[논문]보강재 박리에 의한 GFRP 휨 보강 RC보의 파괴강도에 관한 실험 및 해석적 연구

이종한; 권혁배; 강수태

doi:10.12652/ksce.2015.35.1.0039

보강재 박리에 의한 GFRP 휨 보강 RC보의 파괴강도에 관한 실험 및 해석적 연구
Experimental and Analytical Study on the Fracture Strength of RC Beams Strengthened for Flexure with GFRP Involving the Debonding of FRP Reinforcement 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.1, 2015년, pp.39 - 48

이종한 (대구대학교 토목공학과) , 권혁배 (대구대학교 토목공학과) , 강수태 (대구대학교 토목공학과)

초록
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섬유강화폴리머(FRP) 보강 철근콘크리트(RC) 구조물은 보강효과가 충분히 발휘되기 전에 보강재의 탈락으로 보강효과의 상실 및 구조부재의 갑작스러운 파괴를 야기할 수 있다. 현재 FRP 보강보의 박리파괴강도는 설계지침에서 제시된 보강재의 탈락변형률에 근거하여 무보강 RC보와 동일한 강도해석법을 적용하고 있다. 그러나, 각 설계지침에 따라 FRP 보강재의 탈락변형률이 달리 제시되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 유리섬유강화폴리머(GFRP)로 보강된 RC보의 박리파괴 휨 강도 실험을 통해 각 설계기준에서 제시된 보강재 탈락변형률에 의한 박리파괴강도를 비교 평가하였다. 또한, 보강재 탈락에 의한 파괴는 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생하므로, 본 연구에서는 재료의 비선형 응력분포를 고려한 해석을 수행하였다. 그리고, GFRP 보강 RC보의 설계 박리파괴강도 산정 시 강도설계법에 의해 산정된 무보강 RC보의 극한휨강도와 유사한 안전율을 나타낼 수 있는 강도식을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reinforced concrete (RC) structures strengthened with FRP materials would cause the loss of the reinforcing effect and the sudden failure of the structure due to the debonding of FRP. The debonding fracture strength of the FRP-strengthened concrete structures has been evaluated using the same strength method as applied in RC structures based on the debonding strain of FRP. However, the values of the FRP debonding strain are different according to design guidelines. Thus, this study carried out an experimental study on RC beams reinforced with GFRP and evaluated the debonding fracture strength of the strengthened beams from each design guideline. Since the debonding failure occurs prior to reaching the ultimate value of concrete compressive strain, this study accounts for the nonlinear stress distribution of concrete. This study also proposed equations that can evaluate the debonding strength of GFRP-strengthened RC beams with similar safety to the ultimate flexural strength of non-strengthened RC beams.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고, 기존의 RC구조물의 강도설계법을 이용한 보강보의 박리파괴강도 평가는 안전측으로 예측하지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 RC구조물의 설계 극한휨강도와 유사한 안전율을 유지하면서 박리파괴 설계 강도를 산정할 수 있는 Eqs. (14) and (15)를 각각 제안하였다.
또한, Fib Bullletin 35에서는 보강재의 부착강도로써 박리파괴강도를 평가하는 방법을 제시하였다. 따라서, 본 연구에서는 각각의 설계지침에서 제시하고 있는 박리탈락변형률과 부착강도에 해당하는 탙락변형률을 고려하여 박리파괴강도를 비교 평가하였다. Fig.
그러나, 각 설계지침에 따라 FRP 보강재의 탈락변형률을 달리 제시하고 있어, 이의 평가가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 유리섬유강화폴리머(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)로 보강된 RC보의 박리파괴 휨 강도 실험을 실시하여 각 설계기준에서 제시하고 있는 FRP 보강재 탈락변형률의 적용성과 안전성을 비교 평가하였다. GFRP 보강 RC보의 박리파괴는 일반적으로 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생하므로 콘크리트 재료의 비선형 응력분포를 고려한 해석을 수행하였다.
그러나, FRP 휨 보강 RC 구조물은 대부분이 콘크리트의 압축에 의한 파괴 이전 보강재의 박리로 인해 파괴가 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 재료의 비선형 응력분포를 고려하여 FRP 보강 RC보의 박리파괴강도를 계산하였다. 콘크리트 재료의 응력(f_c)-변형률(ε_c) 관계는 Eq.
보강 RC보의 거동은 보강재료의 역학적 특성에 크게 좌우된다. 따라서, 본 연구에서는 적용한 요철형 유리섬유강화패널 보강재의 인장강도(tensile strength), 파단변형률(rupture strain), 탄성계수 (modulus of elasticity)를 실험적 방법으로 규명하였다. Fig.
FRP 보강재 박리에 의한 파괴강도는 현재 설계지침에서 제시하고 있는 보강재 탈락변형률을 이용하여 계산할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 주요 설계지침이 ACI 440.2R-08과 Fib Bullletin 35에서 제시하고 있는 보강재 탈락변형률을 고려하여 FRP 보강 RC구조물의 휨에 의한 보강재 박리파괴강도를 평가하였다. ACI 440.
GFRP 보강 RC보의 박리파괴는 일반적으로 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생하므로 콘크리트 재료의 비선형 응력분포를 고려한 해석을 수행하였다. 또한, 본 연구에서는 강도설계법에 의해 산정된 무보강 RC보의 극한휨강도와 유사한 안전율을 가질 수 있는 GFRP 보강 RC보의 박리파괴강도 평가식을 제안하였다.
본 연구에서는 적용 보강재의 강성과 콘크리트의 강도 영향을 고려하는 ACI 440.2R-08과 일정한 FRP 박리탈락변형률을 제시하는 Fib Bulletin 35에 의해 산정된 보강 RC보의 박리파괴강도를 평가하였다. 그리고, 추가적으로 Fib Bulletin 35에서 제시한 보강재 박리파괴 시의 부착강도에 의한 보강재의 박리탈락변형률과 파괴강도를 평가하였다.

