[논문]탄소섬유시트와 콘크리트 구조물의 부착-슬립 모델

강석화; 김호진; 남진원; 이우철; 유용하; 변근주

탄소섬유시트와 콘크리트 구조물의 부착-슬립 모델
Bond-Slip Model of Interface between Concrete Structures and CFRP Sheets 원문보기

강석화 (연세대학교 건설공학연구소) , 김호진 (연세대학교 토목공학과) , 남진원 (연세대학교 토목공학과) , 이우철 ((주)콘크리닉 기술연구소) , 유용하 ((주)콘크리닉) , 변근주 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

In this study, new bond-slip model is proposed. The proposed bond-slip model which has bilinear ascending regions and exponential descending region by modifying the conventional bilinear bond-slip model has been verified. Then, result by finite element analyses using interface element implemented with bond-slip model compared well with those of existing experiment researches on bond-slip models. It is shown that bond strength and effective bond length predicted by the bond-slip model and finite element analysis is good agreement with those of pull tests.

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문제 정의

본 연구에서는 CFRP시트로 보강된 콘크리트 구조물의 경계면 부착거동을 직접 확인하기 위하여 다음 표1과 같은 제원을 갖는 시험체를 부착길이별로 3개씩 제작하여 직접부착전단 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 경계면 부착거동해석에 효과적으로 사용될 수 있는 새로운 부착-슬립 모델을 제시하고, 경계면의 부착거동을 해석할 수 있는 해석기법을 제안하였다. 새롭게 제시된 부착-슬립 모델은 기존의 이중선형 부착-슬립 모델을 개선한 것으로서, 전단응력이 증가하는 구간을 2개의 직선 구간으로 구성하고, 전단응력이 감소하는 구간을 지수함수로 구성한 것이다.

제안 방법

(1) CFRP시트로 보강된 콘크리트 구조물의 경계면 부착거동에 효율적으로 적용될 수 있는 부착-슬립 모델을 제안하고, 제안된 부착-슬립 모델을 적용한 경계면 요소를 도입하여 유한요소해석을 수행하였다. 제안된 부착-슬립 모델과 유한요소해석기법은 기존의 부착-슬립 모델 및 실험결과와 비교하여 경계면 부착거동을 잘 예측하는 것으로 검증되었다.
(2) 직접부착전단 실험을 수행하여 부착강도와 유효부착길이에 대한 타당성을 검증하였으며, 설계극한부착강도와 유효부착길 이를 제안하였다.
본 연구에서는 그림 1과 같은 Yuan et al.(2004)의 이중선형 부착-슬립 모델을 바탕으로 개선한 부착 -슬립 모델을 다음 그림 2와 같이 상승부에는 2개의 직선, 하강부에는 지수함수를 도입하여 제안하였다. 상승부가 나누어지는 지점은 <5=0.
본 연구에서는 제안된 부착-슬립 모델을 적용하여 경계면을 모델링한 경계면 요소를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 콘크리트는 평면응력요소, CFRP시트는 보요소, 경계면 요소의 재료모델은 접착제인 에폭시의 재료특성을 적용하였다.
위의 관계식을 이용하여, 각 구간별로 부착단부로부터 임의의 거리만큼 떨어진 지점에 대한 경계면에서의 전단응력(丁)과 슬립0), CFRP시트에 발생되는 수직응력(b) 등을 구할 수 있는 식을 각각 유도하였다. 또한 이렇게 유도된 식으로부터 부착강도와 유효부착길이를 예측할 수 있는 모델식을 각각 식2 와 식3과 같이 유도하였다.
수행하였다. 콘크리트는 평면응력요소, CFRP시트는 보요소, 경계면 요소의 재료모델은 접착제인 에폭시의 재료특성을 적용하였다.
이 결과를 근거로 CFRP시트의 단위폭(mm)당의 부착강도와 유효부착길이를 예측할 수 있는 상관관계를 그림 6과 같이 제안하였다.효부착길이를 제안하였다.

이론/모형

제안된 모델과 유한요소해석결과를 검증하기 위하여 Tan(2002)의 시험체 중, PG1-22 시험체의 실험 결과를 참고하였으며, 제안된 모델과 기존의 부착-슬립 모델을 이용하여 PG1-22 시험체의 보강재에서 발생하는 변형률을 구현하면 다음 그림 3.1 ~3.2와 같다. 제안된 모델은 박리파괴 발생 전후의 양 단계에서 기존의 부착-슬립 모델들과 비교하여 모두 안전측을 고려하여 실험값과 가장 유사한 변형률 분포를 보이고 있는 것을 그림3을 통하여 알 수 있다.

성능/효과

1에서 확인할 수 있다. 또한 그림 4.2와 4.3으로 부터 경계면 요소를 적용한 유한요소해석결과가 제안된 부착-슬립 모델을 잘 반영하고 있으며, 부착-슬립 모델 보다 안전측에서 실험결과를 예측하고 있음을 알 수 있다.
부착강도와 부착길이에 관하여 본 연구의 예측모델, 유한요소해석, 실험결과 Chen and Teng(2001)의 모델을 비교하면 표2와 같고, 이 결과로부터 제안된 부착강도와 부착길이 예측식이 가장 합리적이라고 판단된다. 이 결과를 근거로 CFRP시트의 단위폭(mm)당의 부착강도와 유효부착길이를 예측할 수 있는 상관관계를 그림 6과 같이 제안하였다.
(2004)의 이중선형 부착-슬립 모델을 바탕으로 개선한 부착 -슬립 모델을 다음 그림 2와 같이 상승부에는 2개의 직선, 하강부에는 지수함수를 도입하여 제안하였다. 상승부가 나누어지는 지점은 <5=0.5缶일 때, T=0.7Ty인 지점으로 설정하였으며, 기존의 부착-슬립 모델들을 분석하여 이 지점이 타당성이 있음을 확인하였다.
제안된 부착-슬립 모델과 유한요소해석기법은 기존의 부착-슬립 모델 및 실험결과와 비교하여 경계면 부착거동을 잘 예측하는 것으로 검증되었다.
새롭게 제시된 부착-슬립 모델은 기존의 이중선형 부착-슬립 모델을 개선한 것으로서, 전단응력이 증가하는 구간을 2개의 직선 구간으로 구성하고, 전단응력이 감소하는 구간을 지수함수로 구성한 것이다. 제안된 부착-슬립 모델과 유한요소해석기법은 모형실험에 의하여 타당성이 검증되었으며, 기존의 부착전단 연구결과 및 경계면 거동 모델해석 결과들의 비교를 통하여 검증하였다. 제안된 부착-슬립 모델과 유한요소해석기법이 전체적인 경계면 부착거동, 부착강도, 유효부착길이를 타당성 있게 예측하는 것을 입증하였다.
제안된 부착-슬립 모델과 유한요소해석기법은 모형실험에 의하여 타당성이 검증되었으며, 기존의 부착전단 연구결과 및 경계면 거동 모델해석 결과들의 비교를 통하여 검증하였다. 제안된 부착-슬립 모델과 유한요소해석기법이 전체적인 경계면 부착거동, 부착강도, 유효부착길이를 타당성 있게 예측하는 것을 입증하였다.

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