[논문]단기하중을 받는 FRP-보강근 콘크리트 보의 휨균열폭 특성

최봉섭

doi:10.5762/kais.2015.16.10.7053

단기하중을 받는 FRP-보강근 콘크리트 보의 휨균열폭 특성
Characteristics of Flexural Cracking Widths in FRP-Reinforced Concrete Beams Subjected to Short-Term Loads 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.10, 2015년, pp.7053 - 7060

초록
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콘크리트 부재에서 FRP-보강근의 사용은 철근의 사용에 비해서 일반적으로 낮은 탄성계수와 부착성능으로 인하여 보다 넓은 균열폭을 초래 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 9개의 장방형보와 3개의 T형보로 구성된 총 12개의 시험체들로부터 4점가력 휨실험을 통하여 얻어진 균열폭 결과들과 기존 ACI 440.1R-06 제안식으로 계산된 결과들을 비교 분석하여 설계변수들이 균열폭에 미치는 영향과 적용 범위에 대한 문제점들을 파악하였다. 결과로서 주요 설계변수의 하나인 변동계수, $k_b$ 값은 0.6~1.88 범위에서 1.05의 평균값과 약 40%의 높은 변동계수를 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of FRP(Fiber-reinforced polymer) bars results in larger crack widths under service load due to the generally low elastic modulus and poor bond characteristics of FRP as compared with steel reinforcing bars. The work presented herein includes the results from 12 beams composed of nine rectangular beams and three T-beams reinforced with FRP bars tested under four-point bending. It was investigated that the bond coefficient, $k_b$ in ACI 440.1R-06 equation had high variability which the coefficient of variation was 40% in the range of 0.6 to 1.88 with average 1.05.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 이를 기초하여 사용하중 범위에서 FRP-보강근 콘크리트 보의 단기하중 실험을 수행하므로써 아래와 같은 범위에서 균열폭 거동을 파악하고 기존 제안식과 비교·분석하여 본 연구의 목적을 달성하고자 한다.
본 연구에서는 FRP-보강근 콘크리트 보의 균열폭 특성을 파악하고 ACI 440.1R-06 제안식의 적용범위와 그에 따른 문제점들을 지적하여 추후 보다 합리적인 균열폭 식을 유도할 수 있는 기초자료를 제공하고자 하였다. 이에 장방형과 T형단면을 갖는 FRP-보강근 콘크리트 보에 대한 단기 휨실험을 통하여 얻어진 결과들을 비교·분석함으로서 다음과 같은 결론을 얻었다.
1R-06 설계기준은 충분한 실험 데이터의 부족으로 통합적이고 합리적인 계산값을 제시하는데 제한적이다. 이에 본 연구에서는 FRP-보강근 콘크리트 부재의 균열폭 특성을 합리적으로 파악하고자 우선 ACI 440.1R-06 설계기준과 이와 관련된 최근 연구내용들을 이해하고 제안된 예측식들의 적용범위와 문제점들을 파악한다. 또한 이를 기초하여 사용하중 범위에서 FRP-보강근 콘크리트 보의 단기하중 실험을 수행하므로써 아래와 같은 범위에서 균열폭 거동을 파악하고 기존 제안식과 비교·분석하여 본 연구의 목적을 달성하고자 한다.
이에 본 연구에서는 T형단면을 포함한 FRP-보강근 콘크리트 보의 휨실험 결과들을 바탕으로 설계지침에서 사용되고 있는 기존 제안식의 결과와 비교 분석하므로써 FRP-보강근 콘크리트 보들의 균열거동 특성뿐만 아니라 기존 제안식의 적용범위와 그에 따른 문제점들을 파악하여 균열폭을 예측할 수 있는 모델을 제안하는데 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
이에 본 절에서는 Fig. 4과 5에서 볼 수 있는 바와 같이 극한하중의 0.8배(0.8Pu)까지 각각 실험으로부터 얻어진 장방형과 T형단면의 균열폭을 부착계수 0.5∼1.4 범위에서 계산된 결과값과 비교하여 보강근 종류, 보강 근비, 그리고 단면형태에 따른 부착계수의 특성을 살펴 보고자 하였다.

