광섬유 센서를 이용한 FRP로 보강된 철근 콘크리트 보의 모니터링 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 가능성을 알아보기 위해 축소보 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 구조체 레벨에서 광섬유 센서를 이용한 모니터링 실험을 실시하여 구조체의 하중 상태를 추정하는 기법을 연구하는 것을 목적으로 하였다. 광섬유에 의한 변형률 계측의 적용성을 알아보기 위해 무근 콘크리트 보에 탄소섬유 2장을 접착시킨 실험체를 제작하여, 액세서리를 이용하여 광섬유 센서를 표면에 닿지 않게 부착시킨 실험체와 섬유 보강재 사이에 매립한 실험체에 대한 실험을 실시하였다. 그 결과, 두 시험체 모두 전자식 게이지에 의한 변형률 측정값과 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정값은 유사한 경향을 보여 광섬유 센서에 의한 변형률 계측에 적용이 가능함을 입증하였다. 또한, 변수로 설정한 센서 부착 방법에 있어서는 액세서리를 이용하여 보의 표면에 닿지 않게 한 경우와 보강재 안에 매립한 경우 모두 측정값의 경향의 차가 크지 않았으므로 두 부착 방법 모두 변형률 계측에 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 구조체 레벨에서의 광섬유 센서에 의한 모니터링 효과를 알아보기 위해 탄소섬유와 유리섬유를 2장씩 조합하여 보강한 시험체에 광섬유 센서를 부착하여 같은 위치의 전기식 게이지에서 나온 변형률 값과 비교하였다. 실험은 실제 구조체의 거동과 가깝도록 기준 시험체 파괴 하중의 50%와 70%가 재하된 상태에서 광섬유 센서를 부착하여 모니터링 하였다. 그 결과, 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. 탄소섬유와 유리섬유를 각각 짧게 보강한 시험체의 경우 모두 전기식 게이지 측정값과 유사함을 보였다. 단부 탈락 전에 변형률이 역행하는 구간을 통해 단부 탈락을 예측할 수 있었으므로 광섬유 센서에 의한 모니터링으로 보강 성능 평가가 가능함을 알 수 있었다. 또한, 섬유 재료의 종류에 따른 광섬유 센서 계측값의 차이는 발생하지 않았다. 재하중 보강을 실시한 시험체에 광섬유 센서를 이용하여 계측한 결과, 재하 정도나 균열 보수에 상관없이 보강재 밑면에 부착한 광섬유 센서의 계측값은 전기식 게이지에 의한 계측값과 일치하였으므로 이를 통해 실제 보강 구조물 모니터링에의 적용이 가능함을 알 수 있었다. 실험 결과, 광섬유 센서에 의한 계측값의 신뢰성이 입증되었으므로 이 변형률을 토대로 단면상태 분석을 하여 하중상태를 추정이었다. 단면 분석은 하중이 재하 되지 않은 상태에서 보강 한 실험체군과 하중이 재하된 상태에서 보강 한 시험체의 경우는 단계가 다르므로 나누어 분석하였다. 휨 부재의 응력 상태를 4단계로 단순화하여 각 단계별로 각각의 재료가 부담하는 힘에 대한 평형 방정식으로부터 얻어진 중립축의 위치를 파악할 수 있었다. 이론식에서 얻어진 중립축을 실제 측정된 변형률 값으로 추정한 중립축과 비교하여 4단계의 이론식을 이용하여 하중을 산정한 결과, 비재하 상태에서 2장씩 보강한 시험체의 경우 실험결과와 유사한 경향을 보였다. 재하중 보강한 분석 결과, 모두 철근 항복 이전에서 재하중에 보강되었으며, 하중 추정 결과 광섬유 센서에 의해 계측된 구간까지는 실험결과와 거의 일치하는 경향을 보였다.;Recently, flexural strengthening of reinforced concrete beams using externally bonded fiber reinforced plastic (FRP) composites has gained acceptance in the construction engineering community, particularly for rehabilitation. FRP composites present many advantages, particularly their corrosion resistance, strength-weight ratio, and relatively short application time. Retrofitted beams can have lower strengths than design strengths for several reasons such as overloading, aging and environmental causes. Then, the beams under deign load are cracked and finally result in degrading the strengths. However, through the life cycle, it is difficult to recognize cracks and deflections on the surface of concrete members retrofitted with FRP. For these reasons, if they result in the effects, which were below the expected strength, we must always monitor the state of concrete structures in order to take an appropriate measure. However, there are no externally applied methods to investigate the stress state of the bea ms, especially the state of retrofitting materials and few researches about monitoring of retrofitted beams with FRP. The main objective of this paper is to study experimentally on strain measurements using Fiber Bragg Grating (FBG) sensor and to estimate loading state of structures through section analysis under loading condition. In the first place, to examine fitness of strain measurement using FBG sensor, strain measurements in small-scale beam reinforced with two sheets of carbon fiber were conducted experimentally. As a result of test, it is improved that measurement of FBG sensor is similar to electrical resistance gage. Then, to examine fitness of strain measurement using FBG sensor in the structural member scale, 1 non-retrofitted specimen and 10 strengthened specimens that are different in fiber combination (Carbon fiber, Glass fiber), retrofitted length (1.0 and 0.5 times of specimen length) and pre-loading level (0.5 and 0.7 times of non-retrofitted specimen). Experimental result is analyzed in the aspects of section under loading condition, and measurement of FBG sensor compared with electrical resistance gage. As a result of test, independent of FBG combinations and pre-loading levels, measurement of FBG sensor is similar to electrical resistance gage in an certain load level. Increasing loads level, it makes difference a little. It is influence of crack. CCLS-O and GGLS-O (retrofitted 0.5 times of specimen length), the regression of strain is indicated in the stress-strain graph for further increasing the load. Therefore, it is possible to preestimate peeling and pre-delimitate of FRP, and evaluate retrofitting perfo rmance. Through analysis of section, load-deflection curve is estimate and it corresponds with test results.