[논문]GFRP 보강근의 외피형상을 고려한 부착 해석모델 제안

박지선; 송태협; 이정윤

doi:10.11112/jksmi.2019.23.3.150

초록
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GFRP 보강근과 콘크리트의 부착성능은 접착력, 부착력 및 지압력으로 발휘되며 보강근의 표면처리 방식이나 외피형상에 따라 발휘되는 부착저항력의 종류와 크기는 다르다. GFRP 부착 해석모델에 대한 선행연구를 살펴보면 철근의 부착 해석모델을 일부 수정하여 발전시키거나 수치해석을 통한 매개변수의 수가 많은 복잡한 해석식을 제안하였다. 전자의 경우에는 규격화된 마디형상을 갖는 철근과 달리 구성재료, 배합방법, 제조방법에 따라 다양한 외피형상을 가지는 GFRP 보강근의 특성을 포괄적으로 제안하는 데는 제약이 있으며 후자의 경우에는 수치해석으로 인한 수학적 관계식으로 GFRP 보강근의 부착거동과의 역학적인 관계를 고려하기에는 어려움이 있다. 따라서 이 연구에서는 GFRP 보강근의 콘크리트와의 외피형상에 따라 달라지는 부착메커니즘을 반영한 부착 해석모델을 제안하고자 하였다. 제안한 부착 해석모델에 대한 적합성 검증을 위하여 타 연구자가 수행한 실험값과 비교하였으며 기존의 부착 해석모델인 BPE 부착 해석모델과 CMR 부착 해석모델과의 비교연구도 수행하였다. 비교결과 이 연구에서 제안한 부착 해석모델이 실제 거동에 가장 근사하게 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The bond analysis model equation was proposed through the regression analysis of the experimental values of bond behavior for each rebar. In order to verify the appropriateness of the bond analysis model equation, the bond behaviors calculated by the proposed bond analysis model, BPE model and CMR m...

The bond analysis model equation was proposed through the regression analysis of the experimental values of bond behavior for each rebar. In order to verify the appropriateness of the bond analysis model equation, the bond behaviors calculated by the proposed bond analysis model, BPE model and CMR model were compared with experimental values. The proposed bond model showed the closest behavior to the experimental values when compared to other analysis models. The former models can not consider the different properties of GFRP rebar according to composed materials, mixing and manufacturing method and the latter has limitation to express the relationships between bond behavior because of derived formula by numerical analysis. This study proposed the analytical model different considering bond mechanism according to surface type. In order to verity the appropriateness of the bond analytical model, the bond behaviors calculated by the proposed bond analytical model, BPE model and CMR model were compared with experimental values. The proposed bond model showed the closest behavior to the experimental values when compared to other analysis models.

Keyword

표/그림 (21)

그림 Fig. 1 Bond stress-slip of BPE series and CMR series Model
그림 Fig. 2 Chosen GFRP rebar in this study
그림 Fig. 3 Bond behavior of spiral GFRP rebar
그림 Fig. 4 Spiral GFRP rebar condition after pullout test
표 Table 1 Ratio of bond strength versus stress of spiral GFRP rebar
그림 Fig. 5 Bond behavior of sand coated GFRP rebar
그림 Fig. 6 Sand coated GFRP rebar condition after pullout test
표 Table 2 Ratio of bond strength versus stress of sand coated GFRP rebar
그림 Fig. 7 Parameter α compatibility checking of spiral GFRP rebar
그림 Fig. 8 Parameter p compatibility checking of spiral GFRP rebar
표 Table 3 Parameter α determination coefficient of spiral GFRP rebar
표 Table 4 Parameter p determination coefficient of spiral GFRP rebar
그림 Fig. 9 Parameter α compatibility checking of sand coated GFRP rebar
표 Table 5 Parameter α determination coefficient of sand coated GFRP rebar
그림 Fig. 11 Proposed analytical model
그림 Fig. 10 Parameter p compatibility checking of spiral GFRP rebar
표 Table 6 Parameter p determination coefficient of sand coated GFRP rebar
그림 Fig. 12 Bond behavior comparison of test and analytical models for spiral GFRP rebar
그림 Fig. 13 Bond behavior comparison of test and analytical models for sand coated GFRP rebar
표 Table 7 Parameter data of analytical for spiral GFRP rebar
표 Table 8 모래분사형 GFRP 보강근의 해석모델에서 사용한 매개변수 값

