표면매입보강방법으로 콘크리트내에 매입된 FRP판과 콘크리트 사이의 부착거동 Bond Behavior between Near-Surface-Mounted Fiber Reinforced Polymer Plates and Concrete in Structural Strengthening원문보기
최근 콘크리트 구조물의 보강시 사용되는 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 보강에서, 철근콘크리트의 피복부분에 홈을 형성하고 이 홈내부에 FRP 바를 삽입한 후 에폭시모르타르 등으로 보강하는 방법, 즉 표면매입보강(near-surface-mounted retrofit, NSMR)방법의 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이 연구는 FRP 판을 철근콘크리트 표면에 매입보강시 FRP 판의 부착 특성을 실험적으로 연구한 논문이다. FRP 판의 매입 길이, 전단키의 유무, 보강열수 등을 변수로 부착 실험을 실시하여 파괴 기구를 관찰하고 이를 근거로 콘크리트 할렬 파괴시의 인발강도를 산정할 수 있는 강도식을 제안하였다. 실험 결과 매입 길이가 길수록 인발 내력은 증가하며 FRP 판의 열수가 증가할수록 내력이 증진되는 것으로 나타났다. 콘크리트의 할렬 파괴를 고려하여 내력을 산정한 결과 실험 결과와 좋은 대응을 보이는 것으로 나타났다.
최근 콘크리트 구조물의 보강시 사용되는 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 보강에서, 철근콘크리트의 피복부분에 홈을 형성하고 이 홈내부에 FRP 바를 삽입한 후 에폭시 모르타르 등으로 보강하는 방법, 즉 표면매입보강(near-surface-mounted retrofit, NSMR)방법의 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이 연구는 FRP 판을 철근콘크리트 표면에 매입보강시 FRP 판의 부착 특성을 실험적으로 연구한 논문이다. FRP 판의 매입 길이, 전단키의 유무, 보강열수 등을 변수로 부착 실험을 실시하여 파괴 기구를 관찰하고 이를 근거로 콘크리트 할렬 파괴시의 인발강도를 산정할 수 있는 강도식을 제안하였다. 실험 결과 매입 길이가 길수록 인발 내력은 증가하며 FRP 판의 열수가 증가할수록 내력이 증진되는 것으로 나타났다. 콘크리트의 할렬 파괴를 고려하여 내력을 산정한 결과 실험 결과와 좋은 대응을 보이는 것으로 나타났다.
Recently, in retrofit of RC structures using FRP (Fiber Reinforced Polymer), researches about Near-Surface-Mounted Rertofit (NSMR) method have been widely performed. In NSMR, FRP bar is normally inserted in the slit formed in the cover concrete and then bonded by using epoxy mortar. In this paper, t...
Recently, in retrofit of RC structures using FRP (Fiber Reinforced Polymer), researches about Near-Surface-Mounted Rertofit (NSMR) method have been widely performed. In NSMR, FRP bar is normally inserted in the slit formed in the cover concrete and then bonded by using epoxy mortar. In this paper, the bond characteristic of NSMR using FRP plate instead of bar was studied experimentally. Fracture behavior is observed from bond test using the parameters of embedment length, shear key, and FRP plate layer. In addition, an equation to predict the splitting strength of NSMR using FRP is proposed using the test result. The results showed that when the longer embedment length and more layers of FRP are used, the higher bond strength is achieved. There was a good co-relationship between the test and calculated results using the proposed equation.
Recently, in retrofit of RC structures using FRP (Fiber Reinforced Polymer), researches about Near-Surface-Mounted Rertofit (NSMR) method have been widely performed. In NSMR, FRP bar is normally inserted in the slit formed in the cover concrete and then bonded by using epoxy mortar. In this paper, the bond characteristic of NSMR using FRP plate instead of bar was studied experimentally. Fracture behavior is observed from bond test using the parameters of embedment length, shear key, and FRP plate layer. In addition, an equation to predict the splitting strength of NSMR using FRP is proposed using the test result. The results showed that when the longer embedment length and more layers of FRP are used, the higher bond strength is achieved. There was a good co-relationship between the test and calculated results using the proposed equation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
1 mm, 깊이 20 mm의 홈에 매입하였다. 보강재의 단면적은 거의 유사하도록 하여, 보강 방법에 따른 부착성능 차이를 구명하고자 하였다.
