본 연구에서는 GFRP 이형 보강근으로 휨보강된 보의 거동, 파괴유형과 강도를 평가하였다. 4개의 보 실험체들을 제작하여 실험을 수행하였다. 4점 하중재하 조건으로 단순지지된 GFRP로 보강 콘크리트 실험체의 거동과 하중-처짐을 관찰하였다. 전단배근으로 인한 거동의 불확실성을 배제하기 위하여 스터럽을 배근하지 않고 실험체를 제작하였다. 실험 변수는 전단지간비와 유효보강비이다. 실험체의 길이는 3,300 또는 $1,950mm{\times}200mm{\times}240mm$이고 순지간 2,900 또는 1,000mm이다. 전단지간비는 6.5와 2.5이며, GFRP 유효 보강근비는 $1.126{\rho}_{fb}$, $2.250{\rho}_{fb}$, $3.375{\rho}_{fb}$와 $0.634{\rho}_{fb}$이다. 실험 결과 모든 실험체는 전단파괴 되었으며 실험계획에 적용한 ACI 440.1R, CSA S806와 ISIS의 전단 강도식이 실제와 편차가 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 GFRP 이형 보강근으로 휨보강된 보의 거동, 파괴유형과 강도를 평가하였다. 4개의 보 실험체들을 제작하여 실험을 수행하였다. 4점 하중재하 조건으로 단순지지된 GFRP로 보강 콘크리트 실험체의 거동과 하중-처짐을 관찰하였다. 전단배근으로 인한 거동의 불확실성을 배제하기 위하여 스터럽을 배근하지 않고 실험체를 제작하였다. 실험 변수는 전단지간비와 유효보강비이다. 실험체의 길이는 3,300 또는 $1,950mm{\times}200mm{\times}240mm$이고 순지간 2,900 또는 1,000mm이다. 전단지간비는 6.5와 2.5이며, GFRP 유효 보강근비는 $1.126{\rho}_{fb}$, $2.250{\rho}_{fb}$, $3.375{\rho}_{fb}$와 $0.634{\rho}_{fb}$이다. 실험 결과 모든 실험체는 전단파괴 되었으며 실험계획에 적용한 ACI 440.1R, CSA S806와 ISIS의 전단 강도식이 실제와 편차가 있음을 확인하였다.
This paper evaluates the shear strength, behavior and failure mode of reinforced concrete beams with deformed GFRP reinforcing bar. Four concrete beam specimens were constructed and tested. It was carried out to observe failure behavior and load-deflection of simply supported concrete beams subjecte...
This paper evaluates the shear strength, behavior and failure mode of reinforced concrete beams with deformed GFRP reinforcing bar. Four concrete beam specimens were constructed and tested. It was carried out to observe failure behavior and load-deflection of simply supported concrete beams subjected to four-point monotonic loading. In order to eliminate of the uncertainty by the shear reinforcements, any stirrups were not used. Variables of the specimens were shear span-depth ratio, effective reinforcement ratio. The dimensions of specimen is 3,300 or $1,950mm{\times}200mm{\times}240mm$. Clear span and shear span were 2,900mm, 1,000mm respectively. Shear span-depth ratios were 6.5 and 2.5. Effective ratios of Longitudinal GFRP reinforcing bar were $1.126{\rho}_{fb}$, $2.250{\rho}_{fb}$, $3.375{\rho}_{fb}$ and $0.634{\rho}_{fb}$. All beam specimens were broken by diagonal-tension shear and the ACI 440.1R, CSA S806 and ISIS, which was used to design test beams, showed considerable deviation between prediction and test results of shear strengths.
This paper evaluates the shear strength, behavior and failure mode of reinforced concrete beams with deformed GFRP reinforcing bar. Four concrete beam specimens were constructed and tested. It was carried out to observe failure behavior and load-deflection of simply supported concrete beams subjected to four-point monotonic loading. In order to eliminate of the uncertainty by the shear reinforcements, any stirrups were not used. Variables of the specimens were shear span-depth ratio, effective reinforcement ratio. The dimensions of specimen is 3,300 or $1,950mm{\times}200mm{\times}240mm$. Clear span and shear span were 2,900mm, 1,000mm respectively. Shear span-depth ratios were 6.5 and 2.5. Effective ratios of Longitudinal GFRP reinforcing bar were $1.126{\rho}_{fb}$, $2.250{\rho}_{fb}$, $3.375{\rho}_{fb}$ and $0.634{\rho}_{fb}$. All beam specimens were broken by diagonal-tension shear and the ACI 440.1R, CSA S806 and ISIS, which was used to design test beams, showed considerable deviation between prediction and test results of shear strengths.