제안 방법

Table 4에 Eq. (11)에 의해 예측되어진 극한강도값과 실험값을 비교하였다. 강도설계법으로 산정된 무보강 D13, D16, D19 RC보의 극한휨강도는 실험값의 0.
(4) 추가적으로 실무에서 쉽게 적용이 가능한 GFRP 보강보의 박리파괴 설계강도 평가식을 제안하였다. 이는 기존의 강도설계법으로 산정된 무보강 RC보의 극한휨강도에서 인장철근비와 보강재비를 고려하여 GFRP 보강보의 박리파괴 설계강도를 산정하는 방법으로 실험과 비교 시 약 13~32% 과소평가하여 무보강 RC보와 유사한 안전율을 유지했다.
따라서, 본 연구에서는 유리섬유강화폴리머(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)로 보강된 RC보의 박리파괴 휨 강도 실험을 실시하여 각 설계기준에서 제시하고 있는 FRP 보강재 탈락변형률의 적용성과 안전성을 비교 평가하였다. GFRP 보강 RC보의 박리파괴는 일반적으로 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생하므로 콘크리트 재료의 비선형 응력분포를 고려한 해석을 수행하였다. 또한, 본 연구에서는 강도설계법에 의해 산정된 무보강 RC보의 극한휨강도와 유사한 안전율을 가질 수 있는 GFRP 보강 RC보의 박리파괴강도 평가식을 제안하였다.
GFRP 휨 보강 RC 구조물의 보강재 박리탈락에 의한 파괴강도 평가를 위해 실험 및 해석적 연구를 수행하였으며, 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
2R-08과 일정한 FRP 박리탈락변형률을 제시하는 Fib Bulletin 35에 의해 산정된 보강 RC보의 박리파괴강도를 평가하였다. 그리고, 추가적으로 Fib Bulletin 35에서 제시한 보강재 박리파괴 시의 부착강도에 의한 보강재의 박리탈락변형률과 파괴강도를 평가하였다.
보강재 탈락에 의한 박리파괴는 일반적으로 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 2.3절에서 기술한 바와 같이 재료의 비선형 응력분포를 고려하여 설계지침에서 제시된 FRP 탈락변형률에 의해 보강보의 박리파괴 강도를 평가하였다. Fig.
01배로 안전측 평가가 가능하였다. 따라서, 본 연구에서는 Fib Bullletin 35에서 제안한 보강재의 부착강도로써 박리파괴강도 평가를 제안하였으며, 설계 박리파괴강도 산정 시에는 강도감소계수 0.85 적용을 통해 보강 전의 RC 구조물의 설계 극한휨강도와 유사한 안전율을 유지할 수 있는 방법을 제안하였다.
따라서, 본 연구에서는 Fig. 8에 보인 바와 같이 실험값의 직선회귀분석을 통해 보강 전 RC구조물의 인장철근비ρs와 극한휨하중Pu로부터 적용될 GFRP 보강재의 보강비 ρGFRP에 따른 보강 RC보의 박리파괴하중Pu,GFRP 을 평가할 수 있는 Eq.
본 연구에서 사용된 보강재는 유리섬유와 필라멘트매트를 적층시킨 요철형 유리섬유강화패널(prominence and depression glass fiber plate)로 부착면에 접착강화요철을 형성하여 부착성능을 향상 시키고, 동시에 박리방지 앵커 설치를 가능하게 함으로써 국부파괴의 염려를 최소화시켰다. 또한, 단부에는 사용된 보강재 두께와 동일하게 폭 50cm의 U-밴드를 시공하여 보강재의 조기탈락을 방지하였으며, 보의 전단파괴를 방지하기 위하여 D10 스트럽 철근을 10cm 간격으로 전단구간에 배근하였다. Fig.
보강재의 일정한 박리탈락변형률에 의해 계산되어진 파괴강도는 보강재의 양이 증가함에 따라 과대평가율도 증가하여 적용 보강재의 양과 강성을 고려한 박리탈락변형률 제시가 필요하다. 보강재의 강성을 고려하고 있는 ACI 440.2R-08의 박리탈락변형률에 의해 계산되어진 파괴강도는 적용 보강재의 양에 따른 차이는 보이지 않으나, 실험값과 비교 시 파괴강도를 약 9~48% 비안전측으로 과대평가하였다.
의 속도로 네 점 휨 실험을 실시하였다. 작용하중은 로드셀(load cell)를 사용하여 측정하였으며, 보의 처짐은 실험보의 중앙에 설치된 변위계(LVDT)를 사용하여 측정하였다. Fig.
지지조건은 실험보의 양쪽 단부에서 각각 10cm 떨어진 지점에 강재 롤러를 설치하여 단순지지 경계조건을 만족하도록 하였다. 따라서, 실험보의 순지간은 300cm가 된다.
하중-변위 선도를 이용하여 균열 전·후의 강성 변화와 항복 전·후의 강성 변화를 이용하여 균열하중, 항복하중, 극한하중을 평가하였다.

