최근 FRP 판을 이용한 표면매입 보강공법에서 FRP와 콘크리트 사이의 계면파괴를 연구하기 위한 실험 및 이론적인 연구가 국내외에서 수행되고 있다. 그 결과 보강재의 형상과 콘크리트 강도 그리고 부착길이 등에 대한 일련의 연구가 수행되었지만, 보강재의 부착길이에 따른 각 보강재의 적정 간격, 그리고 무리효과 등과 같은 영향인자들에 대한 연구 필요성이 제기되고 있다. 이에 따라 이 연구에서는 부착길이와 보강재인 FRP 판의 보강간격을 변수로 부착실험을 실시하고 그에 따른 부착성능의 변화를 연구하고자 한다. 또한 표면매입 보강된 FRP 판의 계면파괴시 강도를 산정하기 위한 기존 제안식과의 비교를 통하여 그 적용성을 평가하고자 한다. 연구 결과, 매입된 FRP의 간격이 넓어질수록 FRP판의 인장파단과 함께 내력이 증가하는 양상을 보이는 반면에 FRP판의 간격이 좁을수록 콘크리트 할렬파괴가 지배하는 것으로 나타났다. 기존 제안식을 이용하여 실험 결과를 비교한 결과, FRP의 부착길이와 무리효과를 고려한 기존 제안식을 사용하여 표면매입 보강된 FRP의 부착강도를 적절히 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
최근 FRP 판을 이용한 표면매입 보강공법에서 FRP와 콘크리트 사이의 계면파괴를 연구하기 위한 실험 및 이론적인 연구가 국내외에서 수행되고 있다. 그 결과 보강재의 형상과 콘크리트 강도 그리고 부착길이 등에 대한 일련의 연구가 수행되었지만, 보강재의 부착길이에 따른 각 보강재의 적정 간격, 그리고 무리효과 등과 같은 영향인자들에 대한 연구 필요성이 제기되고 있다. 이에 따라 이 연구에서는 부착길이와 보강재인 FRP 판의 보강간격을 변수로 부착실험을 실시하고 그에 따른 부착성능의 변화를 연구하고자 한다. 또한 표면매입 보강된 FRP 판의 계면파괴시 강도를 산정하기 위한 기존 제안식과의 비교를 통하여 그 적용성을 평가하고자 한다. 연구 결과, 매입된 FRP의 간격이 넓어질수록 FRP판의 인장파단과 함께 내력이 증가하는 양상을 보이는 반면에 FRP판의 간격이 좁을수록 콘크리트 할렬파괴가 지배하는 것으로 나타났다. 기존 제안식을 이용하여 실험 결과를 비교한 결과, FRP의 부착길이와 무리효과를 고려한 기존 제안식을 사용하여 표면매입 보강된 FRP의 부착강도를 적절히 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
Recently, experimental and analytical researches have been performed in order to find interface failure between FRP plate and concrete in near surface-mounted (NSM) retrofit using FRP plate. As a result, it was found that the bond strength between concrete and NSM FRP plate had a close relationship ...
Recently, experimental and analytical researches have been performed in order to find interface failure between FRP plate and concrete in near surface-mounted (NSM) retrofit using FRP plate. As a result, it was found that the bond strength between concrete and NSM FRP plate had a close relationship with shape of FRP, concrete compressive strength and bond length. However, research need is increasing about another factors such as suitable space of FRP plate and group effect. In this study, therefore, a bond test was performed with aforementioned factors and compared with a previous equation to verify its suitability for predicting bond strength of NSM FRP plate. From the test, it was found that the bond strength increased according to the increase of space of NSM FRP plates even if its bond length was same. The splitting failure of concrete governed when space of FRPs was too narrow and it changed to FRP's tensile failure with increase of the space. From the evaluation of test specimens using previous equation, it was found that the bond strength could be predicted properly with consideration of group effect.
Recently, experimental and analytical researches have been performed in order to find interface failure between FRP plate and concrete in near surface-mounted (NSM) retrofit using FRP plate. As a result, it was found that the bond strength between concrete and NSM FRP plate had a close relationship with shape of FRP, concrete compressive strength and bond length. However, research need is increasing about another factors such as suitable space of FRP plate and group effect. In this study, therefore, a bond test was performed with aforementioned factors and compared with a previous equation to verify its suitability for predicting bond strength of NSM FRP plate. From the test, it was found that the bond strength increased according to the increase of space of NSM FRP plates even if its bond length was same. The splitting failure of concrete governed when space of FRPs was too narrow and it changed to FRP's tensile failure with increase of the space. From the evaluation of test specimens using previous equation, it was found that the bond strength could be predicted properly with consideration of group effect.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 이 연구에서는 매입길이와 보강재인 FRP 판의 보강간격을 변수로 부착실험을 실시하고 그에 따른 부착 성능의 변화를 연구하고자 한다.
