[논문]장기하중이 FRP-보강근 콘크리트 보의 휨균열폭에 미치는 영향

최봉섭

doi:10.5762/kais.2018.19.12.694

장기하중이 FRP-보강근 콘크리트 보의 휨균열폭에 미치는 영향
Effect of Long-Term Load on Flexural Crack Widths in FRP-Reinforced Concrete Beams 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.694 - 701

초록
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FRP-보강근 콘크리트 부재들은 FRP-보강근이 철근에 비해 낮은 탄성계수와 부착강도를 갖고 있어 철근콘크리트 부재에 비해 과도한 균열폭의 가능성이 클 수 있다. 따라서 외국의 기준들에서는 FRP-보강근 콘크리트 부재의 균열제어를 위하여 허용균열폭의 제한규정을 두고 있는데, ACI 440.1R-15 설계지침에서는 최대 보강근 간격으로 제어하는 간접적인 방법으로 제안하고 있다. 그러나 제안식은 아직까지 장기하중이 균열폭에 미치는 시간종속적인 효과를 반영하지 못하고 있다. 이에 본 연구에서는 장방형단면뿐만 아니라 T형단면의 FRP-보강근 콘크리트 보를 대상으로 장기실험을 통하여 얻어진 실험결과를 바탕으로 단면형태별 균열폭 특성을 구분하여 파악하므로 써 장기균열폭 예측모델을 제안하는데 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다. 따라서 단면형태별로 각각 한 개씩 의 철근콘크리트 비교시험체를 포함한 4개의 장방형보와 4개의 T형 보로 구성된 총 8개의 시험체를 제작하여 시공하중의 영향을 고려한 1년간 4점 가력 장기휨실험을 수행하였다. 결과로서 시간종속적인 영향을 받는 순수장기균열폭은 철근 시험체에 비해 보강근의 탄성계수가 낮은 GFRP나 AFRP-보강근 시험체에서는 2.6~3.0배 증가하였으나 CFRP-보강근 시험체에서는 1.1~1.4배 증가에 그쳤다. 또한 즉시균열폭을 포함한 총장기균열폭은 장방형단면과 T형단면 시험체에서 평균적으로 각각 즉시균열폭의 약 2.4와 3.1배 증가를 보여주어 보수적으로 각각 2.5와 3.5의 시간종속계수를 구분하여 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Larger crack widths can be observed more in FRP-reinforced concrete members than in steel-reinforced concrete members as a result of the lower elastic modulus and bond strength of FRP reinforcement. The ACI 440.1R-15 design guide provides equations derived as the maximum bar spacing to control the crack widths indirectly. On the other hand, it is not concerned with long-term effects on the crack control design provisions. This study provides suggestions for how to incorporate time-dependent effects into the crack width equation. The work presented herein includes the results from 8 beams composed of four rectangular and T-shaped FRP-reinforced concrete beams tested for one year under four-point bending. Over a one year period, the crack widths increased as much as 2.6~3.0 times in GFRP and AFRP-reinforced specimens and 1.1~1.4 times in the CFRP-reinforced specimens compared to steel-reinforced specimens. In addition, the average multiple for crack width at one year relative to the instantaneous crack width upon the application of the sustained load was 2.4 in the specimens with a rectangular section and 3.1 in the specimens with a T-shaped section. As a result, it is recommended conservatively that the time-dependent coefficient be taken as 2.5 for the rectangular beams and 3.5 for T-beams.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Concrete dimensions and reinforcing details for beam specimens
표 Table 1. Details of test specimens
표 Table 2. Mechanical properties of reinforcing bars
표 Table 3. Applied moments and relative ratios
표 Table 4. Comparison of measured crack widths with calculated crack widths
그림 Fig. 2. Measured crack widths for test specimens(a) rectangular section (b) T-shaped section
표 Table 5. Total long-term crack widths at several time stages
그림 Fig. 3. Crack width increase over 1 year of sustained loading
그림 Fig. 4. Crack width increase over 1 year of sustained loading as a multiple of immediate crack width
그림 Fig. 5. Comparison of calculated to experimental results under sustained loading

