[논문]CFRP 보강근을 이용한 콘크리트 보의 피로거동

장폐윈; 김옥규; 최현

doi:10.5345/jkibc.2019.19.6.495

CFRP 보강근을 이용한 콘크리트 보의 피로거동
Fatigue Behavior of Concrete Beam Using CFRP Rebar 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.6, 2019년, pp.495 - 501

장폐윈 (Department of Civil Engineering, yanbian University) , 김옥규 (Department of Architectural Engineering, Chungbuk National University) , 최현 (Department of Civil Engineering, yanbian University)

초록
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최근 철근의 대체재로서 인장강도나 내부식성이 좋은 CFRP(carbon fiber reinforced polymer)를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 현재 피로 파괴에 대한 연구는 미비한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 CFRP보강 콘크리트 보를 제작하여 정적 및 반복 하중에 따른 역학적 거동과 파괴형태를 분석하고 철근의 대체 재료로서 CFRP 보강근 사용에 대한 안전성과 타당성을 평가하도록 하였다. 반복하중의 범위는 극한하중의 10~70%를 취하고 3점 재하방식으로 sine파를 이용한 3Hz의 속도로 재하 하였다. 정적 실험결과 보강량의 증가에 따라 보의 최대하중이나 강성은 현저하게 증가하였지만 피로 실험결과 보강량의 증가에 따라 반복 횟수는 감소하고 처짐량은 증가하여 안전성은 다소 감소됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research has been carried out into the use of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), which has good tensile strength and corrosion resistance, as an alternative to rebar. But as of yet, the research into fatigue failure of CFRP is insufficient. In this paper, an analysis was performed of the mechanical behavior and failure patterns of CFRP reinforced concrete beams according to static and cyclic loads, in order to evaluate the safety and validity of CFRP rebar as an alternative material for rebar. The cyclic load ranged from 10 % to 70% of the ultimate load, and was loaded at a speed of 3Hz using a sine wave in the form of a three-point loading method. Through the static load test, the maximum load or stiffness of the beam was found to increase remarkably with the increase of the reinforcement, but the fatigue test showed that the number of repetitions decreased and the amount of deflection increased with the increase of the reinforcement.

주제어

표/그림 (17)

그림 Figure 1. Dimensions of specimen
표 Table 1. Test results of tensile strength of rebar
그림 Figure 3. Stress-strain curve of CFRP tendon
그림 Figure 2.. Shape of CFRP tendon
그림 Figure 4. Load-Deflection curves of static test
표 Table 2. CFRP tendon specification
표 Table 3. Experimental parameters
표 Table 4. Test results of static experiment
그림 Figure 5. Real view of RS2S specimens
그림 Figure 6. Real view of BS2S specimens
그림 Figure 7. Real view of BS3S specimens
그림 Figure 8. Real view of BF2F specimens
그림 Figure 9. Real view of BF3F specimens
그림 Figure 10. L-D curves with number of cycles(BF2F)
표 Table 5. Summary of fatigue test results
그림 Figure 11. L-D curves with number of cycles(BF3F)
그림 Figure 12. Central deflection by repeat count

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 CFRP보강 콘크리트 보를 제작하여 정적 및 반복 하중에 따른 역학적 거동과 파괴형태를 분석하고 철근 콘크리트 보와 비교 분석하여 철근의 대체 재료로서 CFRP보강근 사용에 대한 안전성과 타당성을 평가하도록 하였다.
본 연구에서는 CFRP 보강근을 이용한 콘크리트 보의 피로 실험을 통하여 극한 사용하중 상태에서 반복 하중에 대한 CFRP 보강재의 안전성을 파악하고 피로 성능을 평가 하였다.