제안 방법

그리고 곧바로 그 균열폭 중심으로 양쪽 면에 파이게이지 (Pi-gage)를 부착한 후 계속 하중을 가력하면서 첫 균열의 폭을 최대 폭으로 생각하여 두 측정 장비로 동시에 측정이 가능한 범위까지, 즉 대략 극한하중의 80∼90%까지 측정하고자 하였다.
또한 변형률도 스트레인 게이지를 콘크리트의 압축측 상단과 인장철근에 각각 2∼4개씩 설치하여 측정하였다.
본 실험에서는 FRP-보강근 콘크리트 보들의 균열양상 특성을 파악하고자 총 12개의 시험체를 제작하였는데 이 중 9개는 장방형단면으로 그리고 3개는 T형단면으로 계획하였다. 시험체 설계에 적용된 보강근비는 압축파괴 거동을 유도하기 위해 ACI 440.
본 실험에서는 FRP-보강근 콘크리트 보들의 균열양상 특성을 파악하고자 총 12개의 시험체를 제작하였는데 이 중 9개는 장방형단면으로 그리고 3개는 T형단면으로 계획하였다. 시험체 설계에 적용된 보강근비는 압축파괴 거동을 유도하기 위해 ACI 440.1R-06의 균형보 강근비(p_fb) 이상으로 하였으며 전단경간비(a/d)는 휨거동을 유도하기 위해 대략 4.0정도로 하였고, T형단면의 플랜지 폭은 웨브폭의 2.8배로 계획하였다.
콘크리트구조에서 사용하중의 범위는 극한하중의 30∼60% 범위를 폭넓게 사용되고 있으나 Veysey and Bischoff[9] 최근 연구에서 최대허용 처짐을 만족하는 사용하중 범위는 보의 경우 35∼45%로 제안하고 있다. 이에 본 연구에서는 이 범위를 사용하중 범위로 적용하여 비교하였다.
이에 장방형과 T형단면을 갖는 FRP-보강근 콘크리트 보에 대한 단기 휨실험을 통하여 얻어진 결과들을 비교·분석함으로서 다음과 같은 결론을 얻었다.
재하방법은 단순지지된 시험체를 최대용량 5,000kN인 만능재료시험기(UTM)을 사용하여 시험체 4점가력하였다. 균열폭 측정은 두 가지의 측정 장비를 이용하였는데 파이게이지(Pi-gage)와 크랙커(Cracker)이다.
측정은 첫 균열 발생 시 하중을 일시 정지시킨 후 크랙커(Cracker)를 이용하여 첫 균열의 폭을 측정하였다. 그리고 곧바로 그 균열폭 중심으로 양쪽 면에 파이게이지 (Pi-gage)를 부착한 후 계속 하중을 가력하면서 첫 균열의 폭을 최대 폭으로 생각하여 두 측정 장비로 동시에 측정이 가능한 범위까지, 즉 대략 극한하중의 80∼90%까지 측정하고자 하였다.

대상 데이터

보 제작을 위해 사용된 콘크리트는30MPa 레미콘 콘크리트를 사용하였고 평균 압축강도는 35MPa로 나타났다. 보강근으로 사용된 FRP는 D사의 나선형 홈 형태의 표면을 갖는 GFRP, AFRP, CFRP를 사용하였고 직경은 10mm와 13mm를 사용하여 장방형단면 시험체는 1단배근 하였고 T형단면 시험체는 2단배근을 하였다.
보 제작을 위해 사용된 콘크리트는30MPa 레미콘 콘크리트를 사용하였고 평균 압축강도는 35MPa로 나타났다. 보강근으로 사용된 FRP는 D사의 나선형 홈 형태의 표면을 갖는 GFRP, AFRP, CFRP를 사용하였고 직경은 10mm와 13mm를 사용하여 장방형단면 시험체는 1단배근 하였고 T형단면 시험체는 2단배근을 하였다.
장방형보의 크기는 폭 b= 250mm , 깊이 h= 300mm , T형보는 플랜지 폭, b_f= 700mm 웨브 폭, b_w = 250mm 그리고 h = 300mm로 하였으며 경간길이, l_n = 3000mm으로 제작하였다. 전단보강근은 D10 철근을 사용하였으며, 전단보강근 배근을 위해 상부철근으로는 D6 철근을 사용하였다.
= 3000mm으로 제작하였다. 전단보강근은 D10 철근을 사용하였으며, 전단보강근 배근을 위해 상부철근으로는 D6 철근을 사용하였다. Fig.

