FRP 긴장재는 PS 강연선의 부식 문제를 해결하기 위한 대안으로써 사용될 수 있으며, FRP 긴장재의 재료특성(부착강도, 인장강도, 전달길이 등)은 구조물에 적용하기 위해서 결정되어야 한다. 재료특성 중에 부착은 FRP 긴장재로 긴장된 PSC 구조물에 적용하기 위해 명확하게 요구되어야 한다. 이 연구는 다양한 표면형상을 갖는 FRP 보강재의 부착특성을 연구하였다. 콘크리트의 철근과 강연선 대신에 사용되는 FRP 재료의 부착특성을 결정하기 위해 CAN/CSA S806-02에서 제안된 직접인발 시험을 수행하였다. 강연선, 이형 철근, 6가지 다른 표면 형상을 갖는 탄소 또는 유리섬유 FRP 보강재에 대하여 총 40개의 시편이 제작되었다. 부착실험 결과 각 실험체의 다양한 부착응력-슬립 곡선을 나타냈고, 국내에서 제작된 CFRP 긴장재의 부착특성과 비교하였다.
FRP 긴장재는 PS 강연선의 부식 문제를 해결하기 위한 대안으로써 사용될 수 있으며, FRP 긴장재의 재료특성(부착강도, 인장강도, 전달길이 등)은 구조물에 적용하기 위해서 결정되어야 한다. 재료특성 중에 부착은 FRP 긴장재로 긴장된 PSC 구조물에 적용하기 위해 명확하게 요구되어야 한다. 이 연구는 다양한 표면형상을 갖는 FRP 보강재의 부착특성을 연구하였다. 콘크리트의 철근과 강연선 대신에 사용되는 FRP 재료의 부착특성을 결정하기 위해 CAN/CSA S806-02에서 제안된 직접인발 시험을 수행하였다. 강연선, 이형 철근, 6가지 다른 표면 형상을 갖는 탄소 또는 유리섬유 FRP 보강재에 대하여 총 40개의 시편이 제작되었다. 부착실험 결과 각 실험체의 다양한 부착응력-슬립 곡선을 나타냈고, 국내에서 제작된 CFRP 긴장재의 부착특성과 비교하였다.
FRP (Fiber Reinforced Polymer) tendons can be used as an alternative to solve the corrosion problem of steel tendons. Material properties of FRP tendons-bond strength, transfer length, development length-must be determined in order to apply to concrete structures. First of all, in case of applicatio...
FRP (Fiber Reinforced Polymer) tendons can be used as an alternative to solve the corrosion problem of steel tendons. Material properties of FRP tendons-bond strength, transfer length, development length-must be determined in order to apply to concrete structures. First of all, in case of application for pretension concrete members with CFRP tendons, transfer length is an important characteristic. The bond of the material characteristics should be demanded clearly to apply to PSC structures prestressed with FRP tendons. This paper investigated on the bond characteristics of FRP reinforcements with various surface-type. To determine the bond characteristics of FRP materials used in place of steel reinforcement or prestressing tendon in concrete, pull-out testing suggested by CAN/CSA S806-02 was performed. A total of 40 specimens were made of concrete cube with steel strands, deformed steel bar and 6 different surface shape FRP materials like carbon or E-glass. Results of the bonding tests presented that each specimen showed various behaviors as the bond stress-slip curve and compared with the bond characteristic of CFRP tendon developed in Korea.
FRP (Fiber Reinforced Polymer) tendons can be used as an alternative to solve the corrosion problem of steel tendons. Material properties of FRP tendons-bond strength, transfer length, development length-must be determined in order to apply to concrete structures. First of all, in case of application for pretension concrete members with CFRP tendons, transfer length is an important characteristic. The bond of the material characteristics should be demanded clearly to apply to PSC structures prestressed with FRP tendons. This paper investigated on the bond characteristics of FRP reinforcements with various surface-type. To determine the bond characteristics of FRP materials used in place of steel reinforcement or prestressing tendon in concrete, pull-out testing suggested by CAN/CSA S806-02 was performed. A total of 40 specimens were made of concrete cube with steel strands, deformed steel bar and 6 different surface shape FRP materials like carbon or E-glass. Results of the bonding tests presented that each specimen showed various behaviors as the bond stress-slip curve and compared with the bond characteristic of CFRP tendon developed in Korea.