제안 방법

BF2F 시험체는 정적 휨 강도의 70%인 94kN으로 설정 하여 실험을 진행하였고 반복횟수의 증가에 따라 처짐은 증가하다 약 30,000회 정도 진행 되었을 때 CFRP 보강근이 점차적으로 인장파열 되고 균열이 압축부로 성장하면서 최종 파괴를 이루었다. 파괴 시 콘크리트 인장부에서 피복이 탈락하는 현상은 보였지만 보강재의 미끄럼 형상은 보이지 않았으며 균열 폭은 22mm정도이고 Figure 8에 보강근의 파단 모습이 나타나 있다.
시험체는 200×300×2,000mm로 제작하였다. RS2S 는 압축부와 인장부에 D14 철근을 각각 2개씩 배근하였고 BS2F는 압축부와 인장부에 D14 철근과 CFRP근을 각각 2개씩 배근하였으며 BS3F는 압축부에 D14 철근을 2개, 인장부에 D14 CFRP근을 3개 배근하였다. 스터럽을 D8 철근을 19@100으로 전단 보강하였고 Figure 1과 같은 제원으로 제작하였다.
CFRP로 보강된 콘크리트 보의 피로실험을 진행하기 위하여 실험체의 극한 하중을 선정하는 것이 중요하다. 따라서 극한 하중을 측정하기 위한 시험체(BS) 2개와 피로 하중을 측정하기 위한 시험체(BF) 2개를 제작하고 시험체의 정적 하중을 비교하기 위하여 철근 콘크리트 시험체(RS) 1개 제작하여 극한 하중을 비교하였다. 본 연구에 사용된 실험변수는 Table 3과 같다.
실험은 3점 재하법으로 피로 실험 시 반복 하중은 sine파를 이용하여 재하 속도에 큰 영향을 받지 않는 3 Hz로 재하 하였다. 반복 하중의 범위는 시험체의 정적 실험을 실시하여 얻은 결과로부터 파괴 하중 값을 기준으로 반복 하중의 범위를 결정하였다.
파괴 시 최대 균열 폭은 26mm이며 Figure 9에 파괴후 모습을 나타내고 있다. 반복 횟수의 증가에 따라 균열 폭이 증가하면서 압축부로 이어져 BF2F와 비슷한 거동을 하면서 최종 파괴를 이루었다.
3R에 제시된 방법을 참조하여 최소 하중과 최대 하중을 일정하게 유지하는 방법을 선택하여 실시하였다[4]. 본 실험에서는 정적 실험을 통해서 얻은 극한 하중의 10%를 최소 하중으로, 파괴 하중의 70% 를 최대 하중으로 변화시키면서 피로 실험을 실시하였다.
실험 시 피로 하중의 범위를 산정하기 위하여 정적 하중 실험을 우선 진행하였다. CFRP근으로 보강된 보의 실험 결과는 Table 4에 정리하였다.
실험은 3점 재하법으로 피로 실험 시 반복 하중은 sine파를 이용하여 재하 속도에 큰 영향을 받지 않는 3 Hz로 재하 하였다. 반복 하중의 범위는 시험체의 정적 실험을 실시하여 얻은 결과로부터 파괴 하중 값을 기준으로 반복 하중의 범위를 결정하였다.
CFRP근으로 보강된 보의 실험 결과는 Table 4에 정리하였다. 실험체의 파괴형태는 실험시 균열 발생과 보강재의 파단여부, 콘크리트와 보강재에 부착된 게이지수치와 변위계의 값을 참고로 하여 파괴 형태를 결정하였다.
약 120kN에서 하중 처짐 곡선의 기울기가 작아지는 것을 확인할 수 있는데 이는 CFRP 보강근이 인장 파괴를 시작하면서 나타낸 것으로 판단된다. 약 134kN에서 CFRP가 인장 파괴를 완료하면서 콘크리트 압축부 파괴를 유발하여 최종파괴를 이루었다. Figure 6는 BS2S의 파괴 후 모습을 나타내고 있다.
피로 실험 기준으로는 총 200만회 이상의 반복 하중 가력에 대하여 안전해야하나, 본 실험은 소형 실험체로서 보강재의 손상이나 보의 전단파괴가 발생하면 보강근의 작용을 상실하였다고 판단하고 피로 실험을 중지하고 정적 재하실험을 진행하였다.
피로 실험 시 반복 횟수 0, 100, 500, 1000, 5000, 10000, 100000회가 될 때 반복 하중을 멈추고 정적 실험을 실시하여 보의 강도변화를 측정하였다.

대상 데이터

BF3F 시험체는 정적 휨 강도의 70%인 187kN으로 설정 하여 실험을 수행하였고 약 388회에서 갑자기 전단파괴가 발생하면서 보강근의 단면이 절단되어 최종파괴를 이루었 다. 파괴 시 최대 균열 폭은 26mm이며 Figure 9에 파괴후 모습을 나타내고 있다.
BS2S 시험체는 압축부에 2개의 D14철근을, 인장부에 2개의 D14 CFRP근을 보강한 시험체이다. BS2S 시험체는약 21kN에서 초기 균열을 나타내었고 이후 기울기가 작아 지면서 선형 탄성거동을 보였다.
BS3S 시험체는 압축부에 2개의 D14철근을, 인장부에 3개의 D14 CFRP근을 보강한 시험체이다. BS3S 시험체는약 24kN에서 초기 균열을 보였고 보강근의 증가로 보의 강성이나 극한 하중은 BS2S보다 모두 현저하게 증가되었 다.
CFRP 보강근은 흔히 사용되고 있는 N사에서 개발한 제품을 사용하였으며 보강근의 표면은 나선형으로 탄소섬유를 구속하여 기본 형태를 구성하였다. 무게는 261g/m이고 Talble 2에 CFRP의 세부 특성을 나타내었고 형상은 Figure 2와 같다.
하중은 Load cell을 이용하여 수집하고 시험체의 변위를 측정하기 위하여 Figure 1과 같이 보 중앙에 변위계를 설치하였다. 데이터는 동적 변형률 측정기DH3817를 이용 하여 CFRP와 콘크리트 압축부에 strain gage를 부착하여 수집하였다.
보강재의 인장파열과 함께 전단균열이 압축부로 이어지 면서 보의 최종파괴를 이루었다.
RS2S 는 압축부와 인장부에 D14 철근을 각각 2개씩 배근하였고 BS2F는 압축부와 인장부에 D14 철근과 CFRP근을 각각 2개씩 배근하였으며 BS3F는 압축부에 D14 철근을 2개, 인장부에 D14 CFRP근을 3개 배근하였다. 스터럽을 D8 철근을 19@100으로 전단 보강하였고 Figure 1과 같은 제원으로 제작하였다.
시험체는 200×300×2,000mm로 제작하였다.
시험체에 사용된 압축부와 인장부 철근은 3등급 D14이형 철근을 사용하고, 스터럽은 D8 철근을 사용하였다. 철근의 인장시험결과는 Table 1과 같다.

