섬유복합체 (Fiber Reinforced Polymer, FRP)는 비강도가 높고, 비부식성 재료라는 특징을 가지고 있어서 건설 분야에서 철근을 대체할 수 있는 보강근 재료로 인식되고 있다. 몇몇 유리섬유 복합체 (Glass FRP, GFRP) 보강근이 상용화되어 있지만 GFRP는 철근에 비해 가격이 비싸고 상대적으로 낮은 탄성계수와 취성 파괴 특성 때문에 다소 경쟁력이 떨어진다. GFRP 보강근의 재료가격을 낮출 수 없다면 사용된 재료의 성능을 최대로 하여 보강근의 성능을 높이는 것이 상대적인 가격을 낮추는 방법이 될 수 있다. 일반적으로 FRP 보강근의 직경이 커질수록 인장강도는 감소하는 것으로 알려져 있다. 이의 원인 중 하나는 보강근이 인장을 받을 때 외력이 중앙에 위치한 섬유에 충분히 전달되지 못하여 외측에 위한 섬유들만이 인장에 저항하기 때문이다. 따라서 본연의 역할을 수행하지 못하는 섬유는 제거함으로써 보강근의 단가를 낮추면서 보강근이 소정의 성능을 발휘하도록 한다면 가격대비 성능이 최적화된 FRP 보강근을 제작할 수 있다. 본 연구에서는 직경 19 mm의 GFRP 보강근에 대해 단면 내에 중공이 존재하는 경우 중공비율에 따른 인장특성의 변화를 실험적으로 관찰하였다. 중공이 없는 GFRP 보강근 세 개, 네 가지 중공비율에 대해 각각 여섯 개의 GFRP 보강근 시편을 준비하여 인장실험을 실시하였으며 결과 분석을 통하여 인장특성 변화를 도출하였으며 이를 바탕으로 최적의 중공비율을 제안하였다.
섬유복합체 (Fiber Reinforced Polymer, FRP)는 비강도가 높고, 비부식성 재료라는 특징을 가지고 있어서 건설 분야에서 철근을 대체할 수 있는 보강근 재료로 인식되고 있다. 몇몇 유리섬유 복합체 (Glass FRP, GFRP) 보강근이 상용화되어 있지만 GFRP는 철근에 비해 가격이 비싸고 상대적으로 낮은 탄성계수와 취성 파괴 특성 때문에 다소 경쟁력이 떨어진다. GFRP 보강근의 재료가격을 낮출 수 없다면 사용된 재료의 성능을 최대로 하여 보강근의 성능을 높이는 것이 상대적인 가격을 낮추는 방법이 될 수 있다. 일반적으로 FRP 보강근의 직경이 커질수록 인장강도는 감소하는 것으로 알려져 있다. 이의 원인 중 하나는 보강근이 인장을 받을 때 외력이 중앙에 위치한 섬유에 충분히 전달되지 못하여 외측에 위한 섬유들만이 인장에 저항하기 때문이다. 따라서 본연의 역할을 수행하지 못하는 섬유는 제거함으로써 보강근의 단가를 낮추면서 보강근이 소정의 성능을 발휘하도록 한다면 가격대비 성능이 최적화된 FRP 보강근을 제작할 수 있다. 본 연구에서는 직경 19 mm의 GFRP 보강근에 대해 단면 내에 중공이 존재하는 경우 중공비율에 따른 인장특성의 변화를 실험적으로 관찰하였다. 중공이 없는 GFRP 보강근 세 개, 네 가지 중공비율에 대해 각각 여섯 개의 GFRP 보강근 시편을 준비하여 인장실험을 실시하였으며 결과 분석을 통하여 인장특성 변화를 도출하였으며 이를 바탕으로 최적의 중공비율을 제안하였다.
Fiber-reinforced polymer (FRP) has been generally accepted by civil engineers as an alternative for steel reinforcing bars (rebar) due to its advantageous specific tensile strength and non-corrosiveness. Even though some glass fiber reinforced polymer (GFRP) rebars are available on a market, GFRP is...