이 연구에서는 이들 연구에 연속된 연구로서, 실험을 통하여 FRP 판을 이용한 표면매입보강시 인발력에 대한 거동 및 파괴 양상을 관찰하고 부착 내력을 평가할 수 있는 방법을 연구하고자 한다.
이에 따라 이 연구에서는 실험을 통하여 FRP 판을 이용한 표면매입보강시 인발력에 대한 거동 및 파괴 양상을 관찰하고 부착 내력 평가 방법을 연구하고자 한다.
이에 따라 정우태,1) 임동환,2) EI-Hacha와 Rizkalia,3) Yost4) 그리고 Blaschko5) 등은 콘크리트 부재에 폭이 좁고 깊이가 긴 홈을 형성하고 이 내부에 FRP 판을 세로로 세워서 매입하여 보강하는 비교적 시공이 용이한 방안을 강구하고 이에 대한 연구를 실시하였다. 이들의 연구 결과는 이 방법이 다른 NSMR 방법에 비하여 홈작업이 용이하고, 홈내에 삽입된 FRP 판의 부착력이 높아 보강 효율이 높은 것으로 보고하고 있다.
제안 방법
또한 하중 가력 시 FRP의 변형률을 측정하기 위해 콘크리트의 박리가 예상되는 지점에 30 mm간격으로 부착 길이 150 mm의 실험체인 경우 5개, 200 mm 7개, 300 mm 10개의 변형률 게이지를 부착하여 FRP 보강재의 인장 변형률을 측정하였다.
실험체의 균형을 위해 양단부에 롤러와 힌지를 사용하였고, 점진적으로 하중 컨트롤을 하여 측정은 정적응력 측정기인 TDS-602를 사용하여 측정하였다.
전단키가 있는 경우, 지름 20 mm 깊이 17 mm로 전단키를 제작하고 전단키가 1개일 때 가력 방향에서 50 mm위치에 설치하고, 2개일 때는 65 mm 간격(부착 길이 150 mm), 90 mm간격(부착 길이 200 mm), 140 mm(부착 길이 300 mm) 간격으로 설치를 하였으며 측정부위 보다 비측정 부위가 먼저 파괴되는 것을 방지하기 위하여 비측정 블럭 실험체에는 400 mm의 부착 길이와 4개의 전단키 그리고 폭 300 mm의 FRP 시트로 추가 보강을 실시하였다. 그리고 FRP 판 중앙부에 길이 방향으로 30 mm 간격으로 변형률 게이지를 부착하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 FRP 보강재는 탄소섬유계로서 두께 1.2 mm, 폭 50 mm로서 표면부착 보강시에는 1매를 부착 보강하였다. 표면매입보강시에는 폭 50 mm의 FRP 판을 16 mm의 폭으로 삼등분하고 이를 1줄로 겹쳐 부착시킨 뒤 폭 7.
실험에서 고려한 주요 변수는 매입 길이와 전단키의 개수, FRP 판의 개수이다. 실험 방법은 ACI 440.
실험체는 200 × 200 × 400 mm의 두개의 콘크리트 블록에 지름 30 mm의 파이프를 블록 중앙에 매설하여 제작을 하였다.
실험체는 200 × 200 × 400 mm의 두개의 콘크리트 블록에 지름 30 mm의 파이프를 블록 중앙에 매설하여 제작을 하였다. 실험체에 사용된 콘크리트는 레디믹스트 콘크리트로, 배합강도 21 MPa을 기준으로 사용하였다.
이 연구의 실험체에 사용된 콘크리트의 28일 압축강도는 21 MPa이고 CFRP 보강재는 S사의 Carbodur-Plate S512/80이며 두께 1.2 mm로서 인장강도는 2,800 MPa, 탄성계수는 160,000 MPa이다. 접착용 레진은 Sikadur®-30 2액형 레진 으로서 S사에서 제시한 자료에 따르면, 압축강도 70 MPa, 인장강도는 28 MPa, 전단강도는 18 MPa, 그리고 탄성계수는 128,000 MPa이다.