데이터처리

Table 4에서는 사용하중 범위(0.35P_u~ 0.45P_u)에서 ACI 440.1R-06에서 보수적으로 권고하고 있는 부착계수, k_b= 1.4를 사용하여 계산된 균열폭은 실험을 통하여 측정된 균열폭과의 차이를 알아보기 위해 균열폭비 (w_exp/ w_cal)로 비교하였다. 계산값은 p_f= 0.

이론/모형

FRP-보강근 콘크리트의 균열 모델은 2006년 이전에는 아래에서 보여주는 ACI 318의 Gergely-Lutz[6]모델을 간단히 수정하는 방법으로 휨균열폭을 제어하였다. 여기서, w = 허용균열폭, β = 중립축에서 인장 보강근 도심까지의 거리에 대한 중립축에서 인장연단까지의 거리 비, f_s = 철근의 응력, d_c = 인장연단과 인장연단에서 가장 가까운 보강근의 중심까지의 피복두께, A_t = 유효 인장 면적(유효콘크리트 인장면적/보강근 개수)이다.
다만 RAF-13-2의 시험체의 경우 재하도중 예기지 못한 균열측정 장비인 파이게이지의 분리로 촘촘한 데이터를 얻을 수는 없었으나 같이 사용된 크래커를 이용하여 10kN 간격으로 균열폭을 측정할 수 있었다. 또한 이러한 상황은 TAF-1310-6의 시험체에서도 일어나 같은 방법으로 측정하였다. p_f= 0.

