본 연구는 사각형 콘크리트 압축부재를 CFRP 쉬트로 감쌌을 때의 보강효과와 거동 특성에 대한 연구로, CFRP 쉬트로 보강한 경우 쉬트의 구속효과에 의하여 압축내력이 향상되었으나 사각형 단면이므로 원형단면보다 구속효과는 작게 나타났다. 보강효과와 거동특성을 확인하기 위하여 CFRP 쉬트의 보강겹수, 시험체의 크기, 형상비, 모따기, 및 단면 개량을 변수로 선정하여 실험을 계획하였다. 11개의 실험변수별로 각각 5개씩, 총 55개의 실험체를 제작하여 실험하였다. 압축시험결과 CFRP 쉬트의 구속에 의해 보강효과가 나타났으나 실험체의 크기가 증가함에 따라 구속효과는 떨어졌다. 반면에 CFRP 쉬트의 구속효과에 의하여 사각형 콘크리트 기둥의 연성은 매우 크게 증가되었다. 단면형상을 사각형에서 원형으로 변형한 경우 압축강도와 연성 모두 증가되었다. 또한 실험결과와 기존연구결과를 사용하여 CFRP로 구속된 사각형 콘크리트 부재에 대한 기존 강도추정식의 정확성과 신뢰성을 검증하였다.
본 연구는 사각형 콘크리트 압축부재를 CFRP 쉬트로 감쌌을 때의 보강효과와 거동 특성에 대한 연구로, CFRP 쉬트로 보강한 경우 쉬트의 구속효과에 의하여 압축내력이 향상되었으나 사각형 단면이므로 원형단면보다 구속효과는 작게 나타났다. 보강효과와 거동특성을 확인하기 위하여 CFRP 쉬트의 보강겹수, 시험체의 크기, 형상비, 모따기, 및 단면 개량을 변수로 선정하여 실험을 계획하였다. 11개의 실험변수별로 각각 5개씩, 총 55개의 실험체를 제작하여 실험하였다. 압축시험결과 CFRP 쉬트의 구속에 의해 보강효과가 나타났으나 실험체의 크기가 증가함에 따라 구속효과는 떨어졌다. 반면에 CFRP 쉬트의 구속효과에 의하여 사각형 콘크리트 기둥의 연성은 매우 크게 증가되었다. 단면형상을 사각형에서 원형으로 변형한 경우 압축강도와 연성 모두 증가되었다. 또한 실험결과와 기존연구결과를 사용하여 CFRP로 구속된 사각형 콘크리트 부재에 대한 기존 강도추정식의 정확성과 신뢰성을 검증하였다.
This study deals with the strengthening effect and behavioral characteristics of square concrete column wrapped with carbon FRP sheet. The increase in axial compression capacity comes from the confinement effect of wrapped CFRP sheet. Because of the shape of square concrete column, the confinement e...
This study deals with the strengthening effect and behavioral characteristics of square concrete column wrapped with carbon FRP sheet. The increase in axial compression capacity comes from the confinement effect of wrapped CFRP sheet. Because of the shape of square concrete column, the confinement effect is smaller than that in circular column. For the experimental program, four parameters including the number of sheet, the size of column specimen, the aspect ratio, the corner rounding, and the transformation in shape from square to circular were selected to examine the strengthening effect and behavioral characteristics for each parameter. Experimental program comprised fifty five square concrete column specimens for different eleven types. The compression test results confirmed that the strengthening effect can be increased by the confinement of wrapped and bonded CFRP sheet. However, the confining effect was decreased with the increase of square column size. The other hand, the ductility in square concrete column greatly increased due to caging effect of CFRP sheet. The transformation in shape from square to circular considerably increased both the compressive strength and the ductility of the concrete column wrapped with CFRP sheet. In addition, using test results and existing studies, accuracy and reliability of the existing strength models for CFRP-confined square concrete are verified.
