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IV. 연구개발 결과
본 연구는 건축구조물 보강공법의 성능확보를 위하여 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공사에 사용되는 보강재료의 품질기준 설정, 표준 시험방법안 도출 및 보강재료의 재료물성 파악 등의 단계를 통하여 섬유쉬트 복합재료의 품질시험 및 성능기준(안)을 도출하고, 보강공법에 관한 기존의 시공지침서 및 시공성 평가를 통하여 표준 시공지침서를 작성하며, 기존 실험결과에 대한 비선형 유한요소해석 및 구조부재에 대한 역학적 실험을 통하여 보강설계 지침서를 작성함으로써 최종적으로 종합적이고 체계적인 보강설계 및 시공지

IV. 연구개발 결과
본 연구는 건축구조물 보강공법의 성능확보를 위하여 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공사에 사용되는 보강재료의 품질기준 설정, 표준 시험방법안 도출 및 보강재료의 재료물성 파악 등의 단계를 통하여 섬유쉬트 복합재료의 품질시험 및 성능기준(안)을 도출하고, 보강공법에 관한 기존의 시공지침서 및 시공성 평가를 통하여 표준 시공지침서를 작성하며, 기존 실험결과에 대한 비선형 유한요소해석 및 구조부재에 대한 역학적 실험을 통하여 보강설계 지침서를 작성함으로써 최종적으로 종합적이고 체계적인 보강설계 및 시공지침을 작성하는데 연구개발의 최종목표가 있다.
위의 최종목표를 달성하기 위하여 1차년도에서는 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법에 사용되는 재료의 품질 및 시험기준을 정립하고, 보강재료의 물성파악을 위한 재료시험을 실시하며, 콘크리트와 보강재료와의 계면성능 검증을 위한 각종 부착실험을 실시하였다. 또한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 부착파괴 방지를 위한 휨부착강도를 평가하며, 부착파괴 방지를 위한 각종 배근상세를 제안하고 그 유용성을 검증하였다. 협동연구기관에서는 기존의 섬유쉬트 복합체에 의해 보강된 구조부재의 비선형 거동을 해석적으로 예측하기 위하여, 섬유쉬트 복합체 재료의 구성모델 및 부착구성모델을 개발하고, 실험결과에 대한 FEM해석 및 역해석을 실시함으로써 비선형 유한요소 해석프로그램에 의한 섬유쉬트 복합체 보강공법의 유한요소 해석기술을 개발하였다.
2차년도에는 1차년도에 도출된 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공사에 사용되는 보강재료의 품질시험 및 계면성능 실험결과를 바탕으로, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 구조부재에서 필연적으로 발생되는 박리파괴 메커니즘을 분석하고, 이를 방지하기 위한 각종 보강상세를 제안하였으며, 그 유용성을 검증하기 위한 구조보강성능 실험을 실시하였다. 구조보강 성능 실험시에는 휨 보강 실험 뿐만 아니라 전단보강 성능에 대한 실험도 추가적으로 실시하여 구조보강 분야의 완성도를 재고하였다. 이와 같이 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 휨 및 전단보강된 구조부재의 실험결과에 대한 비교·분석 및 설계방법에 대한 검토를 통하여 보강설계 지침서를 작성하며, 각 보강공법에 관한 시방규정 및 환경요인과 시공요인이 재료품질 성능에 미치는 영향에 대한 시험결과를 바탕으로 시공지침서를 작성하였다. 또한 1차년도에 구축된 비선형 유한요소 해석프로그램에 의한 해석적연구를 확대 적용하여, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 구조부재의 해석을 위한 부착요소의 물성 및 제원을 정량화하기 위한 변수해석을 실시하였으며, 이를 바탕으로 하여 섬유쉬트 복합체로 보강된 구조부재에 대한 역해석 및 파라메트릭 해석을 실시함으로써 해석 및 설계를 위한 이론적 연구를 완성한다. 본 연구를 통하여 얻은 결론을 정리하면 다음과 같다.

1. 유리·아라미드섬유쉬트 보강재료 품질시험 방법
⓵ 유리·아라미드섬유쉬트 보강공법 사용재료인 유리·아라미드섬유쉬트, 함침용 에폭시수지를 대상으로 각각의 품질시험방법을 KS, JIS, ASTM 시험 규격에 따라 상호 비교하여 그 특징을 분석하였다.
⓶ 각국의 시험규격에 대한 비교분석 결과 및 유리·아라미드섬유쉬트 보강공법 사용재료인 유리·아라미드섬유쉬트, 함침용 에폭시수지를 대상으로 한 반복되는 시험을 통하여 현재의 여건 및 기술수준에 적합한 표준화된 시험방법을 작성하였다.

2. 유리·아라미드섬유쉬트 보강재료 품질기준
⓵ 유리·아라미드섬유쉬트 보강공법의 사용재료인 유리·아라미드섬유쉬트, 함침용 에폭시수지에 관하여 KS 및 JIS 등의 국내·외 품질기준을 조사·분석하였다.
⓶ 현재 국내·외에서 사용되는 제조메이커의 자료집을 조사·분석하고 KS 및 JIS 규격값을 정리함으로써 유리·아라미드섬유쉬트 보강공법 사용재료의 품질기준 정립을 위한 기초자료를 제고하였다.

3. 유리·아라미드섬유쉬트 보강재료의 품질성능 평가 시험
1)　유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도 시험
⓵ F.A.W(Fiber Area Weight, g/m²법에 의한 유리·아라미드섬유쉬트의 단위중량을 측정한 결과, 각 섬유두께는 카탈로그에서 제시하는 설계두께를 전부 상회하는 것으로 나타났다. 단위면적당 섬유중량은 섬유쉬트 복합체의 역학적 성능을 결정하는 가장 중요한 요소이므로 주기적인 시험을 통하여 품질성능 확보를 위한 품질관리가 필요할 것으로 판단된다.
⓶ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도 시험결과, 시험체의 파단은 주로 중앙부위에서 발생되고 있어 시험결과의 신뢰성을 확인할 수 있었으며, 시험체의 단부에 부착한 탭은 단부에서의 응력집중을 방지하는데 매우 효과적인 것을 알 수 있었다.
⓷ 아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도 및 탄성계수는 유리섬유쉬트 복합체보다 크며, 두 섬유쉬트의 파단신율은 약 20,000μ 이상으로서 탄소섬유쉬트보다 신율이 크게 나타났다. 그러나 파단시의 신율은 기존 규격치 및 카탈로그값을 밑도는 결과를 나타내고 있어, 이에 대한 추후 실험이 필요하다고 판단된다.
⓸ 유리섬유쉬트 복합체의 인장강도는 규격치보다 약 1.17~1.24배, 아라미드섬유쉬트 복합체는 규격치보다 약 1.34배 상회하고 있고, 인장강도 실험값의 불량률을 0.1%로 한 경우(x-3σ)의 값이 규격치를 전부 상회하고 있어 사용되는 섬유쉬트의 인장강도는 충분한 품질성능을 확보하고 있다고 판단된다.

2) 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 겹침이음강도 시험
⓵ 겹침이음 길이를 100mm로 한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 파단은 모두 이음부 이외에서 발생되었다. 따라서 겹침이음 길이를 100mm 이상으로 확보할 경우에는 섬유쉬트의 인장력을 충분히 전달할 수 있는 것으로 판단된다.
⓶ 겹침이음 길이가 100mm인 유리·아라미드섬유쉬트의 평균 인장강도는 각 섬유쉬트 1매의 규격 인장강도를 전부 상회하나, 강도편차를 고려한 인장강도의 최소 하한치 (x-3σ)는 1매의 규격 인장강도보다 작은 값을 나타내고 있다. 또한 겹침이음이 있는 시험편의 인장강도는 겹침이음이 없는 시험체에 비하여 약 6~16%정도 인장강도가 저하되는 경향을 나타내고 있다.
⓷ 겹침이음강도 시험편에서 관측되는 인장강도 저하 현상은 겹침이음 시험편의 제작시 섬유결의 수직성을 정확히 유지하기 어려운 것에 기인하는 것으로 판단되며, 섬유결의 직진성을 완벽히 유지할 경우에는 소정의 규격강도를 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

3) 함침용 에폭시수지의 점도 시험
⓵ 현재 국내에서 사용되고 있는 유리·아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 표준점도가 규정되어 있지 않는 것으로 조사되었다. 따라서, 현장에서의 품질관리를 위해서는 이에 대한 조속한 규정이 필요할 것으로 판단된다.
⓶ 점도는 온도, 스핀들 번호, RPM 등에 따라 다르게 표현되므로 품질성능 규준의 작성시, 이에 대한 규정과 함께 절대점도로의 환산이 필요하다고 판단된다.

