Improved Hybrid FRP로 보강된 철근 콘크리트 보의 휨거동에 관한 연구

Abstract

철근 콘크리트 구조체는 시간의 경과에 따라 시공 중의 설계 변경 및 시공 불량, 구조물의 완공 후의 용도 변경에 따른 하중 증가, 구조물 지역의 환경 변화, 시간의 경과에 따른 재료 특성의 변화 둥 구조적, 환경적, 재료적 요인에 의해 내구성에 영향을 받게 된다. 따라서, 최근에는 구조물에 발생하는 구조성능의 변화 및 노후화에 대처하고 구조물의 안전성 확보 및 사용성, 내구연한, 구조내력 증가를 위해 보수·보강이 많이 이루어지고 있다. 기존 콘크리트 구조물의 보강공법으로는 강판을 이용한 보강공법과 탄소 섬유, 유리 섬유 등 FRP를 이용한 섬유 보강재 접착 공법이 주로 사용되는데, 그 중에서도 최근에는 부식의 위험성이 적고 중량이 가벼워 다루기 쉬운 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등과 같은 FRP(Fiber Reinforced Polymer)재료를 이용한 보강 공법이 널리 이용되고 있다. 현재 섬유재료 보강 공법 중 특히 단일 탄소 섬유나 유리 섬유를 이용한 섬유 보강재 접착 공법에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 섬유 보강 공법에 주로 사용되는 탄소 섬유와 유리 섬유는 각각 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 탄소섬유는 고강도, 고탄성 재료로 두께가 매우 얇아서 시공성이 우수한 반면, 가격이 고가이고 콘크리트 모재와의 탄성계수 차가 커서 단부 탈락의 가능성이 상대적으로 크다. 한편, 유리 섬유는 탄소 섬유에 비해 저강도, 저탄성이며 두께가 두꺼운 특성을 가지고 있다. 그런데, FRP 보강 공법은 고강도, 고탄성이면서 두꺼운 재료로 보강되었을 때 보강재의 단부 탈락을 유발한다는 문제점을 가지고 있으므로, 본 연구에서는 이의 장점을 조합하여 조기 탈락을 방지하고 보다 연성의 증가효과를 가진 신섬유를 개발하여 이로 보강한 철근 콘크리트 보의 휨 거동을 고찰하였다. 본 연구에서는 앞서 말한 탄소 섬유와 유리 섬유의 특성을 이용하여 기존의 FRP 보강에서 문제가 되어 온 조기 탈락을 방지할 수 있도록 새로운 섬유를 개발하고, 신섬유(Improved Hybrid FRP)로 보강한 보의 구조적 거동을 살펴보고자 하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 탄소 섬유와 유리 섬유의 물성치를 이용한 해석과 테스트를 통하여 새로운 섬유를 개발하고, 섬유 보강 길이, 섬유 보강 겹수를 변수로 그 적용성을 평가하고, 기존의 탄소 섬유와 유리 섬유로 보강한 시험체와 그 구조적 거동과 비교하였다 실험 결과, IFRP를 이용한 휨 보강의 경우 섬유 보강 길이가 길고, 보강 겹수가 증가할수록 최대 내력과 연성도 면에서 보다 우수한 성능을 발휘함을 알 수 있었다. 특히, IFRP를 보의 밑면에 길게 보강한 경우 기존의 FRP로 보강한 시험체와 비교하였을 때, 2겹과 3겹으로 보강한 것이 가장 효과적인 구조 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. IFRP를 짧게 보강한 경우는 2겹으로 보강하였을 때 기존의 FRP로 보강한 것보다 우수한 휨 보강 성능을 나타내었고, 3겹으로 보강량이 증가하면, 유리 섬유에 비하여 강도 증진의 효과는 있었지만, 두께가 두꺼워져 큰 보강의 효과는 없었다. 또한, IFRP 섬유는 유리 섬유 시공시 재단과 운반에서 올풀림으로 시공이 불편했던 것과 달리, 탄소 섬유와 유리 섬유를 함께 직조하여 시공성 확보에도 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 사료된다. 아울러 ERP 섬유의 실제 보강시의 적용성을 평가하기 위해 상용 해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analyzer)를 이용한 유한요소해석을 통해 해석적 고찰을 수행하였다. 이를 통해 IFRP로 보강된 보의 휨거동과 구조적 성능을 고찰하여 실험과의 적합성을 검증하고, 콘크리트의 강도, 철근비, 보의 크기 등의 변화에 따른 해석적 고찰을 도모함으로써, 실제 구조물에 있어서 IFRP의 적용성을 입증하였다.;Durability of R.C. structures has been deteriorated by construction inferiority and the increase of loads from the change of service, environment, material property, etc., as time goes by. To increase safety, expected life span and structural strength, many kinds of method for repairing and strengthening of existing structures have been developed and applied. In these days, flexural strengthening of R.C. beams using externally bonded FRP composites (especially, carbon, glass, aramid 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. Many experimental results, however, show that carbon fiber with relatively higher strength and elastic modulus cause higher stress concentration at the curtailment of FRPs and can result in earlier premature (이후원문누락)