Fiber-reinforced polymer (FRP) has been generally accepted by civil engineers as an alternative for steel reinforcing bars (rebar) due to its advantageous specific tensile strength and non-corrosiveness. Even though some glass fiber reinforced polymer (GFRP) rebars are available on a market, GFRP is still somewhat uncompetitive over steel rebar due to their high cost and relatively low elastic modulus, and brittle failure characteristic. If the price of component materials of GFRP rebar is not reduced, it would be another solution to increase the performance of each material to the highest degree. The tensile strength generally decreases with increasing diameter of FRP rebar. One of the reasons is that only fibers except for fibers in center resist the external force due to the lack of force transfer and the deformation of only outer fibers by gripping system. Eliminating fibers in the center, which do not play an aimed role fully, are helpful to reduce the price and finally FRP rebar would be optimized over the price. In this study, the effect of the hollow section in a cross-section of a GFRP rebar was investigated. A GFRP rebar with 19 mm diameter was selected and an analysis was performed for the tensile test results. Parameter was the ratio of hollow section over solid cross-section. Four kinds of hollow sections were planned. A total of 27 specimens, six specimens for each hollow section and three specimens with a solid cross-section were manufactured and tested. The change by the ratio of hollow section over solid cross-section was analyzed and an optimized cross-section design was proposed.
Fiber-reinforced polymer (FRP) has been generally accepted by civil engineers as an alternative for steel reinforcing bars (rebar) due to its advantageous specific tensile strength and non-corrosiveness. Even though some glass fiber reinforced polymer (GFRP) rebars are available on a market, GFRP is still somewhat uncompetitive over steel rebar due to their high cost and relatively low elastic modulus, and brittle failure characteristic. If the price of component materials of GFRP rebar is not reduced, it would be another solution to increase the performance of each material to the highest degree. The tensile strength generally decreases with increasing diameter of FRP rebar. One of the reasons is that only fibers except for fibers in center resist the external force due to the lack of force transfer and the deformation of only outer fibers by gripping system. Eliminating fibers in the center, which do not play an aimed role fully, are helpful to reduce the price and finally FRP rebar would be optimized over the price. In this study, the effect of the hollow section in a cross-section of a GFRP rebar was investigated. A GFRP rebar with 19 mm diameter was selected and an analysis was performed for the tensile test results. Parameter was the ratio of hollow section over solid cross-section. Four kinds of hollow sections were planned. A total of 27 specimens, six specimens for each hollow section and three specimens with a solid cross-section were manufactured and tested. The change by the ratio of hollow section over solid cross-section was analyzed and an optimized cross-section design was proposed.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
7은 회귀분석으로부터 구한 인장강도, 섬유량, 탄성계수의 감소율을 함께 도시한 것이다. 그림에서 보듯이 인장강도는 사용된 섬유량의 감소율과 동일한 감소율을 나타내고 있으므로 인장강도 또는 섬유량의 감소율과 탄성계수의 감소율을 비교하고자 한다.
본 연구에서는 GFRP 보강근의 단가 대비 성능을 효율화하기 위해서 단면 중앙이 비어있는 중공형 GFRP 보강근의 인장성능 검토를 실시하였다. 직경이 19 mm인 세 개의 원형 보강근과 네 가지 중공비율에 대해 각각 여섯 개의 인장 시편을 제작하여 인장실험을 실시하였다.
본 연구에서는 직경이 증가할수록 인장성능이 감소하는 GFRP 보강근의 특성을 활용하여 단가 대비 성능을 효율화하기 위한 연구를 수행하였다. 직경이 19 mm이며 단면 중앙이 비어있는 중공형 GFRP 보강근을 대상으로 하여 인장성능을 검토하였으며 분석결과 도출된 결론은 다음과 같다.
GFRP 보강근을 제작하는 데 있어서 최적화를 위한 목표는 보강근의 인장강도, 탄성계수, 단가, 제작성 등 상황에 따라 여러 가지가 있을 수 있다. 본 절에서는 중공면적이 증가함에 따라 인장강도와 탄성계수의 변화가 다르기 때문에 주어진 조건 내에서 두 성능을 최대화할 수 있는 최적 중공비율을 찾고자 한다.
제안 방법
GFRP 보강근 단면 내 중공비율에 따른 인장특성 변화를 살펴보기 위하여 총 5종의 시편을 계획하였다. 먼저 중공관이 삽입되지 않은 순수 GFRP 보강근을 제작하여 단면 내 중공 비율에 따른 인장특성치의 변화 비교를 위한 기준 시편으로 설정하였다.
