콘크리트 구조물의 내력성능을 향상시키기 위해 탄소섬유쉬트(Carbon Fiber-Reinforced Plastic Sheet, 이하 CFRP sheet)로 보강된 콘크리트에 대해 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 연구는 CFRP sheet로 구속된 콘크리트에 대한 연구 중 미비한 부분을 보완하기 위하여 보강겹수, 시험체의 크기, 형상비, 겹이음길이를 변수로 하여 연구를 수행하였다. 각 시험체별 응력-변형률 곡선을 통해 콘크리트의 거동을 비교하였으며, 최대압축강도를 통하여 CFRP sheet의 보강효과를 확인하였다. 보강겹수의 증가에 따라 콘크리트의 압축성능은 크게 개선되었으며, 시험체의 크기와 형상비의 변화를 통해 이론적인 부분을 검증하였고, 겹이음길이는 둘레의 5%이상으로 해야만 보강효과에 영향이 없는 것으로 확인하였다. 또한 본 연구의 시험결과와 기존 시험결과를 정리하고 이를 기준으로 기존 강도추정모델을 통계 분석함으로 모델의 정확성과 신뢰성을 검증하였다.
콘크리트 구조물의 내력성능을 향상시키기 위해 탄소섬유쉬트(Carbon Fiber-Reinforced Plastic Sheet, 이하 CFRP sheet)로 보강된 콘크리트에 대해 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 연구는 CFRP sheet로 구속된 콘크리트에 대한 연구 중 미비한 부분을 보완하기 위하여 보강겹수, 시험체의 크기, 형상비, 겹이음길이를 변수로 하여 연구를 수행하였다. 각 시험체별 응력-변형률 곡선을 통해 콘크리트의 거동을 비교하였으며, 최대압축강도를 통하여 CFRP sheet의 보강효과를 확인하였다. 보강겹수의 증가에 따라 콘크리트의 압축성능은 크게 개선되었으며, 시험체의 크기와 형상비의 변화를 통해 이론적인 부분을 검증하였고, 겹이음길이는 둘레의 5%이상으로 해야만 보강효과에 영향이 없는 것으로 확인하였다. 또한 본 연구의 시험결과와 기존 시험결과를 정리하고 이를 기준으로 기존 강도추정모델을 통계 분석함으로 모델의 정확성과 신뢰성을 검증하였다.
Many studies have been carried out on carbon fiber-reinforced plastic sheet(hereafter CFRP sheet)-confined concrete specimens for improve structural performance of concrete structures. To complement the existing studies, a parametric study is conducted to examine the effect of various design paramet...
Many studies have been carried out on carbon fiber-reinforced plastic sheet(hereafter CFRP sheet)-confined concrete specimens for improve structural performance of concrete structures. To complement the existing studies, a parametric study is conducted to examine the effect of various design parameters such as layers of CFRP sheet, size and aspect ratio of specimens, and overlap length. The behavior of CFRP-confined concrete is compared using stress-strain curves of each specimen. And the strengthening effect of CFRP sheet is examined by maximum compressive strength. As the layers of CFRP sheet increases, structural performance of CFRP-confined concrete is significant increased. If the overlap length is more than 5% of circumstance, strengthening effect is not affected. In addition, a test database assembled from test results and existing studies is presented. Using these test database, accuracy and reliability of the existing strength models for CFRP-confined concrete are verified.
Many studies have been carried out on carbon fiber-reinforced plastic sheet(hereafter CFRP sheet)-confined concrete specimens for improve structural performance of concrete structures. To complement the existing studies, a parametric study is conducted to examine the effect of various design parameters such as layers of CFRP sheet, size and aspect ratio of specimens, and overlap length. The behavior of CFRP-confined concrete is compared using stress-strain curves of each specimen. And the strengthening effect of CFRP sheet is examined by maximum compressive strength. As the layers of CFRP sheet increases, structural performance of CFRP-confined concrete is significant increased. If the overlap length is more than 5% of circumstance, strengthening effect is not affected. In addition, a test database assembled from test results and existing studies is presented. Using these test database, accuracy and reliability of the existing strength models for CFRP-confined concrete are verified.