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문제 정의
본 연구는 스터럽이 없는 FRP 콘크리트 보의 파괴거동을 파악하기 위한 목적으로 실험연구를 수행하였으며, 하중-처짐, 파괴거동, 휨강도, 전단강도 등의 자료를 제공하며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 스터럽이 없는 FRP 콘크리트 보의 파괴거동과 전단강도를 파악하기 위해 4개의 보에 대한 실험적 연구를 수행하였으며 하중-처짐, 파괴거동 등을 중심으로 서술하였다.
4와 6과 같이 실험체 외부로 노출된 GFRP 보강근에 LVDT를 부착하여 슬립량을 계측하였다. 실험이 진행되는 동안 실험체 내부에 보강근이 확실하게 정착되었는지 검토할 목적이었고 모든 실험체에서 슬립은 전혀 발생되지 않았다.
4와 같이 실험체 외부로 노출된 GFRP 보강근에 LVDT를 부착하여 슬립량을 계측하였다. 실험이 진행되는 동안 실험체 내부에 보강근이 확실하게 정착되었는지 검토할 목적이었다.
제안 방법
(1) 실험체 Fig. 4와 6과 같이 실험체 외부로 노출된 GFRP 보강근에 LVDT를 부착하여 슬립량을 계측하였다. 실험이 진행되는 동안 실험체 내부에 보강근이 확실하게 정착되었는지 검토할 목적이었고 모든 실험체에서 슬립은 전혀 발생되지 않았다.
(2) 축방향 보강근비와 전단지간비를 변수로 실험적 연구를 수행하였다. 모든 실험체의 변형률-처짐 관계에서 실험체 측면에 부착된 게이지에서 계측된 변형률이 먼저 한계 변형률 (0.
ACI 440.1R-06의 강도 산정식에 의하면 본 연구에서 수행된 실험체들에 대한 파괴유형을 모두 전단파괴로 예측하였다. Table 4에 실험결과와 ACI 440.
ISIS에서는 모든 실험체의 콘크리트가 부담하는 전단 기여분을 39~67%로 예측하였다. NGF1과 NGF4 실험체에 대해서는 콘크리트 압축파괴, NGF2와 NGF3 실험체에 대해서는 인장파괴로 파괴유형을 예측하였다.
보강비가 각각 2.25ρfb, 3.375ρfb, 0.634ρfb인 NGF2, NGF3, NGF4 실험체의 경우 ACI 440.1R의 전단강도 (Psu)는 실제강도 (Pu)와 비교하면 비율의 차이는 있으나 NGF1 실험체의 경우와 유사하게 매우 보수적으로 예측하였고 오히려 휨강도 (Pfu)가 실제강도에 근접하게 예측하고 있으나 파괴유형은 실험결과와 동일하게 예측하였다.
지점은 실험체 끝단으로부터 200mm인 위치로 유효깊이(d)와 동일하다. 실험체 Fig. 4와 같이 실험체 외부로 노출된 GFRP 보강근에 LVDT를 부착하여 슬립량을 계측하였다. 실험이 진행되는 동안 실험체 내부에 보강근이 확실하게 정착되었는지 검토할 목적이었다.
유효깊이를 200mm로 일정하게 유지하는 피복두께를 얻기 위해 기존의 스페이서를 사용하지 않고 Fig. 5(a)와 같이 거푸집을 관통하는 철사를 횡방향으로 배치한 후 그 아래 면에 보강근이 위치되도록 제작하였다.
콘크리트 타설 후 증기양생 (72시간)을 실시하였고 실험실로 이동되어 상온에서 2주의 양생기간을 거친 후 KS F 2405에 따라 압축강도를 계측하였다. 콘크리트 압축강도 (fcu )는 25.
실험체의 중앙부 압축연단에 2개, 복부에 3개의 콘크리트 게이지를 부착하였다. 하중 진행에 따른 GFRP 보강근의 슬립 유무와 슬립량을 계측하기 위해 GFRP 보강근의 전체길이는 실험체의 외부로 150mm 노출되도록 결정하였다. 보강근에 부착된 변형률 게이지 선들은 실험체 상부에 위치되도록 하였다.