4) 함침용 에폭시수지의 비중 시험
⓵ 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 비중은 약 1.109로서 제품카탈그 값인 1.16보다 약간 비중이 작게 나타났다.
⓶ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 비중은 약 1.217로서 유리섬유쉬트용 에폭시수지보다 비중이 높게 나타났으나, 제품카탈로그에 비중 규정이 없어 이에 대한 규정이 필요하다고 판단된다.
⓷ 에폭시수지의 사용법은 대부분 중량배합법으로 되어 있어 비중에 관한 문제는 발생되고 있지 않으나, 용적배합인 경우에는 많은 차이를 나타내므로 이에 대하여는 충분한 주의가 요구된다고 판단된다.

5) 함침용 에폭시수지의 사용가능시간 시험
⓵ 유리섬유쉬트용 함침용 에폭시수지의 발열반응 곡선을 분석한 결과, 최고온도가 약 120℃이며, 사용가능시간은 약 175분이었다. 그러나, 아라미드섬유싀트용 에폭시수지는 최고온도가 63℃로서 유리섬유쉬트용 에폭시수지보다 온도가 50%정도 낮고 사용가능시간도 약 55분으로서 짧은 특징을 나타내고 있다.
⓶ 유리섬유쉬트용 에폭시수지에 실리카흄을 첨가한 경우에는 최고온도가 무첨가에 비하여 약 50℃증가하고 사용가능시간도 약 40분 정도 감소하였다.
⓷ 에폭시수지의 사용가능시간은 시공시간, 부착강도에 큰 영향을 미치므로 반드시 품질시험을 통하여 관리할 필요가 있다.

6) 함침용 에폭시수지의 인장강도 시험
⓵ 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 인장강도는 약 584kgf/cm²으로서 외국에서 제시하고 있는 에폭시수지 인장강도 규격치인 300kgf/cm²를 초과하고 있다. 이에 대하여 에폭시수지에 실리카흄을 첨가하여 프라이머로 사용하는 경우의 인장강도는 약 170kgf/cm² 낮게 나타나 실리카흄 첨가에 의한 인장강도 저하가 나타났다.
⓶ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 인장강도는 평균 258kgf/cm² 정도로, 해외규격치를 하회하고 있는 것으로 나타나, 이에 대한 품질성능의 검토가 필요할 것으로 판단된다.

7) 함침용 에폭시수지의 휨강도 시험
⓵ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 휨강도 측정시는 규격강도를 약 139% 정도 상회하고 있으며, 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 휨강도 측정치는 규격강도의 약 144% 정도를 상회하는 것으로 나타났다.
⓶ 섬유종류의 차이에 따른 파괴모드를 비교해 보면, 유리섬유쉬트용 에폭시수지는 시험편의 파단없이 지속적으로 구부러지면서 최종파괴된 반면에, 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지는 취성적으로 파단되는 결과를 나타내고 있다.

8) 함침용 에폭시수지의 압축강도 시험
⓵ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 압축강도 측정치는 규격강도를 약 103% 정도 상회하고 있으며, 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 휨강도 측정치는 규격강도의 약 119% 정도를 상회하는 것으로 나타났다.
⓶ 에폭시수지는 경화시 수축에 의하여 변형이 생기고 이를 연마하여 평활도를 맞추는 것이 실험의 정확도에 영향을 미치므로 압축강도 시험편 제작시에는 평활도를 유지하는 것이 매우 중요하다고 판단된다.

9) 함침용 에폭시수지의 인장전단 부착강도 시험
⓵ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 인장전단 부착강도는 평균 125kgf/cm², 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 인장전단 부착강도는 평균 106kgf/cm²을 나타내었다.
⓶ 각 제조회사의 제품 카탈로그에는 인장전단 부착강도의 규격치가 나와있지 않으나, 탄소섬유쉬트용 에폭시수지의 인장전단 부착강도가 100kgf/cm²이상 인 것을 감안하면 두 섬유쉬트의 인장전단 부착강도는 품질성능을 확보하고 있다고 판단된다.
⓷ 섬유쉬트 보강공법의 보강 메커니짐은 섬유쉬트에 걸리는 응력을 에폭시수지와 콘크리트계면의 인장전단 접차에 의하여 콘크리트에 전달하기 때문에 반드시 에폭시수지의 인장전단 부착강도 시험을 통하여 품질성능 확보 여부를 판단하여야 한다.

4. 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 시공요소 기술개발
1) 보강매수가 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 섬유보강 매수가 증가할수록 최대하중은 증가하나, 1매당 계산된 인장강도는 보강매수가 증가할수록 저하되는 것으로 나타났다. 따라서, 보강매수의 증가에 따른 강도감소계수를 도입하는 것이 바람직하다고 판단된다.
⓶ 인장강도의 편차를 고려한 강도 하한치(X-3σ_n)를 검토해 보면, 섬유쉬트의 종류에 관계없이 2매상으로 적층한 시험편의 1매당 인장강도는 제조회사에서 제시하고 있는 인장강도 규격치보다 작은 값을 나타내고 있다. 따라서, 섬유쉬트 보강설계시에는 현장 시공성을 고려한 안전계수로서 섬유쉬트의 인장강도에 보강매수에 따른 적절한 부분감소계수를 적용하는 것이 타당하다고 판단된다.
⓷ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장시험 결과, 보강매수가 3매 까지는 시험체 중앙 및 탭부근에서 파괴되는 경우가 많이 관측되었다. 따라서, 시험편의 단부를 탭으로 보강하면 시험의 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.

2) 겹침길이가 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 겹침길이가 3cm 일때는 섬유쉬트의 겹침부에서 박리파괴가 일부 발생되었으나, 겹침길이가 그 이상이 되면 전부 겹침 이음부 이외에서 파단이 발생되었다. 따라서 파괴양상 측면에서 보면, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 최소겹침이음길이는 5cm 정도라 판단된다.
⓶ 인장강도의 편차를 고려한 강도 하한치(X-3σ_n)를 검토해 보면, 겹침길이로 최소한 7cm 이상의 겹침길이를 확보해야만 규격 인장강도 이상의 겹침강도를 확보하는 것으로 나타났다. 따라서, 강도측면에서 평가하면, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 최소 겹침이음길이는 7cm 정도라 판단된다.
⓷ 겹침이음에 따라 섬유쉬트에 인장강도 손실이 나타나고 있다. 이러한 현상은 겹침시편의 제작시 양방향 시트의 수직도를 정확히 유지하기 어려워 제작상의 오차가 일부 발생한 것도 원인이 될 수 있으나, 겹침이음 부분에서 섬유쉬트가 두꺼워져 인장응력의 전달이 확실하게 이루어지지 않은 것도 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 따라서, 섬유쉬트 보강공사시 불가피하게 겹침이음을 실시할 경우에는 응력이 큰 부분은 가능한 피하는 것이 바람직하다고 판단된다.

3) 양생기간이 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 인장강도의 편차를 고려한 강도 하한치 (X-3σ_n)를 검토해 보면, 유리섬유쉬트의 경우는 약 7일, 아라미드섬유쉬트의 경우는 약 3일 정도의 양생기간이 경과해야 섬유쉬트의 규격 인장강도를 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 섬유쉬트 복합체의 규격 인장강도를 만족하기 위해서는 상온에서 7일간 양생하여야 할 것으로 판단된다.
⓶ 양생기간의 증가에 따라 섬유쉬트의 인장강도는 약간 증가하는 경향을 나타내었다.

4) 함침용 에폭시수지의 계량오차가 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 에폭시수지의 주제와 경화제 혼합비율을 준수한 시험체의 인장강도가 가장 높게 나타났고, 계량 오차가 커질수록 그 강도는 저하되는 경향을 나타냈다.
⓶ 본 시험의 범위인 계량오차 ±20% 범위에서 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 평균인장강도는 대부분 규격인장강도를 상회하고 있으나, 인장강도의 판차를 고려한 강도 하한치(X-3σ_n)를 검토해 보면, 유리섬유쉬트의 경우는 ±10%, 아라미드섬유쉬트의 경우는 ±5%의 범위에서만 규격인장강도를 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 규격 인장강도를 만족할 수 있는 에폭시수지의 혼합오차 비율은 약 5±% 범위라고 판단된다.
⓷ 동일한 계량오차 비율일 경우에는 주제가 더 많이 들어간 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 인장강도가 다소 큰 것으로 나타났다.