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문제 정의
이들의 연구결과 겹이음길이가 둘레의 20%인 경우 겹쳐이은 부분에서 파괴가 발생하나 구속효과에는 큰 차이가 없었으며, 30%이상인 경우 보강효과에 영향을 주지 않는다고 발표하였다. 따라서 본 논문에서는 겹이음길이가 둘레의 20% 미만인 경우 보강효과에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위하여 시험을 수행하였다. 겹이음길이의 범위를 둘레의 0~15%로 정하였으며, 5%간격으로 변화하여 시험을 수행하였다.
을 수정하는 형태로 제안되었으며, Table 6에 이를 정리하였다. 본 연구에서는 시험결과와 함께 기존에 수행된 연구 결과를 정리하여 강도추정식을 제안하였으며, 기존 강도추정식의 정확성을 검증하였다.
가설 설정
이 후 다른 연구자들에 의해 띠철근이나 나선철근으로 횡구속된 콘크리트의 강도추정식이 발표되었다. 식 (4)가 FRP로 구속된 콘크리트에 대해서도 직접 적용이 가능하다는 것은 Fardis and Khalili(1982)에 의해 제안되었으며, Fig. 10에 나타낸 것과 같이 FRP 인장강도에 의한 횡구속압(fl )은 구속된 콘크리트의 포아송 효과에 의한 팽창응력과 같다고 가정하였다. 따라서 횡구속압은 식 (5)와 같이 정리된다.
제안 방법
(5) 본 논문에서의 시험결과와 기존에 수행된 연구결과를 기준으로 CFRP 쉬트로 구속된 콘크리트의 강도추정식을 다음과 같이 제안하였다.
1차 시험에서 각 변수별로 시험체를 3개씩 제작하였으며, 데이터의 유실과 시험 결과의 큰 편차로 인해 추가 시험을 수행하였으며, 추가 시험시 변수별로 2개씩 제작하여 시험을 수행하였다.
CFRP 쉬트의 겹수에 따른 보강효과를 검토하기 위하여 쉬트를 1겹(T1), 2겹(T2), 3겹(T3)으로 보강하여 압축강도시험을 수행하고, 무보강 시험체(T0)와 비교하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 겹이음길이가 둘레의 20% 미만인 경우 보강효과에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위하여 시험을 수행하였다. 겹이음길이의 범위를 둘레의 0~15%로 정하였으며, 5%간격으로 변화하여 시험을 수행하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 보강재의 겹수, 기둥의 크기효과, 형상비 및 겹이음 길이의 영향에 대해 시험을 수행하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 그리고 FRP로 구속된 콘크리트의 강도모델 예측식이 많은 연구자들(Samaan et al., 1998; Miyauchi et al., 1999; Lam and Teng, 2002; Youm et al., 2004)에 의해 제안되어 있는데, 본 연구에서의 시험결과와 기존 연구결과를 정리하고 이를 바탕으로 기존에 제안된 강도예측모델들의 정확성을 검증하였다.
그러나 제한된 변수영역으로 인하여 고려하지 못한 부분이 존재하고 있어 기존 연구결과를 보완하기 위한 추가적인 실험이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 보강재의 겹수, 기둥의 크기효과, 형상비 및 겹이음 길이의 영향에 대해 시험을 수행하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 그리고 FRP로 구속된 콘크리트의 강도모델 예측식이 많은 연구자들(Samaan et al.
본 연구에서는 CFRP 쉬트로 횡구속된 콘크리트 공시체에 대하여 보강 겹수, 시험체의 크기, 형상비, 겹이음길이를 변화 시켜 시험한 결과를 분석하였고, 시험결과와 더불어 기존에 발표된 시험데이터를 통하여 CFRP 쉬트로 보강된 콘크리트의 강도추정식을 비교 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
시험체의 크기에 따른 보강효과를 검토하기 위해 시험체의 직경을 75, 100, 125 mm로 변화하여 시험을 수행하였다. 형상 비(H/D)는 2.
시험체의 형상비(H/D)에 따른 보강효과를 확인하기 위하여 동일한 직경(75 mm)에서 형상비를 2~4로 변화시켜 보강 효과를 비교하였다. Fig.