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문제 정의
따라서 CFRP 긴장재 시작품의 부착성능을 조기에 측정할 수 있다면 CFRP 긴장재의 시제품 개발 및 개선사항 반영 속도도 빨라질 것으로 판단된다. 따라서 콘크리트의 양생기간을 단축하기 위하여 일반 콘크리트 대신 초속경 모르타르(압축강도:33 MPa)를 사용하여 조기에 시작품의 부착 강도를 확인하고자 한다. 일반적인 초속경 모르타르는 7일 만에 강도가 발현되므로 일반 부착강도시험보다 빠르게 시제품의 부착특성 파악이 가능하다.
이 연구에서는 FRP 긴장재의 부착성능에 영향을 주는 여러 요소 중, 외부 형상에 따른 부착 특성을 파악하기 위하여 외국에서 상용화되고 있는 다양한 종류의 FRP 긴장재(스트랜드형, 이형, 브레이드형)와 FRP 보강근(이형, 모래분사형, 나선형), 철근, 강연선에 대하여 CAN/CSA S806-02(2002) 에서 제안한 시험법에 따라 총 40개의 시험체를 제작하여 부착 응력과 슬립과의 관계를 고찰하였다. 또한 국내에서 제작된 다양한 표면형상을 갖는 CFRP 긴장재의 부착특성을 상용 FRP 보강재의 부착특성과 비교하고자 한다.
실험에 사용한 긴장재와 보강근은 스트랜드형의 Carbon FRP(a), 이형(b) 및 브레이드형(c)의 Aramid FRP, 이형(e)과 나선형(f) 및 모래분사형(g) Glass FRP, 강연선 (d), 철근(h) 등을 선정하여 실험을 수행하였다. 또한 국내에서 제작한 CFRP 긴장재의 부착특성을 파악하기 위해 스트랜드형(i, j) 및 원형단면(k, l, m, n)에 피복형상을 달리하여 부착실험을 수행하고자 한다. 원형단면인 경우, 피복제조시 X형상이 조밀한 경우(k, l)와 그렇지 않은 경우(m, n), 알루미늄 옥사이드 코팅 유무(l, n)를 변수로 하였다.
이 연구에서는 FRP 긴장재의 부착성능에 영향을 주는 여러 요소 중, 외부 형상에 따른 부착 특성을 파악하기 위하여 외국에서 상용화되고 있는 다양한 종류의 FRP 긴장재(스트랜드형, 이형, 브레이드형)와 FRP 보강근(이형, 모래분사형, 나선형), 철근, 강연선에 대하여 CAN/CSA S806-02(2002) 에서 제안한 시험법에 따라 총 40개의 시험체를 제작하여 부착 응력과 슬립과의 관계를 고찰하였다. 또한 국내에서 제작된 다양한 표면형상을 갖는 CFRP 긴장재의 부착특성을 상용 FRP 보강재의 부착특성과 비교하고자 한다.
이 연구에서는 다양한 표면형상을 갖는 FRP 보강재의 부착특성을 파악하기 위하여 FRP 종류 및 FRP 긴장재와 FRP 보강근의 외부 형태를 주요변수로 선정하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 긴장재와 보강근은 스트랜드형의 Carbon FRP(a), 이형(b) 및 브레이드형(c)의 Aramid FRP, 이형(e)과 나선형(f) 및 모래분사형(g) Glass FRP, 강연선 (d), 철근(h) 등을 선정하여 실험을 수행하였다.
가설 설정
각 표면형상별 부착강도는 부착면 전체에 동등하게 분배된다고 가정하여 평균부착강도를 다음과 같이 산정하였다.
