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다양한 표면형상에 따른 FRP 보강재의 부착특성 실험연구
An Experimental Study on Bond Characteristics of FRP Reinforcements with Various Surface-type 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.31 no.4A, 2011년, pp.279 - 286  

정우태 (한국건설기술연구원 구조교량연구실) ,  박영환 (한국건설기술연구원 구조교량연구실) ,  박종섭 (한국건설기술연구원 구조교량연구실)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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).
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참고문헌 (9)

  1. 박지선, 유영찬, 박영환, 유영준(2004) FRP 보강근의 부착 특성에 관한 실험적 연구, 2004 대한토목학회 정기학술대회, 대한토목학회. 

  2. 박영환 등(2008) FRP 긴장재 및 정착장치의 개발과 활용을 위한 연구, 연구보고서, 한국건설기술연구원. 

  3. 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 

  4. ASTM C 234 (1991) Standard Test Method for Comparing Concretes on the Basis of the Bond Developed with Reinforcing Steel. 

  5. CAN/CSA S806-02 (2002) Design and Construction of Building Components with Fibre Reinforced Polymers, Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario, Canada, pp. 177. 

  6. Cosenza E., Manfredi G., Realfonza R. (1997) Behavior and Modelling of Bond of FRP Rebars to Concrete, Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 1, No. 2, pp. 41-51. 

  7. JSCE (1997) Recommendation for design and construction of concrete structures using continuous fiber reinforcing materials, Concrete Engineering Series, No. 23, pp. 325. 

  8. 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. 

  9. 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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