이론/모형

피로 실험 방법은 ACI 440.3R에 제시된 방법을 참조하여 최소 하중과 최대 하중을 일정하게 유지하는 방법을 선택하여 실시하였다[4]. 본 실험에서는 정적 실험을 통해서 얻은 극한 하중의 10%를 최소 하중으로, 파괴 하중의 70% 를 최대 하중으로 변화시키면서 피로 실험을 실시하였다.

성능/효과

1) 피로 실험결과 BF2F 시험체는 약 30,000회에서 인장부 보강근의 파단으로 피로 실험을 중지하였는데 BF3F 시험체 보다 피로 수명은 현저히 제고 되었다. 이는 보강량의 증가에 따라 보의 전단 파괴를 유도하 면서 조기파괴를 이루었기 때문이다.
1mm되었다. 1회 피로반복하중 재하 후 처짐은 커지지만 증가폭은 완만한 경향을 보이다가 파괴직전에 처짐의 증가폭이 증가 하였다. BF3F 시험체는 1회 피로하중 재하후 처짐은 12.
2) 피로 실험 결과 반복 횟수가 증가함에 따라 최대 처짐과 보강재의 변형률이 증가하였다.
3) 피로 실험에 의한 균열 양상은 반복 횟수가 증가함에 따라 균열이 확산되었고 파괴 형태는 보강재의 인장 파괴, 콘크리트 사인장 파괴로 나타났다. 두 시험체 모두 취성파괴 되었으며 파괴 시 뚜렷한 징후를 나타 내지 않아 안전성이 취약함을 알 수 있다.
4) 피로 실험결과를 바탕으로 보강량의 증가에 따라 극한 하중은 증가하였으나 피로수명은 감소하였다. 이는 보강재의 성능 발휘를 다하지 못한 것으로 판단되며 보의 단면에 적합한 보강량의 제안이 필요하다.
BF2F 시험체는 10~70% 하중범위에서 30,000회의 높은 피로 횟수를 보였지만 보강율이 증가한 BF3F 시험 체는 300회의 낮은 피로 횟수를 보였다.
BS3S 시험체는 압축부에 2개의 D14철근을, 인장부에 3개의 D14 CFRP근을 보강한 시험체이다. BS3S 시험체는약 24kN에서 초기 균열을 보였고 보강근의 증가로 보의 강성이나 극한 하중은 BS2S보다 모두 현저하게 증가되었 다. 최종파괴는 전단구간에서의 갑작스런 파괴가 발생하여 2개의 CFRP 보강근은 단면이 절단되었고 1개 CFRP 보강 근은 인장파괴 되었다.
RS2S 시험체는 압축부와 인장부에 각각 2개의 D14철근이 보강된 시험체이다. RS2S 시험체는 약 23kN에서 초기휨 균열이 발생하였고 하중의 증가에 따라 가력점 방향으로 균열 폭이 점점 확대되었다. 재하 하중이 약 113kN에서 철근이 항복되었고 이후 우수한 연성을 보이며 약 146kN 에서 콘크리트 압축부가 파괴되면서 최종 파괴되었다.
3) 피로 실험에 의한 균열 양상은 반복 횟수가 증가함에 따라 균열이 확산되었고 파괴 형태는 보강재의 인장 파괴, 콘크리트 사인장 파괴로 나타났다. 두 시험체 모두 취성파괴 되었으며 파괴 시 뚜렷한 징후를 나타 내지 않아 안전성이 취약함을 알 수 있다. 따라서 파괴시 압축파괴를 유도하는 것이 적절하다고 판단된다.
Figure 10~11에는 BF2F, BF3F 시험체의 반복횟수에 따른 하중-처짐 관계를 나타낸 것이다. 두 시험체는 모두 반복횟수와 하중이 증가함에 따라 영구 변위량이 증가하는 것을 볼 수 있다.
RS2S 시험체는 약 23kN에서 초기휨 균열이 발생하였고 하중의 증가에 따라 가력점 방향으로 균열 폭이 점점 확대되었다. 재하 하중이 약 113kN에서 철근이 항복되었고 이후 우수한 연성을 보이며 약 146kN 에서 콘크리트 압축부가 파괴되면서 최종 파괴되었다. Figure 5는 RS2S의 전형적인 휨 파괴 모습을 나타내고 있다.
BS3S 시험체는약 24kN에서 초기 균열을 보였고 보강근의 증가로 보의 강성이나 극한 하중은 BS2S보다 모두 현저하게 증가되었 다. 최종파괴는 전단구간에서의 갑작스런 파괴가 발생하여 2개의 CFRP 보강근은 단면이 절단되었고 1개 CFRP 보강 근은 인장파괴 되었다. Figure 7은 BS3S의 파괴 후 모습을 나타내고 있다.
이는 균열 발생 후 CFRP 보강근이 보의 거동에 대한 절대적인 영향을 미치기 때문이다. 허나 CFRP 보강근의 증가에 따라 극한하중은 현저하게 증가되었으나 기준 시험체 RS2S와 비교한 결과 동일 하중에서 처짐이 증가하고 강성이 다소 약화되었으며 갑작스러운 파괴를 일으켜 연성 확보는 아주 미흡하였다.