휨강도는 모든 실험체에 대하여 62~73%로 예측하였고 NGF1~3 실험체에 대해서는 휨파괴, NGF4 실험체에 대해서는 전단파괴를 예측하였다. ISIS에서는 모든 실험체의 콘크리트가 부담하는 전단 기여분을 39~67%로 예측하였다.
대상 데이터
GFRP 보강근으로 휨 보강된 실험체를 제작하였다. 모든 실험체는 사각형 단면이고 폭이 200mm이며 전체 높이는 240mm로 제작되었다.
GFRP 보강근은 유리섬유 (glass fiber)와 고분자화합물인 비닐에스테르 (vinyl ester)를 함침재료로 사용하여 제작되었다 (KICT, 2005). 본 연구에서 사용된 GFRP 보강근은 콘크리트와 보강근의 접촉면적을 크게 하여 부착강도를 증가시킨 이형 (deformed) 보강근 형태이며 Fig.
GFRP 보강근으로 휨 보강된 실험체를 제작하였다. 모든 실험체는 사각형 단면이고 폭이 200mm이며 전체 높이는 240mm로 제작되었다. 각 실험체에 GFRP (Glass fiber reinforced plastic) 보강근이 1단으로 배근되었으며 보강근 배근위치는 유효깊이 (d) 200mm를 유지하도록 배근되었다.
GFRP 보강근은 유리섬유 (glass fiber)와 고분자화합물인 비닐에스테르 (vinyl ester)를 함침재료로 사용하여 제작되었다 (KICT, 2005). 본 연구에서 사용된 GFRP 보강근은 콘크리트와 보강근의 접촉면적을 크게 하여 부착강도를 증가시킨 이형 (deformed) 보강근 형태이며 Fig. 1에 보강근 사진을 나타내었다. 알칼리 저항성이 우수한 PVA (poly vinyl alcohol) 섬유로 제작된 나선형태의 돌기와 다수의 단섬유로 구성된 피복이 보강근 표면을 덮고 있다.
전단철근은 전단강도에 기여함은 물론 압축부 콘크리트에 구속압력에 영향을 주게 되므로 거동의 변수를 최소화할 목적으로 적용되지 않았다. 전단보강을 배제한 대신에 NGF1, NGF2, NGF3 실험체의 전단지간비 (a/d)를 6.5로 선정하였다. 철근콘크리트 부재에서 전단지간비가 6.
7db)이다. 전단지간 길이는 NGF1, NGF2, NGF3 실험체는 1,300mm이고 NGF4 실험체는 500mm이다. 실험체의 단면치수, 보강근의 배근 위치를 Fig.
성능/효과
(3) ACI 440.1R은 보강근비가 균형보강비보다 작으면 (ρf < ρfb) FRP 보강근 파괴가 지배적이고, 보강근비가 균형보강근비보다 크면 (ρf > ρfb) 콘크리트 파괴가 지배적이라고 서술하고 있으나 본 실험에서는 콘크리트 압축연단의 압괴가 발생되지 않았다.
(4) 스터럽이 없는 FRP 콘크리트 보의 파괴유형의 예측은 설계기준마다 차이가 있으므로 실험을 수행하였고 ACI 440.1R은 실험결과와 일치하는 파괴유형을 예측하였으나 콘크리트가 부담하는 전단 기여분에 대해서는 매우 보수적인 결과를 예측하였다. CSA S806, ISIS에서도 콘크리트가 부담하는 전단 기여분을 대부분 보수적으로 평가하는 것으로 분석되었다.
NGF1, NGF2, NGF3 실험체의 보강근 축방향 강성비는 Table 3에 나타나 있듯이 NGF1의 강성을 기준으로 증가함에 따라 부재강성은 증가하나 처짐량은 감소하고 있다. NGF4 실험체는 보강근의 축방향 강성은 감소되었으나 전단지간비가 2.5인 영향으로 부재강성이 크게 나타났다.
모든 실험체는 휨균열이 발생되어 진행되다가 휨균열이 안정화 상태에 돌입한 후 전단지간의 중앙 부근의 복부에 사인장균열이 45° 각도로 발생되었고 균열폭이 급속히 증가 되어 단면을 관통하는 전단균열에 의해 파괴되었다. 또한 NGF1~3 실험체들은 사인장균열 폭이 증대되면서 사인장균열과 인접한 휨균열 구간에 지점방향으로 보강근을 따라서 피복이 탈락되었다.
모든 실험체는 휨균열이 발생되어 진행되다가 휨균열이 안정화 상태에 돌입한 후 전단지간의 중앙 부근의 복부에 사인장균열이 45° 각도로 발생되었고 균열폭이 급속히 증가 되어 단면을 관통하는 전단균열에 의해 파괴되었다.
