DFRCC와 구조재 FRP 사이의 부착파괴모델 개발과 이를 이용한 하이브리드구조의 파괴거동에 관한 유한요소해석 연구 A study on development of bond failure model between DFRCC and structural member FRP and finite element analysis on failure behavior of hybrid structure원문보기
섬유강화폴리머(fiber reinforced polymer: FRP)를 콘크리트 구조물의 철근 대용의 인장 보강재로만 이용할 것이 아니라, 콘크리트 구조물 건설에 필수적인 거푸집으로의 병행이용에 관해 연구가 최근에 지속적으로 진행되고 있다. 거푸집과 인장 구조재로의 병행이용은 기존 콘크리트구조물 건설에 필수적으로 요구되는 거푸집 제작, 설치, 탈형 및 철근의 배근에 소요되는 많은 인력, 시간 및 공사비를 획기적으로 절감 할 수 있다. 또한, 구조재 FRP 하이브리드구조 시스템은 현장 시공성의 개선 및 고내구성 확보를 통해 대표적인
섬유강화폴리머(fiber reinforced polymer: FRP)를 콘크리트 구조물의 철근 대용의 인장 보강재로만 이용할 것이 아니라, 콘크리트 구조물 건설에 필수적인 거푸집으로의 병행이용에 관해 연구가 최근에 지속적으로 진행되고 있다. 거푸집과 인장 구조재로의 병행이용은 기존 콘크리트구조물 건설에 필수적으로 요구되는 거푸집 제작, 설치, 탈형 및 철근의 배근에 소요되는 많은 인력, 시간 및 공사비를 획기적으로 절감 할 수 있다. 또한, 구조재 FRP 하이브리드구조 시스템은 현장 시공성의 개선 및 고내구성 확보를 통해 대표적인 사회간접자본시설인 교량건설에 응용할 경우, 생애주기비용(life cycle cost, LCC)이 감소되어 막대한 경제적인 이득을 얻을 수 있다. 중요한 사회간접자본시설 증의 하나인 교량구조물은 설계 및 준공 후 사용기간 동안 외부 환경조건의 변화, 구조재료특성의 변화, 재하하중의 증가 및 구조설계의 오류와 시공결함 등의 여러 원인에 의해 성능이 저하되어 안전성이 점차 떨어지게 된다. 구조물에 발생하는 각종 열화현상과 손상은 구조물의 기능 및 목표성능 등을 감소시키고, 손상정도에 따라 인명 및 사회적 재산을 손실시키는 대형 붕괴사고의 원인이 된다. 최근에는 경제 및 사회성장에 따라 교통량의 증가, 트럭의 대형화 및 과적차량 등으로 교량구조물은 급속히 노후화되고 있는 실정이며, 특히 지방의 중소교량의 경우 대규모교량 및 고속도로상의 교량에 비해 설계하중이 낮게 설계 및 시공된 경우가 많아 많은 문제점을 내포하고 있다.
철근콘크리트 구조물은 강도, 강성, 내진성, 내화성, 내구성, 수밀성, 기밀성에 우수한 경제적인 구조로서 교량, 댐, 공항, 방파제 등 토목구조물에 널리 사용되고 있다. 철근은 콘크리트의 보강 재료로 많이 사용하지만 철근으로 보강된 철근콘크리트 구조물은 시간의 경과에 따라 여러 가지 원인에 의해 노후화가 진행되어 구조물의 성능 저하 및 사용 수명이 단축된다는 문제점이 있다. 최근 철근콘크리트 바닥판의 단점을 원천적으로 개선할 목적으로 재료적 측면과 구조적 측면에서 새로운 바닥판 시스템을 개발하려는 노력이 계속 되었다. 이 중 내구성과 내식성에 강한 재료특성을 갖는 FRP를 건설재료로 인식하여 관심을 갖게 된 것은 비교적 최근의 일이다. FRP는 강재와 달리 부식이 되지 않는 재료로서 부식 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 장점을 가지고 있으며 강도, 내부식, 피로저항, 시공성 측면에서 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 FRP를 콘크리트 구조물 건설에 필수적인 거푸집으로 병행이용을 위한 연구가 현재 활발히 이루어지고 있다. 본 연구의 신소재 활용 하이브리드구조 시스템은 구조재 FRP를 기존일회용 거푸집 대신 거더 위에 설치 후 철근 배근 없이 현장에서 DFRCC를 타설, 양생하여 콘크리트구조체를 완성 시키는 시스템이다. 하이브리드구조가 효과적으로 기능하기 위해서는 구조재 FRP과 현장타설 콘크리트의 합성작용이 매우 중요한 역할을 담당한다. 본 구조재 FRP-DFRCC 하이브리드구조의 부착방법은 기존 노후 및 손상구조물에 FRP 천이나 판을 부착하는 보수/보강공법의 부착방법과는 많은 차이가 있다. 거푸집과 인장 보강재로서의 병행이용은 기존 철근콘크리트 구조물 건설에 필수적으로 요구되는 거푸집 제작, 설치 및 탈형에 소요되는 많은 인력, 공사기간 및 공사비를 획기적으로 절감할 수 있는 새로운 개념의 하이브리드구조이다.
본 연구에서는 구조재 FRP을 영구 거푸집 및 인장 구조재로 활용한 하이브리드구조 시스템의 중요한 관심 중의 하나인 구조재 FRP과 현장타설 DFRCC 사이의 계면 부착 파괴 거동을 구조재 FRP 보강재의 강성, 섬유의 종류, 경계조건, 접합방법 등의 변수에 대해 실험을 수행하고, 구조재 FRP와 DFRCC 부착면의 부착파괴 특성을 비선형 유한요소 해석을 통해 시뮬레이션하고, 부착파괴 거동에 미치는 제인자들의 특성을 분석한다. 이를 통해 구조재 FRP와 DFRCC 사이의 부착특성모델을 개발하며, 하이브리드구조의 전체거동에 대해 파괴실험을 수행하고, 콘크리트의 비선형 모델링 영향, 구조재 FRP 보강재의 형태, 지점조건, 하중상태, 접합조건, 휨, 전단파괴 형태 등에 대해 비선형 유한요소해석을 이용하여 매개변수 연구를 수행하고, 이를 비교분석하여 구조재 FRP와 DFRCC로 이루어진 하이브리드구조의 유한요소 해석모델을 개발하고자 한다.
최근 저성장 시대에 신성장 동력을 찾기 위한 기업들에게 정부 및 전국경제인연합회는 창조경제특별위원회를 통해 미래 먹거리 중 하나로 탄소산업을 소개했다. 탄소섬유가 철을 대체할 소재로 각광받으며 시장 규모가 커지면서 국내 석유화학 업계의 움직임도 분주하며, 정부에서는 전주에 탄소섬유 접목 창조경제를 선도할 전북창조경제혁신센터를 설립하는 등 많은 지원을 하고 있다. 이와 같은 미래먹거리 산업의 수요창출에 기여 할 것으로 사료된다.
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