이론/모형
실험에서 고려한 주요 변수는 매입 길이와 전단키의 개수, FRP 판의 개수이다. 실험 방법은 ACI 440.3R-048)에따라 실시하도록 계획하였다.
성능/효과
1) FRP 판을 표면매입보강한 부재의 실험을 통하여 FRP 인발강도는 매입 길이가 길어질수록 증가하지만 선형적으로 증가하는 양상을 보이지 않는 것으로 나타났다.
2) FRP 판과 콘크리트의 부착 성능을 높이기 위하여 형성한 전단키는 콘크리트 할렬 파괴로 최종 파괴될 경우, 인발강도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
3) 동일한 보강량을 3열로 분산 보강할 경우, 부착 면적이 증가됨으로 인하여 내력이 약 1.5배 증진되는 것으로 나타났다.
EI-Hacha와 Rizkalia3)는 동일 축강성을 갖는 표면 부착 보강과 FRP 판, FRP 바를 이용한 표면매입보강에 대하여 각각 그 성능을 보 휨실험으로 평가하여 표면매입보강이 표면부착보강에 비하여 훨씬 높은 보강 성능을 보유하고 있음을 확인하였고 특히 FRP 판을 부재내에 세워서 삽입 보강한 경우가 가장 우수한 성능을 발휘하는 것으로 발표하였다. Yost 등4)은 철근콘크리트 휨부재를 대상으로 주근비와 표면매입보강 FRP 판의 보강량 등을 변수로 휨실험을 실시하여, 표면매입보강을 함으로써 강도와 강성 등에서는 현격한 향상이 가능하지만, 에너지 연성과 변위 연성의 측면에서는 감소를 유발하는 것으로 밝혔다.
이로 부터 매입 길이에 따라 선형적으로 강도가 증가하지 않음을 알 수 있다. 동일한 보강량을 3열로 분산 보강할 경우, 부착 면적이 증가함에 따라 내력이 약 1.5배 증진되는 것으로 나타났다.
그러나 3열 매입이고 매입 길이가 300 mm인 경우에는 실제 매입 길이가 300 mm이지만, 변형도가 발생하는 위치까지의 거리는 190 mm까지로 나타났다. 또한 변형도 분포의 형태도 선형적인 관계가 아닌 함수형태로 변하는 것으로 나타났다.
실험체의 파괴 양상은 콘크리트의 할렬 파괴에 의해 지배되는 경우와 CFRP의 파단에 의해 내력이 결정되는 경우로 구분할 수 있었다. Fig.
4) 이 연구의 표면매입보강시에는 콘크리트 할렬 파괴에 의해 내력이 결정될 가능성이 매우 높으며 이 경우 콘크리트 파괴면의 인장파괴관계를 이용하여 파괴강도를 산정할 수 있다. 이 관계를 이용하여 내력식을 정리하고 실험체의 내력을 계산한 결과 실험 결과와 좋은 대응을 보이는 것으로 나타나, FRP 판표면매입보강의 콘크리트 할렬 파괴시 인발강도를 적절히 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
가 실시한 고속도로 교량을 대상으로 한 휨실험으로부터 알 수 있다. 이 연구에서 CFRP 판을 외부표면에 부착시킨 경우에는 CFRP 판이 최종단계에서 박락되었으나, 바형태로 제작한 CFRP를 콘크리트 표면에 매입시킨 경우에는 CFRP 바가 인장 파단되었고, 전체 내력에 대한 기여도도 각각 17%와 29%로서 표면매입보강이 효과적인 것으로 나타났다.
이상과 같은 기존 연구를 통하여 표면부착보강에 비하여 표면매입보강이 보강 효율의 측면에서 우수함을 알 수 있다. 그러나 이와 같은 보강의 경우에도 궁극적으로 부착파괴가 존재함을 제시하고 있으며, 이를 방지하기 위한 연구의 필요성을 모두 제시하고 있다.
전술한 바와 같이, 매입 길이가 길어질수록 최대하중이 증가하고 매입 길이가 150 mm에서 200 mm, 300 mm로 각각 1.33배와 2배 증가함에 따라 최대 내력은 1열 매입의 경우 최대 1.4배, 3열 매입인 경우에는 최대 1.22배 증가하는 것으로 나타났다. 이로 부터 매입 길이에 따라 선형적으로 강도가 증가하지 않음을 알 수 있다.