1에 나타낸 것과 같이 직경이 100 mm이고, 높이가 200 mm인 원주형 시험체를 기준으로 사용하였다. 크기 효과를 확인하기 위하여 직경이 75, 125 mm이고, 형상비 (H/D)가 2.0인 시험체를 제작하였으며, 형상비의 영향은 압축 시험기의 높이가 350 mm로 제한되므로 직경이 75 mm인 시험체를 사용하여 형상비의 영향을 확인하였다. 1차 시험에서 각 변수별로 시험체를 3개씩 제작하였으며, 데이터의 유실과 시험 결과의 큰 편차로 인해 추가 시험을 수행하였으며, 추가 시험시 변수별로 2개씩 제작하여 시험을 수행하였다.
시험체의 크기에 따른 보강효과를 검토하기 위해 시험체의 직경을 75, 100, 125 mm로 변화하여 시험을 수행하였다. 형상 비(H/D)는 2.0으로 고정하였으며, CFRP 쉬트는 모두 1겹으로 보강하여 결과를 비교하였다. Fig.
대상 데이터
시험은 M사에서 제작한 압축강도시험기, MT-150AC(1,470kN)를 사용하였으며, Photo 1에 나타낸 것과 같이 시험체를 설치하여 시험을 수행하였다. 시험시 측정한 데이터는 축방향 하중과 변위, 시험체 중앙에서의 종,횡 변형률, 시험체 상단에서의 횡방향변형률을 측정하였으며, 데이터 수집은 M사의 동적변형률측정기(MDS16)를 사용하였다.
시험은 M사에서 제작한 압축강도시험기, MT-150AC(1,470kN)를 사용하였으며, Photo 1에 나타낸 것과 같이 시험체를 설치하여 시험을 수행하였다. 시험시 측정한 데이터는 축방향 하중과 변위, 시험체 중앙에서의 종,횡 변형률, 시험체 상단에서의 횡방향변형률을 측정하였으며, 데이터 수집은 M사의 동적변형률측정기(MDS16)를 사용하였다.
시험체 제작에는 일반 레미콘 제품을 사용하였으며, 사용된 콘크리트의 재료시험결과를 Table 2에 정리하였다.
시험체는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 직경이 100 mm이고, 높이가 200 mm인 원주형 시험체를 기준으로 사용하였다. 크기 효과를 확인하기 위하여 직경이 75, 125 mm이고, 형상비 (H/D)가 2.
CFRP 쉬트를 사용하여 보강한 시험 결과만 사용하였으며, 형상비나 겹이음길이와 같이 보강효과에 영향을 미친시험결과는 제외 하였다. 정리한 결과는 Table 7과 같으며, 총 데이터 수는 204개이다.
탄소섬유쉬트를 접착하는데 사용된 에폭시는 S사의 Sikadur31제품을 사용하였다. 이 에폭시는 모체의 습윤여부에 상관없이 시공이 가능하고 다양한 건설재료에 대한 접착력이 매우 우수하며, 고강도, 고탄성, 내마모성, 내충격성이 우수한 것으로 알려져 있다.
데이터처리
′)에 대한 강도추정값의 비에 대해 통계분석한 결과를 나타내고 있다. 데이터 계열별로 평균값이 다르므로 표준 편차가 아닌 변동계수(=표준편차/평균값)를 사용하여 데이터의 분포를 비교하였다. 앞서 그래프에서 확인된 것과 같이 통계결과에서도 Miyauchi et al.
성능/효과
(1) CFRP 쉬트로 횡구속된 콘크리트의 압축성능은 쉬트의 구속효과에 의해 크게 개선되었으며, 보강겹수에 따라 압축 내력 향상효과가 크게 나타났다.
(2) CFRP 쉬트로 보강된 콘크리트 시험체의 모든 조건을 동일하게 유지하고 크기를 변화시킬경우, 크기가 커질수록 보강효과는 감소하였다. 이는 횡구속압(fl )이 직경(D)에 반비례하기 때문이며, 본 시험을 통하여 CFRP에 의한 횡구속압의 이론적인 부분을 증명할 수 있었다.
(3) 시험체의 형상비(H/D)가 증가함에 따라 보강효과는 감소하였으며, 이는 세장비와 임계응력간의 관계가 CFRP 쉬트로 보강된 시험체에서도 동일하게 나타남을 확인할 수 있었다.