5) 양생온도가 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 0℃ 및 5℃의 양생온도에서는 재령이 증가하여도 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도 증가는 거의 나타나지 않지만, 상온 20℃에서 후양생을 실시한 경우, 상온양생 재령기간이 증가할수록 섬유쉬트의 인장강도는 증가되는 것으로 나타났다. 따라서, 초기양생온도 조건에 관계없이 상온에서 충분한 보온양생을 실시하면 추가적인 강도증진 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
⓶ 인장강도의 편차를 고려한 강도 하한치(X-3σ_n)를 검토해보면, 초기온도 및 후양생 조건에 관계없이 유리섬유쉬트 복합체의 인장강도는 규격강도를 대부분 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 대하여 아라미드섬유쉬트 복합체의 인장강도는 초기온도 조건에 관계없이 약 7일간의 상온양생을 실시할 경우 규격 인장강도를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
⓷ 아라미드섬유쉬트 복합체의 경우 5℃이상에서 양생을 실시하면 규격인장강도를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 강도 측면에서 보아 충분한 안전율을 지니고 있는 것으로 판단된다.

6) 양생기간이 함침용 에폭시수지의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 경우, 상온 20℃에서 7일간 양생하여도 규격 인장강도(외국)인 300kgf/cm²에 도달하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 대하여 유리섬유쉬트용 에폭시수지는 양생 1일차부터 규격 인장강도(외국)인 300kgf/cm²를 초과하여 양생 7일차에는 500kgf/cm²에 이르는 것으로 나타났다.
⓶ 양생온도 조건에 따른 아라미드섬유쉬트 복합체 및 에폭시수지에 대한 인장강도 시험결과를 종합해 보면, 아라미드섬유쉬트의 경우는 복합체로서의 강도발현에 에폭시수지의 역할이 미미한 반면, 유리섬유쉬트는 복합체로서의 강도발현에 에폭시수지의 역할이 큰 것으로 판단된다.
⓷ 양생온도에 따른 에폭시수지의 강도저하는 콘크리트 모체에 대한 섬유쉬트의 접착성능에 위해한 영향을 줄 수 있으므로, 구조성능 실험을 통하여 품질규격에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

7) 계량오차가 함침용 에폭시수지의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 인장강도는 계량오차의 비율에 관계없이 외국의 규격 인장강도인 300kgf/cm²를 전부 초과하고 있는 것으로 나타났으며, 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지는 계량오차의 비율에 관계없이 규격 인장강도인 300kgf/cm²를 전부 밑도는 것으로 나타났다.
⓶ 제한된 공법에 대한 실험결과에 의하면 유리섬유쉬트용 에폭시가 강도 측면에서 높은 등급의 제품이라고 판단된다.

8) 양생온도가 함침용 에폭시수지의 인장강도에 미치는 영향
⓵ 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지의 경우 5℃ 양생조건에서는 재령 7일이 지나도 거의 인장강도 발현이 나타나고 있지 않아 양생온도가 에폭시수지의 인장강도 발현에 매우 민감하게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
⓶ 에폭시수지의 강도발현에 가장 영향을 미치는 것은 양생온도이며, 이의 관리가 섬유쉬트 보강공법의 품질성능을 좌우한다고 판단된다.

9) 양생온도가 함침용 에폭시수지의 인장전단 부착강도에 미치는 영향
⓵ 섬유쉬트의 종류에 관계없이 양생온도 및 양생기간에 따른 함침용 에폭시수지의 인장전단 부착강도는, 5℃ 양생조건에서는 재령 14일이 지나도 외국의 품질성능기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
⓶ 양생온도 별 함침용 에폭시의 인장전단 부착강도에 대한 품질성능 측면에서 평가하면 유리·아라미드섬유쉬트 복합체를 이용한 보강공법에서 에폭시의 양생온도는 최소 10℃ 이상이 되어야 할 것으로 판단된다.
⓷ 에폭시수지의 강도발현에 가장 영향을 미치는 것은 양생온도이며, 이의 관리가 섬유쉬트 보강공법의 품질성능을 좌우한다고 판단된다.

5. 유리·아라미드섬유쉬트 복합체와 콘크리트와의 부착성능 평가
1) 인발 접착강도
⓵ 아라미드섬유쉬트 복합체의 인발접착강도는 5℃ 및 10℃에서 2일간 양생된 실험체와 표준온도인 상온 20℃에서 1일간 양생된 실험체 모두 콘크리트가 파괴되는 양상을 나타내었으며, 이때의 강도는 37.6kgf/cm²~42.0kgf/cm² 범위의 값을 나타내었다. 따라서, 5℃ 이상에서 최소한 3일 이상 양생을 실시할 경우, 아라미드섬유쉬트 복합체와 콘크리트간의 인발접착강도를 콘크리트의 인장강도 값 이상으로 확보할 수 있다고 판단된다.
⓶ 유리섬유쉬트 복합체의 인발접착강도는 0℃, 5℃에서 최대 28일을 양생하여도 에폭시 층에서 파괴되는 현상이 발생하므로 저온에서는 인발접착강도의 확보가 불가능한 것으로 나타났다. 또한 10℃에서는 3일간 양생 이후에 콘크리트파과가 발생하며, 20℃ 상온에서는 1일 이후에 콘크리트 파괴가 발생되는 것으로 나타났다. 따라서 최소한 10℃ 조건에서 3일 이상 양생하면 유리섬유쉬트 복합체와 콘크리트간의 인발접착강도를 콘크리트의 인장강도 값 이상으로 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

2) 인장전단 부착강도
⓵ 부착길이가 증가하여도 최대하중이 증가하지 않는 유효부착길이가 존재하며, 초기균열 하중시 응력분포가 0이 되는 구간까지로 정의된다. 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 유효부착길이는 모두 10~15cm 범위인 것으로 나타났으나 안전측으로 15cm로 평가하는 것이 합리적일 것으로 판단된다. 또한, 유효부착면적으로 구한 평균부착응력은 아라미드섬유쉬트가 9.37~10.30kgf/cm², 유리섬유쉬트 복합체가 10.40~11.58kgf/cm² 정도로서, 유리섬유쉬트 복합체가 다소 높게 나타났다.
⓶ 부착길이가 4cm 및 10cm 실험체에서는 유효부착길이(15cm)보다 짧게 부착됨에 따라 쉬트의 부착단부까지 응력이 전달되어 평균부착응력도가 부착길이 10cm 이상의 실험체 보다 높은 것으로 나타났다.
⓷ 아라미드섬유쉬트와 유리섬유쉬트 복합체의 평균부착응력의 차이는 사용된 에폭시수지의 특성에 따른 것으로, 저점도의 유리섬유쉬트용 에폭시수지의 경우 표면 침투성이 우수하여 표면의 세골재만을 물고 떨어지는 아라미드섬유쉬트용 에폭시수지에 비하여 유효부착단면적의 증가로 평균부착응력이 다소 증가한 것으로 판단된다.

3) 유리·아라미드섬유쉬트 부착성능 향상을 위한 상세 개발
⓵ 에폭시 전단키를 매입한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 콘크리트에 대한 부착거동을 살펴 보면, 콘크리트에 초기균열이 발생된 후에도 전단키가 파괴될 때까지 하중이 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서, 동일한 부착길이를 갖고 전단키를 매입하지 않은 실험체에 비하여 초기균열하중 및 최대하중이 대폭 증가하였다.
⓶ 전단키 1개에 작용하는 응력은 95.5~127.2kgf/cm²으로 에폭시수지의 인장전단강도 100kgf/cm²과 유사한 것으로 나타났다. 그러므로 전단키를 매입한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 부착강도는 섬유쉬트 복합체와 콘크리트와의 부착강도 이외에 전단키에 의해 추가되는 부착력을 합산하여 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

