[논문]콘크리트내 표면매입 보강된 FRP 판과 콘크리트 사이의 착-미끄러짐 관계 해석

서수연

doi:10.4334/jkci.2014.26.1.079

초록
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이 연구는 표면매입 보강된 FRP 판과 콘크리트사이의 응력전달기구를 이론적으로 연구한 것으로서 이선형 부착모델을 이용하여 부착거동을 묘사하고 이를 실험 결과와 비교하여 신뢰성있는 해석방법을 제시하였다. 연구로부터, 표면매입된 FRP 판과 콘크리트사이의 계면특성을 고려한 미분방정식에 이선형 부착-미끄러짐 관계곡선을 사용하여 해석할 경우, 모델의 임계값인 최대전단강도와 미끄러짐 변위, 그리고 박락에 의한 연화거동이 시작될 때의 변위값 선정과정이 제시되었다. 또한 제안된 모델을 사용하여 부착길이가 다르게 보강된 표면매입 FRP 판의 미끄러짐 거동을 해석한 결과 실제 거동을 매우 근사하게 묘사할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a stress transfer mechanism between near surface-mounted (NSM) fiber reinforced polymer (FRP) plate and concrete was investigated and a reliable analytical procedure for it was presented by using bilinear bond-slip model simulating the bond behavior of NSM FRP plate. As a result, crit...

In this paper, a stress transfer mechanism between near surface-mounted (NSM) fiber reinforced polymer (FRP) plate and concrete was investigated and a reliable analytical procedure for it was presented by using bilinear bond-slip model simulating the bond behavior of NSM FRP plate. As a result, critical values in the bi-linear model such as maximum shear strength, slip at that time and failure slip at the initiation of softening de-bonding were suggested for being used in the differential equation considering he interfacial characteristic between NSM FRP and concrete. Also, it was found that the bond-slip behavior could be suitably redicted by using the proposed procedure even in the case of various bond lengths from the comparison with bond test result.

주제어

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문제 정의

따라서 이 연구에서는 표면매입 보강된 FRP 판과 콘크리트사이의 응력전달기구를 이론적으로 연구하고자 한다. 특히 이선형 부착모델을 이용하여 부착거동을 묘사하고 이를 실험 결과와 비교하여 신뢰성있는 해석방법을 제시하고자 한다.
따라서 이 연구에서는 표면매입 보강된 FRP 판과 콘크리트사이의 응력전달기구를 이론적으로 연구하고자 한다. 특히 이선형 부착모델을 이용하여 부착거동을 묘사하고 이를 실험 결과와 비교하여 신뢰성있는 해석방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

1 mm, 깊이 20 mm의 홈에 매입하였다. FRP의 부착길이는 150, 200, 300 mm 의 세 종류이며, 각 길이별로 전단키가 있는 경우와 없는 경우를 변수로 하였다. 전단키는 지름 20 mm, 깊이 17 mm이며 전단키가 1개(S1)일 때는 가력방향에서 50 mm 위치에 설치하고, 2개(S2)일 때는 65 mm간격(부착길이 150 mm), 90 mm 간격(부착길이 200 mm), 140 mm(부착길이 300 mm)간격으로 설치를 하였다.
Fig. 3과 같이 200 mm×200 mm×400 mm의 두개의 콘크리트 블록을 FRP로 매입보강 연결하여 제작되었고, 한 개의 블록은 고정시키고 나머지 블록에 인장력을 가하여 보강부위에 전단응력이 작용하도록 하였다.
전단키는 지름 20 mm, 깊이 17 mm이며 전단키가 1개(S1)일 때는 가력방향에서 50 mm 위치에 설치하고, 2개(S2)일 때는 65 mm간격(부착길이 150 mm), 90 mm 간격(부착길이 200 mm), 140 mm(부착길이 300 mm)간격으로 설치를 하였다. 두개의 블럭에서 관찰부위와 비관찰부위를 구분하여 비관찰부위는 추가의 시트보강을 하여 파괴가 발생하지 않도록 하였다.
은 실험 및 이론적인 연구를 통하여, 표면매입 보강이 표면부착 보강에 비하여 현저히 보강내력을 향상시킴을 확인하고, 표면매입 보강시 FRP 판의 부착 길이 증가에 따라 내력이 증가하며 또한 비록 보강량이 같을지라도 FRP의 열수를 증가시킬 경우 내력이 증가함을 밝혔다. 또한 매입 보강재의 부착길이에 따른 각 보강재의 적정 간격, 그리고 무리효과를 고려한 상관관계식을 제시하고 실험을 통하여, 식의 적합성을 확인하였다.³⁾
FRP의 인장강도와 탄성계수는 각각 2800 MPa와 160000 MPa이며 에폭시는 압축강도 70 MPa, 인장강도 28 MPa, 전단강도 18 MPa, 그리고 탄성계수는 128000 MPa이다. 보강방법은 두께 1.2 mm 폭 16 mm인 FRP판 3개를 에폭시로서 1줄로 겹쳐 부착시킨 뒤 폭 7.1 mm, 깊이 20 mm의 홈에 매입하였다. FRP의 부착길이는 150, 200, 300 mm 의 세 종류이며, 각 길이별로 전단키가 있는 경우와 없는 경우를 변수로 하였다.
FRP의 부착길이는 150, 200, 300 mm 의 세 종류이며, 각 길이별로 전단키가 있는 경우와 없는 경우를 변수로 하였다. 전단키는 지름 20 mm, 깊이 17 mm이며 전단키가 1개(S1)일 때는 가력방향에서 50 mm 위치에 설치하고, 2개(S2)일 때는 65 mm간격(부착길이 150 mm), 90 mm 간격(부착길이 200 mm), 140 mm(부착길이 300 mm)간격으로 설치를 하였다. 두개의 블럭에서 관찰부위와 비관찰부위를 구분하여 비관찰부위는 추가의 시트보강을 하여 파괴가 발생하지 않도록 하였다.
콘크리트 내에 매입된 FRP판의 위치별 변형도를 측정하기 위하여 모든 실험체에 변형률게이지를 부착하였다. 각 위치별 변형도 측정 결과는 하중이 도입된 부분에서 변형도가 높게 나타났고 가력면에서 멀어질 수록 Fig.