GFRP 보강근 단면 내 중공을 형성하기 위해서 폴리우레탄 튜브를 사용하였으며 Photo 3과 같이 섬유와 중공관의 위치를 제어하기 위한 치구를 이용하여 유리섬유 다발의 중앙에 튜브가 위치하도록 하였다. 제작이 완료된 중공을 가진 GFRP 보강근의 단면을 Photo 4에 나타내었다.
Photo 5에 나타낸 바와 같이 보강근의 한 쪽에 대해 먼저 그립을 형성하였다. 강관과 보강근 사이는 무수축 모르터로 충전하였고 거치대를 이용하여 보강근의 수직도를 확보한 상태에서 7일간 양생을 실시하였다.
최대인장강도는 후술할 혼합법칙에 의해 제작에 사용된 섬유량에 비례하게 되므로 이상적인 경우라면 중공면적을 고려하여 최대인장강도를 산정하면 결국 동일한 값을 나타내게 되어 비교가 불가하다. 따라서 중공비율에 따른 성능 변화를 비교하기 위하여 최대인장강도는 중공을 고려하지 않은 전체 단면적을 고려하여 산출하였다.
GFRP 보강근 단면 내 중공비율에 따른 인장특성 변화를 살펴보기 위하여 총 5종의 시편을 계획하였다. 먼저 중공관이 삽입되지 않은 순수 GFRP 보강근을 제작하여 단면 내 중공 비율에 따른 인장특성치의 변화 비교를 위한 기준 시편으로 설정하였다. 이외의 보강근은 모두 중공관이 삽입된 시편으로 네 가지의 중공비율을 적용하였다.
7에서 보듯이 중공면적 비율이 작을 때에는 탄성계수 감소율이 크지 않지만 어느 정도의 중공면적 비율 (약 30% 이후)이 되었을 때부터는 탄성계수가 급속히 감소하고 있다. 본 논문에서는 탄성계수 감소율 (Fig. 7의 RE)과 탄성계수 감소율과 인장강도 감소율의 차가 (Fig. 7의 RET) 같아지는 경우가 가장 최적인 상태로 고려하였다. 즉 위와 같은 상태가 되는 중공면적 비율 이전에는 탄성계수는 많이 감소하지 않았으나 인장강도가 상대적으로 많이 감소하는 것이고, 반대의 경우에는 탄성계수는 많이 감소하였으나 상대적으로 인장강도는 많이 감소하지 않은 것이다.
이 공정은 기존의 브레이드트루젼 공정의 장점을 유지하면서 강화섬유다발과 돌기를 형성하기 위한 섬유에 소정의 장력을 도입함으로써 섬유 배열 상태 호전과 공극감소를 통하여 인장성능을 향상시킨 것이다. 본 연구에서는 이 공정을 이용하여 GFRP 보강근 시편을 제작하였다.
시편을 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM)에 거치한 후 보강근의 변형률 계측을 위하여 전기저항식 변형률 게이지를 보강근 중앙에 부착하였다. 인장시험은 1,000 kN 용량의 UTM를 이용하여 2 mm/min의 변위제어 방식으로 실시하였으며 데이터 로거 (Data logger)를 이용하여 보강근의 변형률과 재하된 하중을 계측하였다.
직경이 19 mm인 세 개의 원형 보강근과 네 가지 중공비율에 대해 각각 여섯 개의 인장 시편을 제작하여 인장실험을 실시하였다. 실험결과를 바탕으로 중공비율에 따른 GFRP 보강근의 인장특성 변화를 분석하였으며 사용된 섬유량 대비 인장성능을 비교하여 효율적인 단면 중공비율을 제안하였다.
시편을 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM)에 거치한 후 보강근의 변형률 계측을 위하여 전기저항식 변형률 게이지를 보강근 중앙에 부착하였다. 인장시험은 1,000 kN 용량의 UTM를 이용하여 2 mm/min의 변위제어 방식으로 실시하였으며 데이터 로거 (Data logger)를 이용하여 보강근의 변형률과 재하된 하중을 계측하였다.