6. 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 휨 보강성능 평가
1) 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 RC보의 휨 보강성능 및 파괴메커니즘 분석
⓵ 섬유쉬트의 종류에 관계없이 유리·아라미드섬유쉬트 복합체 모두 최대 부착길이로 보강된 실험체(τ_f = 4.4 kgf/cm²)에서 박리파괴가 발생하였다. 따라서, 기존의 설계용 부착강도로 계산되어진 부착길이로는 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 휨 보강된 실험체에서의 박리파괴를 방지하기 어려울 것으로 판단된다.
⓶ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 RC 구조물의 휨 보강설계시에는 섬유쉬트의 박리시의 변형률을 기준으로 하여 보강설계를 하여야 안전한 설계가 될 것으로 판단된다.
⓷ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의해 구조물을 보강할 경우 부착길이에 관계없이 박리파괴를 방지하지 못하는 것으로 나타났지만, 충분한 부착길이를 확보할 경우 최종적인 박리파괴까지는 상당한 연성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

2) 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 휨 부착성능에 대한 재검증
⓵ 유리섬유쉬트 복합체로 휨 보강된 실험체는 부착길이에 관계없이 모든 실험체에서 박리파괴가 발생하였다. 따라서 기존의 설계용 부착강도로 계산되어진 부착길이만으로는 박리파괴를 방지할 수 없을 것으로 판단된다.
⓶ 아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 실험체는 1개의 실험체(2차 EA1-B1)에서 파단이 발생하였고, 나머지 2개 실험체에서는 모두 박리파괴가 발생하였다. 한편, 이러한 아라미드섬유쉬트 복합체의 박리파괴 메커니즘이 중앙부 부분에서 발생된 국부적인 박리가 진행되는 것을 고려하면 최종적으로 부착길이의 확보만으로는 박리파괴를 방지하기 어려울 것으로 판단된다.
⓷ 유리섬유쉬트 복합체에 의한 RC 구조물의 휨 보강설계시에는 섬유쉬트의 박리가 발생되는 변형률을 기준으로 보강설계가 이루어져야 안전한 설계가 될것으로 판단된다.
⓸ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의해 휨 보강된 구조부재의 품질성능을 확보하기 위해서는 별도의 박리파괴 방지를 위한 상세의 개발이 필요할 것으로 사료된다.

3) 박리파괴 방지를 위한 U 보강상세 개발
⓵ 본 연구진에 의해 제시된 중앙부 U보강은 아라미드섬유쉬트의 경우 효과적인 박리의 억제로 충분한 보강성능을 발휘하면서 파단강도에 이르렀으며, 유리섬유쉬트의 경우는 설계재료강도의 95%에 이를 때까지 박리파괴를 지연시키는 것으로 나타났다. 따라서, 중앙부 U보강 보강상세는 섬유쉬트의 박리파괴를 방지하고 재료의 설계용 인장강도를 충분히 발휘할 수 있는 유용한 보강방법이라고 판단된다.
⓶ 박리파괴를 방지하기 위하여 기존에 제안되었던 ‘단부 U보강’ 상세는 단부에서의 최종박리 현상을 일부 제어할 수 있으나, 중앙부로부터 발생되어 단부로 진행되는 섬유쉬트의 박리현상을 근본적으로 억제할 수 없는 것으로 판단된다.

4) 박리파괴 방지를 위한 원형 에폭시 전단키 보강상세 개발
⓵ 원형 에폭시 전단키를 매입하고 유리섬유쉬트 복합체로 보강한 실험체에서는 중앙부에서 최초박리가 발생 이후에도 박리의 진행이 억제되면서 지속적으로 내력이 증가하였지만, 전단키의 파괴와 함께 박리가 단부로 진행되어져 최종적으로 박리파괴에 이르렀다.
⓶ 원형 에폭시 전단키는 유리섬유쉬트 복합체의 부착성능을 향상시켜 초기박리의 억제하므로, 전단키가 없는 실험체에서 박리가 진행될 때 나타나는 강성저하와 변형증대를 제어할 수는 있었다. 그러나, 근본적으로 유리섬유쉬트에 의하여 보강된 실험체의 박리파괴를 방지할 수 없는 것으로 판단된다.
⓷ 원형 에폭시 전단키의 성능을 향상시키기 위하여 형상 및 매입간격을 개선하거나 시공방법에 대한 개선이 필요할 것으로 판단된다.

5) 박리파괴 방지를 위한 직사각형 에폭시 전단키 보강상세 개발
⓵ 직사각형 에폭시 전단키를 매입하여 보강된 실험체에서는 섬유쉬트의 종류에 관계없이 충분한 보강성능을 발휘하면서 모두 섬유쉬트 복합체의 파단에 의해 최종파괴되는 경향을 나타내었다. 따라서, 에폭시 전단키에 의한 보강상세는 박리파괴를 방지할 수 있는 매우 효율적인 방법으로 판단된다.
⓶ 직사각형 에폭시 전단키 보강상세를 적용하여 박리파괴를 방지할 경우에도 섬유쉬트 복합체의 파단시 강도는 설계기준강도보다 작은 값을 나타내고 있다. 따라서, 적절한 부분감소계수의 도입이 필요할 것으로 판단된다.

6) 박리파괴 방지를 위한 파이버 전단키 보강상세 개발
⓵ 파이버 전단키 매입공법은 유리섬유쉬트 복합체의 초기박리의 진행과 확산에 의한 박리파괴를 방지하는데 매우 효과적인 것으로 나타났다. 그러나, 매입되는 파이버의 구속효과가 클 경우에는 섬유쉬트 보강재의 불균등한 응력집중을 야기시켜 조기 파단의 원인이 되므로 주의하여야 할 것으로 판단된다.
⓶ 에폭시 전단키 매입공법은 유리섬유쉬트 복합체의 초기박리를 억제하는데 효과가 있었으나, 본 절에서의 실험결과에서는 사용되는 에폭시 수지사이의 부착력 저하로 인하여 박리파괴가 발생하는 것으로 나타났다.
⓷ 전단키의 폭과 간격을 변수로 한 실험결과에 의하면, 파이버 전단키를 매입한 실험체에서는 최소 단면적비(10%)에서도 충분한 부착력을 발휘하는 것으로 나타났다. 이에 대하여 에폭시 전단키를 매입한 실험체에서는 모두 박리파괴가 발생되었기 때문에 단면적비에 대한 영향을 파악할 수 없었다.

7) 콘크리트 압축강도의 저하에 따른 휨 보강효과의 평가
⓵ 아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 실험체들의 경우, 콘크리트 강도의 저하에 따라 휨 보강된 부재의 파괴양상이 섬유쉬트의 파단에서 박리파괴로 상이하게 나타났지만, 최대하중의 차이는 거의 관측되지 않았다. 또한, 유리섬유쉬트로 보강된 보에서도 최대하중의 차이가 크지 않았다. 따라서, 제한된 실험결과에 의하면, 콘크리트 강도저하가 보강성능에 미치는 영향은 그다지 크지 않은 것으로 판단된다.
⓶ 콘크리트 강도저하에 따른 보강효과의 분석을 위하여 당초 계획된 콘크리트의 강도는 각각 f_ck = 135 kgf/cm² 및 f_ck = 240 kgf/cm² 이었지만, 실제로 측정된 28일 압축강도는 각각 f_ck = 277 kgf/cm² 및 f_ck = 375 kgf/cm² 정도로 과다하게 나타났다. 따라서, 본 실험에서는 이와 같은 이유로 하여 콘크리트의 강도저하에 따란 보강효과의 감소가 그다지 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다.

8) 부착성능 향상을 위한 표면강화제 유용성 검증 실험
⓵ 표면강화제를 도포한 실험체는 아라미드섬유쉬트의 경우 약간의 강도증가가 나타났으며, 유리섬유쉬트는 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 근본적으로 표면강화제의 도포만으로는 부착성능의 향상을 기대하기 어려울 것으로 판단된다.

9) U보강 상세를 적용한 실물모형 실험체의 휨 보강성능 평가
⓵ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 실물모형 실험체에 중앙부 U보강 상세를 적용하면, 하중 작용점 근처에서 발생되는 조기박리 현상을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났으나, 하중의 증가에 따라 U보강 외측에서의 2차 박리가 추가로 발생되어 전면적인 박리파괴가 발생되었다. 따라서, 본 실험에서 검토된 U보강 상세의 제원만으로는 섬유쉬트의 박리파괴를 근본적으로 억제하기 힘들 것으로 판단된다.
⓶ 섬유쉬트의 1차 박리시를 기준으로 하여 계산된 섬유쉬트의 박리변형률은 통상 재료설계강도의 1/3~1/2 정도까지 감쇠되는 것으로 나타났으므로 본 제안치를 기준으로 하여 보강설계를 실시할 경우 비교적 안전한 설계가 될 수 있을 것으로 판단된다.

