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문제 정의
- 본 연구에서는 GFRP로 보강된 휨부재의 파괴거동을 분석하기 위하여 실험변수로 GFRP Bar의 보강비 및 콘크리트의 압축강도를 설정하였으며, 비교를 위하여 동일한 직경과 단면적의 철근보강 콘크리트 보를 설정하였다. Table 1에 각 실험변수를 정리하였다.
- 본 연구에서는 보강비와 콘크리트 강도를 변수로 하여 일반 RC보와 GFRP보에 대한 비교시험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 FRP중에서도 가장 경제적이고 합리적인 것으로 평가되는 유리섬유보강 플라스틱(Glass fiber reinforced plastcis, GFRP)을 보강근으로 사용하여 보강근비 및 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 휨파괴실험을 수행하였다. GFRP 보강근비는 일반 철근에 비하여 현저히 작은 균형철근비가 파괴모우드에 미치는 영향을 분석하고, 콘크리트 압축강도를 변화시켜 높은 인장도를 가지는 GFRP 보강근과의 조합에 따른 상대적인 파괴모우드를 분석하였다. 시험결과를 토대로 부재의 강도, 하중처짐 및 균열과 변형특성을 중심으로 ACI Committee 440에서 제안된 설계기준의 타당성과 적용성을 비교검토 하였다.
- 시험체 중앙단면의 GFRP와 철근에는 매립용 변형률게이지를 그리고 콘크리트 표면에는 부재 중앙 상면에 1개, 측면 중앙과 중앙에서 각각 70mm 상하에 3개의 일반 변형률게이지를 각각 부착하여 부재의 변형률 변화를 관찰하였다. 보의 중앙에 LVDT를 설치하여 부재의 처짐을 측정하였다. 각 시험체의 형상, 하중재하 및 측정 장치의 설치 위치는 Fig.
- 본 연구에서 설계, 제작한 휨시험체는 실험변수를 고려하여 각각 두 개씩 모두 24개를 제작하였으며 28일간 습윤양생후 4점휨 재하실험을 수행하였다. 하중은 변위 제어 방식으로 가하였으며 2mm/min의 속도로 재하하였다.
- 2를 사용하도록 제안하고 있다. 본 연구에서는 ACI 설계기준식을 적용하여 계산한 이론적인 처짐 및 균열폭을 계산하고 실험결과와 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 FRP중에서도 가장 경제적이고 합리적인 것으로 평가되는 유리섬유보강 플라스틱(Glass fiber reinforced plastcis, GFRP)을 보강근으로 사용하여 보강근비 및 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 휨파괴실험을 수행하였다. GFRP 보강근비는 일반 철근에 비하여 현저히 작은 균형철근비가 파괴모우드에 미치는 영향을 분석하고, 콘크리트 압축강도를 변화시켜 높은 인장도를 가지는 GFRP 보강근과의 조합에 따른 상대적인 파괴모우드를 분석하였다.
- 본 연구에서는 GFRP 보강근비를 달리하여 파괴모드를 관찰하였으며 이론적인 공칭휨강도로부터 이론적인 최대하중을 구하여 실험값과 비교분석하였다.
- 균열폭 측정은 순수휨구간에서 5kN 간격의 하중단계별로 측정하였으며 그 결과를 이론값과 비교하여 Table 6에 나타내었다. 사용하중하에서 균열폭을 산정하기 위하여 각 시험체의 최대하중 Pmax의 50%에서 균열폭을 이론적으로 계산하였다. GFRP 시험체의 균열은 순수 휨구간에서 최초 발생하였고 하중이 증가할수록 점차 지점부로 발전하는 형태로 진전되었다.
- GFRP 보강근비는 일반 철근에 비하여 현저히 작은 균형철근비가 파괴모우드에 미치는 영향을 분석하고, 콘크리트 압축강도를 변화시켜 높은 인장도를 가지는 GFRP 보강근과의 조합에 따른 상대적인 파괴모우드를 분석하였다. 시험결과를 토대로 부재의 강도, 하중처짐 및 균열과 변형특성을 중심으로 ACI Committee 440에서 제안된 설계기준의 타당성과 적용성을 비교검토 하였다.