후속연구

5mm정도이고 높은 반복하중으로 인해 388 회 피로실험을 실시한 후 내하력의 저하로 처짐이 상당이 증가하면서 최종파괴에 이르렀다. 따라서 단면에 대한 적적한 보강량의 설계가 이루어진다면 대체재로서의 성능을 극대화 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유복합재료란?	통계자료에 의하면 미국의 16만 개소 철근 콘크리트 교량의 철근 부식으로 인한 보수비용은 220억불에 달하며 유럽도 연간 18억불의 보수비용을 지불하고 있다[1].이 러한 부식 문제를 해결하기 위하여 비부식성 재료를 사용한 철근을 대체할 수 있는 재료를 개발하여야 할 것이며 그러한 재료중 하나로 섬유복합재료(fiber reinforced polymer,이하 FRP)를 이용한 연구가 활발히 진행되어지고 있다.
	FRP를 콘크리트 구조물의 보강재로 사용하기 좋은 이유는?	FRP는 기존의 철근에 비해 우수한 내 부식성, 높은 인장 강도, 특히 FRP의 열팽창계수는 콘크리트와 비슷하여 온도에 의한 응력이 아주 작으므로 콘크리트와의 부착파괴가 발생하지 않아 콘크리트 구조물의 보강재로 사용될 수 있는 가장 적합한 조건을 가지고 있다. 그러나 FRP근은 취성재 료로 소성변형이 없이 탄성 거동을 하며 재료의 탄성계수가 작아 과대한 처짐이 발생하여 응력파괴 위험이 발생하는 단점이 있다.
	섬유복합재료를 이용하였을 때 단점은?	FRP는 기존의 철근에 비해 우수한 내 부식성, 높은 인장 강도, 특히 FRP의 열팽창계수는 콘크리트와 비슷하여 온도에 의한 응력이 아주 작으므로 콘크리트와의 부착파괴가 발생하지 않아 콘크리트 구조물의 보강재로 사용될 수 있는 가장 적합한 조건을 가지고 있다. 그러나 FRP근은 취성재 료로 소성변형이 없이 탄성 거동을 하며 재료의 탄성계수가 작아 과대한 처짐이 발생하여 응력파괴 위험이 발생하는 단점이 있다.

참고문헌 (5)

Gao P. Experimental Study and Application on Fatigue Behaviors of CFRP Tendons Reinforced FRCC Flexural Components, [dissertation]. [Southeast (China)]:College of Civil Engineering Southeast University; 2016. 124 p.
ACI 440.IR-06. Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars. Farmington Hills(USA). American Concrete Institute, 2006.
Seo DW. Han BS, Shin SW. Behaviour of One-Way Concrete Slabs Reinforced with Fiber Reinforced Polymer(FRP) Bars. Journal of the Korea Concrete Institute. 2007 Dec;19(6):763-71.

원문보기 상세보기
ACI 440.3R-04, Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures. 2004. p. 20-2.
Kim JS, Kim KS. A study on ductility capacity of reinforced concrete beam without shear reinforcement using cockle shells as fine aggregate. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2005 Jun;5(2):139-46.

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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