제작이 완료된 GFRP 보강근을 소정의 길이로 절단한 후에 실린더형 강관을 이용하여 그립을 제작하였다. 강관의 두께는 7.
본 연구에서는 직경이 증가할수록 인장성능이 감소하는 GFRP 보강근의 특성을 활용하여 단가 대비 성능을 효율화하기 위한 연구를 수행하였다. 직경이 19 mm이며 단면 중앙이 비어있는 중공형 GFRP 보강근을 대상으로 하여 인장성능을 검토하였으며 분석결과 도출된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 GFRP 보강근의 단가 대비 성능을 효율화하기 위해서 단면 중앙이 비어있는 중공형 GFRP 보강근의 인장성능 검토를 실시하였다. 직경이 19 mm인 세 개의 원형 보강근과 네 가지 중공비율에 대해 각각 여섯 개의 인장 시편을 제작하여 인장실험을 실시하였다. 실험결과를 바탕으로 중공비율에 따른 GFRP 보강근의 인장특성 변화를 분석하였으며 사용된 섬유량 대비 인장성능을 비교하여 효율적인 단면 중공비율을 제안하였다.
대상 데이터
GFRP 보강근은 E등급의 유리섬유 (Owens corning Korea)와 비닐 에스터 수지 (Aekyung chemical, Ashland Inc.)를 사용하여 제작하였다. 사용된 재료의 물성을 Table 1에 나타내었다.
제작이 완료된 GFRP 보강근을 소정의 길이로 절단한 후에 실린더형 강관을 이용하여 그립을 제작하였다. 강관의 두께는 7.1 mm, 길이는 1,000 mm이다. 강관의 앞뒤에는 마개가 있으며 마개 중앙은 천공이 되어 있어 이 곳에 보강근을 삽입하면 보강근은 강관의 중심선에 위치하게 된다.
전단지연 효과로 인해 중앙부의 섬유가 인장강도에 기여하는 바가 미소한 것을 증명하기 위해서는 가능한 큰 직경의 보강근을 제작하여 다양한 중공율을 적용하는 것이 바람직 할 것이다. 이를 위해 현재 갖춰진 설비에서 최대한으로 제작할 수 있는 직경 19 mm의 GFRP 보강근을 제작하였다.
데이터처리
Table 3에서 평균인장강도는 최대하중을 보강근 전면적으로 나눈 값으로 중공면적 비율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 이 관계를 살펴보기 위하여 회귀분석을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 최소자승법을 통한 2차 회귀곡선이 비록 더 큰 결정계수 값을 나타내지만 1차 회귀곡선에 의한 결정계수 값과 큰 차이를 나타내지는 않는다.
성능/효과
(1) 속이 비어있는 중공형 GFRP 보강근의 응력-변형률 거동은 재료의 원래 성질과 동일하게 선형탄성 거동을 타내었다.
(3) 사용된 섬유의 양, 즉 재료비를 목적함수로 하는 경우 최적의 인장성능은 중공면적 비율이 36%일 때이다.
그림에서 보듯이 시편의 응력-변형률 곡선은 하중 증가에 따라 응력과 변형률이 선형으로 증가하다가 최대 하중에서 일시에 파괴되는 FRP의 전형적인 재료특성인 선형 증가 후 취성파괴 거동을 나타내었다. 최대인장강도와 탄성계수가 중공면적 비율에 따라 변하였으며, 전반적으로 중공면적 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 각 시편별로 계측된 최대인장강도와 탄성계수 값을 Table 3에 나타내었다.
최소자승법에 의한 회귀분석을 실시한 결과 결정계수 값이 큰 이차곡선 식을 구할 수 있었다. Eq.
후속연구
따라서 소정의 직경 이상인 경우에 중앙에 위치한 섬유는 보강근의 인장강도에 크게 기여하지 못할 수 있다. 이러한 경우에 중앙의 섬유를 제거한 중공형 GFRP 보강근을 제작함으로써 섬유의 재료비를 절감할 수 있을 것이다.