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 장방형단면뿐만 아니라 T형단면의 FRP-보강근 콘크리트 보에 대하여 전체 시간종속적인 영향의 대부분을 차지하는 1년 동안의 장기 휨실험을 수행하였다. 또한 이 때 얻어진 실험결과들을 바탕으로 기존 제안식의 결과와 비교 분석하므로 써 장방형과 T형단면의 FRP-보강근 콘크리트 보들의 균열폭 특성을 단면형태별로 구분하여 재평가하고 장기 균열폭을 예측할 수 있는 모델을 제안하는데 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.
본 연구에서는 장기하중을 받는FRP-보강근 콘크리트보의 균열제어를 위한 합리적인 균열폭 식을 유도할 수 있는 기초자료를 제공하고자 장방형과 T형단면을 갖는 철근과 FRP-보강근 콘크리트 보에 대한 장기 휨실험을 통하여 얻어진 결과들을 비교·분석함으로서 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

이는 반복하중을 재하하는 과정에서 발생된 인장측 콘크리트의 첫 균열시 의 모멘트 M_cr에 대략 2배 정도의 모멘트를 시공하중모멘트 M_con로 사용한 것이다. 그 후 두 번째 단계로 장기적인 사용하중하의 균열폭을 측정하기 위하여 장방형단면 시험체의 경우 M_cr에 약 1.5배, 그리고 T형단면 시험체의 경우 M_cr에 약 1.7배에 해당하는 무게의 콘크리트 블록을 지속적인 사용하중의 크기로 가정하여 다시 재하하였다. Table 3에서는 시험체별로 재하된 균열모멘트 M_cr , 시공하중모멘트 M_con 그리고 지속하중모멘트 M_sus들의 크기를 보여주고 있다.

제안 방법

그러나 본 연구에서는 시간종속계수가 단면형태별로 차이가 있는 것을 확인하였고 또한 균열폭 고유의 변동성을 고려하여 보수적으로 구분하여 장방형단면의 경우 kt = 2.5 , T형단면의 경우 kt = 3.5 를 제안하였다.
7을 적용하였다. 그룹 2에서는 기존 설계지침에서 보강근 종류별로 보수적으로 제안된 1.0과 1.4를 각각 적용하였다.
또한 보 중앙부 압축측 콘크리트 상단 표면에 50mm 폭 간격으로 변형률게이지 2개와 인장보강근에 3∼4개를 설치하여 데이터로거(TDS-602)로 변형률도 1년간 측정하였다.
본 실험에서는 FRP-보강근 콘크리트 보들의 장기하 중 하의 균열양상 특성을 파악하고자 Table 1에서 보여주는 바와 같이 철근콘크리트 보를 포함하여 총 8개의 시험체를 제작하였는데 이 중 4개는 장방형단면으로 그리고 4개는 T형단면으로 계획하였다. 또한 철근콘크리트 시험체와 FRP-보강근 콘크리트 시험체의 상대비교를 위하여 단면의 크기를 각각 동일하게 계획하였다.
본 실험에서는 FRP-보강근 콘크리트 보들의 장기하 중 하의 균열양상 특성을 파악하고자 Table 1에서 보여주는 바와 같이 철근콘크리트 보를 포함하여 총 8개의 시험체를 제작하였는데 이 중 4개는 장방형단면으로 그리고 4개는 T형단면으로 계획하였다. 또한 철근콘크리트 시험체와 FRP-보강근 콘크리트 시험체의 상대비교를 위하여 단면의 크기를 각각 동일하게 계획하였다.
시험체의 보강근비는 철근콘크리트 시험체의 경우 인장파괴 거동을 유도할 수 있도록 균형철근비(ρb) 이하로 하였으며, FRP-보강근 콘크리트 시험체의 경우 압축파괴 거동을 유도하기 위하여 ACI 440.1R-15에서 제시한 균형보강근비(ρfb) 이상으로 하였다.
여기서 사용된 시간종속계수는 그룹 1에서는 본 연구에서 제안된 2.5와 3.5를 각각 단면형태별로 나누어 적용하였고, 그룹 2에서는 식 (3)에서 권장한 2.0을 단면형태별로 구분하지 않고 모든 시험체에 사용하였다. 부착계수도 마찬가지로 그룹 1에서는 본 실험결과에 의해 계산된 결과를 적용하여 철근콘크리트 시험체의 경우 모든 단면에 0.
이러한 장기하중하의 균열폭 측정은 보다 정확하게 측정할 수 있는 전자 확대경을 갖춘 신형 측정 장비인 크랙커(Cracker)를 이용하였고, 1년(2011.05.22∼2012.05.20)동안 매일 한 번씩 규칙적으로 같은 시각(14:00)에 단기하중 시 최대 응력구간에서 이미 발생된 최대균열폭을 선택하여 보강근 위치에서 이루어졌다.
이에 본 연구에서는 장방형단면뿐만 아니라 T형단면의 FRP-보강근 콘크리트 보에 대하여 전체 시간종속적인 영향의 대부분을 차지하는 1년 동안의 장기 휨실험을 수행하였다. 또한 이 때 얻어진 실험결과들을 바탕으로 기존 제안식의 결과와 비교 분석하므로 써 장방형과 T형단면의 FRP-보강근 콘크리트 보들의 균열폭 특성을 단면형태별로 구분하여 재평가하고 장기 균열폭을 예측할 수 있는 모델을 제안하는데 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.
재하방법은 장기하중 하의 균열거동을 살펴보고자 시공시 하중의 영향도 포함하여 두 단계로실시하였다. 첫 번째 단계는 시공하중의 영향을 반영하기 위하여 최대용량 5000kN의 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 분당 1mm의 속도로 장방형 시험체의 경우 5kN-10kN-5kN, T형 시험체의 경우 12kN-5kN-10kN으로 단기적인 반복 하중을 재하하였다.
재하방법은 장기하중 하의 균열거동을 살펴보고자 시공시 하중의 영향도 포함하여 두 단계로실시하였다. 첫 번째 단계는 시공하중의 영향을 반영하기 위하여 최대용량 5000kN의 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 분당 1mm의 속도로 장방형 시험체의 경우 5kN-10kN-5kN, T형 시험체의 경우 12kN-5kN-10kN으로 단기적인 반복 하중을 재하하였다. 이는 반복하중을 재하하는 과정에서 발생된 인장측 콘크리트의 첫 균열시 의 모멘트 M_cr에 대략 2배 정도의 모멘트를 시공하중모멘트 M_con로 사용한 것이다.