제안 방법
그립 길이를 포함하여 시험체에 사용된 긴장재의 전체 길이는 600 mm로 하였다. 모르타르 타설 후 13일 양생 후 PVC 몰드 탈형과 동시에 부착 시험을 수행하였다. 그림 4 및 그림 5는 각각 급속 부착 시험체 제작에 사용된 PVC 몰드의 형상과 급속 부착 시험체 형상이다.
하중은 최대 980 kN 용량의 만능시험기를 사용하여 변위 제어로 10 mm까지는 0.021 mm/sec의 속도로 이후 실험 종료시까지는 0.042 mm/sec의 속도로 가력하였으며, 시험체의 자유단과 하중단에서의 슬립은 LVDT를 이용하여 측정하였다(한국건설기술연구원, 2008).
대상 데이터
(g) Glass FRP, 강연선 (d), 철근(h) 등을 선정하여 실험을 수행하였다.
급속 부착 시험체 몰드의 재료는 직경 100 mm의 PVC 몰드를 사용하였으며 묻힘 길이는 4D로 기존의 표준시험법과 동일하게 하였다. 그립 길이를 포함하여 시험체에 사용된 긴장재의 전체 길이는 600 mm로 하였다. 모르타르 타설 후 13일 양생 후 PVC 몰드 탈형과 동시에 부착 시험을 수행하였다.
급속 부착 시험체 몰드의 재료는 직경 100 mm의 PVC 몰드를 사용하였으며 묻힘 길이는 4D로 기존의 표준시험법과 동일하게 하였다. 그립 길이를 포함하여 시험체에 사용된 긴장재의 전체 길이는 600 mm로 하였다.
시험체 제작용 거푸집은 ASTM C234(1991)의 방법에 의거하여 제작하였으며, 타설 후 24시간 경과 후에 탈형하였다. 보강재의 부착길이는 보강근 공칭지름의 4배로 하였으며, 그립 길이를 포함하여 시험체에 사용된 보강재의 전체 길이는 800 mm로 하였다. 그림 2는 시험체의 형상 및 치수를 나타내고 그림 3은 시험체 제작을 나타낸다.
이론/모형
각 FRP 보강재에 대한 부착특성을 파악하기 위한 시험체의 제작과 시험은 CAN/CSA S806-02에서 제안한 방법에 따라 실시하였다. 각각의 시편은 1면의 길이가 150mm인 콘크리트 입방체에 1개의 보강재를 수직으로 콘크리트 입방체의 중심에 설치한다.
콘크리트는 4번에 나누어 같은 두께로 타설하고 각각의 콘크리트 층에 대하여 다짐봉으로 약 25회 다졌다. 시험체 제작용 거푸집은 ASTM C234(1991)의 방법에 의거하여 제작하였으며, 타설 후 24시간 경과 후에 탈형하였다. 보강재의 부착길이는 보강근 공칭지름의 4배로 하였으며, 그립 길이를 포함하여 시험체에 사용된 보강재의 전체 길이는 800 mm로 하였다.
성능/효과
1. 스트랜드형 CFRP 긴장재는 8 MPa을 약간 상회, 이형 AFRP 긴장재는 11 MPa 내외, 브레이드형 AFRP 긴장재는 15 MPa 내외의 부착응력값을 나타내었으며, 스트랜드형 강연선은 시험체 중에서 가장 낮은 3 MPa 미만의 부착응력값을 보여주었다.
이는 1차에 사용된 PVA 섬유와 비교할 때, 2차에 사용된 PE 섬유의 두께가 얇기 때문인 것으로 판단된다. 1차와 부착성능을 비교해보면 2차의 부착강도가 10.08 MPa로 비슷하였지만 최대부착강도이후 긴장재가 모르타르를 빠져나오기까지의 하중 반복 주기와 진폭은 크게 감소한 것으로 나타났다.
2. 이형 철근은 최대 평균부착응력이 26 MPa로 시험체 중 가장 큰 부착 성능을 보였으며, 이형, 나선형, 및 모래분 사형의 GFRP 보강근은 15~17 MPa 내외의 범위에서 비교적 유사한 부착응력값을 보여주고 있다.