10) 파이버 전단키를 매입한 실물모형 실험체의 휨 보강성능 평가
⓵ 파이버 전단키 매입공법은 충분한 매입구간을 확보하였을 경우 발생된 박리를 효과적으로 억제하여 박리파괴를 방지할 수 있는 것으로 판단된다. 본 실험결과에 의하면, 균열발생 및 철근항복 이후 소성구간의 확대를 고려하여 탄성이론에 의해 산정된 파이버 전단키 매입구간보다 1개 정도 추가하면 안전할 것으로 판단된다.
⓶ 섬유쉬트의 1차 박리시를 기준으로 하여 계산된 섬유쉬트의 박리변형률은 통상 재료설계강도의 1/3~1/2 정도까지 감소되는 것으로 나타났으므로 본 제안치를 기준으로 하여 보강설계를 실시할 경우 비교적 안전한 설계가 될 수 있을 것으로 판단된다.
⓷ 파이버 전단키는 수평방향 면내전단력의 저항에는 유효하지만 수직방향 단차의 발생으로 인한 박리의 발생 및 진전에는 다소 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 따라서, 중앙부 U보강 상세 등을 적절히 혼용하면 보다 완벽하게 박리파괴를 제어할 수 있을 것으로 판단된다.

7. 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 전단보강성능 평가
1) 전단보강비에 따른 전단보강 성능 평가
⓵ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 실험체는 전단철근의 양(p_s=0.0%, 0.2%, 0.4%)에 관계없이 콘크리트 사인 장균열 발생 후에도 일정하게 전단내력이 증가되며, 최종적으로 유리·아라미드섬유쉬트 복합체가 박리되는 파괴양상을 나타내고 있다.
⓶ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체 1매의 전단보강 효과는 유효변형률(ε _fe)을 4,000 μ에 근간하여 계산된 전단보강량(p_w ⦁ f_w)에 의해 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
⓷ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 부재의 전단내력은 콘크리트와 전단철근 및 FRP 보강재에 의한 전단강도를 산술적으로 합산하여 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

2) 콘크리트 강도에 따른 전단보강 성능 평가
⓵ 콘크리트의 압축강도를 저하시킨 후 유리섬유쉬트로 보강한 실험체는 콘크리트의 강도저하분에 상당하는 내력저하가 있으며, 섬유쉬트 복합체에 의한 전단보강성능은 저하되지는 않는 것으로 나타났다.
⓶ 저하된 콘크리트의 압축강도에 따른 부착성능을 향상시키기 위하여 표면강화제를 도포한 실험체는 유리섬유쉬트에 사용되는 함침용 에폭시의 침투율을 저하시켜 역으로 보강성능이 감소하는 것으로 나타났다.

3) 부착길이에 따른 전단보강 성능 평가
⓵ 본 실험에서는 콘크리트 보 단면에 비해 과도한 주철근량의 사용 및 저품질의 콘크리트 타설로 인하여 콘크리트의 전단성능과 부착특성에 대한 일관적인 자료를 얻지 못함에 따라 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 전단보강 성능을 명확하게 평가할 수 없었다.
⓶ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 실험체는 보강매수가 증가하여도 최대하중의 차이는 근소한 것으로 나타났다. 따라서, 섬유쉬트 복합체에 의한 전단보강 효과는 유효변형률(ε _fe)에 근간하여 계산된 전단보강량 (p_w ⦁ f_w)에 의해 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
⓷ 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 전단보강된 실험체는 콘크리트 사인장균열 발생 후에도 전단내력이 증가되며, 최종적으로 유리·아라미드섬유쉬트 복합체가 박리되는 파괴양상을 나타내었다.

4) 부착상세에 따른 전단보강 성능 평가
⓵ 유리섬유쉬트로 보의 측면만 전단보강을 실시한 실험체의 박리진행 메커니즘은 U형 보강 실험체와 다소 차이를 나타내고 있으나, 전단보강성능은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
⓶ 파이버 전단키를 매입한 실험체는 매입된 파이버 전단키가 콘크리트 피복을 파괴시키면서 탈락되어 최종파괴에 이르렀다. 따라서, 콘크리트 보 측면 피복의 탈락에 의해 전단보강의 한계가 지배되는 섬유쉬트에 의한 전단보강 공법에서는 파이버 전단키의 매입으로 인한 추가적인 전단성능의 향상은 기대하기 어려울 것으로 판단된다.
⓷ 전단보강 상세를 달리할 실험체에서도 보강매수의 증가에 따른 최대하중의 증가는 미미한 것으로 나타났으며, 또한 최종 박리시의 변형률도 보강매수의 증가에 따라 비례적으로 감소되는 것으로 나타났다.

8. 비선형 유한요소해석
⓵ 비선형 FEM 해석을 통하여 휨 보강된 단순 보의 파괴모드를 파단 및 박리파괴로 구분하여 표현할 수 있다. 파단파괴는 섬유쉬트 보강재가 파단에 도달했을 때 부착요소가 최대 전단응력에 도달하지 않는 것으로 해석되며, 박리파괴는 보강재가 파단강도에 이르기 전에 부착요소의 전단응력이 최대전단응력에 도달하여 파괴되는 것으로 관찰되었다.
⓶ 변수해석에 의한 보강재의 전단응력 분포 : 부재의 길이, 부재 춤, 보강길이, 보강매수 등을 변수로 하여 해석을 수행한 결과, 보강길이가 동일한 경우 보강매수가 증가할수록 보강재에 작용하는 인장응력이 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 휨보강한 구조부재의 보강효과를 계산할 경우, 이에 대한 보다 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼

II. OBJECTIVES AND NECESSITIES
Reinforced concrete structures have been widely used in the construction of modern society because of its excellent durabilities, easiness in construction as well as economic advantages. But the serviceability and performances of RC structure are being decreased by

II. OBJECTIVES AND NECESSITIES
Reinforced concrete structures have been widely used in the construction of modern society because of its excellent durabilities, easiness in construction as well as economic advantages. But the serviceability and performances of RC structure are being decreased by the deterioration of material itself and aggressive environmental conditions such as freezing-and-thawing, overuse of calcium chloride. Therefore, it is strongly required that the proper maintenance activities including repair and strengthening must be consistently provided to the deteriorated RC structure before their performance are dropped under certain allowable values.
Massive construction activities such as highway, bridges, dams and electric power plants were being in progress keeping in step with rapid economical growth during 1970~ 1980's in domestic area. But, a relatively little concerns were given to the maintenance fields including repair and strengthening of the structures which were constructed in this periods. This kinds of problems can be recognized at first by the lack of safety which are widely prevalent in the construction field, but the maintenance activities including repair and strengthening for the deteriorated structures are, if any, fragmentary carried out by the unspecified general manners. The technical problems in repair and retrofit fields are as follows.
It is generally said that the mostly preferred strengthening methods for the reinforced concrete members have been done by adhering steel plates/FRP (fiber reinforced polymer) using epoxy resin to the tensile area of reinforced members. Therefore, the strengthening effects by adhering steel plate/FRP usually depend on the performance of adhering resin as well as plate/FRP. Especially, the composition of fiber sheet and resin matrix plays a importance roles in the strengthening of RC members. Even though there are so much technical needs concerned with strengthening methods using FRP, the basis of strengthening methods used in domestic area mainly depends on the foreign technologies. Moreover, the shortage of test data for the composite materials imported or developed in domestic area makes it difficult to evaluate the design value of them. Therefore, following research area to establish the design methods for the strengthening of RC members must be studied extensively. 1) investigate the required physical characteristics of composite materials which are widely used is strengthening the RC members, 2) establish standard test procedure including test apparatus to appraise the physical properties of composite materials, 3) establish the quality standard for the required physical characteristics of composite materials. 4) evaluate the mechanical behavior of strengthened RC members, 5) reestablish the strengthening design procedures and methods for the RC members, 6) develop the non-linear FEM analysis methods for the strengthened RC beams using FRP.
On the other hands, the research for the strengthening methods using CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) was carried by KICT during 1999~2001 to investigate the material strength, bond strength of CFRP to concrete, strengthening effects of CFRP to the RC beams under the various environmental conditions by the support of MOCT research funds. From the extensive experimental research, the guideline for the design and construction of externally bonded CFRP system for strengthening concrete structures are established. Another kinds of FRP such as GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) and AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymer) began to widely used in strengthening RC structures in domestic area. So, successive research for the strengthening methods using GFRP or AFRP is needed.
The purpose of this study, therefore, is to construct the design and construction guideline for the strengthening of the RC members by GFRP or AFRP. The main research areas are to arrange the required properties of the composite materials, establish standard test procedure including standard test apparatus, setup quality and performance standard for the composite material and appraise the physical and mechanical properties of the composite materials. These test results will be verified by the full-scale model tests of the strengthened RC members.
Finally, the design and construction guideline of the RC structures strengthened by the GFRP or AFRP will be prepared by the extensive examinations of the test results. Also, analytical approaches to investigate the behavior of the strengthened RC beams by FRP will be studied by non-linear finite element methods.

