[논문]연속섬유(FRP)시트와 콘크리트의 부착강도 영향 요인 검증

고훈범

doi:10.5762/kais.2020.21.9.414

[국내논문] 연속섬유(FRP)시트와 콘크리트의 부착강도 영향 요인 검증
Verification of Parameters Influencing Bond Strength between Fiber-Reinforced Polymer Laminates and Concrete 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.9, 2020년, pp.414 - 423

초록
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최근 콘크리트 구조물을 보강하는데 경량이며 높은 강도를 가지고 있는 FRP(Fiber Reinforced Polymer)시트의 사용이 증가하고 있는데 구조물 보강 설계 시 부착 강도가 매우 중요하다. 그래서 FRP시트와 콘크리트 사이의 부착 강도에 대한 정확한 수치 모델을 얻기 위하여 많은 연구자가 다양한 변수(콘크리트 압축강도 및 인장강도, 콘크리트와 FRP의 탄성계수, 콘크리트와 FRP의 폭과 두께, 파괴에너지, 부착 길이, 유효부착길이, 최대 부착 응력과 최대 슬립)를 가지고 실험과 해석 연구를 수행하여 왔다. 결과적으로 많은 모델이 도출되었으나 실무에 쉽게 사용될 수 있는 검증된 모델은 제시되지 않았다. 그래서 본 연구는 현재까지 제안된 23개의 모델(Khalifa 모델, Iso 모델, Maeda 모델, Chen 모델 등)로부터 부착 강도에 미치는 요인을 분석하고 188개의 시험체에 대한 부착 강도 실험값을 각 모델들의 수치 결과 값과 비교하여 수식이 간단하고 높은 정도를 가진 사용하기 쉬운 모델을 제시하고자 하였다. 결과적으로 부착 강도 모델로 Iso 모델과 Holzenkӓmpfer 모델의 유효부착길이에 근거한 실용성 있는 모델을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fiber-reinforced polymer (FRP) laminate sheets, which are lightweight with high strength, are commonly used to reinforce concrete structures. The bonding strength is vital in structural design. Therefore, experiments and analytical studies with differing variables (concrete compressive strength and tensile strength, the elastic modulus of concrete and FRP, thickness of concrete and FRP, width of concrete and FRP, bond length, effective bond length, fracture energy, maximum bond stress, maximum slip) have been conducted to obtain an accurate numerical model of the bond strength between an FRP sheet and concrete. Although many models have been proposed, no validated model has emerged that could be used easily in practice. Therefore, this study analyzed the parameters that influence the bond strength that were used in 23 of the proposed models (Khalifa model, Iso model, Maeda model, Chen model, etc.) and compared them to the test results of 188 specimens via the numerical results of each model. As a result, an easy-to-use practical model with a simple and high degree of expression was proposed based on the Iso model combined with the effective bond length model that was proposed by Holzenkӓmpfer.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Pull test type (a) Single shear test (b) Double shear test (c) plan
표 Table 1. Factors considered by existing bond strength models
표 Table 2. Experimental database
그림 Fig. 2. Comparisons of predicted and test bond strengths
그림 Fig. 3. Test bond strengths verses predictions of proposed bond strength model

AI 본문요약
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문제 정의

결과적으로 많은 모형이 도출되었으나 실무에 쉽게 사용될 수 있는 검증된 모델은 제시되지 않았다. 본 연구는 현재까지 제안된 24개의 부착강도모델로부터 부착강도에 미치는 요인을 분석하고 11명의 연구자의 188개의 시험체에 대한 부착강도 실험결과 값을 각각의 모델들의 수치결과 값과 비교하여 비교적 수식이 간단하여 사용하기 쉬운 모델을 제시하고자 하였다.

제안 방법

그런데 Khalifa 모델, Maeda 모델, Iso 모델도 Chen 모델과 비교하여 비슷한 결정계수값을 보여주고 있으며 Chen 모델보다 매우 간단한 수식으로 이루어진 것을 알 수 있다. 그래서 간략화된 모델을 제안하고자 Khalifa 모델, Maeda 모델, Iso 모델을 중심으로 다른 연구자들의 모델과 비교 분석하였다.
본 연구를 통하여 23개의 부착강도모델로부터 부착강도에 미치는 요인을 분석하고 11명의 연구자로부터 얻은 188개의 시험체에 대한 부착강도 실험결과 값을 도출하여 각각의 모델들의 수치결과 값과 비교분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
실험결과 값에 의거하여 각각의 모델에 필요한 인자를 사용하여 부착강도 값을 계산하였다. 그 중에서 계산이 간편한 모델과 결정계수 값이 우수한 모델을 중심으로 Fig.