대상 데이터

보 제작을 위해 사용된 콘크리트는 30 Mpa 레미콘 콘크리트를 사용하였고 평균 압축강도는 39.3 MPa로 나타났다.
보강근은 철근, GFRP, AFRP, CFRP 네 종류를 사용하였고 철근의 경우 항복강도 fy = 400 Mpa의 이형철근을, FRP는 D사의 나선형 홈 형태의 표면을 갖는 GFRP, AFRP, CFRP를 사용하였고 직경은 모두 10mm를 사용하여 단근으로 배근 하였다.
장방형보의크기는폭 b= 300mm , 깊이h = 180mm , T형보는 플랜지 폭, bf = 420mm 웨브 폭, bw = 200mm 그리고 깊이 h = 250mm로 하였으며 순경간길이 ln = 3000mm 으로 모두 제작하였다.

성능/효과

Fig. 5에서 보여주는 바와 같이 예상대로 본 실험에 기초하여 평균값으로 얻어진 부착계수와 시간종속계수를 적용한 그룹 1의 결과가 기존 설계지침과 제안식에서 제안된 값들을 적용한 그룹2의 결과 보다는 실험결과에 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 그룹 2의 결과를 놓고 본다면 설계지침에서 보수적으로 권장한 1.
따라서 보강근들의 부착성능을 알아볼 수 있는 부착계수 식으로 식(2a)를 재정리한 후 역으로 w_iexp를 대입하여 부착계수 값을 계산하여 보았다. 결과적으로 철근콘크리트 보의 경우는 단면형태와 상관없이 0.6, FRP-보강근 콘크리트 보의 경우는 평균 장방형단면에서 0.6, T형단면에서는 0.7로 계산되어 설계지침에서 상수로 제시된 1.0과 1.4의 부착계수는 본 실험결과와 비교해서 상당히 보수적인 값으로 나타났다. 따라서 이러한 변동성은 장기균열폭을 결정하는데도 많은 영향을 줄 수 있기 때문에 추후 연구에서 보다 추가적인 실험데이터를 갖고 변수분석을 통하여 합리적인 예측모델이 요구된다.
1배 정도 증가한 것으로 나타났다. 다만 절대적인 균열폭의 증가는 다소 작았던 T형단면 시험체에서 오히려 상대적인 증가율은 다소 큰 결과를 보여주었다. 이는 지속하중이 재하된 직후 발생하는 즉시균열폭의 경우 T형단면에 비해 장방형단면이 크게 나오는 반면, Fig.
둘째, 순수장기균열폭은 철근시험체에 비해 GFRP나 AFRP-보강근 시험체에서는 2.6∼3.0배 증가하였으나 CFRP-보강근 시험체에서는 1.1∼1.4배의 증가를 보여주었다.
5에서 보여주는 바와 같이 예상대로 본 실험에 기초하여 평균값으로 얻어진 부착계수와 시간종속계수를 적용한 그룹 1의 결과가 기존 설계지침과 제안식에서 제안된 값들을 적용한 그룹2의 결과 보다는 실험결과에 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 그룹 2의 결과를 놓고 본다면 설계지침에서 보수적으로 권장한 1.4의 부착계수는 T형단면보다는 장방형단면에서 더욱 민감하게 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 또한 T형단면의 경우 1.