대상 데이터

RC 실험보는 가로 20cm, 높이 30cm의 직사각형 단면으로 길이 320cm로 제작하였다. 인장철근은 보강 전·후의 단면 최소철근비와 최대철근비를 고려하여 각각 2개의 D13, D16, D19 이형철근, 즉 철근비 0.
001146로 배근하였다. 본 실험에서 사용된 철근의 항복강도는 350MPa이며 콘크리트의 설계 기준강도는 28MPa이다. 적용된 보강재 양은 현장에서 많이 사용되고 있는 GFRP 두께 2.
본 실험에서 사용된 철근의 항복강도는 350MPa이며 콘크리트의 설계 기준강도는 28MPa이다. 적용된 보강재 양은 현장에서 많이 사용되고 있는 GFRP 두께 2.05mm, 3.74mm, 5.40mm를 선택하였으며, 철근콘크리트 보 하부에 폭 15cm, 길이 250cm 크기로 부착하였다. 본 연구에서 사용된 보강재는 유리섬유와 필라멘트매트를 적층시킨 요철형 유리섬유강화패널(prominence and depression glass fiber plate)로 부착면에 접착강화요철을 형성하여 부착성능을 향상 시키고, 동시에 박리방지 앵커 설치를 가능하게 함으로써 국부파괴의 염려를 최소화시켰다.

이론/모형

(2) 현재 설계지침에서 FRP 보강 RC보의 박리파괴강도는 보강재의 탈락변형률을 이용하여 기존의 철근콘크리트의 극한휨강도 식을 이용하여 평가한다. 보강재의 일정한 박리탈락변형률에 의해 계산되어진 파괴강도는 보강재의 양이 증가함에 따라 과대평가율도 증가하여 적용 보강재의 양과 강성을 고려한 박리탈락변형률 제시가 필요하다.
콘크리트 재료의 응력(f_c)-변형률(ε_c) 관계는 Eq. (7)과 같이 응력의 증가부분과 이후의 감소부분이 하나의 함수로 표현이 가능한 Desayi and Krishnan (1964) 모델을 사용하였으며, Fig. 1(a)가 콘크리트 재료의 응력-변형률 관계를 보여준다.