III. CONTENT AND SCOPE
The first year's study was begun with establishing the test and quality standard for the composite materials through the literature review. After setting the standard test procedures, the physical and mechanical properties of the composite materials are appraised. Also, the bond strength between FRP and concrete were investigated through pull-off test and tensile-shear bonding test under various environmental conditions. The debonding failure mechanism of RC flexural members strengthened by GFRP or AFRP are investigated and anti-debonding details are preliminarily tested through tensile-shear bonding test and small-scale RC beam tests. In the analytical study, the FRP material element models as well as bonding element model were developed for the non-linear FEM analysis of RC beams using the general-purpose FEM analysis programs, so called TOTAL-RC. The analytical results for the tensile-shear bonding test and small-scale beam test are compared with test results.
The main content of second year's study is to propose the methodologies and details for preventing premature debonding failure of RC flexural members strengthened by GFRP or AFRP. Various types of details were proposed and tested through full-scale RC beam tests as well as small-scale RC beam tests to examine the contributions of each proposed details to anti-debonding failure mechanism of strengthened RC beams. Finally the design and construction guideline of the RC structures strengthened by the GFRP or AFRP were proposed based on the test results obtained in this study for material properties, bonding characteristics under various environmental conditions and strengthening effects by GFRP or AFRP. In the analytical study, the parametric study for determining material characteristics of bond elements in FEM analysis to predict the non-linear behavior of the strengthened RC beams was first carried out. Based on this results, theoretical studies for analysis and design of RC beam strengthened by GFRP and AFRP were completed by performing counter-analysis and parametric analysis for test specimens. The content and scope of each research era is as follows.


o Examinations on the quality standards of the composite materials which is used in strengthening RC members by GFRP or AFRP
o Survey and Establishment of the standard test procedures for the GFRP or AFRP
- Foreign standard such as JIS, ASTM, BS
- Quality test for physical and mechanical properties of FRP
o Establishment of the standard test procedures for the quality evaluation of the composite materials
o Physical and mechanical tests of GFRP or AFRP to evaluate the material design values
- Physical tests by the standard test procedures on the GFRP or AFRP
- Mechanical tests by the standard test procedures on the GFRP or AFRP
- Performance verifications of the composite materials on the environmental conditions
- Investigation of mechanical characteristics of composite materials
o Structural tests for the strengthened RC members to evaluate the strengthening effects by GFRP or AFRP
- Fabrication of test specimen for bonding test
- Pull-off test between concrete and GFRP or AFRP
- Tensile-shear bonding test between concrete and GFRP or AFRP
- Evaluation of basic strengthening effects for the RC beam by GFRP or AFRP
o Survey on the analytical study for the RC beam strengthened by FRP
- Modeling of FRP materials and bonding elements
- FEM analytical study for FRP composite materials.
o Development of FEM analysis methods for the RC beams strengthened by GFRP or AFRP by general purpose nonlinear FEM analysis program.
- Constituent model for FRP elements
- Constituent model for bonding element
- FEM analysis for the tested RC beams strengthened by GFRP or AFRP


o Performance evaluations of RC members strengthened by GFRP or AFRP through the RC beam model tests.
- Evaluation of bond strength to avoid debonding failure
- Analysis of failure mechanism of RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Multi-layer effects of GFRP or AFRP on structural behavior
- Comparison of small-scale test results and full-scale test results
o Development and evaluation of details for avoiding premature debonding failure of RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Analysis of debondong failure mechanism of strengthened RC beams
- Methodologies for avoiding premature debonding failure
- Details for avoiding premature debonding failure
- Structural test for the RC beams strengthened by proposed details and methodologies
- Analysis of anti-debonding failure mechanism on the RC beams strengthened by proposed details and methodologies
o Shear strengthening effects on RC members by GFRP or AFRP through the RC beam model tests
- Analysis of shear failure mechanism of strengthened RC beams
- Methodologies for improving shear strengthening effects
- Structural test for the RC beams strengthened by proposed methodologies
o Verifications of strengthening effects on RC members by GFRP or AFRP
- Verification of strengthening effects by full-scale structural test
- Suggestion of anti-debonding failure methodlogies
o Preparation of guideline for the design and construction of externally bonded GFRP or AFRP systems for strengthening concrete structure
- Determination of premature debondng strain
- Suggestion of partial strength reduction factor according to the number of GFRP or AFRP layers
- Environmental effects on the material performance and bonding between concrete and GFRP or AFRP
o Development of nonlinear FEM analysis methods for the RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Parametric study for determining material characteristics of bond elements in FEM analysis
FEM analysis and counter-analysis for the test beams strengthened by GFRP or AFRP
Constituent model for bonding element
FEM analysis for the tested RC beams strengthened by GFRP or AFRP
Analysis of failure mechanism of the RC beams on various geometric condition
Development of analytical logic to predict failure mechanism
Analysis of strengthening effects on the variation of failure condition
II. OBJECTIVES AND NECESSITIES
Reinforced concrete structures have been widely used in the construction of modern society because of its excellent durabilities, easiness in construction as well as economic advantages. But the serviceability and performances of RC structure are being decreased by the deterioration of material itself and aggressive environmental conditions such as freezing-and-thawing, overuse of calcium chloride. Therefore, it is strongly required that the proper maintenance activities including repair and strengthening must be consistently provided to the deteriorated RC structure before their performance are dropped under certain allowable values.
Massive construction activities such as highway, bridges, dams and electric power plants were being in progress keeping in step with rapid economical growth during 1970~ 1980's in domestic area. But, a relatively little concerns were given to the maintenance fields including repair and strengthening of the structures which were constructed in this periods. This kinds of problems can be recognized at first by the lack of safety which are widely prevalent in the construction field, but the maintenance activities including repair and strengthening for the deteriorated structures are, if any, fragmentary carried out by the unspecified general manners. The technical problems in repair and retrofit fields are as follows.
It is generally said that the mostly preferred strengthening methods for the reinforced concrete members have been done by adhering steel plates/FRP (fiber reinforced polymer) using epoxy resin to the tensile area of reinforced members. Therefore, the strengthening effects by adhering steel plate/FRP usually depend on the performance of adhering resin as well as plate/FRP. Especially, the composition of fiber sheet and resin matrix plays a importance roles in the strengthening of RC members. Even though there are so much technical needs concerned with strengthening methods using FRP, the basis of strengthening methods used in domestic area mainly depends on the foreign technologies. Moreover, the shortage of test data for the composite materials imported or developed in domestic area makes it difficult to evaluate the design value of them. Therefore, following research area to establish the design methods for the strengthening of RC members must be studied extensively. 1) investigate the required physical characteristics of composite materials which are widely used is strengthening the RC members, 2) establish standard test procedure including test apparatus to appraise the physical properties of composite materials, 3) establish the quality standard for the required physical characteristics of composite materials. 4) evaluate the mechanical behavior of strengthened RC members, 5) reestablish the strengthening design procedures and methods for the RC members, 6) develop the non-linear FEM analysis methods for the strengthened RC beams using FRP.
On the other hands, the research for the strengthening methods using CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) was carried by KICT during 1999~2001 to investigate the material strength, bond strength of CFRP to concrete, strengthening effects of CFRP to the RC beams under the various environmental conditions by the support of MOCT research funds. From the extensive experimental research, the guideline for the design and construction of externally bonded CFRP system for strengthening concrete structures are established. Another kinds of FRP such as GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) and AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymer) began to widely used in strengthening RC structures in domestic area. So, successive research for the strengthening methods using GFRP or AFRP is needed.
The purpose of this study, therefore, is to construct the design and construction guideline for the strengthening of the RC members by GFRP or AFRP. The main research areas are to arrange the required properties of the composite materials, establish standard test procedure including standard test apparatus, setup quality and performance standard for the composite material and appraise the physical and mechanical properties of the composite materials. These test results will be verified by the full-scale model tests of the strengthened RC members.
Finally, the design and construction guideline of the RC structures strengthened by the GFRP or AFRP will be prepared by the extensive examinations of the test results. Also, analytical approaches to investigate the behavior of the strengthened RC beams by FRP will be studied by non-linear finite element methods.