(2) 축방향 보강근비와 전단지간비를 변수로 실험적 연구를 수행하였다. 모든 실험체의 변형률-처짐 관계에서 실험체 측면에 부착된 게이지에서 계측된 변형률이 먼저 한계 변형률 (0.003 이상)에 도달하였고 그 이후 실험체 압축연단에 부착된 게이지에서 계측된 변형률이 한계 변형률에 도달하였다. 이러한 경향은 모든 실험체에서 동일하게 나타났으며 전단지간 중앙부의 복부에 발생된 사인장균열에 의한 전단파괴의 파괴유형을 나타내었다.
이는 FRP 보강근 적용 및 파괴거동에 대한 실험적 근거 또는 이론적 이해가 완벽하지 않은 결과이기도 하다. 전 세계에서 생산되는 철근들의 성능에 대한 분산보다 FRP 보강근 성능에 대한 분산이 더 큰 것도 영향을 주는 것으로 보인다. 또한 해외의 설계기준들이 대부분 합리적인 이론적 접근보다는 실험결과에 대한 경험적 접근식을 채택하면서 RC 보의 전단강도 설계식을 수정하여 적용하고 있는 점도 각 기준에서 제시하는 식에 따른 결과가 다르게 산정되는 원인으로 판단된다.
8에 나타내었다. 처짐이 44mm일 때 실험체 측면에 부착된 게이지에서 계측된 변형률은 최대 값 (10,153)에 도달하였고 처짐이 83.6mm일 때 실험체 압축연단에 부착된 게이지에서 계측된 변형률은 최대 값 (-3,864)에 도달하였다. 이러한 경향은 모든 실험체에서 동일하게 나타났다.
후속연구
또한 해외의 설계기준들이 대부분 합리적인 이론적 접근보다는 실험결과에 대한 경험적 접근식을 채택하면서 RC 보의 전단강도 설계식을 수정하여 적용하고 있는 점도 각 기준에서 제시하는 식에 따른 결과가 다르게 산정되는 원인으로 판단된다. 향후 보다 다양한 실험결과들이 축적되고 이론적 입증에 대한 연구들이 진행되면 보다 합리적인 예측이 가능할 것으로 판단된다.
이러한 경향은 모든 실험체에서 동일하게 나타났으며 전단지간 중앙부의 복부에 발생된 사인장균열에 의한 전단파괴의 파괴유형을 나타내었다. 향후에 추가적인 실험결과둘이 수행되고 이에 따른 적합한 휨/전단강도 산정식에 대한 제시와 검증이 이루어져야 할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트란?
철근콘크리트 (Reinforced Concrete, 이하 RC)는 콘크리트의 단점인 낮은 인장력을 향상시키기 위해 철근을 인장부에 배근하는 구조물이다. 하지만 사용연한이 증가함에 따라 화학적 침투, 건습의 반복, 기온의 변화, 염화물의 침투, 이산화탄소와의 반응 등의 노출환경 및 내외부적 요인으로 인하여 철근이 부식될 수 있다.
FRP 보강근의 장점은?
Anronio et al. (2010)은 FRP 보강근은 철근에 비해 경량이고 높은 인장강도를 보유할 뿐만 아니라, 내부식성 (corrosion resistance)의 장점을 활용하여 해상및 해안교량, 항만구조물, 화학적으로 가혹한 환경에 노출되는 구조물 등에 적용시 유리함을 보고하였다. 또한 비자기성 및 비전도성 (electric and magnetic transparency)의 물리적 역학적인 재료특징을 활용하면 MRI (magnetic resonance imaging)와 같이 전자기장에 민감하게 반응하는 설비 또는 장비들이 있는 의료 구조물이나 산업 구조물에 적용시 유리함을 Anronio et al.
사용연한이 증가함에 따른 철근콘크리트의 단점은?
철근콘크리트 (Reinforced Concrete, 이하 RC)는 콘크리트의 단점인 낮은 인장력을 향상시키기 위해 철근을 인장부에 배근하는 구조물이다. 하지만 사용연한이 증가함에 따라 화학적 침투, 건습의 반복, 기온의 변화, 염화물의 침투, 이산화탄소와의 반응 등의 노출환경 및 내외부적 요인으로 인하여 철근이 부식될 수 있다. Nanni (1993)는 미국에 있는 기존 교량에 대한 조사를 수행하였다.
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