성능/효과

pf = 0.008 시험체들의 경우는 kb = 1.4를 적용하여 계산된 결과값도 보수적이지 못할 수가 있다는 것을 보여주고 있어 부착 계수, kb값의 변동성은 예상보다 더 클 수도 있다는 것이 확인되었다.
계산값은 pf = 0.008을 갖는 장방형단면 시험체를 제외한 모든 시험체에서 실험값에 비해 보수적으로 나타났으며 특히 T형단면은 충분한 시험체들의 결과는 아니지만 장방형단면에 비해 상당히 보수적인 결과를 보여주고 있다.
그러나 단면형태별로 구분하여 본다면 T형단면의 경우 부착계수는 평균 0.66을 나타내고 있고 변동계수 또한 상대적으로 아주 낮게 보여주고 있어 장방형단면에 비해 보강근 부착성능의 상승효과가 큰 것으로 나타나 k_b= 1.0이하의 값을 고려할 수 있을 것으로 판단된다. 물론 T형단면에 대해서는 추후 보다 많은 실험데이터에 의한 비교분석이 필요하다.
5%의 변동계수를 나타내 상당히 큰 변동성을 보여주고 있다. 그리고 0.45P_u에서도 다소 변동성의 감소가 있었으나 0.35P_u 결과값들과 큰 차이가 없음을 보여주고 있어, 사용하중 범위에서 하중의 증감은 부착계수 k_b값에 큰 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다.
넷째, ACI440.1R-06의 균열폭 식에서 사용되고 있는 부착계수, k_b는 0.6∼1.88범위에서 1.05의 평균값과 약 40%의 변동계수를 보여주고 있어 고유의 큰 변동성을 갖고 있는 것을 확인할 수 있었다.
둘째, 이러한 결과는 보강근의 탄성계수, 보강근비, 그리고 부재의 단면2차모멘트가 클수록 보강근 변형률을 감소시켜 좁은 균열폭을 유도하기 때문으로 판단된다.
하중이 증가하면서 균열폭은 증가하는데 보강근의 종류에 따라, 즉 탄성계수가 큰 CFRP, AFRP, GFRP 순으로 또한 보강근비가 클수록 균열폭은 좁게 나타났다. 또한 단면의 크기에 따라, 즉 장방형단면에 비해 크기가 상대적으로 큰 T형단면에서 균열폭이 좁게 나타났다.
)에 도달되면서 발생하는데 처음에는 순수 휨모멘트 구간에서만 주인장응력 방향에 수직으로 휨균열이 발생되었으나 하중이 증가하면서 전단응력에 의한 사인장 균열과 함께 가력점으로 번져가는 모습을 보여주었다. 또한 보강근비가 큰 시험체일수록 파괴하중이 커지기 때문에 압축파괴가 일어날 때 까지 충분히 휨균열과 사인장 균열이 차례로 진행되면서 균열 간격도 대체적으로 좁게 나타나는 경향을 나타냈다.
003인 T형단면 시험체에 대한 보강근 재료별 하중-균열폭 비교 그래프를 보여주고 있다. 모든 시험체에서 균열폭의 크기는 대체로 보강근 종류와 보강근비에 따라 좌우되는 것을 알 수 있다. 하중이 증가하면서 균열폭은 증가하는데 보강근의 종류에 따라, 즉 탄성계수가 큰 CFRP, AFRP, GFRP 순으로 또한 보강근비가 클수록 균열폭은 좁게 나타났다.
본 연구에서는 내부노출의 허용균열폭을 사용하여 비교하였는데 장방형단면의 경우는 모든 시험체들에서 허용균열폭 0.7mm를 최대 2.8배까지 초과하였다. 그러나 T형단면 시험체에서는 대체적으로 0.
셋째, ACI440.1R-06에서 권고하고 있는 내부노출의 허용균열폭 0.7mm를 장방형단면의 경우는 모든 시험체에서 초과하였으나 T형단면 시험체에서는 대체적으로 초과하지 않은 것으로 나타났다.
값들의 변동성을 알아보기 위해서 실험으로부터 얻어진 균열폭을 사용하여 계산된 결과를 보여주고 있다. 우선 하중이 증가할 때 k_b값들의 차이 정도를 살펴볼 수 있는데 모든 시험체에서 0.35P_u사용하중에서는 k_b=0.6~1.88 범위에서 1.06의 평균값과 42.5%의 변동계수를 나타내 상당히 큰 변동성을 보여주고 있다. 그리고 0.
첫째, 균열폭의 크기는 보강근 탄성계수가 큰 CFRP, AFRP, GFRP 순으로 보강근비가 클수록 그리고 T형단면 시험체에서 균열폭은 좁게 나타났다.
모든 시험체에서 균열폭의 크기는 대체로 보강근 종류와 보강근비에 따라 좌우되는 것을 알 수 있다. 하중이 증가하면서 균열폭은 증가하는데 보강근의 종류에 따라, 즉 탄성계수가 큰 CFRP, AFRP, GFRP 순으로 또한 보강근비가 클수록 균열폭은 좁게 나타났다. 또한 단면의 크기에 따라, 즉 장방형단면에 비해 크기가 상대적으로 큰 T형단면에서 균열폭이 좁게 나타났다.