- 하중은 변위 제어 방식으로 가하였으며 2mm/min의 속도로 재하하였다. 시험체 중앙단면의 GFRP와 철근에는 매립용 변형률게이지를 그리고 콘크리트 표면에는 부재 중앙 상면에 1개, 측면 중앙과 중앙에서 각각 70mm 상하에 3개의 일반 변형률게이지를 각각 부착하여 부재의 변형률 변화를 관찰하였다. 보의 중앙에 LVDT를 설치하여 부재의 처짐을 측정하였다.
- 전단파괴를 방지하기 위하여 φ8 굵은철사를 스터럽으로 사용하여 5cm 간격으로 배근하였다.
- 하중 재하시 콘크리트 및 GFRP-Bar의 변형률을 측정하였으며, 이를 토대로 시험체의 중립축 변화, 파괴시 GFRP Bar와 콘크리트의 부착여부를 조사하였다. 그 결과 GFRP-Bar와 콘크리트의 부착상태는 양호한 것으로 판단되었으며, 하중이 증가함에 따라 중립축이 변화하여 GFRP-Bar의 위치에 부착한 콘크리트 변형률 게이지는 초기에 인장력을 받다가 결국 게이지의 기능을 상실한 것으로 판단되었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 GFRP Bar는 국내 D사에서 제조한 것으로 물리적 특성은 Table 2와 같고, 철근은 D-10으로서 GFRP와 동일한 직경의 SD300을 사용하였다.
데이터처리
- 시험체의 처짐값은 ACI Code 440의 방법으로 식(2-7)의 균열환산단면2차 모멘트를 사용하여 계산하였으며 그 결과를 Table 5에 실험값과 비교하였다. 표에서 RC보의 경우에는 항복하중과 그에 대한 처짐값을 나타낸다.
성능/효과
- 1) 보강비를 동일하게 한 경우 GFRP bar 보강보의 경우 일반 RC보의 경우에 비하여 파괴시 최대하중이 41.3〜51.6% 증가하였으며, 그 정도는 고강도 콘크리트에서 더 효과적인 것으로 나타났다.
- 2) ACI Code 440에 의하여 휨강도를 계산한 결과, 예상치못한 사인장 전단파괴가 발생한 FRPHC-2와 FRPHC-3 시편의 경우를 제외한다면 이론값보다 실험값이 약13%정도 크게 나타나 GFRP 부재를 ACI Code 440에 의하여 설계할 경우 다소 안전측의 설계로 평가됨을 알 수 있다.
- 3) GFRP 시험체의 처짐은 RC보 보다 평균 4.1〜6.3배 정도 크게 발생하였고, RC보의 경우 이론값 대비 실험값이 0.96〜1.14로 유사하나 GFRP보의 경우 실측처짐이 이론값보다 평균 31% 정도 작게 나타나 GFRP 보의 처짐계산시 사용되는 휨강성이 최대하중시 과소평가되기 때문인 것으로 판단된다.
- 4) 측정된 GFRP보의 균열폭은 RC보에 비하여 보통 콘크리트의 경우에 약1.87배, 고강도콘크리트의 경우에 약2.79배 크게 발생하였다. 철근 및 GFRP 보강비가 증가할수록 평균균열간격은 대체적으로 감소하는 것으로 나타났고, RC보의 경우와 달리 GFRP보의 경우 보통강도 콘크리트를 사용할 때보다 고강도 콘크리트 사용한 경우에 평균균열간격이 약 7.