또한 단면형태별 비교에서는 장방형단면의 시험체가 T형단면의 시험체보다는 균열폭의 증가가 1.3∼1.5배 크게 일어났으나 차이는 크지 않은 것을 알 수 있다.
시공하중의 영향을 반영하기 위하여 단기 반복하중이 재하된 모든 시험체들은 초기 균열 이후 하중이 증가하면서 반복적으로 진행됨에 따라 균열이 점점 성장하였으나 최대 반복하중의 근처에서는 균열의 성장은 멈추고 각각의 일정한 균열간격으로 안정화되는 모습을 보여주었다. 또한 상대적으로 탄성계수가 높은 철근으로 보강된 시험체들이 탄성계수가 상대적으로 낮은 FRP로 보강된 시험체들에 비해 균열의 성장이 가장 작게 나타났다. 평균균열간격은 T형단면이 장방형단면에 비해 약 20%정도 넓게 형성되었다.
셋째, 즉시균열폭에 대한 총장기균열폭의 비는 보강근의 재료와 상관없이 1년간 장방형단면 시험체에서는 평균적으로 약 2.4배, T형단면 시험체에서는 약 3.1배 정도 증가한 것으로 나타나 시간종속계수를 보수적으로 각각 2.5와 3.5로 제안한다.
시공하중의 영향을 반영하기 위하여 단기 반복하중이 재하된 모든 시험체들은 초기 균열 이후 하중이 증가하면서 반복적으로 진행됨에 따라 균열이 점점 성장하였으나 최대 반복하중의 근처에서는 균열의 성장은 멈추고 각각의 일정한 균열간격으로 안정화되는 모습을 보여주었다. 또한 상대적으로 탄성계수가 높은 철근으로 보강된 시험체들이 탄성계수가 상대적으로 낮은 FRP로 보강된 시험체들에 비해 균열의 성장이 가장 작게 나타났다.
4배의 증가를 보여주었다. 이는 상대적으로 탄성계수가 낮은 보강근 시험체에서 시간종속적인 영향으로 인한 보강근의 변형률이 더 크게 증가할 수 있는 것을 확인하였다.
즉시균열폭에 대한 총장기균열폭의 상대적인 비로 나타낸 Fig. 4의 결과에 의하면 보강근의 재료와 상관없이 1년간 장방형단면 시험체에서는 평균적으로 약 2.4배, T형단면 시험체에서는 약 3.1배 정도 증가한 것으로 나타났다. 다만 절대적인 균열폭의 증가는 다소 작았던 T형단면 시험체에서 오히려 상대적인 증가율은 다소 큰 결과를 보여주었다.
첫째, 시공하중을 고려한 단기사용하중 재하 직후에 측정된 최대균열폭으로 계산된 평균 부착계수는 철근콘크리트 보의 경우는 단면형태와 상관없이 0.6, FRP-보강근 콘크리트 보의 경우는 장방형단면에서 0.6, T형단면에서는 0.7로 계산되어 설계지침에서 제시된 1.0과 1.4의 부착계수와 큰 차이를 보여주고 있어 콘크리트와 FRP-보강근이 갖고 있는 고유의 변동성을 고려한 보다 합리적인 설계식의 필요성이 제기된다.
특히 탄성계수가 상대적으로 낮은 GFRP나 AFRP-보강근의 경우 100일 동안에서도 초기 30∼50일 동안에 가장 급격하게 균열폭이 증가하면서 높은 기울기를 나타내었고, 그 후 100일까지의 기간에는 상대적으로 다소 완만한 기울기를 나타내고 있으나 이 기간 동안 철근이나 CFRP-보강근 콘크리트 시험체에 비해 약 3∼4배의 높은 균열폭의 증가를 보여주었다.