대상 데이터

부착강도에 영향을 주는 인자는 크게 콘크리트 물성과 FRP 물성으로 구분할 수 있는데 모델에 따라 콘크리트 물성이 포함되지 않는 경우도 있다. 모델에 사용된 각각의 인자를 살펴보면 FRP시트폭은 모든 모델에 사용되었으며, FRP시트의 탄성계수와 두께가 사용된 모델은 18개, FRP시트의 부착길이 및 유효부착길이가 사용된 모델은 18개, 콘크리트 압축강도나 인장강도가 사용된 모델은 15개로 나타났다. 그 외 콘크리트 너비, 파괴에너지, 콘크리트탄성계수, 부착응력-슬립관계가 모델에 사용되었다.
본 장에서는 기존에 제안된 부착강도모델을 다양한 연구자의 실험값과 비교 분석해 보고자 한다. 비교를 위하여 Table 2에서 보는 바와 같이 11명의 연구자의 실험결과에서 188개의 시험체에 근거하여 콘크리트와 FRP특성 인자와 부착강도 값을 도출하였다. 시험체 값을 전부 인용하기에는 양이 너무 많아 요약된 값만을 나타내었다.
그래서 Iso모델에 근거하여 다른 연구자의 최대부착 값과 유효부착길이값을 차용하여 다양한 계산한 결과 다음의 (24)식이 가장 간단하면서 실험값을 정도 높게 추정할 수 있었다. 이 간략화된 모델은 최대부착은 Iso 모델의 값, 그리고 유효부착길이는 Holzenkämpfer 모델의 값을 차용하였다. 그리고 더욱 변수를 더욱 간략화를 위하여 (24)식에서의 콘크리트 인장강도(f_c = 0.

성능/효과

1. 부착강도 모델의 인자분석을 통하여 부착강도에 가장 많은 영향을 미치는 주요 인자로는 콘크리트 강도, FRP시트의 탄성계수, 두께, 폭, 그리고 유효부착길이라는 것을 확인하였으며 부가적인 인자로 콘크리트 너비, 파괴에너지, 콘크리트탄성계수, 부착응력-슬립관계를 꼽을 수 있었다.
2. 부착강도 모델을 분석해 본 결과 일반적으로 변수를 적게 쓴 간단한 모델일수록 실험값과 상이한 결과값을 보여주며, 복잡한 모델일수록 모델개발시 사용된 실험값과 상당히 높은 연관성을 보여주고 있다
3. Iso모델에 근거하고 Holzenkämpfer모델의 유효 부착길이값을 차용하여 (25)와 같은 간략화한 모델을 제안하였으며, 이 모델은 부착강도값을 높은 정도를 가지고 예측할 수 있고 수식이 간단하여 사용하기 편리한 모델로 판단된다. ;

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP시트로 보강된 콘크리트 구조물의 구조적 성능은 무엇에 의존하는가?	일반적으로 FRP시트로 보강된 콘크리트 구조물에서 FRP시트와 콘크리트 경계의 균열진전과 파손에 의해 부착이 약화되면 결과적으로 콘크리트면으로부터 FRP시트가 완전하기 떨어져 나가게 되는 경우가 발생한다. 이와 같이 FRP시트와 콘크리트 사이의 부착은 콘크리트와 FRP시트사이의 응력전달을 하는데 매우 중요한 역할을 하며, FRP시트로 보강된 콘크리트 구조물의 구조적 성능은 콘크리트와 FRP사이의 부착강도에 의존한다고 할 수 있다. 그래서 FRP시트와 콘크리트 사이의 부착강도에 대한 정확한 수치모형을 얻기 위하여 많은 연구자가 다양한 변수를 가지고 실험연구와 해석연구를 수행하여 왔다.
	FRP시트와 콘크리트 사이의 부착은 어떤 역할을 하는가?	일반적으로 FRP시트로 보강된 콘크리트 구조물에서 FRP시트와 콘크리트 경계의 균열진전과 파손에 의해 부착이 약화되면 결과적으로 콘크리트면으로부터 FRP시트가 완전하기 떨어져 나가게 되는 경우가 발생한다. 이와 같이 FRP시트와 콘크리트 사이의 부착은 콘크리트와 FRP시트사이의 응력전달을 하는데 매우 중요한 역할을 하며, FRP시트로 보강된 콘크리트 구조물의 구조적 성능은 콘크리트와 FRP사이의 부착강도에 의존한다고 할 수 있다. 그래서 FRP시트와 콘크리트 사이의 부착강도에 대한 정확한 수치모형을 얻기 위하여 많은 연구자가 다양한 변수를 가지고 실험연구와 해석연구를 수행하여 왔다.
	FRP시트의 사용은 계속적으로 증가하리라 예상되는 이유는 무엇인가?	최근 철근콘크리트 구조물에 대한 보강방법으로 수십년 동안 사용된 철판에서 FRP시트로 대체되어 오고 있으며 FRP시트의 사용은 계속적으로 증가하리라 예상된다. 그 이유는 FRP재료가 높은 강도, 장수 명, 부식 저항성, 비자성, 중량에 비해 높은 강도 등의 특성을 가지고 있기 때문에 지진이나 노후화 등으로 인한 피해를 입은 콘크리트 구조물을 보강하는데 효과적이기 때문이다.

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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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