그러나 FRP판의 설치간격이 조밀할 경우에는 무리효과에 의하여 실제 콘크리트의 할렬파괴강도가 낮아지게 되어 비록 부착길이가 길어지더라도 그 영향이 감소될 수 있음을 지적하였다. 이에 따라 이 연구에서는 FRP판을 이용한 표면매입보강시에 부착길이와 FRP의 간격과의 상관관계를 규명하기 위한 실험을 실시하고자 한다.
제안 방법
콘크리트 블럭의 상부에는 H-beam을 설치하여 블록의 수직방향이동을 구속하였다. 50 kN용량의 액츄에이터를 이용하여 변위 제어방식으로 FRP를 인발하여 실험을 진행하였다. FRP판과 가력장치는 정착판 장치로 연결하였으며, 정착판 장치는 마찰력을 높이기 위해 특별히 면처리된 두 개의 강판사이에 FRP 판을 밀착시킨 뒤 볼트로 충분히 조임으로서 FRP판을 고정할 수 있도록 하였다.
FRP의 변형도 변화를 관찰하기 위하여 콘크리트와 부착되는 FRP에 변형률게이지를 30 mm간격으로 설치하고 또한 비부착된 부분에서의 FRP변형도를 관찰하기 위하여 콘크리트 블럭과 가력부위 사이에 또한 변형률게이지를 설치하였다.
50 kN용량의 액츄에이터를 이용하여 변위 제어방식으로 FRP를 인발하여 실험을 진행하였다. FRP판과 가력장치는 정착판 장치로 연결하였으며, 정착판 장치는 마찰력을 높이기 위해 특별히 면처리된 두 개의 강판사이에 FRP 판을 밀착시킨 뒤 볼트로 충분히 조임으로서 FRP판을 고정할 수 있도록 하였다. 각각의 FRP판에 대하여 1개의 정착판이 연결될 수 있도록 하였다.
NSM FRP판의 부착성능에 대해서는 Ali 등5)이 표면매입 보강된 FRP판에 대한 부착실험을 실시하고, 부착강도를 FRP판과 두께 그리고 콘크리트 강도와 상관관계로 단순화하여 계면파괴시 부착강도 산정식을 제시하였다. 또한 Seracino 등6)은 콘크리트 강도, 부착길이, FRP의 형태 등을 변수로 부착실험을 실시하고 그 결과를 토대로 Ali 식을 다시 비선형회귀분석하여 FRP의 강성과 형태계수 등을 고려한 수정 식을 제시하였다.
콘크리트 내에 매입된 FRP 판의 부착강도를 파악하기 위하여 400×600×400mm의 무근콘크리트 블록을 제작하고 좁고 길이가 긴 홈을 성형하여 FRP판을 매입하였다.
에 기술되어있는 실험 방법 중에서 bean-end test method에 의거하였으며 실험의 편의를 위하여 수평이 아닌 수직으로 FRP를 인발하는 직접인장 실험을 계획하였다. 콘크리트 블록의 수평방향 이동을 방지하기 위하여 콘크리트 블록의 전면하부와 후면에 스크류잭을 설치하였다. 콘크리트 블럭의 상부에는 H-beam을 설치하여 블록의 수직방향이동을 구속하였다.
대상 데이터
콘크리트 내에 매입된 FRP 판의 부착강도를 파악하기 위하여 400×600×400mm의 무근콘크리트 블록을 제작하고 좁고 길이가 긴 홈을 성형하여 FRP판을 매입하였다. 매입길이는 변수별로 150, 200, 300mm로 하였고 매입길이별 FRP의 간격은 각각 50, 60, 70, 90, 110mm로 총 15개의 실험체를 제작하였다. 매입을 위한 홈의 폭과 깊이는 각각 5mm와 20mm로서 홈은 그라인드를 이용하여 형성하였다.
매입길이는 변수별로 150, 200, 300mm로 하였고 매입길이별 FRP의 간격은 각각 50, 60, 70, 90, 110mm로 총 15개의 실험체를 제작하였다. 매입을 위한 홈의 폭과 깊이는 각각 5mm와 20mm로서 홈은 그라인드를 이용하여 형성하였다. 제작에 사용된 콘크리트의 강도는 28일 기준으로 21 MPa 강도이다.
