최근 고부식 환경에 놓여 있는 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나로 뛰어난 내부식성을 가진 섬유복합체(Fiber Reinforced Polymer, FRP)로 제작된 보강근이 주목받고 있다. 유리섬유복합체로 제작된 보강근이 상용화된 상태이나 가격, 철근보다 낮은 탄성계수, 취성파괴 특성 등의 이유로 사용 실적은 많지 않은 것이 현실이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방편 중 하나는 유리섬유복합체 보강근의 성능을 고도화하는 것이다. 성능 고도화를 통해 강도 대비 가격을 낮출 수 있으며, 인장성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구는 주어진 재료와 조건 하에서 보강근 성능에 영향을 미치는 인자들의 효율성 향상을 통한 고인장 성능 유리섬유복합체 보강근의 개발에 관한 것이다. 이를 위해 구성재료와 제작방법 등 유리섬유복합체 보강근의 인장성능에 영향을 미치는 인자들에 대해 분석을 수행하여 개선 방안을 제안하였으며, 이를 통해 보강근의 주재료인 유리섬유의 성능을 기존 제품보다 더욱 효율적으로 활용하는 보강근을 제작하였으며, 다양한 변수에 대한 인장시험을 통하여 그 성능을 비교 분석함으로써 개선 방안의 적절성을 검증하였다.
최근 고부식 환경에 놓여 있는 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나로 뛰어난 내부식성을 가진 섬유복합체(Fiber Reinforced Polymer, FRP)로 제작된 보강근이 주목받고 있다. 유리섬유복합체로 제작된 보강근이 상용화된 상태이나 가격, 철근보다 낮은 탄성계수, 취성파괴 특성 등의 이유로 사용 실적은 많지 않은 것이 현실이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방편 중 하나는 유리섬유복합체 보강근의 성능을 고도화하는 것이다. 성능 고도화를 통해 강도 대비 가격을 낮출 수 있으며, 인장성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구는 주어진 재료와 조건 하에서 보강근 성능에 영향을 미치는 인자들의 효율성 향상을 통한 고인장 성능 유리섬유복합체 보강근의 개발에 관한 것이다. 이를 위해 구성재료와 제작방법 등 유리섬유복합체 보강근의 인장성능에 영향을 미치는 인자들에 대해 분석을 수행하여 개선 방안을 제안하였으며, 이를 통해 보강근의 주재료인 유리섬유의 성능을 기존 제품보다 더욱 효율적으로 활용하는 보강근을 제작하였으며, 다양한 변수에 대한 인장시험을 통하여 그 성능을 비교 분석함으로써 개선 방안의 적절성을 검증하였다.
Fiber reinforced polymer (FRP) reinforcing rebar with non-corrosive property is suggested as an alternative replacement to steel reinforcing rebar due to its enhanced durability and non-corrosive characteristics. Currently, a limited number of glass fiber reinforced polymer rebar (GFRP) are sold com...
Fiber reinforced polymer (FRP) reinforcing rebar with non-corrosive property is suggested as an alternative replacement to steel reinforcing rebar due to its enhanced durability and non-corrosive characteristics. Currently, a limited number of glass fiber reinforced polymer rebar (GFRP) are sold commercially due to their high cost, relatively low performances, and brittle failure characteristics. Therefore, the performance enhancements and cost reduction of GFRP rebar are needed to increase its applications in construction fields. The intent of this study is to develop high performance GFRP rebar by improving its tensile and shear properties. Also, in order to reduce manufacturing costs, factors such as material composition and manufacturing process were evaluated to improve manufacturing efficiency. Finally a GFRP rebar with enhanced material properties and less expensive than the GFRP rebar currently sold in the market was manufactured and evaluated for its application possibility in construction fields.
Fiber reinforced polymer (FRP) reinforcing rebar with non-corrosive property is suggested as an alternative replacement to steel reinforcing rebar due to its enhanced durability and non-corrosive characteristics. Currently, a limited number of glass fiber reinforced polymer rebar (GFRP) are sold commercially due to their high cost, relatively low performances, and brittle failure characteristics. Therefore, the performance enhancements and cost reduction of GFRP rebar are needed to increase its applications in construction fields. The intent of this study is to develop high performance GFRP rebar by improving its tensile and shear properties. Also, in order to reduce manufacturing costs, factors such as material composition and manufacturing process were evaluated to improve manufacturing efficiency. Finally a GFRP rebar with enhanced material properties and less expensive than the GFRP rebar currently sold in the market was manufactured and evaluated for its application possibility in construction fields.
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문제 정의
본 연구는 콘크리트 구조물의 보강재로 사용할 수 있는 GFRP 보강근의 고성능화 및 성능 효율화에 관한 것이다. 구체적으로는 주어진 재료와 조건 하에서 보강근 성능에 영향을 미치는 인자들의 효율성을 향상시킴으로 GFRP 보강근이 높은 인장성능을 갖도록 하는 것이다.
