar와 철근의 탄성계수비, 휨보강근비 및 전단지간비의 영향을 동시에 고려하여 콘크리트 전단강도를 평가할 수 있는 수식을 제안하였다. 실험변수로서 2종류의 FRP bar, 3종류의 전단지간비 및 3종류의 휨보강근비를 사용하였으며, 총 36개의 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보를 제작하고 4점 휨 실험을 수행하였다. 전단지간비의 영향을 상세히 분석하기 위하여 앞서 연구된 2종류의 전단지간비에 대한 실험결과를 인용하였다. 실험자료들을 회귀분석하여 콘크리트 전단강도 계산에 필요한 전단강도보정계수를 구하는 수식을 제안하였다. 제안된 수식의 검증을 하기 위하여 여러 문헌으로부터 조사된 31개의 실험결과에 대하여 본 연구의 제안식과 다른 연구자들이 제안한 수식들을 함께 적용하여 비교 분석하였다. 그 결과, 본 연구에서 제안된 수식은 실험결과에 가장 근접하는 결과를 주는 것을 알 수 있었다.
This study is to develop equations that consider the elastic modulus ratio of FRP bar and steel reinforcement, shear span to depth ratio, and flexural reinforcement ratio of FRP bar, to determine concrete shear strength of FRP reinforced concrete beams without shear reinforcement. As experimental pa...
This study is to develop equations that consider the elastic modulus ratio of FRP bar and steel reinforcement, shear span to depth ratio, and flexural reinforcement ratio of FRP bar, to determine concrete shear strength of FRP reinforced concrete beams without shear reinforcement. As experimental parameters, 2 types of FRP bar, 3 types of shear span to depth ratio, and 3 types of flexural reinforcement were used. Experimental results for two of shear span to depth ratio were quoted from previous study to evaluate effect of shear span to depth ratio in more detail. Shear strength correction factors needed for evaluating concrete shear strength were proposed from regression analysis using above experimental results. Equations suggested from this study and other codes were examined and compared with 31 experimental results available in the literature. From this comparison, it could be known that the equation suggested from this study gives the most approaching result to experimental results.
This study is to develop equations that consider the elastic modulus ratio of FRP bar and steel reinforcement, shear span to depth ratio, and flexural reinforcement ratio of FRP bar, to determine concrete shear strength of FRP reinforced concrete beams without shear reinforcement. As experimental parameters, 2 types of FRP bar, 3 types of shear span to depth ratio, and 3 types of flexural reinforcement were used. Experimental results for two of shear span to depth ratio were quoted from previous study to evaluate effect of shear span to depth ratio in more detail. Shear strength correction factors needed for evaluating concrete shear strength were proposed from regression analysis using above experimental results. Equations suggested from this study and other codes were examined and compared with 31 experimental results available in the literature. From this comparison, it could be known that the equation suggested from this study gives the most approaching result to experimental results.
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문제 정의
본 연구에서는 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보의 제작 및 파괴실험을 통하여 CSA에서 고려한 전단지간비 및 휨보강근비 이외에 추가로 FRP bar와 철근의 탄성계수비까지 동시에 고려하여 FRP 보강근을 사용한 콘크리트보의 콘크리트 전단강도를 평가할 수 있는 수식을 제안하고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서 행해진 실험결과와 김재영 등(2007) 및 정원일 등(2007)의 연구에서 2종류의 전단지간비(3.
본 연구에서는 식 (6)과 같이 철근콘크리트 구조물의 콘크리트 전단강도 식 (5)에 FRP bar와 철근의 탄성계수비, 전단지간비, 휨보강근비들이 고려된 계수 βf를 곱하여 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 구조물의 콘크리트 전단강도를 구하고자 하였다.
본 연구에서는 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 구조물의 콘크리트 전단강도를 정확하게 평가하기 위하여, FRP bar와 철근의 탄성계수비, 전단지간비, 휨보강근비를 달리한 일련의 콘크리트 보의 제작 및 파괴 실험을 수행하고 실험결과를 분석하였으며, 이들로부터 얻어진 결론들은 다음과 같다.
제안 방법
여러 문헌들에서 조사된 실험결과들에 대하여 본 연구에서 의 제안식과 다른 연구자들에 의하여 제안된 식을 함께 적용 및 비교하여 제안된 수식의 타당성을 검토하였다.
실험에 사용된 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보는 길이 3200 mm, 높이 250 mm, 폭 150 mm 및 200 mm로서 총 36개가 제작되었다. 실험의 정확성을 기하기 위하여 동일조건의 시험체를 각각 2개씩 제작하였다.