3. 스트랜드형 강연선은 시험체 중 가장 작은 부착응력을 보였으며 초기의 최대 부착응력 이후 주기가 매우 작은 형태로 기계적인 맞물림 효과(Mechanical Interlocking)가 지속적으로 이루어지면서 초기 최대 부착하중을 상회하는 곡선을 보여주는데 외부형태가 유사한 스트랜드형 CFRP 긴장재에 비교하면 응력과 반복주기에서 매우 큰 차이를 확인할 수 있다.
4. 스트랜드 형상보다는 이형 및 제직형상이 부착응력이 높은 것으로 나타났고, 여기에 규사 코팅 등의 표면처리를 추가하면 부착성능은 더 향상되는 것으로 나타났다.
5. 국내에서 제작된 원형단면에 X형으로 제직된 피복이 있는 CFRP 긴장재의 부착특성을 확인한 결과, FRP 긴장재 평균보다 약 20% 향상되었고, 옥사이드 코팅한 경우는 FRP 보강근 평균과 유사한 결과를 보였이므로 피복 제직 형상과 옥사이드 코팅 유무는 부착특성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 감사의 글 본 논문은 건설핵심기술 연구개발사업의 지원에 의하여 연구되었으며 관계 제위께 깊은 감사를 드립니다.
브레이드형, 이형, 나선형, 모래분사형 FRP의 평균부착응력은 15~16 MPa로 유사하지만, 모래분사형이 이형 FRP 보다 약 6% 향상된 결과를 보였다. FRP 및 강재 스트랜드형의 평균부착응력은 각각 8.73 MPa, 2.99 MPa로 낮게 나타났다.
스트랜드 형상보다는 이형 및 제직형상이 부착응력이 높은 것으로 나타났고, 여기에 규사 코팅 등의 표면처리를 추가하면 부착성능은 더 향상되는 것으로 나타났다. 국내에서 제작된 원형단면의 X형 제직 피복을 갖는 시편에 옥사이드 코팅을 추가한 결과 부착성능은 16% 이상 향상되었다.
국내에서 제작된 이형의 GFRP 보강근은 외부에 돌출된 리브와 콘크리트 계면과의 충분한 지압력을 바탕으로 최대 부착응력인 16.88MPa까지 상승 후 일정길이 동안 부착응력을 유지하다가 리브가 파괴됨과 동시에 콘크리트의 할렬파괴로 인하여 다소 급한 기울기로 감소되는 것으로 나타났다.
국내에서 제작된 스트랜드형 CFRP 긴장재는 상용 긴장재보다 15% 이상 부착성능이 향상되었지만, 다른 상용 FRP 긴장재 평균보다는 약 14% 작은 수준이다. 그러나 원형단면의 X형으로 제직된 피복이 있는 CFRP 긴장재의 부착특성은 FRP 긴장재 평균보다 약 20% 향상되었고, 옥사이드 코팅한 경우는 FRP 보강근 평균과 유사한 결과를 보였다.
기존에 스트랜드형 1차와 2차는 각각 10 MPa 내외의 부착응력값을 나타내었으며, 원형인 경우 부착응력이 기존에 비해 약 140%이상 증진된 것으로 나타났다.
나선형 GFRP 보강근은 최대 부착응력인 16.20MPa에 도달한 후, GFRP의 나선형으로 만입된 표면과 계면 콘크리트 사이의 지압력으로 발휘된 부착응력이 만입된 보강근표면의 일부탈락으로 인하여 서서히 완만한 곡선을 그리며 감소하는 것으로 나타났다.
모래분사형 GFRP 보강근은 GFRP 표면에 코팅한 규사와 계면 콘크리트와의 마찰력으로 부착성능을 발휘하면서 최대 부착응력인 17.45MPa에 도달한 직 후, 콘크리트와의 부착이 갑자기 저하되면서 부착응력이 급격하게 감소하는 경향을 나타냈다.
스트랜드형, 이형, 나선형, 모래분사형 등의 다양한 표면형상에 대한 부착특성 실험을 수행한 결과, 평균부착응력은 이형 철근이 가장 우수한 것으로 나타났다. 브레이드형, 이형, 나선형, 모래분사형 FRP의 평균부착응력은 15~16 MPa로 유사하지만, 모래분사형이 이형 FRP 보다 약 6% 향상된 결과를 보였다. FRP 및 강재 스트랜드형의 평균부착응력은 각각 8.