이와 더불어 성형금형은 섬유다발의 진행을 억제하는 효과가 있어 인장기(puller)의 당김력과 이에 저항하는 힘으로 인해 강화섬유에는 소정의 프리텐션(pre-tension)이 도입되어 섬유의 배열상태가 호전된다. 본 연구에서는 이 공정에 의해 제작된 보강근에 대해 인장성능과 부착성능에 대해 평가하였으며 이에 대한 실험결과는 다음 절에 서술하였다.
본 연구에서는 정해진 조건하에서 공정 및 사용된 재료의 성능 발현 효율화를 통해 GFRP 보강근의 인장성능을 고성능화할 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 재료측면에서 수지와 충전제 종류가 인장성능에 미치는 영향에 대해 실험적으로 평가하였으며, 제작측면에서 제작시 섬유의 배열상태와 개선된 제작공정으로 생산된 보강근의 인장강도와 부착강도를 평가하였다.
제안 방법
FRP 보강근 제작에 사용되는 충전제 종류에 따른 GFRP의 인장성능 변화를 관찰하기 위해 폴리비닐 알콜(polyvinyl alchol), 카오린(kaolin), 산화 알루미늄 분말(alumina powder) 등 총 3종의 충전제에 대해 Fig. 1과 같은 스트랜드(strand) 형태의 FRP 시편을 제작하여 인장시험을 실시하였다. 성능을 비교하기 위하여 충전제가 포함되어있지 않은 경우를 기준으로 하였으며 각 케이스에 대해 10개씩의 시편을 제작하여 시험하였다.
7 mm의 경우 약 100개)가 사용되기 때문에 특수 설비가 없는 경우 스트랜드의 꼬임을 방지하는 것은 어렵기 때문에 본 시험에서는 수동으로 제어가 가능한 수준으로 직경을 설정하여 시편을 제작하였다. 보강근 제작 전에 로빙에서 소정의 길이만큼 스트랜드를 절단한 후 스트랜드가 꼬이지 않도록 정렬하여 고정한 뒤 시편을 제작하였으며 CSA(2002)를 준용하여 스트랜드의 꼬임이 있는 경우와 없는 경우에 대해 각각 10개의 시편을 준비하여 인장시험을 실시하였다.
이러한 섬유 스트랜드의 꼬임이 인장성능에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 직경 6 mm의 보강근을 제작하여 인장강도 비교시험을 실시하였다. 서술한 바와 같이 보강근 제작에는 다수의 로빙(직경 12.7 mm의 경우 약 100개)가 사용되기 때문에 특수 설비가 없는 경우 스트랜드의 꼬임을 방지하는 것은 어렵기 때문에 본 시험에서는 수동으로 제어가 가능한 수준으로 직경을 설정하여 시편을 제작하였다. 보강근 제작 전에 로빙에서 소정의 길이만큼 스트랜드를 절단한 후 스트랜드가 꼬이지 않도록 정렬하여 고정한 뒤 시편을 제작하였으며 CSA(2002)를 준용하여 스트랜드의 꼬임이 있는 경우와 없는 경우에 대해 각각 10개의 시편을 준비하여 인장시험을 실시하였다.
수지 종류에 따른 보강근의 인장강도 변화를 살펴보기 위하여 직경 12.7 mm의 원형으로 제작된 FRP 보강근에 대한 인장강도 시험을 실시하였다. 시편은 수지를 제외한 모든 조건이 동일한 상태로 제작되었으며, 사용된 수지는 FRP 보강근 제작에 주로 사용되는 불포화 폴리에스터와 비닐에스터 두 종류가 고려되었으며, 섬유는 유리섬유와 탄소섬유로 고려하여 시험을 실시하였다.
앞에서 살펴본 바와 같은 인장성능에 영향을 미치는 인자들을 고려하여 E-glass 섬유와 비닐에스터 수지를 주재료한 GFRP 보강근을 제작하였다(Fig. 5 참조). 인장성능 관찰을 위해 제작된 GFRP 보강근의 직경은 12.
이러한 섬유 스트랜드의 꼬임이 인장성능에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 직경 6 mm의 보강근을 제작하여 인장강도 비교시험을 실시하였다. 서술한 바와 같이 보강근 제작에는 다수의 로빙(직경 12.
이를 위해 GFRP 보강근을 구성하는 재료와 이를 제작하는 방법 등 보강근의 인장성능에 영향을 미치는 인자들에 대해 분석을 수행하여 개선 방안을 제안하였으며, 다양한 변수에 대한 인장시험을 통하여 그 성능을 비교·분석함으로써 개선 방안의 적절성을 검증하였다.