성능/효과

(1) GFRP 휨 보강 RC 구조물의 균열하중은 보강재의 적용에 따라 다소 지연시키는 효과는 있지만, 그 영향은 미비한 것으로 평가된다. 항복하중과 파괴 시의 극한하중은 보강재의 양이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였다.
(3) Fib Bullletin 35 설계지침에서 제시하고 있는 보강재의 극한부착강도에 해당되는 박리탈락변형률로 계산되어진 보강보의 박리파괴강도는 실험값의 약 0.86~1.01배로 안전측 평가가 가능하였다. 따라서, 본 연구에서는 Fib Bullletin 35에서 제안한 보강재의 부착강도로써 박리파괴강도 평가를 제안하였으며, 설계 박리파괴강도 산정 시에는 강도감소계수 0.
05%이하일 때는 보강재의 탈락 변형률을 보강재의 파단변형률 90%로 일정하게 제시하고 있다. Fib Bullletin 35에서 제시하고 있는 보강재의 부착강도에 의해 계산되어진 박리탈락변형률은 보강재의 강성 증가에 따라 ACI 440.2R-08와 유사한 감소경향을 보이고 있으나, ACI 440.2R-08에 비해 약 46% 감소된 값을 보였다.
항복하중과 파괴 시의 극한하중은 보강재의 양이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였다. GFRP 적용 보강 비가 1% 증가함에 따라 인장철근비에 따라 항복하중은 약 25~39%, 극한하중은 약15~30% 강도 증가를 보였다.
7에 도시하였다. 균열하중은 보강재의 적용에 따라 최대 16%의 증가를 보였으나 항복하중과 극한하중에 비해 상대적으로 낮은 증가율을 나타냈다. 특히, 2.
항복하중은 보강재의 양이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며 D13 보강보는 약 28~50%, D16 보강보는 약 22~54%, D19 보강보는 약 19~32% 증가를 각각 보였다. 극한하중도 항복하중의 증가 경향과 비슷하게 보강재의 양에 비례하여 증가하여 D13 보강보는 최대 약 37%, D16 보강보는 약 42%, D19 보강보는 약 22% 강도 증가를 보였다. 다만, Fig.
11(b)에서 보는 바와 같이 보강재의 강성이 증가함에 따라 실험값과의 차이가 증가하였다. 보강재비가 1.35%로 보강재비와 인장철근비의 합이 최대인장 철근비 근처로 보강되어진 경우, 예측되어진 보강보의 파괴강도가 실험값에 비해 약 51~92%로 약 1.5~1.9배 과대평가하였다. Fib Bulletin 35에서 제시된 보강재의 부착강도로 계산되어진 박리탈락 변형률에 의해 예측되어진 보강보의 파괴강도는 Fig.
40mm를 선택하였으며, 철근콘크리트 보 하부에 폭 15cm, 길이 250cm 크기로 부착하였다. 본 연구에서 사용된 보강재는 유리섬유와 필라멘트매트를 적층시킨 요철형 유리섬유강화패널(prominence and depression glass fiber plate)로 부착면에 접착강화요철을 형성하여 부착성능을 향상 시키고, 동시에 박리방지 앵커 설치를 가능하게 함으로써 국부파괴의 염려를 최소화시켰다. 또한, 단부에는 사용된 보강재 두께와 동일하게 폭 50cm의 U-밴드를 시공하여 보강재의 조기탈락을 방지하였으며, 보의 전단파괴를 방지하기 위하여 D10 스트럽 철근을 10cm 간격으로 전단구간에 배근하였다.
(4) 추가적으로 실무에서 쉽게 적용이 가능한 GFRP 보강보의 박리파괴 설계강도 평가식을 제안하였다. 이는 기존의 강도설계법으로 산정된 무보강 RC보의 극한휨강도에서 인장철근비와 보강재비를 고려하여 GFRP 보강보의 박리파괴 설계강도를 산정하는 방법으로 실험과 비교 시 약 13~32% 과소평가하여 무보강 RC보와 유사한 안전율을 유지했다.
4는 적용 두께별 GFRP 보강재의 응력-변형률 곡선을 보여준다. 인장강도 실험 결과 파괴 시까지 선형거동을 보였으며, 보강재 양에 따른 GFRP 보장재의 인장강도 특성은 매우 균일하게 나타났다. Table 2에 적용 보강재 양에 따른 측정된 인장강도와 극한변형률, 탄성계수를 정리하였다.
균열하중은 보강재의 적용에 따라 최대 16%의 증가를 보였으나 항복하중과 극한하중에 비해 상대적으로 낮은 증가율을 나타냈다. 특히, 2.05mm 두께의 GFRP, 즉 적용 보강비가 0.5125%인 보강 RC보에서의 균열하중 증가는 매우 미비하였다. 항복하중은 보강재의 양이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며 D13 보강보는 약 28~50%, D16 보강보는 약 22~54%, D19 보강보는 약 19~32% 증가를 각각 보였다.
5125%인 보강 RC보에서의 균열하중 증가는 매우 미비하였다. 항복하중은 보강재의 양이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며 D13 보강보는 약 28~50%, D16 보강보는 약 22~54%, D19 보강보는 약 19~32% 증가를 각각 보였다. 극한하중도 항복하중의 증가 경향과 비슷하게 보강재의 양에 비례하여 증가하여 D13 보강보는 최대 약 37%, D16 보강보는 약 42%, D19 보강보는 약 22% 강도 증가를 보였다.