전단지연 효과로 인해 중앙부의 섬유가 인장강도에 기여하는 바가 미소한 것을 증명하기 위해서는 가능한 큰 직경의 보강근을 제작하여 다양한 중공율을 적용하는 것이 바람직 할 것이다. 이를 위해 현재 갖춰진 설비에서 최대한으로 제작할 수 있는 직경 19 mm의 GFRP 보강근을 제작하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GFRP 보강근이 건설 부재로써 널리 사용되고 있지 못한 원인은 무엇인가?
그러나 현재까지도 GFRP 보강근은 건설 구조물에 소극적으로 적용되고 있으며 주부재로 적용된 사례는 많지 않다. 많은 장점을 가졌음에도 GFRP 보강근이 건설 부재로써 널리 사용되고 있지 못한 원인 중 하나로는 철근에 비해 고가인 점을 들 수 있다.
전단지연이란 무엇인가?
철근과 같이 동질재료이면서 강성이 크면 전단변형이 크지 않기 때문에 표면의 변형은 거의 그대로 단면 중앙에 전달된다. 그러나 복합체의 경우에는 강화섬유와 수지 등 다양한 재료가 혼합된 것이고 강성이 큰 재료 (예: 강화섬유)와 강성이 작은 재료 (예: 수지)로 구성된 경우에는 강화섬유와 수지 사이의 강성의 차가 매우 크기 때문에 단면 중앙으로 갈수록 전단변형이 크게 발생하여 표면의 응력과 중앙의 응력이 다르게 된다 (Lee et al., 2007).
GFRP 보강근의 단가를 낮추기 위한 방법은 무엇이 있는가?
GFRP 보강근의 단가를 낮추기 위해서는 재료나 제작비를 감소시키는 직접적인 방법과 단가 대비 성능을 향상시키는 간접적인 방법이 있다.
참고문헌 (13)
Ahmadi, M. S., Johari, M. S., Sadighi, M., and Esfandeh, M. (2009), An experimental study on mechanical properties of GFRP braid-pultruded composite rods, eXPRESS Polymer Letters, 3(9), 560-568.
American Concrete Institute (ACI) (1996), State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, ACI 440R-96, Committee 440, 3.
Bank, L. C. (2006), Composites for Construction: Structural Design with FRP materials, John Wiley & Sons, Inc..
Daniel, I. M., and Ishai, O. (1994), Engineering Mechanics of Composite Materials, Oxford University press, 72-85.
Hughes Brothers Inc. (2014), http://aslanfrp.com/aslan100/Resources/Aslan100a.pdf, confirmed at 2014.04.24.
ISIS Canada (2001), Design Manual 3: Reinforcing concrete structures with fiber reinforced polymers, The Canadian Network of Centers of Excellence on Intelligent Sensing for Innovative Structures.
Johnson, D. T. C. (2009), Investigation of glass fibre reinforced polymer reinforcing bars as internal reinforcement for concrete structures, MSc Thesis, Department of Civil Engineering, University of Toronto.
Ko, F. K., Somboonsong, W., and Harris, H. G. (1997), Fiber architecture based design of ductile composite rebars for concrete structures, Proceedings of the 11th International Conference of Composite Materials, Ed. Scott, M.L, Gold Coast, Austrailia, 4.
Korea Institute of Construction Technology (KICT) (2006), Design and construction technology for concrete structures using advanced composite materials, Interim report submitted to the Korea Research Council of Public Science and Technology, Korea (in Korean).
Lee, D. G., Jeong, M. Y., Choi, J. H., Cheon, S. S., Chang, S. H., and Oh, J. H. (2007), Composite materials, Hongrung publishing company, Seoul, 166.
Renee, C., and Yunping, X. (2003), THE BEHAVIOR OF FIBER-REINFORCED POLYMER REINFORCEMENT IN LOW TEMPERATURE ENVIRONMENTAL CLIMATES, Report No. CDOT-DTD-R-2003-4, Department of Civil, Environmental & Architectural Engineering, University of Colorado.
Wang, Z., Goto, Y., and Joh, O. (1999), Bond strength of various types of fiber reinforced plastic rods, Fourth International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures, SP-188, Editors Charles W., Dolan, Sami H. R., and Antonio N., 1127.
Zenon, A., and Kypros, P. (2004), Bond behavior of fiber reinforced polymer bars under direct pullout conditions, Journal of composites for construction, 8, 173-181.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.