각각의 FRP판에 대하여 1개의 정착판이 연결될 수 있도록 하였다. 실험과 동시에 데이터 수집기인 TDS-602와 전용 PC로 실시간 변위, 변형도, 하중 등과 같은 데이터를 수집하였다. Fig.
매입을 위한 홈의 폭과 깊이는 각각 5mm와 20mm로서 홈은 그라인드를 이용하여 형성하였다. 제작에 사용된 콘크리트의 강도는 28일 기준으로 21 MPa 강도이다. 보강과정은 Fig.
이론/모형
실험 방법은 ACI 440R-079)에 기술되어있는 실험 방법 중에서 bean-end test method에 의거하였으며 실험의 편의를 위하여 수평이 아닌 수직으로 FRP를 인발하는 직접인장 실험을 계획하였다. 콘크리트 블록의 수평방향 이동을 방지하기 위하여 콘크리트 블록의 전면하부와 후면에 스크류잭을 설치하였다.
성능/효과
1) FRP판 표면매입보강에서 콘크리트와 FRP의 계면파괴시, 부착길이가 150 mm일 때에는 부착간격에 따른 영향이 미미하지만, 부착길이가 200 mm이상일 때에는 매입된 FRP의 간격이 넓어질수록 내력이 증가하는 양상을 보였다. 또한 FRP판의 간격이 좁을수록 콘크리트 할렬파괴가 지배하고 매입간격이 넓을수록 FRP판이 인장파단되는 양상을 보였는데 이는 FRP의 간격 증가와 더불어 콘크리트의 저항면적 또한 증가하기 때문이다.
2) FRP의 계면파괴가 지배되는 경우에는 FRP판의 부착길이가 증가할수록 부착강도는 비례적으로 증가하지만 부착강성은 특별한 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이로부터 부착강도를 적절히 예측할 수 있다면 그에 따른 부착강성도 추정이 가능할 것으로 사료된다.
3) FRP의 계면파괴시 부착강도를 산정하는 기존 제안식을 이용하여 이 연구의 실험 결과를 비교한 결과, FRP의 부착길이와 무리효과를 고려한 기존 제안식을 사용하여 표면매입 보강된 FRP의 부착강도를 적절히 예측할 수 있는 것으로 사료된다.
전체적으로 변형도의 분포는 기존 연구 결과와 유사하게 하중이 작용하는 FRP외단에서 가장 높은 변형도를 보이고 거리가 멀어질수록 변형도 값이 감소하는 양상을 나타내었다. 이 값을 이용하여 각 하중 단계별 FRP의 전체 인장변형량을 계산한 결과, FRP의 인장에 의한 변형량은 대부분 전체 인장변형량의 20%를 초과하지 않는 것으로 나타났다.
일부 실험체에서는 게이지 손상으로 FRP의 변형량을 측정하지 못한 경우도 있지만, 전반적으로 콘크리트의 변형을 포함한 미끄러짐 변형이 전체 변형의 대략 70%∼90%에 해당하는 것으로 나타났다.
재료시험을 통하여 나타난 FRP의 인장강도에 대한 부착실험체 최대하중의 비를 비교한 결과, 비록 콘크리트가 인장파괴하거나 콘크리트와 FRP의 계면에서 미끄러짐이 발생하는 등 서로 다른 파괴양상을 보였지만, 전체적으로 FRP 인장강도의 48∼69%에 해당되는 내력이 발휘되는 것으로 나타났다.
7은 N300-S110실험체의 FRP에서 하중단계별로 나타나는 변형도분포를 나타낸다. 전체적으로 변형도의 분포는 기존 연구 결과와 유사하게 하중이 작용하는 FRP외단에서 가장 높은 변형도를 보이고 거리가 멀어질수록 변형도 값이 감소하는 양상을 나타내었다. 이 값을 이용하여 각 하중 단계별 FRP의 전체 인장변형량을 계산한 결과, FRP의 인장에 의한 변형량은 대부분 전체 인장변형량의 20%를 초과하지 않는 것으로 나타났다.