III. CONTENT AND SCOPE
The first year's study was begun with establishing the test and quality standard for the composite materials through the literature review. After setting the standard test procedures, the physical and mechanical properties of the composite materials are appraised. Also, the bond strength between FRP and concrete were investigated through pull-off test and tensile-shear bonding test under various environmental conditions. The debonding failure mechanism of RC flexural members strengthened by GFRP or AFRP are investigated and anti-debonding details are preliminarily tested through tensile-shear bonding test and small-scale RC beam tests. In the analytical study, the FRP material element models as well as bonding element model were developed for the non-linear FEM analysis of RC beams using the general-purpose FEM analysis programs, so called TOTAL-RC. The analytical results for the tensile-shear bonding test and small-scale beam test are compared with test results.
The main content of second year's study is to propose the methodologies and details for preventing premature debonding failure of RC flexural members strengthened by GFRP or AFRP. Various types of details were proposed and tested through full-scale RC beam tests as well as small-scale RC beam tests to examine the contributions of each proposed details to anti-debonding failure mechanism of strengthened RC beams. Finally the design and construction guideline of the RC structures strengthened by the GFRP or AFRP were proposed based on the test results obtained in this study for material properties, bonding characteristics under various environmental conditions and strengthening effects by GFRP or AFRP. In the analytical study, the parametric study for determining material characteristics of bond elements in FEM analysis to predict the non-linear behavior of the strengthened RC beams was first carried out. Based on this results, theoretical studies for analysis and design of RC beam strengthened by GFRP and AFRP were completed by performing counter-analysis and parametric analysis for test specimens. The content and scope of each research era is as follows.


o Examinations on the quality standards of the composite materials which is used in strengthening RC members by GFRP or AFRP
o Survey and Establishment of the standard test procedures for the GFRP or AFRP
- Foreign standard such as JIS, ASTM, BS
- Quality test for physical and mechanical properties of FRP
o Establishment of the standard test procedures for the quality evaluation of the composite materials
o Physical and mechanical tests of GFRP or AFRP to evaluate the material design values
- Physical tests by the standard test procedures on the GFRP or AFRP
- Mechanical tests by the standard test procedures on the GFRP or AFRP
- Performance verifications of the composite materials on the environmental conditions
- Investigation of mechanical characteristics of composite materials
o Structural tests for the strengthened RC members to evaluate the strengthening effects by GFRP or AFRP
- Fabrication of test specimen for bonding test
- Pull-off test between concrete and GFRP or AFRP
- Tensile-shear bonding test between concrete and GFRP or AFRP
- Evaluation of basic strengthening effects for the RC beam by GFRP or AFRP
o Survey on the analytical study for the RC beam strengthened by FRP
- Modeling of FRP materials and bonding elements
- FEM analytical study for FRP composite materials.
o Development of FEM analysis methods for the RC beams strengthened by GFRP or AFRP by general purpose nonlinear FEM analysis program.
- Constituent model for FRP elements
- Constituent model for bonding element
- FEM analysis for the tested RC beams strengthened by GFRP or AFRP


o Performance evaluations of RC members strengthened by GFRP or AFRP through the RC beam model tests.
- Evaluation of bond strength to avoid debonding failure
- Analysis of failure mechanism of RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Multi-layer effects of GFRP or AFRP on structural behavior
- Comparison of small-scale test results and full-scale test results
o Development and evaluation of details for avoiding premature debonding failure of RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Analysis of debondong failure mechanism of strengthened RC beams
- Methodologies for avoiding premature debonding failure
- Details for avoiding premature debonding failure
- Structural test for the RC beams strengthened by proposed details and methodologies
- Analysis of anti-debonding failure mechanism on the RC beams strengthened by proposed details and methodologies
o Shear strengthening effects on RC members by GFRP or AFRP through the RC beam model tests
- Analysis of shear failure mechanism of strengthened RC beams
- Methodologies for improving shear strengthening effects
- Structural test for the RC beams strengthened by proposed methodologies
o Verifications of strengthening effects on RC members by GFRP or AFRP
- Verification of strengthening effects by full-scale structural test
- Suggestion of anti-debonding failure methodlogies
o Preparation of guideline for the design and construction of externally bonded GFRP or AFRP systems for strengthening concrete structure
- Determination of premature debondng strain
- Suggestion of partial strength reduction factor according to the number of GFRP or AFRP layers
- Environmental effects on the material performance and bonding between concrete and GFRP or AFRP
o Development of nonlinear FEM analysis methods for the RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Parametric study for determining material characteristics of bond elements in FEM analysis
- FEM analysis and counter-analysis for the test beams strengthened by GFRP or AFRP
- Constituent model for bonding element
- FEM analysis for the tested RC beams strengthened by GFRP or AFRP
- Analysis of failure mechanism of the RC beams on various geometric condition
- Development of analytical logic to predict failure mechanism
- Analysis of strengthening effects on the variation of failure condition