대상 데이터

3과 같이 200 mm×200 mm×400 mm의 두개의 콘크리트 블록을 FRP로 매입보강 연결하여 제작되었고, 한 개의 블록은 고정시키고 나머지 블록에 인장력을 가하여 보강부위에 전단응력이 작용하도록 하였다. 실험체에 사용된 콘크리트의 압축강도는 21 MPa이었고, FRP 보강재는 탄소섬유계로서 S사의 Carbodur-Plate S512/80을 사용하였으며 접착용 레진은 SikadurⓇ-30으로서 2액형 레진을 사용하였다. FRP의 인장강도와 탄성계수는 각각 2800 MPa와 160000 MPa이며 에폭시는 압축강도 70 MPa, 인장강도 28 MPa, 전단강도 18 MPa, 그리고 탄성계수는 128000 MPa이다.

데이터처리

전술한 이론 모델의 적합성을 평가하고 Fig. 2의 부착 강도-미끄러짐 모델의 적정 값을 평가하기 위하여 기존의 실험 결과¹⁾를 재분석하고 이론 결과와 비교하였다. Table 1은 실험체 일람표를 나타낸다.

성능/효과

1) 표면매입 보강된 FRP판과 콘크리트의 부착-미끄러짐관계는 계면의 부착전단강도와 그때의 국부적인 미끄러짐, 박락에 의한 콘크리트 연화거동을 고려한 이론모델을 사용함으로써 그 거동을 적절히 묘사할 수 있는 것으로 나타났다.
2) 부착전단강도와 국부적인 미끄러짐 관계를 나타내는 이선형 모델을 적용함에 있어서, 실험 결과 분석을 실시한 결과, 최대전단응력도인 τf는 Ali 등에 의해 제시된 식을 사용하는 것이 적합한 것으로 사료된다.
콘크리트 내에 매입된 FRP판의 위치별 변형도를 측정하기 위하여 모든 실험체에 변형률게이지를 부착하였다. 각 위치별 변형도 측정 결과는 하중이 도입된 부분에서 변형도가 높게 나타났고 가력면에서 멀어질 수록 Fig. 5의 변형도 분포에서와 같이 감소하는 것으로 나타났다.
7과 같다. 기존 연구자들에 의해 언급된 바와 같이 실험 결과로부터, 최대전단강도도 부착길이와 상관없는 것으로 나타났으며, 두개 실험체를 제외하고는 모두 10 MPa이상의 값을 보였고 평균적으로는 11.4 MPa로 나타났다. 이 값은 기존 연구자들에 의해 제시된 범주의 값이다.
또한, 최대전단응력도일 때의 변위 δ1은 부착 길이에 따른 변화는 없지만, 부착파괴시의 δf는 부착길이가 길어질수록 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.
실험 결과, 부착면 부위에서의 콘크리트 탈락에 의해 최종 파괴되는 표면부착 보강의 양상과 달리 표면매입 보강된 실험체는 Fig. 4와 같이 보강재의 매입깊이 내에 있는 콘크리트가 박락되는 양상을 보였다.
또한, 최대전단응력도일 때의 변위 δ₁은 부착 길이에 따른 변화는 없지만, 부착파괴시의 δ_f는 부착길이가 길어질수록 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이 관계를 이용하여 표면매입 보강된 FRP 판의 부착-미끄러짐 거동을 계산한 결과 실제 실험체와 유사한 부착-미끄러짐 관계를 얻을 수 있어, 이 연구에서 제시된 방법이 표면매입 보강된 FRP 판의 부착미끄러짐 해석모델로서 유효한 것으로 사료된다.