그림 4와 같이 단순지지된 상태에서 3종류의 전단지간비의 변화(a/d=1.5, 2.0, 2.5)를 주기 위하여 하중 가력점간의 거리를 변화시킬 수 있는 상태에서 4점 휨 실험을 수행하였으며, 250 kN의 Actuator를 사용하여 1 mm/min의 변위제어 방식으로 보가 파괴될 때까지 가력하였다. 가력된 하중은 Load cell로 측정하고, 실험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다.
5)를 주기 위하여 하중 가력점간의 거리를 변화시킬 수 있는 상태에서 4점 휨 실험을 수행하였으며, 250 kN의 Actuator를 사용하여 1 mm/min의 변위제어 방식으로 보가 파괴될 때까지 가력하였다. 가력된 하중은 Load cell로 측정하고, 실험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다. 또한 휨보강근의 중앙과 콘크리트 압축측 단면에 변형률게이지를 부착하여 각각의 변형률을 측정하였다.
가력된 하중은 Load cell로 측정하고, 실험체 중앙 하부에 LVDT를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다. 또한 휨보강근의 중앙과 콘크리트 압축측 단면에 변형률게이지를 부착하여 각각의 변형률을 측정하였다.
각각의 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보 시험체들에 대하여 정적파괴실험에서 구한 최대하중 값으로 부터 최대전단력을 구하였다. 즉, 2개의 동일 시험체로부터 구한 최대하중 평균값의 1/2을 최대전단력으로 하였다.
각각의 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보 시험체들에 대하여 정적파괴실험에서 구한 최대하중 값으로 부터 최대전단력을 구하였다. 즉, 2개의 동일 시험체로부터 구한 최대하중 평균값의 1/2을 최대전단력으로 하였다.
그러나 3종류의 휨보강근비 변화를 주기 위하여 보 시험체의 단면적을 달리하였기 때문에 콘크리트의 전단강도 분석은 최대전단력이 아닌 최대전단력을 보의 단면적으로 나눈 평균전단응력을 구하여 행하였다.
2. FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보에서 콘크리트 전단강도 산정에 필요한 전단강도보정계수 βf를 다음과 같이 FRP bar와 철근의 탄성계수비, 전단지간비 및 휨보강근비의 함수로 제안하였다.
대상 데이터
시험체 제작에 사용된 콘크리트는 설계기준강도 27 MPa의 레미콘을 사용하였으며, 배합표는 표 1과 같다. 표준양생한 3개의 공시체를 사용하여 구한 압축강도의 평균값은 31MPa이었다.
실험에 사용된 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보는 길이 3200 mm, 높이 250 mm, 폭 150 mm 및 200 mm로서 총 36개가 제작되었다. 실험의 정확성을 기하기 위하여 동일조건의 시험체를 각각 2개씩 제작하였다.
FRP bar는 그림 2에서와 같이 보의 인장부에 피복두께를 30 mm로 하여 각각 2본씩 배근하였다. 사용된 FRP bar는 𝜙9 mm의 CFRP 및 GFRP bar와 𝜙13 mm의 CFRP 및 GFRP bar 4종류이며 전단보강근은 사용되지 않았다.
즉, 첫 번째 문자는 두 종류의 FRP bar(CFRP 및 GFRP bar), 두 번째는 다섯 종류의 전단지간비(1.5~4.5), 세 번째는 세 종류의 휨보강근비(0.00331~0.00791)를 나타내기 위하여 사용되었으며, 마지막 문자는 두개의 동일한 시험체 구분을 위한 것이다.
이론/모형
본 연구에서 제안된 식의 타당성을 검토하기 위하여 여러 연구자들에 의하여 실험되었던 31개의 실험결과에 식 (6)-(8)을 적용하여 보았다. 또한 비교를 위하여 ACI 440.1R-06의 제안식 (2), CSA(2002)의 제안식 (3), (4)를 함께 적용하여 분석하였으며, 이들 결과를 표 5와 그림 9에 나타내었다.
성능/효과
시험체 제작에 사용된 콘크리트는 설계기준강도 27 MPa의 레미콘을 사용하였으며, 배합표는 표 1과 같다. 표준양생한 3개의 공시체를 사용하여 구한 압축강도의 평균값은 31MPa이었다.
최대하중 작용 시 각 실험체의 파괴 형상 중에서 대표적인 것을 그림 5에 나타내었다. 실험결과, 모든 실험체에서 휨 및 부착에 의한 파괴는 발생하지 않았고, 전단, 전단-압축 및 전단-인장 파괴가 발생하였다. 이는 전단파괴를 유도하기 위하여 전단보강근을 사용하지 않았고 또한 부착파괴를 방지하기 위하여 콘크리트 보를 양쪽 지점 외부로 500mm 씩 돌출시켜서 정착길이를 확보하였기 때문인 것으로 판단된다.