- FRP Bar로 보강된 콘크리트 휨부재는 FRP Bar의 낮은 강성으로 인해 균열발생 후 철근으로 보강된 콘크리트 휨부재에 비해 부재 전체의 휨강성이 작아지며, 이로 인한 처짐이 크게 발생한다. FRP Bar로 보강된 단순지지된 직사각형보에 대한 실험적 연구결과에 따르면 철근콘크리트 휨부재의 사용성 검토에 적용되는 Branson의 유효단면2차모멘트를 FRP Bar로 보강된 콘크리트 휨부재에 적용할 경우 단면의 능력이 과대평가되는 것으로 나타났다. 이러한 실험결과는 FRP Bar의 탄성계수가 철근에 비해 작고, 부착강도가 상대적으로 작기 때문이므로, 철근콘크리트 휨부재에 적용하던 Branson의 유효단면2차모멘트식을 수정하여 ACI Committee 440에서는 이러한 연구결과를 바탕으로 다음과 같이 FRP Bar 보강 콘크리트 휨부재의 유효단면2차모멘트식과 유사한 형태의 아래 (2-7)을 제안하였으며, 이 식에서 βd는 식(2-8)과 같이 결정된다[7].
- 각 부재별 시험체에 대한 실험결과는 Table 4와 같고, 모든 GFRP 시험체는 콘크리트의 압축파쇄 형태로 파괴되었고, RC보는 철근의 항복에 이은 인장파괴 양상을 보였다. FRPNC, FRPHC는 모두 콘크리트의 압축파쇄로 취성파괴를 일으켰으나 GFRP Bar는 항복하지 않아 구조물의 붕괴는 일어나지 않았으며 파괴 이후 하중을 제거하자 GFRP Bar 탄성에 의해 부재의 처짐 변형이 어느 정도 회복되는 것으로 관찰되었다. 특히, 균형보강비 이상으로 과보강된 FRPHC-2,3 시편의 경우에는 사인장균열에 이은 압축파쇄의 전단파괴 양상을 나타내었다.
- Fig. 7에 나타난 하중-변형률 곡선을 살펴보면 모든 시험체에서 GFRP Bar는 항복하지 않은 것으로 판단되며, Table 1에서 알 수 있듯이 균형보강비에 대한 GFRP 보강비의 비율이 0.71로 GFRP bar의 인장파괴를 예상했던 FRPHC-1 부재의 GFRP Bar의 변형률이 가장 크게 나타났다.
- GFRP 보강비를 2배로 증가하였을 때 최대하중이 보통강도에서 51.1%, 고강도에서 40.2% 증가한 것으로 나타났으나, 고강도 콘크리트 보의 경우 휨강도에 도달하기 전에 사인장 전단파괴가 먼저 유발되어 최대 휨파괴 하중에 미치지 못한 것으로 실제의 내력증가는 고강도 콘크리트에서 더 크게 일어나는 것으로 판단된다.
- 사용하중하에서 균열폭을 산정하기 위하여 각 시험체의 최대하중 Pmax의 50%에서 균열폭을 이론적으로 계산하였다. GFRP 시험체의 균열은 순수 휨구간에서 최초 발생하였고 하중이 증가할수록 점차 지점부로 발전하는 형태로 진전되었다. 측정된 GFRP 보의 균열폭은 RC보에 비하여 보통콘크리트의 경우에 약1.
- 표에서 RC보의 경우에는 항복하중과 그에 대한 처짐값을 나타낸다. GFRP 시험체의 처짐은 철근보강보 보다 약 4.1〜6.3배 정도 크게 발생하였고, 고강도 콘크리트보다 보통강도 콘크리트를 사용한 경우에 평균 5.6% 크게 발생하였다. RC보의 경우와는 달리 GFRP 보강보의 경우에 최대하중시의 처짐이 이론값보다 평균 31% 정도 작게 나타났다.
- 6% 크게 발생하였다. RC보의 경우와는 달리 GFRP 보강보의 경우에 최대하중시의 처짐이 이론값보다 평균 31% 정도 작게 나타났다. 이는 GFRP 보의 처짐계산시 사용되는 휨강성이 최대하중시 과소평가되기 때문인 것으로 판단된다.