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 27
• 목차 ... 34
• 표목차 ... 41
• 그림목차 ... 47
• 사진목차 ... 58
• 제1장 서론 ... 62
• 1.1 연구개발의 필요성 ... 62
• 1.2 국내·외 관련기술 기술동향 ... 65
• 1.2.1 국내 기술동향 ... 65
• 1.2.2 국외 기술동향 ... 70
• 1.2.3 보강기술 동향 및 적용사례 ... 77
• 1.3 연구개발 목표 및 내용 ... 82
• 1.3.1 연구개발 최종목표 ... 82
• 1.3.2 1차년도 연구개발 목표 및 내용 ... 82
• 1.3.3 2차년도 연구개발 목표 및 내용 ... 85
• 제2장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질시험 방법 ... 88
• 2.1 개요 ... 88
• 2.2 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질 시험 규격 ... 88
• 2.3 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질시험 방법 ... 93
• 2.3.1 인장강도 시험방법 ... 93
• 2.3.2 섬유쉬트의 중량 측정 방법 (F.A.W) ... 95
• 2.3.3 겹침이음강도 시험 방법 ... 97
• 2.4 함침용 에폭시수지의 품질시험 방법 ... 98
• 2.4.1 점도 측정 방법 ... 98
• 2.4.2 비중 측정 방법 ... 100
• 2.4.3 사용가능시간 측정 방법 ... 102
• 2.4.4 인장강도 시험방법 ... 103
• 2.4.5 휨강도 시험방법 ... 105
• 2.4.6 압축강도 시험방법 ... 106
• 2.4.7 인장전단 부착강도 시험방법 ... 107
• 제3장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질기준 및 성능 ... 110
• 3.1 개요 ... 110
• 3.2 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질기준 및 품질성능 ... 110
• 3.2.1 종류 ... 110
• 3.2.2 품질기준 ... 113
• 3.2.3 품질성능 ... 114
• 3.3 함침용 에폭시수지의 품질기준 및 품질성능 ... 116
• 3.3.1 품질기준 ... 116
• 3.3.2 품질성능 ... 118
• 3.4 프라이머의 품질기준 및 품질성능 ... 120
• 3.4.1 품질기준 ... 120
• 3.4.2 품질성능 ... 121
• 3.5 퍼티의 품질기준 및 품질성능 ... 123
• 3.5.1 품질기준 ... 123
• 3.5.2 품질성능 ... 124
• 제4장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질성능 평가시험 ... 125
• 4.1 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질성능 시험 ... 125
• 4.1.1 인장강도 시험 ... 125
• 4.1.2 겹침이음강도 시험 ... 138
• 4.2 함침용 에폭시수지의 품질성능 시험 ... 144
• 4.2.1 점도 시험 ... 144
• 4.2.2 비중 시험 ... 147
• 4.2.3 사용가능시간 시험 ... 149
• 4.2.4 인장강도 시험 ... 153
• 4.2.5 휨강도 시험 ... 159
• 4.2.6 압축강도 시험 ... 163
• 4.2.7 인장전단 부착강도 시험 ... 167
• 제5장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 시공요소 기술개발 ... 173
• 5.1 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 시공환경 영향 ... 173
• 5.1.1 보강매수에 의한 인장강도 영향 ... 173
• 5.1.2 겹침길이에 의한 인장강도 영향 ... 179
• 5.1.3 양생기간에 의한 인장강도 영향 ... 184
• 5.1.4 함침용 에폭시수지의 계량오차에 의한 인장강도 영향 ... 188
• 5.1.5 양생온도에 의한 인장강도 영향 ... 192
• 5.2 함침용 에폭시수지의 시공환경 영향 ... 202
• 5.2.1 양생기간에 의한 인장강도 영향 ... 202
• 5.2.2 계량오차에 의한 인장강도 영향 ... 205
• 5.2.3 양생온도에 의한 인장강도 영향 ... 208
• 5.2.4 양생온도에 의한 인장전단부착강도 영향 ... 210
• 제6장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체와 콘크리트와의 부착성능 평가 ... 214
• 6.1 인발접착강도 ... 214
• 6.1.1 실험 목적 ... 214
• 6.1.2 실험방법 및 일반사항 ... 215
• 6.1.3 실험결과 및 고찰 ... 218
• 6.1.4 소결 ... 222
• 6.2 인장전단 부착강도 ... 223
• 6.2.1 실험목적 ... 225
• 6.2.2 실험방법 및 일반사항 ... 225
• 6.2.3 실험결과 및 고찰 ... 228
• 6.2.4 소결 ... 245
• 6.3 부착성능 향상을 위한 상세 개발 ... 245
• 6.3.1 상세의 제안 ... 246
• 6.3.2 실험목적 ... 247
• 6.3.3 실험방법 및 일반사항 ... 247
• 6.3.4 실험결과 및 고찰 ... 249
• 6.3.5 소결 ... 254
• 제7장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 휨 보강성능 평가 ... 255
• 7.1 연구 개요 ... 255
• 7.2 실험의 일반사항 ... 256
• 7.2.1 구조실험계획 ... 256
• 7.2.2 재료시험 ... 258
• 7.2.3 가력 및 측정계획 ... 260
• 7.2.4 보강 실험체의 제작 ... 265
• 7.3 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 RC보의 휨 보강성능 및 파괴 메커니즘 분석 ... 268
• 7.3.1 실험목적 ... 268
• 7.3.2 실험방법 및 일반사항 ... 269
• 7.3.3 실험결과 분석 ... 272
• 7.3.4 소결 ... 278
• 7.4 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 휨 부착성능에 대한 재검증 ... 278
• 7.4.1 실험목적 ... 278
• 7.4.2 실험방법 및 일반사항 ... 279
• 7.4.3 실험결과 ... 281
• 7.4.4 소결 ... 289
• 7.5 박리파괴 방지를 위한 U 보강상세 개발 ... 290
• 7.5.1 실험목적 ... 290
• 7.5.2 실험방법 및 일반사항 ... 290
• 7.5.3 실험결과 분석 ... 293
• 7.5.4 소결 ... 300
• 7.6 박리파괴 방지를 위한 원형 에폭시 전단키 보강상세 개발 ... 301
• 7.6.1 실험목적 ... 301
• 7.6.2 실험방법 및 일반사항 ... 301
• 7.6.3 실험결과 분석 ... 306
• 7.6.4 소결 ... 313
• 7.7 박리파괴 방지를 위한 직사각형 에폭시 전단키 보강상세 개발 ... 314
• 7.7.1 실험목적 ... 314
• 7.7.2 실험방법 및 일반사항 ... 314
• 7.7.3 실험결과 ... 317
• 7.7.4 소결 ... 324
• 7.8 박리파괴 방지를 위한 파이버 전단키 보강상세 개발 ... 324
• 7.8.1 실험목적 ... 324
• 7.8.2 실험방법 및 일반사항 ... 325
• 7.8.3 실험결과 ... 331
• 7.8.4 소결 ... 340
• 7.9 콘크리트 압축강도의 저하에 따른 휨 보강효과의 평가 ... 341
• 7.9.1 실험목적 ... 341
• 7.9.2 실험방법 및 일반사항 ... 341
• 7.9.3 실험결과 ... 342
• 7.9.4 소결 ... 346
• 7.10 부착성능 향상을 위한 표면강화제 유용성 검증 실험 ... 347
• 7.10.1 실험목적 ... 347
• 7.10.2 실험방법 및 일반사항 ... 347
• 7.10.3 실험결과 ... 349
• 7.10.4 소결 ... 353
• 7.11 U보강 상세를 적용한 실물모형 실험체의 휨 보강성능 평가 ... 354
• 7.11.1 실험목적 ... 354
• 7.11.2 실험방법 및 일반사항 ... 355
• 7.11.3 실험결과 ... 358
• 7.11.4 소결 ... 370
• 7.12 파이버 전단키를 매입한 실물모형 실험체의 휨 보강성능 평가 ... 371
• 7.12.1 실험목적 ... 371
• 7.12.2 실험방법 및 일반사항 ... 371
• 7.12.3 실험결과 ... 375
• 7.12.4 소결 ... 386
• 제8장 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 전단보강성능 평가 ... 387
• 8.1 서론 ... 387
• 8.2 실험의 일반사항 ... 388
• 8.2.1 구조실험계획 ... 388
• 8.2.2 재료시험 ... 390
• 8.2.3 가력 및 측정계획 ... 391
• 8.2.4 보강 실험체의 제작 ... 394
• 8.3 전단보강비에 따른 전단보강 성능 평가 ... 397
• 8.3.1 실험목적 ... 397
• 8.3.2 실험방법 및 일반사항 ... 397
• 8.3.3 실험결과 ... 401
• 8.3.4 소결 ... 411
• 8.4 콘크리트 강도에 따른 전단보강 성능 평가 ... 412
• 8.4.1 실험목적 ... 412
• 8.4.2 실험방법 및 일반사항 ... 412
• 8.4.3 실험결과 ... 414
• 8.4.4 소결 ... 419
• 8.5 부착길이에 따른 전단보강 성능 평가 ... 419
• 8.5.1 실험 목적 ... 419
• 8.5.2 실험방법 및 일반사항 ... 420
• 8.5.3 실험결과 ... 423
• 8.5.4 소결 ... 436
• 8.6 부착상세에 따른 전단보강 성능 평가 ... 436
• 8.6.1 실험목적 ... 436
• 8.6.2 실험방법 및 일반사항 ... 437
• 8.6.3 실험결과 ... 440
• 8.6.4 소결 ... 446
• 제9장 비선형 유한요소해석 ... 447
• 9.1 FEM해석 개요 ... 447
• 9.1.1 FEM해석모델 ... 447
• 9.1.2 사용요소 ... 447
• 9.1.3 역학특성 ... 448
• 9.2 인장·전단 부착실험 ... 454
• 9.2.1 인장·전단 실험체의 비선형 FEM 모델링 ... 455
• 9.2.2 사용요소의 비선형 재료모델 ... 456
• 9.2.3 인장·전단 부착실험의 비선형 FEM해석 ... 458
• 9.3 섬유쉬트 보강재에 의한 휨 보강실험체의 비선형 FEM해석 ... 487
• 9.3.1 실험체의 모델링 및 사용재료의 역학특성 ... 487
• 9.3.2 해석에서 휨보강한 실험체 파괴모드 ... 489
• 9.3.3 탄소섬유쉬트(CFRP)로 휨보강한 실험체의 비선형 FEM해석 ... 490
• 9.3.4 아라미드섬유쉬트(AFRP)로 휨보강한 실험체의 비선형 FEM해석 ... 497
• 9.3.5 유리섬유쉬트(GFRP)로 휨보강한 실험체의 비선형 FEM해석 ... 500
• 9.4 비선형 FEM 해석을 이용한 변수해석 ... 503
• 9.4.1 탄소섬유쉬트(CFRP)로 보강한 실험체의 변수해석 ... 503
• 9.4.2 아라미드섬유쉬트(AFRP)로 보강한 실험체의 변수해석 ... 513
• 9.4.3 유리섬유쉬트(GFRP)로 보강한 실험체의 변수해석 ... 516
• 9.5 박리파괴시의 각 보강재 인장응력 분포 ... 519
• 9.5.1 박리파괴시 탄소섬유쉬트의 인장응력 분포 ... 519
• 9.5.2 박리파괴시 아라미드섬유쉬트의 인장응력 분포 ... 521
• 9.5.3 박리파괴시 유리섬유쉬트의 인장응력 분포 ... 525
• 9.6 소결 ... 529
• 제10장 결론 ... 530
• 참고문헌 ... 547
• 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 철근콘크리트 건축물 보강설계 및 시공지침(안) ... 559
• 끝페이지 ... 678