후속연구

(1)에 의해 휨극한강도, 즉 보강재의 박리에 의한 파괴강도를 계산하고 있다. 그러나, 각 설계지침에 따라 FRP 보강재의 탈락변형률을 달리 제시하고 있어, 이의 실험적 비교 평가가 필요하다. 또한, 보강재 탈락에 의한 박리파괴는 일반적으로 콘크리트의 압축 변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생하므로 설계기준에서 제시하고 있는 콘크리트의 등가직사각형 응력분포 형상 및 계수를 적용하는데 주의가 필요하다.
따라서, 엄격한 의미에서 콘크리트의 비선형 응력분포를 고려한 비선형 해석이 필요하지만, 기존의 연구사례에 의하면 인장철근 항복 이후 FRP 보강재 파단에 의한 파괴는 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률 이상의 값을 나타낸다. 따라서, FRP 파단에 의한 파괴모드는 설계기준에서 제시하고 있는 등가직사각형 응력분포 계수를 동일하게 적용할 수 있으리라 판단된다.
본 연구에서 제시한 GFRP 휨 보강 RC 구조물의 박리파괴강도 평가식은 실험에 근거한 것으로 향후 추가적인 실험 연구 등을 통해 그 적용성과 객관성을 확보할 계획이다. 또한, 콘크리트 및 철근, FRP의 강도 및 강성변화에 따른 영향을 평가하기 위한 실험 및 해석적 연구도 필요하리라 여겨진다.
본 연구에서 제시한 GFRP 휨 보강 RC 구조물의 박리파괴강도 평가식은 실험에 근거한 것으로 향후 추가적인 실험 연구 등을 통해 그 적용성과 객관성을 확보할 계획이다. 또한, 콘크리트 및 철근, FRP의 강도 및 강성변화에 따른 영향을 평가하기 위한 실험 및 해석적 연구도 필요하리라 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 보강보의 휨 파괴모드는 무엇에 따라 정의할 수 있는가?	FRP 보강 RC보는 단순 철근콘크리트 보에 비해 파괴 메커니즘이 복잡하여 파괴모드를 고려한 해석이 필요하다. FRP 보강보의 휨 파괴모드는 FRP의 조기박리에 의한 국부파괴를 제외하고 인장 철근의 항복 유무, 콘크리트의 극한변형률 도달 유무에 따라 휨 파괴모드를 정의할 수 있다.
	FRP 보강보의 박리파괴강도 산정 시 콘크리트의 극한변형률에 근거한 강도설계법을 적용하는데 한계가 있는 이유는?	, 2003). 그러나, FRP 휨 보강 콘크리트 구조물의 일반적인 파괴형태인 박리파괴는 콘크리트의 압축변형률이 극한변형률에 도달하기 전에 발생한다. 정진환 외(2003)의 연구에 의하면 FRP 보강보의 박리파괴강도 산정 시 콘크리트의 극한변형률에 근거한 강도설계법을 적용하기에는 한계가 있다고 하였다.
	FRP 보강 RC보의 파괴모드는 무엇으로 구분할 수 있는가?	그리고, 인장철근 항복 이전의 FRP 파단 및 FRP 박리는 인장철근이 단면의 중립축 근처에 위치하는 경우에만 가능하므로 사실상 실제 구조물에서는 발생할 가능성이 거의 없다. 따라서, FRP 보강 RC보의 파괴모드는 인장철근의 항복 이후 콘크리트의 압축파괴와 FRP 파단파괴, FRP 박리파괴로 구분할 수 있다. 이러한 파괴모드는 많은 휨 균열을 발생시켜 FRP의 제한적인 인성에도 어느 정도의 파괴 경고를 제공할 수 있다.

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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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