11에 나타내었다. 콘크리트파괴와 부착파괴가 발생한 실험체에서(주로 부착길이 150 mm인 실험체)는 계산식이 실험 결과를 다소 과소평가하는 양상을 보였고, 비록 부착길이 200 mm에서 FRP간격에 따라 내력에서 다소 변동이 있지만, 전체적인 측면에서는 이 논문에서 수행한 실험체들에 대한 부착강도를 적절하게 예측할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
은 실험 및 이론적인 연구를 통하여, 표면매입 보강에서 FRP 판의 부착길이 증가에 따라 내력이 증가하고 또한 비록 보강양이 같을지라도 FRP의 열수를 증가시킬 경우 내력이 증가함을 밝혔다. 또한 매입 보강재의 부착길이에 따른 각 보강재의 적정 간격, 그리고 무리효과를 고려한 상관관계식을 제시하였으나, 보다 신뢰성 있는 결과를 확보하기 위해서는 추가적인 연구의 필요성을 제시하고 있다.
2) FRP의 계면파괴가 지배되는 경우에는 FRP판의 부착길이가 증가할수록 부착강도는 비례적으로 증가하지만 부착강성은 특별한 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이로부터 부착강도를 적절히 예측할 수 있다면 그에 따른 부착강성도 추정이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표면부착공법의 장단점은?
일반적인 시공프로세스는 에폭시와 같은 부착재료를 사용하여 판 또는 시트형태의 FRP를 콘크리트 표면에 부착시킴으로서 구조체를 보강하는 표면부착공법(EBR, externally bonded retrofit)이다. 그러나 이 방법은 시공성은 매우 우수하지만 보강부재인 FRP가 낮은 응력에서도 콘크리트로 부터 탈락되기 쉽기 때문에 상대적으로 보강효율이 낮은 것으로 알려져 있다.
FRP의 특징은?
철근콘크리트 구조물의 보강에 있어서 최근 가장 널리 사용되는 방법은 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 보강이다. 이는 보강재로 사용하는 FRP가 기존 공법에 사용되는 강판에 비하여 중량이 가볍고 강도가 높을 뿐만 아니라 그 시공이 용이하기 때문이다. 일반적인 시공프로세스는 에폭시와 같은 부착재료를 사용하여 판 또는 시트형태의 FRP를 콘크리트 표면에 부착시킴으로서 구조체를 보강하는 표면부착공법(EBR, externally bonded retrofit)이다.
철근콘크리트 구조물의 보강에 가장 널리 이용되는 방법은?
철근콘크리트 구조물의 보강에 있어서 최근 가장 널리 사용되는 방법은 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 보강이다. 이는 보강재로 사용하는 FRP가 기존 공법에 사용되는 강판에 비하여 중량이 가볍고 강도가 높을 뿐만 아니라 그 시공이 용이하기 때문이다.
참고문헌 (9)
Seo, S. Y., Oh, J. G., and Choi, K. B., "Bond Capacity of Concrete Member Strengthened by Various Methods Using FRP Plate," Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 27, No. 8, 2011. pp. 55-63.
Seo, S. Y., Yoon, S. J., Kwon, Y. S., and Choi, K. B., "Bond Behavior between Near-Surface-Mounted Fiber Reinforced Polymer Plates and Concrete in Structural Strengthening," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 23, No. 5, 2011, pp. 675-682. (doi: http://dx.doi.org/10.4334/JKCI.011.23.5.675)
Seo, S. Y., "Bond Strength of Near Surface-Mounted FRP Plate in RC Member," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 24, No. 4, 2012, pp. 415-422. (doi: http://dx.doi.org/10.334/JKCI.2012.24.4.415)
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.
Mohamed Ali, M. S., Oehlers, D. J., Friffith, M. C., and Seracino, R., "Interfacial Stress Transfer of Near Surface- Mounted FRP-to-Concrete Joints," Engineering Structures, Vol. 30, Issue 7, 2008, pp. 1861-1868. (doi: http://dx.doi. org/10.1016/j.engstruct.2007.12.006)
Seracino, R., Jones, N., Ali, M., Page, M., and Oehlers, D., "Bond Strength of Near-Surface Mounted FRP Stripto- Concrete Joints," Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 11, No. 4, 2007, pp. 401-409. (doi: http://dx. doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0268(2007)11:4(401))
Chung, W. T., "Flexural Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with NSM CFRP Reinforcements Considering the Equivalent Section," Doctoral Thesis in Civil and Environmental Engineering, Myongji University, 2009, pp. 57-221.
Lim, D. H., "An Experimental Study on the Flexural Behavior of RC Beams Strengthened with NSM and EBR CFRP Strips," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 20, No. 5, 2008, pp. 601-609.
ACI's 2001 Manual of Concrete Practice, Report on Fiber- Reinforced Polymer(FRP) Reinforcement for Concrete Structures(ACI 440R-07), American Concrete Institute, Famington Hills, MI, 2011.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.