본 연구에서는 정해진 조건하에서 공정 및 사용된 재료의 성능 발현 효율화를 통해 GFRP 보강근의 인장성능을 고성능화할 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 재료측면에서 수지와 충전제 종류가 인장성능에 미치는 영향에 대해 실험적으로 평가하였으며, 제작측면에서 제작시 섬유의 배열상태와 개선된 제작공정으로 생산된 보강근의 인장강도와 부착강도를 평가하였다.
제작된 고인장 GFRP 보강근에 대한 부착성능을 살펴보기 위하여 현재 상용화되어 널리 이용되고 있는 GFRP 보강근(ASLAN, V-ROD) 2종과 철근에 대한 부착성능 평가를 실시하였다.
대상 데이터
1과 같은 스트랜드(strand) 형태의 FRP 시편을 제작하여 인장시험을 실시하였다. 성능을 비교하기 위하여 충전제가 포함되어있지 않은 경우를 기준으로 하였으며 각 케이스에 대해 10개씩의 시편을 제작하여 시험하였다.
7 mm의 원형으로 제작된 FRP 보강근에 대한 인장강도 시험을 실시하였다. 시편은 수지를 제외한 모든 조건이 동일한 상태로 제작되었으며, 사용된 수지는 FRP 보강근 제작에 주로 사용되는 불포화 폴리에스터와 비닐에스터 두 종류가 고려되었으며, 섬유는 유리섬유와 탄소섬유로 고려하여 시험을 실시하였다.
3R-04 (2004)에서 제안한 표준시험법을 준용하여 한 면의 길이가 200 mm인 정육면체 콘크리트 블록에 보강근 지름의 5배의 길이가 매립되도록 하였다. 시험에 사용된 보강근의 직경은 12.7mm이며, 재령 28일 콘크리트 압축강도는 33.6 MPa였다(Fig. 9 참조).
제작된 보강근의 인장성능을 살펴보기 위하여 CSA(2002)를 준용하여 총길이 1,308 mm, 계측길이 508mm(직경의 40배)의 인장시편을 15개 제작하였다. 시편의 인장을 위해 시편 양 끝을 길이 400 mm인 강재 원형관에 삽입한 후 모르터를 충전하여 앵커를 형성하였다.
이론/모형
부착성능 평가는 ACI 440.3R-04 (2004)에서 제안한 표준시험법을 준용하여 한 면의 길이가 200 mm인 정육면체 콘크리트 블록에 보강근 지름의 5배의 길이가 매립되도록 하였다. 시험에 사용된 보강근의 직경은 12.
성능/효과
2 MPa/Vol.%로, 섬유부피율이 60.3%인 경우 708 MPa의 인장강도를 가지고 있는 상용화된 제품(Table 1 참조)에 비해 46% 정도 향상된 값을 나타내었다. 또한 이 값은 현존 제품 중 인장강도가 가장 높은 GFRP 보강근(Weber, 2005)의 18.
또한 부착강도 시험 결과 개선된 공정으로 제작된 보강근은 기존 상용 제품에 비해 40% 이상, 철근의 항복강도와 유사한 부착성능을 나타내어 콘크리트와의 일체성을 충분히 확보하고 있음을 알 수 있었다.
또한 원형(prototype)으로 제작된 GFRP 보강근의 단위길이당 생산단가는 외산 GFRP 보강근 수입가격의 약 125% 수준이기 때문에 경제성까지 고려하더라도 단위금액당 발현 인장강도 비율은 20% 정도 향상된 값을 나타내므로 보강근이 효율적으로 제작되었음을 알 수 있다.
인장시험 결과 Table 4에서 보듯이 섬유 스트랜드가 꼬인 경우와 꼬이지 않은 경우의 평균 최대인장강도는 각각 1,359 MPa과 1,363 MPa이었다. 스트랜드가 꼬이지 않은 시편의 인장강도 향상율은 약 0.3% 정도로 변동계수(COV) 이내의 값이기 때문에 스트랜드의 꼬임을 방지함으로 인해 인장강도가 향상되었다고 할 수는 없으나 99.87% 신뢰도를 나타내는 보증 인장강도 값을 비교하면 약 8%의 성능변화가 관찰되었다.
시험결과에서는 수지에 폴리비닐 알콜 충전제를 혼합하면 충전제가 혼합되어 있지 않은 경우에 비해 인장강도가 6% 향상되었고, 카오린과 산화 알루미늄 분말의 경우에는 20%∼40% 정도 성능이 감소되었다.
실험결과 수지 종류에 의한 FRP 복합체의 인장성능 변화는 거의 관찰되지 않았으나 충전제의 종류에 따라서는 충전제가 혼합되지 않은 경우에 대해 폴리비닐 알콜 충전제를 사용할 경우에는 6%가 향상되었으나, 카오린과 산화 알루미늄 분말의 경우에는 20%~40% 성능이 감소하는 것으로 나타났다.