This study deals with the strengthening effect and behavioral characteristics of square concrete column wrapped with carbon FRP sheet. The increase in axial compression capacity comes from the confinement effect of wrapped CFRP sheet. Because of the shape of square concrete column, the confinement effect is smaller than that in circular column. For the experimental program, four parameters including the number of sheet, the size of column specimen, the aspect ratio, the corner rounding, and the transformation in shape from square to circular were selected to examine the strengthening effect and behavioral characteristics for each parameter. Experimental program comprised fifty five square concrete column specimens for different eleven types. The compression test results confirmed that the strengthening effect can be increased by the confinement of wrapped and bonded CFRP sheet. However, the confining effect was decreased with the increase of square column size. The other hand, the ductility in square concrete column greatly increased due to caging effect of CFRP sheet. The transformation in shape from square to circular considerably increased both the compressive strength and the ductility of the concrete column wrapped with CFRP sheet. In addition, using test results and existing studies, accuracy and reliability of the existing strength models for CFRP-confined square concrete are verified.
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문제 정의
FRP로 구속된 콘크리트에 대해 이론 및 실험연구가 많이 수행되었지만 대부분 원형 실험체에 대한 연구를 수행하였다. 따라서, 본 연구에서는 CFRP 쉬트로 감싼 각주형 부재의 보강효과와 거동에 대해 알아보기 위하여 몇 가지 변수를 가지고 실험연구를 수행하고, 실험결과와 기존 연구결과를 토대로 정사각형 단면의 콘크리트기둥에 대한 강도추정식을 제안하여 기존 강도추정모델과 비교평가하였다.
제안 방법
5) 본 연구 결과와 기존 연구결과를 활용하여 CFRP 쉬트로 구속된 정사각형 단면의 콘크리트 기둥의 강도추정식을 다음과 같이 제안하였다.
CFRP 쉬트의 겹수에 따른 보강효과를 검토하기 위하여 쉬트를 1겹(C1), 2겹(C2), 3겹(C3)으로 보강하여 압축강도시험을 수행하고, 무보강 실험체(C0)와 비교하였다. Photo 2는 파괴된 실험체의 변수별 사진을 나타내고 있는데, 심부 콘크리트가 실험체의 상하단에서 심하게 으스러져 있고, 콘크리트를 감싸던 CFRP 쉬트는 실험체의 모서리부분에서 인장파단된 것을 확인할 수 있다.
각주형 기둥을 원형 단면으로 변형한 후 보강효과를 확인하기 위하여 실험체를 Fig. 2와 같이 단면형상을 변형시켜 실험을 수행하였다. Fig.
0로 변화시켰고, 모따기의 경우 모따기 길이를 0, 15, 30, 45 mm로 변수를 두었다. 또한 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 단면을 원형으로 개량하여 부재의 내력증진 및 보강 효과를 비교, 평가하였다.
모따기가 보강효과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 모따기 길이(C)를 0~4.5 mm 범위에서 1.5 mm간격으로 변화시켜 결과를 비교하였다. Fig.
실험변수는 CFRP 쉬트의 보강겹수, 실험체의 크기, 형상비(H/B), 모따기 크기이며, 실험변수를 Table 1에 정리하였다. 보강량에 대한 영향을 검토하기 위하여 CFRP 쉬트를 1, 2, 3겹으로 보강하여 거동을 검토하였으며, 크기 효과를 확인하기 위하여 각 변의 길이가 75, 100, 125 mm로, 형상비(H/B)는 2.0, 3.0, 4.0로 변화시켰고, 모따기의 경우 모따기 길이를 0, 15, 30, 45 mm로 변수를 두었다. 또한 Fig.
본 연구를 통한 실험결과와 기존에 수행된 연구결과(Park, 2001; Shin et al., 1996; Yeh and Chang, 2004; Benzaid and Mesbah, 2013; Modarelli et al., 2005; Campione and Miraglia, 2003; Demers and Neale, 1994; Rochette, 1996; Rochette and Labossiere, 2000; Harajli et al., 2006; Lam and Teng, 2003; Rousakis et al., 2007; Masia et al., 2004; Wang and Wu, 2008; Wu and Wei, 2010; Shehata et al., 2002; Ilki and Kumbasar, 2003; Al-salloum, 2007; Tao et al., 2008), 총 222개의 데이터를 기반으로 각주형기둥의 횡구속에 따른 강도추정모델을 제안하고, 기존 제안식의 정확성을 검증하였다.
본 연구에서는 CFRP 쉬트로 횡구속된 사각형 콘크리트 압축실험체에 대하여 보강 겹수, 실험체의 크기, 형상비, 모따기를 변화시켜 실험한 결과를 분석하고, 실험결과와 기존 연구결과를 기반으로 강도추정모델을 비교 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
실험체의 크기에 따른 보강효과를 검토하기 위해 실험체의 폭(B)을 75, 100, 125 mm로 변화하여 실험을 수행하였다. 형상비(H/B)는 2.
