FBG 센서를 이용한 FRP로 보강된 철근 콘크리트 보의 모니터링 기법 연구

Abstract

탄소섬유, 유리섬유 등의 섬유재료를 이용하여 보수·보강된 구조물도 사용기간 동안 다양한 원인으로 구조적 문제가 발생할 수 있다. 보강 전에는 구조부재의 콘크리트 면에 나타나는 균열이나 변형 등으로 사전에 문제점을 파악할 수 있으나, 이러한 섬유재료를 이용하여 외부에 보강된 구조물은 외형상 파악하기 어려운 점이 많다. 그러나 아직까지 보수·보강된 구조물의 거동을 지속적으로 모니터링 할 수 있는 방법은 아직 개발되지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 기존의 계측 기술에 비해, 장기적인 안정성이 탁월하고, 전자기적인 영향을 받지 않아 노이즈의 문제가 없으며, 경량이어서 설치가 쉬운 광섬유 센서에 의한 모니터링의 적용 가능성 실험을 실시하였다. 광섬유 센서는 가격이 저렴하다는 장점을 지니고 있으며, 다중 측정 및 네트워킹이 가능하여 대상 구조의 전체적인 거동 파악이 용이한 것으로 평가되고 있다. 그러므로 본 연구는 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating) 센서를 이용한 모니터링 실험을 실시하여 섬유 보강 구조체의 거동 특성을 분석하였다. 또한 기존에 널리 쓰이고 있는 탄소 섬유와 유리 섬유 외에 두 섬유의 장점을 조합하여 조기 탈락을 방지하고 보다 연성의 증가 효과를 가진 신섬유(Hybrid Fiber Reinforced Polymer)를 개발하여 철근 콘크리트 보의 거동을 고찰하였다. 우선 광섬유에 의한 변형률 계측의 적용성을 알아보기 위해 광섬유와 같은 위치에 전기식 게이지를 설치하여 두 변형률 값을 비교하였다. 그 결과, 실험 변수에 관계없이 전자식 게이지에 의한 변형률 측정값과 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정값은 유사한 경향을 보여 광섬유 센서에 의한 변형률 계측에 적용이 가능함을 입증하였다. 그러나 실험 변수인 섬유 보강 겹수, 길이, 종류와 광섬유 센서 부착 방법에 의한 변형률 값의 특이점은 없었다. 또한 광섬유 센서와 전기식 게이지에 의한 변형률 값을 비교해본 결과, 시험체 모두 일정 하중까지는 유사한 경향을 보이다가 하중이 증가할수록 차이를 보였다. 이는 균열의 영향으로 판단되며, 최종 파괴 시점 전에 광섬유가 끊어져 데이터를 얻지 못하는 경우가 발생하므로 인장강도가 확보된 광섬유 센서를 선택할 필요가 있었다. 실험 결과, 광섬유 센서에 의한 계측값의 신뢰성이 입증되었으므로 이를 토대로 섬유 보강된 철근 콘크리트 보 시험체의 파괴모드는 A형(섬유의 파열로 인한 휨 파괴), B형(콘크리트 피복 분리), C형(섬유 끝단 계면 박리), D형(중간 휨 균열로 인한 계면 박리), E형(중간 전단 휨 균열로 인한 계면 박리)의 다섯 가지로 나눌 수 있다. A, B, C형 별로 정확히 차별화된 광섬유 센서의 모니터링을 할 수는 없었으나, 보강 시험체와 섬유의 탈락 직전에 광섬유 센서의 변형률 값이 순간적으로 0으로 떨어지는 것을 알 수 있었다. 단 A형의 파괴 모드는 단부에 이러한 값을 가지지 않음으로 차별화할 수 있으며 B, C형은 단부의 광섬유 센서에서 중앙부보다 먼저 이러한 현상이 일어나는 것으로 구분 될 수 있다. E형(중간 전단 휨균열로 인한 계면 박리)은 광섬유 FBG센서를 섬유 보강재 단부의 내·외부에 설치하여 하중 재하 시 각각의 변형률 값을 측정함으로써 정착길이가 짧거나 과대보강 된 섬유보강 휨 부재에서 부착파괴의 여부를 모니터링 할 수 있었다. 동일위치의 내, 외부에서 발생한 변형률 값의 차이를 비교하여, 부착파괴가 일어나는 보의 단부에서 하중과 (내부변형률-외부변형률)/외부변형률의 그래프를 그려보면, 흼 부재의 단부 부착 파괴시 확연한 변곡점이 생김을 알 수 있고, 이를 통해 부착파괴의 징후를 감지 할 수 있다. 이를 통해 광섬유 FBG센서를 이용하면 보강 섬유의 정착길이가 짧거나 과대 보강이 되었을 경우, 발생될 가능성이 큰 단부에서의 부착파괴는 모니터링과 향후 누수 등에 의해 일체 거동하지 않는 경우, 내부 구조물의 거동감시가 가능하리라 판단된다. 또한 광섬유를 이용하여 콘크리트의 변형률을 측정시, 균열이 발생하거나 진전될 때는 불규칙적인 진동현상이 나타나며, 이는 광섬유 센서가 전기 저항식 게이지보다 균열검출에 효과적임을 보여준다.;R.C. structures strengthened with fiber reinforced plastic (FRP) has been accepted by the construction engineering community for rehabilitation FRP composites can present many advantages like a corrosion resistance, strength-weight ratio, relatively short application time, and cost effectiveness. The beams under deign load, however, are cracked and result in degrading the strengths. It is difficult to recognize cracks and deflections on the surface of concrete members retrofitted with FRP through the life cycle. For these reasons, if they result in the effects, which were below the expected strength, we must monitor the state of concrete structures all the time in order to take an appropriate measure. Fiber Bragg Grating (FBG) sensor excel as monitoring of investigating the stress state of the retrofitted beams with FRP. The main objective of this paper is to study for experimental strain measurements and analyze behavior of R.C. beams retrofitted with FRP using FBG sensor. The kinds of FRP which were used in research are carbon, glass and improved hybrid FRP(IFRP) that has better capacity than any other FRP. Other variables are the length of FRP(1960mm/1300mm), the sheet of that(1/2/3). First of all, measurement of FBG sensor is compared with electrical resistance gage to examine fitness of strain measurement with FBG sensor. According to the test result, measurement of FBG sensor is similar to electrical resistance gage in a certain load level. As we increase the loads level, the difference is getting small. It is influence of crack. There, however, aren't peculiar appearances on each experiment. We found that the failure mode of beams is classified into five groups: (A)Flexural failure by FRP rupture, (B) Concrete cover separation, (C)Plate-end interfacial debonding, (D)Intermediate flexural crack-induced interfacial debonding (E)Intermediate flexural shear crack-induced interfacial debonding. As the result of experiment, there aren't exact difference among A,B,C. types. But, the measurement of FBG sensor falls down to zero just before the debonding of FRP. A type has not this appearance at the end of beam. E type can be monitoring with the difference that between the measurement of FBG sensor on FRP and in the concrete.