표 4와 그림 7에서 알 수 있듯이 평균전단응력은 CFRP 보강근을 사용한 시험체에서 GFRP 보강근을 사용한 시험체보다 크게 나타났고, 전단지간비가 작을수록 또한 휨보강근비가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 그림 7(a)에서 전단지간비 1.
본 연구의 제안식에 의하면 Vtest/Vcode의 평균값이 0.92이며 표준편차가 0.18로서 다른 제안식들에 비하여 실험값에 더 근접하는 결과를 나타내어 제안식의 우수성을 보여주고 있다. 특히 본 실험의 전단지간비 1.
1. FRP 보강근을 사용한 콘크리트 보에서 콘크리트의 평균 전단응력은 전단지간비가 작을수록, 또한 FRP bar와 철근의 탄성계수비 및 휨보강근비가 증가할수록 증가하였다.
3. ACI 440.1R-06, CSA(2002) 및 본 연구의 제안식을 여러 연구자들의 실험결과에 적용해본 결과, ACI의 제안식은 콘크리트 전단강도를 과소평가하는 경향을 보였다. CSA(2002)의 제안식은 실험치에 근접하는 결과를 보여주었으나, 전단지간비 2.
5 이하에서는 과소평가하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 제안식은 위의 제안식들에 비하여 평균적으로 실험 결과에 더욱 근접하는 결과를 보여주었다.
후속연구
본 연구에서 제안된 식들은 휨보강근비가 0.331~0.791% 범위에 한정된 시험체들로부터 구한 식이므로, 보다 일반화하기 위하여 추후 휨보강근비 범위의 확장에 따른 연구가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 구조물에서 철근의 대체제 FRP는 어떤 특성을 가지고 있는가?
현재 철근콘크리트 구조물에서 철근의 대체제로서 연구가 진행되고 있는 신소재 재료는 대표적으로 FRP(Fiber Reinforced Polymer) bar이다. FRP bar는 중량대비 인장강도가 크고 비부식성, 비전·자기성 등의 장점 및 취성적인 특성을 갖고 있다. 따라서 1990년대 이후 미국, 유럽, 일본, 캐나다 등에서 철근콘크리트 구조물에 철근을 대신하여 FRP bar를 사용하기 위한 연구가 진행되어 왔으며, 현재 FRP 보강근을 사용한 콘크리트 구조물의 설계기준을 제시해 가고 있는 실정이다(ACI440.
철근콘크리트 구조물의 내구성 단축에 기인하는 것은 무엇인가?
철근콘크리트 구조물의 장기적인 내구성 확보는 건설 산업에서 지속적으로 주 관심사가 되어오고 있다. 철근콘크리트 구조물의 내구성 단축은 염해 및 해양환경 등에서의 사용에 따른 철근의 부식에 주로 기인하며, 이에 따라 과다한 보수·보강 및 유지 관리 비용을 초래하게 된다(문한영 등, 2001; El-sayed et al., 2006).
현재 철근콘크리트 구조물에서 철근의 대체제로서 연구가 진행되고 있는 신소재 재료에는 무엇이 있는가?
현재 철근콘크리트 구조물에서 철근의 대체제로서 연구가 진행되고 있는 신소재 재료는 대표적으로 FRP(Fiber Reinforced Polymer) bar이다. FRP bar는 중량대비 인장강도가 크고 비부식성, 비전·자기성 등의 장점 및 취성적인 특성을 갖고 있다.
참고문헌 (18)
김재영, 김명갑, 김충호, 장희석(2007) GFRP bar 콘크리트 보의 전단지간비 및 휨보강근비 변화에 따른 콘크리트 전단강도, 2007 가을학술발표회 논문집, 한국콘크리트학회, 제19권 2호, pp. 113-116.
노경배, 진치섭, 장희석, 김희성, 황금식(2006) FRP bar 콘크리트 보의 휨보강근비 변화에 따른 콘크리트 전단강도, 한국구조물진단학회논문집, 한국구조물진단학회, 제10권 2호, pp. 76-82.
문도영, 오홍섭, 심종성(2005) 이형 리브를 갖는 CFRP 보강근의 부착성능에 관한 실험적 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제25권 제5A호, pp. 719-726.
문한영, 김성수, 김홍삼(2001) 우리나라 콘크리트 구조물의 철근 부식 현황, 콘크리트학회지, 한국콘크리트학회, 제13권 5호, pp. 58-63.
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