실험체의 형상비(H/B)에 따른 보강효과를 확인하기 위하여 동일한 직경(75 mm)에서 형상비를 2, 3, 4로 변화시켜 보강효과를 비교하였다. Fig.
실험체의 크기에 따른 보강효과를 검토하기 위해 실험체의 폭(B)을 75, 100, 125 mm로 변화하여 실험을 수행하였다. 형상비(H/B)는 2.0으로 고정하였으며, CFRP 쉬트는 모두 1겹으로 보강하여 결과를 비교하였다. Photo 3은 실험체의 파괴형상을 보여주고 있으며, Fig.
대상 데이터
실험은 M사에서 제작한 압축강도시험기, MT-150AC(1,470kN)를 사용하였으며, Photo 1에 나타낸 것과 같이 실험체를 설치하여 실험을 수행하였다. 실험시 측정한 데이터는 축방향 하중과 변위, 실험체 중앙에서의 종,횡 변형률을 측정하였으며, 데이터 수집은 M사의 동적변형률측정기(MDS16)를 사용하였다.
실험은 M사에서 제작한 압축강도시험기, MT-150AC(1,470kN)를 사용하였으며, Photo 1에 나타낸 것과 같이 실험체를 설치하여 실험을 수행하였다. 실험시 측정한 데이터는 축방향 하중과 변위, 실험체 중앙에서의 종,횡 변형률을 측정하였으며, 데이터 수집은 M사의 동적변형률측정기(MDS16)를 사용하였다.
실험체 제작에는 일반 레미콘 제품을 사용하였으며, 사용된 콘크리트의 재료시험결과를 Table 2에 정리하였다.
2.1 실험체 및 실험변수
실험체는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 한 변의 길이가 100mm인 정사각형 단면에 높이가 200 mm인 각주형 실험체를 표준으로 사용하였으며, 각 변수별로 5개씩, 총 55개의 실험체를 제작하여 일축압축시험을 수행하였다. 실험변수는 CFRP 쉬트의 보강겹수, 실험체의 크기, 형상비(H/B), 모따기 크기이며, 실험변수를 Table 1에 정리하였다.
탄소섬유쉬트를 접착하는 데 사용된 에폭시는 S사의 Sikadur-31 제품을 사용하였다. 이 에폭시는 모체의 습윤여부에 상관없이 시공이 가능하고 다양한 건설재료에 대한 접착력이 매우 우수하며, 고강도, 고탄성, 내마모성, 내충격성이 우수한 것으로 알려져 있다.
성능/효과
1) CFRP 쉬트로 횡구속된 콘크리트의 압축성능은 쉬트의 구속효과에 의해 개선되었으며, 보강겹수에 따라 압축 내력향상효과가 크게 나타났으나, 실험체의 크기가 커짐에 따라 구속효과는 감소되어 보강효과가 감소되었다.
2) 보강된 사각형 실험체는 CFRP 쉬트의 구속효과에 의하여 모서리 부분의 콘크리트 균열이후 큰 내부 변형을 일으켜 실험체의 연성이 크게 향상되었다.
3) 실험체의 형상비(H/B)는 보강효과에 큰 영향을 미치지 못하였으나, 형상비의 증가에 따라 단부에 응력이 집중되고 변형구간의 감소로 인하여 연성구간이 감소되었으며, 모따기로 인해 보강효과가 나타났으나, 본 실험에서 모따기의 길이 변화는 보강효과에 큰 영향을 보이지 않았다.
4) 사각형단면을 원형으로 변환하여 CFRP 쉬트로 횡구속시킨 결과, 강도와 연성 모두 크게 향상되었으며, 본 연구에서 강도는 약 130%, 연성은 약 280% 증가되었다.
4%로 비교한 모델들 중에 실험값과 가장 유사하게 추정하고 있다. 따라서 CFRP 쉬트로 횡구속된 정사각형 콘크리트 기둥의 강도 추정에 있어서는 본고에서 제안한 강도추정모델을 사용하는 것이 가장 적합하다.