후속연구

4의 부착계수는 본 실험결과와 비교해서 상당히 보수적인 값으로 나타났다. 따라서 이러한 변동성은 장기균열폭을 결정하는데도 많은 영향을 줄 수 있기 때문에 추후 연구에서 보다 추가적인 실험데이터를 갖고 변수분석을 통하여 합리적인 예측모델이 요구된다.
이러한 결과들을 종합하여 본다면 지속하중을 받는 FRP-보강근 콘크리트 보의 합리적인 균열제어 식을 제안하기 위해서는 보다 추가적인 실험데이터에 기초한 변수분석을 통하여 단면형태별로 구분할 수 있는 부착계수와 시간종속계수의 제안식과 더불어 지속하중에 의한 최대허용균열폭 범위에 대한 논의가 요구된다.
이러한 결과들을 종합하여 본다면 지속하중을 받는 FRP-보강근 콘크리트 보의 합리적인 균열제어를 위해서는 추가적인 실험데이터에 기초하여 다양한 변수분석을 수행하므로써 보다 합리적인 부착계수와 시간종속계수의 설계식과 더불어 장기하중에 의한 최대허용균열폭 범위에 대한 논의가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 구조물에서는 철근의 부식문제를 해결하기 위하여 어떤 것을 사용하는가?	최근 철근콘크리트 구조물에서는 철근의 부식문제를 해결하기 위하여 비금속체인 FRP- Reinforced Polymer(이하 FRP) 보강근을 철근의 대체재로서 사용하고 있다. 그러나 FRP-보강근 콘크리트 부재들은 철근에 비해 FRP-보강근이 상대적으로 낮은 탄성계수와 부착강도를 갖고 있어 철근콘크리트 부재에 비해 과도한 균열폭과 처짐이 발생될 수 있기 때문에 사용성능이 종종 FRP-보강근 콘크리트 부재의 구조설계를 지배할 수 있다.
	외국의 여러 나라 기준들에서 FRP-보강근 콘크리트 부재의 허용균열폭의 제한규정을 두는 이유는?	그러나 이러한 균열폭 제어규정은 단기하중 하의 장방형단면의 시험체에서 측정된 균열폭 데이터에 기초하여 제시된 것으로 최근까지도 장기하중(지속하중)을 고려한 균열폭에 대한 많은 연구가 이루지지 못하고 있는 실정이어서 외국의 여러 나라 기준들뿐만 아니라 ACI 440.1R-15 설계지침[1]에서도 장기하중 하의 균열폭에 대한 시간종속적인 효과를 반영한 균열제어 모델을 제시하지 못하고 있다.
	FRP-보강근 콘크리트 부재의 단점은?	최근 철근콘크리트 구조물에서는 철근의 부식문제를 해결하기 위하여 비금속체인 FRP- Reinforced Polymer(이하 FRP) 보강근을 철근의 대체재로서 사용하고 있다. 그러나 FRP-보강근 콘크리트 부재들은 철근에 비해 FRP-보강근이 상대적으로 낮은 탄성계수와 부착강도를 갖고 있어 철근콘크리트 부재에 비해 과도한 균열폭과 처짐이 발생될 수 있기 때문에 사용성능이 종종 FRP-보강근 콘크리트 부재의 구조설계를 지배할 수 있다. 특히 과도한 균열폭은 심미적인 두려움이나 전단성능의 저하를 가져올 수 있기 때문에 외국의 여러 나라 기준들[1-3]에서 허용균열폭의 제한규정을 두고 있다.

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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