후속연구

0이하의 값을 고려할 수 있을 것으로 판단된다. 물론 T형단면에 대해서는 추후 보다 많은 실험데이터에 의한 비교분석이 필요하다.
이러한 결과들을 종합하여 본다면 기존 ACI 440.1 R-06의 균열폭 식에서 상수로 제시되고 있는 부착계수 k_b는 균열폭을 결정하는데 많은 영향을 주는 변수 중에 하나라는 것을 알 수 있었고, 보강근의 탄성계수, 보강근 비 그리고 단변형태에 따른 단면2차모멘트의 크기에 따라 영향을 받기 때문에 이러한 주요 변화들을 고려한 k_b의 제안식이 필요한 것으로 사료된다.
이러한 결론으로부터 얻어진 내용들을 바탕으로 추후의 연구에서는 이번 연구에서 많이 실험하지 못했던 T 형단면 시험체에 대한 추가실험과 더불어 기존 연구자들의 실험데이터에 근거한 주요 설계 변수들에 대한 변수 분석을 통하여 보다 합리적인 균열폭 식을 제안하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 부재에서 FRP-보강근의 사용은 무엇을 초래할 수 있는가?	콘크리트 부재에서 FRP-보강근의 사용은 철근의 사용에 비해서 일반적으로 낮은 탄성계수와 부착성능으로 인하여 보다 넓은 균열폭을 초래 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 9개의 장방형보와 3개의 T형보로 구성된 총 12개의 시험체들로부터 4점가력 휨실험을 통하여 얻어진 균열폭 결과들과 기존 ACI 440.
	본연구의 FRP-보강근 콘크리트보 균열폭 측정에 무엇을 사용하였는가?	재하방법은 단순지지된 시험체를 최대용량 5,000kN 인 만능재료시험기(UTM)을 사용하여 시험체 4점가력 하였다. 균열폭 측정은 두 가지의 측정 장비를 이용하였는데 파이게이지(Pi-gage)와 크랙커(Cracker)이다.
	Fiber-Reinforced Polymer(이하 FRP) 보강근의 장점은 무엇인가?	최근 철근콘크리트 부재에서는 피할 수 없는 균열로 인한 철근의 부식문제를 해결하기 위해 철근의 대체재로서 비금속체인 Fiber-Reinforced Polymer(이하 FRP) 보강근이 대안으로 사용되고 있다. 이는 철근과 비교하여 인장강도가 우수하며 경량이고 내부식성, 내화학성 그리고 비전도 성능의 장점을 갖고 있어 고성능화 및 장수명화에 크게 기여할 수 있기 때문이다. 그러나 철근에 비해 상대적으로 낮은 탄성계수와 부착강도로 인하여 철근콘크리트 부재에 비해 보다 넓은 균열폭이 발생될 수 있기 때문에 FRP-보강근 콘크리트부재에 합리적인 균열폭 예측이 필요하다.

참고문헌 (9)

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ACI Committee 318-05, "Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-05) and Commentary (ACI 318M-05)". American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 430pp., 2005.
El-Nemr, A., Ahmed E. A. and Benmokrane B., "Flexural Behavior and Serviceability of Normal-and High-Strength Concrete Beams Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer Bars", ACI Structural Journal, V. 110, No. 6, pp.1077-1087, 2013.

상세보기
Bouguerra, K., Ahmed, E. A., El-Gamal, S., and Benmokrane, B., "Testing of Full-Scale Concrete Bridge Deck Slabs Reinforced with Fiber Reinforced Polymer (FRP) Bars", Construction and Building Materials, V. 25, No. 10, pp. 3956-3965, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.04.028

상세보기
Lee, W. K., Jansen, D. C., Berlin, K. B. and Cohen, I. E., "Flexural Cracks in Fiber-Reinforced Concrete Beams with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars", ACI Structural Journal, V. 107, No. 3, pp. 321-329, 2010.

상세보기
Gergely, P. and Lutz, L., "Maximum Crack Width in Reinforced Concrete Flexural Members", Causes, Mechanism and Control of Cracking in Concrete, ACI SP-20, pp. 87-117, 1968.
ACI Committee 440, "Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bar (ACI 440.1R-01)", American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 41pp., 2001.
Frosch, R. J., "Another Look at Cracking and Crack Control in Reinforced Concrete", ACI Structural Journal, V. 96, No. 3, pp. 437-442, 1999.
Veysey, S. and Bischoff, P. H., "Designing FRP Reinforced Concrete for Deflection Control", Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, ACI SP-275, pp. 3.1-3.23, 2011.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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