09 MPa로 나타났다. 스트랜드 형상보다는 이형 및 제직형상이 부착응력이 높은 것으로 나타났고, 여기에 규사 코팅 등의 표면처리를 추가하면 부착성능은 더 향상되는 것으로 나타났다. 국내에서 제작된 원형단면의 X형 제직 피복을 갖는 시편에 옥사이드 코팅을 추가한 결과 부착성능은 16% 이상 향상되었다.
스트랜드형 강연선은 시험체 중 가장 작은 부착응력인 2.93 MPa을 보였으며 초기의 최대 부착응력 이후에 주기가 매우 작은 형태로 기계적인 맞물림 효과가 이루어지면서 초기 최대 부착하중을 상회하는 곡선을 나타냈다. 외부형태가 유사한 스트랜드형 CFRP 긴장재에 비해 응력과 반복주기에서 매우 큰 차이를 보였다.
그림 8은 표면형상별 평균 부착응력을 나타냈다. 스트랜드형, 이형, 나선형, 모래분사형 등의 다양한 표면형상에 대한 부착특성 실험을 수행한 결과, 평균부착응력은 이형 철근이 가장 우수한 것으로 나타났다. 브레이드형, 이형, 나선형, 모래분사형 FRP의 평균부착응력은 15~16 MPa로 유사하지만, 모래분사형이 이형 FRP 보다 약 6% 향상된 결과를 보였다.
시험 결과에 따르면 부착성능에서 표피의 제직형식은 적당히 성근경우가 유리한 것으로 보이며, 옥사이드코팅은 부착 강도향상에 일정부분 기여는 하나 그 양은 표피형식보다 작은 것으로 나타났다.
실험결과 측정된 전체 평균부착응력은 14.12 MPa, 이 가운데 PS 강선 및 철근을 뺀 FRP 긴장재와 FRP 보강근의 평균부착응력은 각각 11.75 MPa, 16.09 MPa로 나타났다. 스트랜드 형상보다는 이형 및 제직형상이 부착응력이 높은 것으로 나타났고, 여기에 규사 코팅 등의 표면처리를 추가하면 부착성능은 더 향상되는 것으로 나타났다.
이형 철근은 부착메커니즘의 요소중 지압력의 저항성이 커서 가장 큰 부착성능을 나타낸 반면, 이와 유사한 형상의 이형 FRP는 거동 초기에 돌출된 리브부분에서 지압력으로 저항하지만 거동 후기에는 리브가 파괴되기 때문에 부착성능의 차이를 보였다. 모래분사형 FRP의 경우, 이형 FRP의 부착성능보다 우수하지만, 거동 후기에 코팅된 규사가 FRP 표면에서 벗겨지는 파괴를 보였다.
이형 철근은 시험체 중 가장 큰 부착 성능인 26.6 MPa을 보였으며, 콘크리트의 할렬 파괴이후 급격하게 부착응력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 철근에 부착된 리브가 계면콘크리트의 지압파괴를 유도하면서 생긴 결과로 판단된다.
표피의 제직형식이 조밀하며 옥사이드 코팅처리를 안한 실험체의 평균부착응력이 7.86 MPa로 가장 낮게 나왔으며, 제직형식이 규칙적으로 적당히 성글며 옥사이드 코팅처리를 한 실험체의 평균부착응력이 16.36 MPa로 가장 우수하게 나타났다.
후속연구
현재 시제품 전단계인 CFRP 긴장재는 역학적 특성 시험을 통하여 계속적인 개선 사항이 도출되며, 이러한 개선사항을 반영하여 최종적인 시제품을 생산하기 위해서는 관련 시험을 계속 수행해야 한다. 따라서 CFRP 긴장재 시작품의 부착성능을 조기에 측정할 수 있다면 CFRP 긴장재의 시제품 개발 및 개선사항 반영 속도도 빨라질 것으로 판단된다. 따라서 콘크리트의 양생기간을 단축하기 위하여 일반 콘크리트 대신 초속경 모르타르(압축강도:33 MPa)를 사용하여 조기에 시작품의 부착 강도를 확인하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FRP 긴장재가 콘크리트와의 복합 작용을 통해 내부 슬립 없이 외력에 저항하기 위해서는 무엇이 중요한가?