표면매입된 FRP 판의 부착강도는 기존의 연구 결과로부터, FRP 판과 콘크리트를 접착시키는 충전 에폭시의 강도, 매입 길이와 FRP 판의 폭에 의해 결정되는 접촉 면적, 콘크리트 강도, 연단 길이 등이 주요 영향 요소임을 알 수 있다.
후속연구
이때 투영된 파괴면이 부재의 연단에 지나치게 가까이 위치할 경우에는 양 측단의 be1은 그영향이 미미해질 가능성이 높다. 또한 이 연구의 실험조건이 실제 휨부재에서는 콘크리트의 응력 및 지지상태와는 다를 수 있기 때문에 이를 고려하여 수정할 필요가 있다.
무리 효과를 고려하여 산정한 3열 보강 실험체에서는 실험 결과가 과소평가되는 양상을 보였는데, 이는 단부연단효과가 적절히 반영되지 않음에 기인한 것으로 사료되며, 이에 대해서는 추가적인 연구가 요망된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표면매입보강 방법의 문제점은 무엇인가?
그러나 이 방법의 문제점은 원형 또는 각형인 FRP 바를 삽입하고 충분한 에폭시 모르타르를 충전하기 위해서 일정 크기 이상이 되는 홈을 형성해야 하기 때문에 홈형성 작업이 어렵다는 점이다.
표면매입보강법은 어떤 방법인가?
콘크리트 피복내에 홈을 형성한 뒤 FRP 보강재를 매입하여 보강하는 표면매입보강법의 우수성은 Nami6)가 실시한 고속도로 교량을 대상으로 한 휨실험으로부터 알 수 있다. 이 연구에서 CFRP 판을 외부표면에 부착시킨 경우에는 CFRP 판이 최종단계에서 박락되었으나, 바형태로 제작한 CFRP를 콘크리트 표면에 매입시킨 경우에는 CFRP 바가 인장 파단되었고, 전체 내력에 대한 기여도도 각각 17%와 29%로서 표면매입보강이 효과적인 것으로 나타났다.
표면매입보강 방법의 장점은 무엇인가?
최근 콘크리트 구조물의 보강시 사용되는 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 보강에서, 철근콘크리트의 피복 부분에 홈을 형성하고 이 홈내부에 FRP 바를 삽입한 후 에폭시 모르타르 등으로 보강하는 방법, 즉 표면매입보강(near-surface-mounted retrofit, NSMR) 방법의 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이 방법은 콘크리트에 홈을 형성하는 추가의 작업이 필요하지만, 보강 효과를 높일 수 있고 FRP가 표면에 노출되지 않기 때문에 환경의 영향을 저감시킬 수 있다.
EI-Hacha, R. and Rizkalla, S. H., "Near- Surface-Mounted Fiber-Reinforced Polyumer Reinforcements for Flexural Strengthening of Concrete Structures," ACI Structural Journal, Vol. 101, No. 5, 2004, pp. 717-726.
Yost, J. R., Gross, S. P., Dinehart, D. W., and Mildenberg, J. J., "Flexural Behavior of Concrete Beams Strengthened with Near-Surface-Mounted CFRP Strips," ACI Structural Journal, Vol. 104, No. 4, 2007, pp. 430-437.
Blaschiko, M. and Zilch, K., "Rehabilitation of Concrete Structures with CFRP Strips Glued into Slits," Proceedings of the 12th International Conference on Composite Materials, Paris, 1999 (CD-ROOM).
Nami, A., "FRP Reinforcement for Bridge Structures," Proceedings, Structural Engineering Conference Beams, Journal of Conposites for Construction, ASCE, Vol. 5, No. 1, 2000, pp. 12-17.
Lorenzis, L. De, Nanni, A., and Tegola, La, "Flexural and Shear Strengthening of Reinforced Concrete Structures with Near Surface Mounted FRP Rods," Proceeding of the 3rd International Conference on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures (ACMBS III), Ottawa, Ontario, Canada, 2000, pp. 521-528.
ACI Committee 440, Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (ACI 440.3R-04), American Concrete Institute, Famington Hills, Mich., 2004, pp. 8-15.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.