후속연구

표면매입 보강된 FRP 판으로부터 콘크리트로의 응력 전달은 에폭시를 통하여 비교적 넓은 FRP 판 표면의 부착전단응력이 콘크리트로 전달되기 때문에 응력전달이 매우 효과적이다. 이 응력전달은 기본적으로 철근과 콘크리트의 부착관계이론을 따르지만 표면매입보강된 FRP 판의 부착면적과 강성이 크기 때문에 부착계면에서의 응력전달에 대해서는 지속적인 연구가 요망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면매입 보강공법의 단점은 무엇인가?	반면에, 이 공법은 FRP 보강재를 매입하기 위하여 콘크리트 내에 일정크기 이상의 홈을 형성해야 하는 추가적인 작업을 필요로 하여 이에 따라 현장적용성이 낮아지게 된다. 이러한 단점을 보완하고자 콘크리트 부재에 폭이 좁고 깊이가 긴 홈을 형성하고 이 내부에 FRP 판을 세로로 세워서 매입보강하는 비교적 시공이 용이한 방안에 대한 연구가 국내외에서 진행되어 왔다.
	표면매입 보강공법이란 무엇인가?	최근 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강에 있어서 콘크리트 부재 표면에 일정한 깊이로 홈을 성형하고 FRP바를 표면에 매입한 후 에폭시를 이용하여 마감하는 표면매입 보강공법(NSMR, near surface-mounted retrofit)이 개발되어 건물보강에 활용되고 있다. 표면매입 보강공법은 보강재를 콘크리트 표면에 매입함으로써 부착공법에 비하여 높은 보강효율을 보일뿐만 아니라 보강재가 부재 내부에 위치하게 됨으로써 상대적으로 외부 환경에 민감하지 않은 장점이 있다.
	표면매입 보강공법의 장점은 무엇인가?	최근 FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강에 있어서 콘크리트 부재 표면에 일정한 깊이로 홈을 성형하고 FRP바를 표면에 매입한 후 에폭시를 이용하여 마감하는 표면매입 보강공법(NSMR, near surface-mounted retrofit)이 개발되어 건물보강에 활용되고 있다. 표면매입 보강공법은 보강재를 콘크리트 표면에 매입함으로써 부착공법에 비하여 높은 보강효율을 보일뿐만 아니라 보강재가 부재 내부에 위치하게 됨으로써 상대적으로 외부 환경에 민감하지 않은 장점이 있다.

참고문헌 (8)

Seo, S. Y., Oh, J. G., and Choi, K. B., "Bond Capacity of Concrete Member Strengthened by Various Methods Using FRP Plate," Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 27, No. 8, 2011, pp. 55-63.
Seo, S. Y., Feo, L., and Hui, D., "Bond Strength of Near-Surface-Mounted FRP Plate for Retrofit of Concrete Structures," Composite Structures, Vol. 95, 2013, pp. 719-727. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.08.038)

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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/10.4334/JKCI.2012.24.4.415)

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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, No. 7, 2008, pp. 1861-1868. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2007.12.006)

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Blaschko, M., "Bond Behavior of CFRP Strips Glued Into Slits," Proceeding, 6th International Symposium on FRPRCS, Singapre, 2013, pp. 203-214.
Ceroni, F., Peccea, M., Bilottab, A., and Nigro E., "Bond Behavior of FRP NSM Systems in Concrete Elements," Composite Part B, Vol. 43, No. 2, 2012, pp. 99-109. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.10.017)

상세보기
Pecce, M., Manfredi, G., Realfonzo, R., and Cosenza, E., "Experimental and Analytical Evaluation of Bond Properties of GFRP Bars," Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol. 13. No. 4, 2001, pp. 281-290. (doi: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2001)13:4(282))

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Pecce1, M. and Ceroni., F., "Modeling of Tension Stiffening Behavior of RC Ties Strengtened with FRP Sheets," ASCE Journal of Composite Construction, Vol. 8, No. 6, 2010, pp. 510-518. (doi: http://dx.doi. org/10.1061/(ASCE)1090-0268(2004)8:6(510))

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