최근 선진국들을 중심으로 유리나 탄소 등 내부식성이 강한 섬유복합재료(Fiber Reinforced Polymer Composites)를 활용한 보강근 및 긴장재의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 콘크리트 구조물에 성공적으로 적용된 사례가 증가하면서 향후 그 이용이 급속히 확대될 것으로 예상된다(한국건설기술 연구원, 2008). 이러한 장점을 지니는 FRP 긴장재가 콘크리트와의 복합작용을 통해 내부 슬립없이 외력에 저항하기 위해서는 FRP 재료강도를 발현할 수 있는 정착길이가 규명되어야 하고 정착길이는 부착특성을 근거로 하므로 FRP와 콘크리트간의 부착특성을 파악하는 것은 중요하다.
콘크리트 속에 묻힌 FRP 보강재의 부착거동의 요소 중, 역학적인 관점에서 부착 거동을 지배하는 인자에는 무엇이 있는가?
콘크리트 속에 묻힌 FRP 보강재의 부착거동은 화학적인 점착, 표면 거칠기에 의한 마찰, 기계적인 맞물림, 콘크리트건조수축으로 인한 FRP 보강재에 가해지는 정수압, 온도변화와 수분흡수에 의한 FRP 보강재의 팽창과 같은 여러 요소들이 있다. 이 중에서 역학적인 관점에서 부착거동을 지배하는 인자는 점착력(Adhesion), 마찰력(Friction) 및 지압력(Bearing)이며 그림 1과 같다.
역학적인 관점에서 부착거동을 지배하는 인자인, 점착력과 마찰력 및 지압력은 각각 무엇에 의해 발생하는가?
점착력은 FRP 보강재의 표면과 주변 콘크리트 사이의 화학적 작용에 의하여 발생하고, 마찰력은 FRP 보강재 표면의 거칠기에 의하여 발생한다. 지압력은 보강재의 형상에 따른 기계적인 맞물림(Mechanical Interlocking)에 의하여 나타나는 작용이다. 인발시험에서 FRP 보강재에 인장력을 가하면 초기에는 화학적인 점착력이 주로 인장력에 저항하고, 점착력이 감소된 후에는 마찰이나 지압으로 대치되어 부착성능이 발휘된다(박지선 등, 2004).
참고문헌 (9)
박지선, 유영찬, 박영환, 유영준(2004) FRP 보강근의 부착 특성에 관한 실험적 연구, 2004 대한토목학회 정기학술대회, 대한토목학회.
박영환 등(2008) FRP 긴장재 및 정착장치의 개발과 활용을 위한 연구, 연구보고서, 한국건설기술연구원.
ACI Committee 440 (2004) Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures, ACI 440.3R-04, American Concrete Institute, Detroit, pp. 20-22
ASTM C 234 (1991) Standard Test Method for Comparing Concretes on the Basis of the Bond Developed with Reinforcing Steel.
CAN/CSA S806-02 (2002) Design and Construction of Building Components with Fibre Reinforced Polymers, Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario, Canada, pp. 177.
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Kanakubo, T., Yonemaru, K., Fukuyama, H., Fujisawa, M., and Sonobe, Y. (1993) Bond performance of concrete members reinforced with FRP bars, Proc. Int. Symp. on Fiber Reinforced Plastic Reinforcement for Concrete Struct., ACI SP-138, A. Nanni and C. W. Dolan, eds.
Makitani, E., Irisawa, I., and Nishiura, N. (1993) Investigation of bond in concrete member with fiber reinforced plastic bars, Proc., Int. Symp. on Fiber Reinforced Plastic Reinforcement for Concrete Struct.; ACI SP-138, A. Nanni and C. W. Dolan, eds.
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