쉬트 1겹으로 보강한 C1실험체의 경우에는 1차 파괴 응력보다 낮은 응력에서 파괴되었으나 2~3겹으로 보강한 C2, C3 실험체는 1차 파괴응력보다 큰 응력에서 파괴됨을 확인할 수 있다. 또한 C1실험체는 무보강실험체 대비 극한변형률이 약 10배 증가하여 부재의 연성이 매우 크게 증가하며, 보강겹수의 증가에 따라 극한변형률 또한 함께 증가함을 확인할 수 있다.
(2015)와 비슷한 경향을 나타내고 있으며, ACI440(2008)은 실험값과 비교적 유사하게 추정하고 있으나 실험보다 강도를 크게 추정하고 있으므로 설계시 안전율을 고려하는데 유의해야 할 것으로 사료된다. 반면 본 연구를 통해 제안한 모델은 상대적으로 강도를 정확하게 추정하고 있으며, 강도비가 2.0 이상의 경우에는 실험값의 하한치로 추정하고 있어 안전측의 값을 계산할 수 있다.
ACI440(2008)이 다른 모델에 비해 비교적 실험치와 유사하게 추정하고 있으나 값을 과대추정하고 있어 설계시 사용하기에는 다소 부적합하다고 판단된다. 본 연구에서 제안한 모델의 강도비 평균은 1.04이며, 변동계수도 17.4%로 비교한 모델들 중에 실험값과 가장 유사하게 추정하고 있다. 따라서 CFRP 쉬트로 횡구속된 정사각형 콘크리트 기둥의 강도 추정에 있어서는 본고에서 제안한 강도추정모델을 사용하는 것이 가장 적합하다.
5는 변수별 응력-변형률 선도를 보여주고 있다. 실험체 모두 1차 파괴 이후 연성 구간을 길게 나타내다 파괴되었으며, 실험체의 폭이 커질 수록 최대응력은 작아졌고, 최대변형를 또한 감소하였다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FRP가 콘크리트 구조물의 보수 및 보장재로 널리 사용되는 이유는?
FRP(Fiber Reinforced Polymer)는 고강도, 비부식성, 경량성 등의 장점을 가지고 있어 콘크리트 구조물의 보수, 보강재로 널리 사용되고 있다. FRP 합성수지는 압축에 저항하는 콘크리트 기둥을 구속하기 위한 구속재 혹은 보나 슬래브 같이 휨 모멘트를 받는 휨 부재의 휨 또는 전단을 보강하기 위한 외부 부착 보강재로 사용되고 있다(Kaminski and Trapko 2006; Bulavs et al.
FRP 쉬트로 감싼 콘크리트 부재가 일반적으로 FRP쉬트의 파괴강도에 도달했을 때 파괴되는 이유는?
CFRP(Carbon FRP) 쉬트는 고강도, 고강성을 가지므로 콘크리트 기둥을 구속하여 보강하기에 매우 이상적인 재료로 주목되고 있다. CFRP 쉬트로 감싼 콘크리트에 압축력을 작용시키면 콘크리트는 하중 축의 직각방향으로 팽창하게 되며, 콘크리트 외부를 감싼 CFRP 쉬트가 이 팽창을 구속하게 되므로 심부 콘크리트는 3축 하중 상태에 놓이게 된다. 이런 상태에서 콘크리트의 압축 성능은 구속압에 의해 큰 영향을 받게되는데, FRP는 선형탄성 거동을 하므로 콘크리트가 횡방향으로 팽창할수록 CFRP 쉬트에 의해 구속압은 증가하게 된다. 따라서, FRP 쉬트로 감싼 콘크리트 부재는 일반적으로 FRP쉬트의 파괴강도에 도달했을 때 파괴된다(Mirmiran et al.
FRP 합성수지는 어떻게 사용되고 있는가?
FRP(Fiber Reinforced Polymer)는 고강도, 비부식성, 경량성 등의 장점을 가지고 있어 콘크리트 구조물의 보수, 보강재로 널리 사용되고 있다. FRP 합성수지는 압축에 저항하는 콘크리트 기둥을 구속하기 위한 구속재 혹은 보나 슬래브 같이 휨 모멘트를 받는 휨 부재의 휨 또는 전단을 보강하기 위한 외부 부착 보강재로 사용되고 있다(Kaminski and Trapko 2006; Bulavs et al., 2005).
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