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서 제안하고자 하는 부착 해석모델은 전술한 선행 부착 해석모델의 단점을 보완하여 GFRP 보강근과 콘크리트의 부착 메커니즘을 반영하되, 매개변수의 수를 줄여 상대적으로 적용이 용이한 해석모델식을 제안하고자 한다. 제안한 모델의 적합성은 정규화(normalized)한 부착실험값과 비교를 통해 평가였으며 선행연구에서 제안한 부착 해석모델과의 비교도 함께 수행하였다.
GFRP 보강근은 재료의 배합과 용도, 제조방법 등에 따라 매우 다양한 형상의 보강근이 생산될 수 있다. 이중에서 본 연구에서는 전 세계적으로 널리 상용화 되어 사용중인 Fig. 2의 나선형과 모래분사형 GFRP 보강근을 대상으로 외피형상에 따른 부착메커니즘을 분석하고 부착 해석모델에 반영하고자 한다.
이 연구에서 제안하는 부착 해석모델은 BPE 모델의 부착 거동과 같이 ①부착응력 상승구간 ②부착응력 하강구간 ③부착응력 잔류구간으로 구분하여 제안하고자 한다. 단, 각 구간별 부착거동은 단순히 실험결과와 수치해석에 의한 제안이 아니라 GFRP 보강근의 외피형상에 따른 부착메커니즘을 고려한 해석모델을 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 부착해석식은 식(6)과 같다.

가설 설정

2]Residual stress is excluded bering bond stress from bond strength.
잔류 응력 τ3은 부착응력상승 구간에서 최종단계의 부착응력이 상쇄된 응력으로 가정하였으며 부착강도를 기준으로 나타내면 나선형과 모래분사형 GFRP 보강근 모두 τ3 ≈ 0.8 τmax로 산정되었다.

제안 방법

다만, 매개변수 α값의 조정을 통해 GFRP 보강근의 특성을 반영할 수 있도록 하였다.
이 연구에서 제안하는 부착 해석모델은 BPE 모델의 부착 거동과 같이 ①부착응력 상승구간 ②부착응력 하강구간 ③부착응력 잔류구간으로 구분하여 제안하고자 한다. 단, 각 구간별 부착거동은 단순히 실험결과와 수치해석에 의한 제안이 아니라 GFRP 보강근의 외피형상에 따른 부착메커니즘을 고려한 해석모델을 제안하고자 한다.
매개변수 α는0 < α < 1사이의 값을 가지며 각 매개변수를 대입하여 산정한#와 # 와의 결정계수를 이용하여 적합성을 비교하였다.
매개변수 p는 0 < p≤0.15 사이의 값을 가지며 각 매개변수를 대입하여 산정한 1 -p(#- 1)β와 실험값으로 구한 #와의 결정계수를 이용하여 적합성을 비교하였다.
이 연구에서 제안하는 GFRP 보강근별 해석모델은 부착거동을 이형 철근과 같이 부착상승구간, 부착하강구간, 잔류응력구간으로 구분하여 나타내었다. 부착 해석모델에서 매개변수는 α, β, p이며 β는 수치해석 없이 구할 수 있으며 나선형 GFRP 보강근과 같이 2차방정식의 포물선 곡선과 같이 감소하는 경우에는 β=2이다.
(2) 제안 부착 해석모델의 적합성 검토를 위하여 제안 해석모델과 수정 BPE 모델 및 수정 CMR 모델을 대상으로 타 연구자의 부착시험결과와 비교하였다. 비교 결과 이 연구에서 제안한 부착 해석모델이 시험결과와 가장근사하게 예측 하였다.

대상 데이터

150를 초과하는 값에서는 해석값이 시험값을 과소 평가하였다. 따라서 이 연구에서는 나선형 GFRP 보강근의 매개변수 p =0.150로 선정하였다.

데이터처리

이 연구에서 제안하고자 하는 부착 해석모델은 전술한 선행 부착 해석모델의 단점을 보완하여 GFRP 보강근과 콘크리트의 부착 메커니즘을 반영하되, 매개변수의 수를 줄여 상대적으로 적용이 용이한 해석모델식을 제안하고자 한다. 제안한 모델의 적합성은 정규화(normalized)한 부착실험값과 비교를 통해 평가였으며 선행연구에서 제안한 부착 해석모델과의 비교도 함께 수행하였다.
제안한 부착 해석모델의 적합성을 검증하기 위하여 실제 실험결과와 제안 부착 해석모델의 해석값을 비교하였으며 수정 BPE 모델과 CMR 모델의 해석값도 함께 비교하였다. 적합성을 평가하기 위하여 사용한 대조용 시험값은 Park 등(2008)과 Lim(2013)의 직접인발시험체의 부착응력-미끌림값이다.