인장시험 결과 Table 4에서 보듯이 섬유 스트랜드가 꼬인 경우와 꼬이지 않은 경우의 평균 최대인장강도는 각각 1,359 MPa과 1,363 MPa이었다. 스트랜드가 꼬이지 않은 시편의 인장강도 향상율은 약 0.
인장시험을 실시한 결과(Table 2 참조) 비닐에스터 수지와 불포화 폴리에스터 수지를 사용한 경우에 대해 유리섬유 보강근의 평균 인장강도는 각각 972 MPa, 983MPa, 탄소섬유로 제작된 보강근에 대해서는 각각 1,454MPa, 1,431 MPa로 관찰되었다.
제작된 GFRP 보강근의 평균 인장강도와 탄성계수는 각각 1,132 MPa과 49.4 GPa이었고, 보증 인장강도와 보증 극한변형률은 각각 1,059 MPa과 2.02%를 나타내었다. 이러한 성능은 동일한 E-glass로 제작되어 상용화된 기존 GFRP 보강근의 인장성능(약 700 MPa 수준)보다 40% 이상 향상된 값이다.
모든 시편에서 인발파괴(pull-out failure)가 발생하였으나 철근의 경우 2개의 시편은 항복하였다. 제작된 고인장 보강근은 돌기 생성시 스트랜드에 강한 장력이 도입되어 표에서 보듯이 기존 상용품에 비해 40% 이상 향상된 부착성능을 나타내었다.
제작측면에서 보강근 제작에 사용되는 섬유 스트랜드를 최대한 올바른 배열상태로 유지하면 그렇지 않은 경우에 비해 8% 정도(직경 6 mm인 경우) 인장강도 변화가 관찰되었으며, 보강근을 형성하는 심재에 프리텐션을 도입하고 돌기를 형성하는 섬유에 장력을 도입하여 제작된 보강근은 보증 인장강도가 1,059 MPa로 관찰되어 상용화되어 있는 외산 GFRP 보강근에 비해 40% 이상, 섬유부피율 대비 46% 이상 향상된 인장강도를 나타내었다. 또한 부착강도 시험 결과 개선된 공정으로 제작된 보강근은 기존 상용 제품에 비해 40% 이상, 철근의 항복강도와 유사한 부착성능을 나타내어 콘크리트와의 일체성을 충분히 확보하고 있음을 알 수 있었다.
시험결과에서는 수지에 폴리비닐 알콜 충전제를 혼합하면 충전제가 혼합되어 있지 않은 경우에 비해 인장강도가 6% 향상되었고, 카오린과 산화 알루미늄 분말의 경우에는 20%∼40% 정도 성능이 감소되었다. 충전제가 배합된 비율이 0.4% 정도인 점을 고려하면 충전제는 GFRP 스트랜드에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 제작하는 GFRP의 목적과 용도, 생산 단가 등을 고려하여 적절한 충전제를 선택할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고부식 환경에 놓여 있는 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나로 뛰어난 내부식성을 가진 것은?
최근 고부식 환경에 놓여 있는 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나로 뛰어난 내부식성을 가진 섬유복합체(Fiber Reinforced Polymer, FRP)로 제작된 보강근이 주목받고 있다. 유리섬유복합체로 제작된 보강근이 상용화된 상태이나 가격, 철근보다 낮은 탄성계수, 취성파괴 특성 등의 이유로 사용 실적은 많지 않은 것이 현실이다.
유리섬유복합체로 제작된 보강근이 상용화된 상태이나 가격, 철근보다 낮은 탄성계수, 취성파괴 특성 등의 이유로 사용 실적은 많지 않은 것에 대한 문제를 해결하기 위한 방편 중 하나는?
유리섬유복합체로 제작된 보강근이 상용화된 상태이나 가격, 철근보다 낮은 탄성계수, 취성파괴 특성 등의 이유로 사용 실적은 많지 않은 것이 현실이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방편 중 하나는 유리섬유복합체 보강근의 성능을 고도화하는 것이다. 성능 고도화를 통해 강도 대비 가격을 낮출 수 있으며, 인장성능을 향상시킬 수 있다.
FRP의 장점은?
그러나 현재까지도 FRP는 건설 구조물에 소극적으로 적용되고 있으며 주부재로 적용된 사례는 많지 않다. 높은 비강도, 뛰어난 내부식성, 비자기성 등 많은 장점을 가졌음에도 FRP가 건설 부재로써 널리 사용되고 있지 못한 원인으로는 FRP가 강재에 비해 고가인 점과 소성거동을 보이는 강재와는 달리 FRP는 취성적으로 파괴되고 탄성계수가 1/4정도(유리섬유의 경우)로 낮은 재료특성 등을 들 수 있다.
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