(4) CFRP 쉬트로 감싼콘크리트의 겹이음길이가 없는 경우에는 보강효과가 30%밖에 나타나지 않았으나 둘레의 5% 이상으로 겹이음한 경우에서는 보강효과가 100%나타났으며, 5%이상의 범위에서는 겹이음길이를 변화시켜도 보강 효과에 큰 영향이 없었다.
겹이음길이가 없는 경우(T8)는 겹이음부가 전체적으로 벌어지면서 할렬파괴 형태를 보였으며, 겹이음길이가 5%이상인 경우에는 대부분 겹이음부분이 떨어져 나가며 파괴되었다. 겹이음길이가 없는 경우에는 약 30%정도의 보강 효과가 나타났으며, 겹이음길이가 5%이상인 경우에는 약 100%의 보강효과가 일정하게 나타났다. 따라서 CFRP 쉬트로 보강하는 경우 겹이음길이를 둘레의 5% 이상으로 시공해도 보강효과에 큰 영향이 없다.
(1998)은 강도를 과대추정하고 있으며, 그 외의 식들은 본 데이터 범위에서 비슷하게 추정하고 있다. 시험데이터에 대해 회귀분석한 결과 데이터의 경향을 가장 잘 나타내는 선형식은 식 (6)과 같으며, 결정계수(R 2 )가 0.85로 상관성이 높게 나타났다.
(1998)은 둘레의 50~150%로 결정하여 실험을 수행하였다. 이들의 연구결과 겹이음길이가 둘레의 20%인 경우 겹쳐이은 부분에서 파괴가 발생하나 구속효과에는 큰 차이가 없었으며, 30%이상인 경우 보강효과에 영향을 주지 않는다고 발표하였다. 따라서 본 논문에서는 겹이음길이가 둘레의 20% 미만인 경우 보강효과에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위하여 시험을 수행하였다.
후속연구
9에서 겹이음길이가 10%인 시험체(T1)의 경우 보강효과가 120%정도로 다른 시험체에 비해 크게 나타났는데, 이는 다른 시험체들과 달리 겹이음부에서 파괴되지 않고 CFRP 쉬트의 인장파단에 의해 파괴되므로 구속효과가 더크게 나타난 것이다. 겹이음부에서의 파괴는 겹이음길이 뿐만 아니라 에폭시의 부착강도도 영향을 미치는 것으로 판단되며 에폭시의 부착강도에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
, 1998), 콘크리트의 강도(Hwang, 2001) 등의 영향에 대한 시험연구가 있다. 그러나 제한된 변수영역으로 인하여 고려하지 못한 부분이 존재하고 있어 기존 연구결과를 보완하기 위한 추가적인 실험이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 보강재의 겹수, 기둥의 크기효과, 형상비 및 겹이음 길이의 영향에 대해 시험을 수행하여 그 결과를 비교, 분석하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트의 특징은 무엇인가?
철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC)는 콘크리트의 단점인 인장강도를 철근으로 보강하여 수많은 건축물과 토목구조물에 광범위하게 적용되어지고 있다. 그러나 철근콘크리트는 콘크리트의 중성화와 철근의 부식, 하중 조건의 변화, 유지관리의 소홀로 인하여 구조물의 내력성능이 감소하게 되어 보강 대책이 절실히 요구된다(Kim, 2006).
구조물의 내력성능의 감소를 보강하기 위한 방법은 무엇이 주로 사용되는가?
내력 성능이 감소한 구조물의 보강방법으로는 철근콘크리트 부재와 강판을 에폭시로 부착하는 강판압착공법, 보나 기둥을 증설하거나 손상된 단면을 복구하거나 확대하는 방법이 주로 사용되었다. 그러나 이러한 보강방법은 구조물의 중량 증가, 넓은 작업 공간 요구와 이용 공간 제한, 보강재의 부식등 많은 단점을 가지고 있다.
탄소섬유쉬트로 보강된 콘크리트에 대한 많은 연구가 수행된 이유는 무엇인가?
콘크리트 구조물의 내력성능을 향상시키기 위해 탄소섬유쉬트(Carbon Fiber-Reinforced Plastic Sheet, 이하 CFRP sheet)로 보강된 콘크리트에 대해 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 연구는 CFRP sheet로 구속된 콘크리트에 대한 연구 중 미비한 부분을 보완하기 위하여 보강겹수, 시험체의 크기, 형상비, 겹이음길이를 변수로 하여 연구를 수행하였다.
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