이론/모형

대입한 매개변수에 대한 적합성은 # 과 #의 상관관계를 통해 검증하였으며 τ, τ1, s, s1은 Kim 등(2008)이 수행한 10개의 직접인발시험 값을 대입하여 정규화하였다.
나선형 GFRP 보강근에 대하여 실험값과 해석값에 사용된 매개변수값은 Table 7과 같다. 수정 BPE 모델과 CMR 모델에 사용한 매개변수값은 Cosenza 등(1995)의 연구에서 사용한 매개변수 값을 적용하였다. 실험값과 해석값의 비교는 Fig.

성능/효과

5와 같다. 나선형 GFRP 보강근의 부착거동과 비교하여 부착강도 도달시의 미끌림 발생이 현저하게 낮고 부착응력 감소가 취성적인 거동을 나타내었다.
부착상승구간에서는 수정 BPE 모델과 제안식은 실험값과 유사하게 거동을 예측하였다. 부착하강구간에서 제안 모델은 일부 실험체에 잔류응력을 높게 예측하였으나 비교 대상 모델 중 실험값과 가장유사한 거동을 나타내었다. 수정 BPE 모델에서는 응력의 하강의 기울기가 상당히 크게 발생하면서 유효범위 값을 벗어나게 되었다.
(2) 제안 부착 해석모델의 적합성 검토를 위하여 제안 해석모델과 수정 BPE 모델 및 수정 CMR 모델을 대상으로 타 연구자의 부착시험결과와 비교하였다. 비교 결과 이 연구에서 제안한 부착 해석모델이 시험결과와 가장근사하게 예측 하였다. 그러나 향후 GFRP 보강근의 부착길이, 횡구속압 등을 포함한 GFRP 보강근의 부착에 영향을 끼칠수 있는 다양한 요인을 고려한 해석모델에 대한 연구가 필요하다.

후속연구

비교 결과 이 연구에서 제안한 부착 해석모델이 시험결과와 가장근사하게 예측 하였다. 그러나 향후 GFRP 보강근의 부착길이, 횡구속압 등을 포함한 GFRP 보강근의 부착에 영향을 끼칠수 있는 다양한 요인을 고려한 해석모델에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 제안한 부착 해석모델은 무엇인가?	이 연구에서 제안하고자 하는 부착 해석모델은 전술한 선행 부착 해석모델의 단점을 보완하여 GFRP 보강근과 콘크리트의 부착 메커니즘을 반영하되, 매개변수의 수를 줄여 상대 적으로 적용이 용이한 해석모델식을 제안하고자 한다. 제안한 모델의 적합성은 정규화(normalized)한 부착실험값과 비교를 통해 평가였으며 선행연구에서 제안한 부착 해석모델과의 비교도 함께 수행하였다.
	수치해석을 근거로 한 해석모델의 문제점은?	다양한 GFRP 보강근의 부착거동의 특성을 나타내기 위하여 선행 연구자들은 기존의 BPE 모델을 일부 수정하거나 수치해석을 근거로 한 해석모델을 제안하였다. 전자는 다수의 매개변수를 포함하고 있어 설계자가 적용하기 어렵고 후자는 수치 해석을 근거로 한 해석식으로 GFRP 보강근과 콘크리트의 부착 메커니즘이 반영이 되지 못하는 단점을 지니고 있다.
	GFRP 보강근과 콘크리트의 부착거동에 통합된 부착 해석모델을 쓰기 힘든 이유는?	)은 실제 부착거동과 유사한 해석이 가능하여 추가적인 실험 없이 콘크리트부재의 부착거동을 예측하는 데 상당한 기여를 하고 있다. 그러나 GFRP 보강근과 콘크리트의 부착거동은 GFRP 보강근이 구성재료, 배합방법, 제조방법에 따라 다양한 외피형상과 물리·역학적인 특성을 지닐 수 있어 등방성의 이형 철근과 달리 각 보강근별로 상이하게 나타나므로 통합된 부착 해석모델을 제안하는 데는 제약이 있다. 다양한 GFRP 보강근의 부착거동의 특성을 나타내기 위하여 선행 연구자들은 기존의 BPE 모델을 일부 수정하거나 수치해석을 근거로 한 해석모델을 제안하였다.

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