- 각 부재별 시험체에 대한 실험결과는 Table 4와 같고, 모든 GFRP 시험체는 콘크리트의 압축파쇄 형태로 파괴되었고, RC보는 철근의 항복에 이은 인장파괴 양상을 보였다. FRPNC, FRPHC는 모두 콘크리트의 압축파쇄로 취성파괴를 일으켰으나 GFRP Bar는 항복하지 않아 구조물의 붕괴는 일어나지 않았으며 파괴 이후 하중을 제거하자 GFRP Bar 탄성에 의해 부재의 처짐 변형이 어느 정도 회복되는 것으로 관찰되었다.
- 하중 재하시 콘크리트 및 GFRP-Bar의 변형률을 측정하였으며, 이를 토대로 시험체의 중립축 변화, 파괴시 GFRP Bar와 콘크리트의 부착여부를 조사하였다. 그 결과 GFRP-Bar와 콘크리트의 부착상태는 양호한 것으로 판단되었으며, 하중이 증가함에 따라 중립축이 변화하여 GFRP-Bar의 위치에 부착한 콘크리트 변형률 게이지는 초기에 인장력을 받다가 결국 게이지의 기능을 상실한 것으로 판단되었다.
- 이는 GFRP 보의 처짐계산시 사용되는 휨강성이 최대하중시 과소평가되기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 GFRP Bar의 보강량이 증가할수록 이론값과 실험값의 차이가 다소 줄어드는 경향을 보였다.
- 특히, 균형보강비 이상으로 과보강된 FRPHC-2,3 시편의 경우에는 사인장균열에 이은 압축파쇄의 전단파괴 양상을 나타내었다. 이상의 파괴양상으로 보아 GFRP Bar의 휨부재를 설계할 때에는 과보강보의 설계가 바람직함을 알 수 있었다. 각 시험체의 파괴양상을 Fig.
- 9에 대표적인 균열발생양상과 평균균열 간격을 나타내었다. 철근 및 GFRP 보강비가 증가할수록 평균균열간격은 대체적으로 감소하는 것으로 나타났고, RC보의 경우와 달리 GFRP보의 경우 보통강도 콘크리트를 사용할 때보다 고강도 콘크리트 사용한 경우에 평균 균열간격이 약 7.3% 정도 작은 것으로 나타났다.
- 9에 대표적인 균열발생양상과 평균균열 간격을 나타내었다. 철근 및 GFRP 보강비가 증가할수록 평균균열간격은 대체적으로 감소하는 것으로 나타났고, RC보의 경우와 달리 GFRP보의 경우 보통강도 콘크리트를 사용할 때보다 고강도 콘크리트 사용한 경우에 평균 균열간격이 약 7.3% 정도 작은 것으로 나타났다.
- GFRP 시험체의 균열은 순수 휨구간에서 최초 발생하였고 하중이 증가할수록 점차 지점부로 발전하는 형태로 진전되었다. 측정된 GFRP 보의 균열폭은 RC보에 비하여 보통콘크리트의 경우에 약1.87배, 고강도콘크리트의 경우에 약2.79배 크게 발생하였다.
- 콘크리트의 설계기준강도는 보통강도 콘크리트의 경우로 26.5MPa과 고강도 콘크리트의 경우로 49.0MPa을 각각 목표로 하였으며, 압축강도 시험결과 23.5MPa과 50.0MPa로 각각 나타났다. NC 및 HC의 쪼갬인장강도는 각각 2.
- 파괴시의 최대하중은 GFRP보의 경우 RC보에 비하여 보통강도 콘크리트의 경우에 41.3%, 고강도 콘크리트의 경우 51.6% 증가한 것으로 나타났다. Table 4에 정리한 바와 같이 식(2-2)〜식(2-5)에 따라 이론적으로 분석할 경우 고강도 콘크리트를 사용한 GFRP 시험체는 보통강도 콘크리트를 사용한 경우보다 8.
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