A Study on the Bonding Performance of Hybrid Fiber Reinforced Polymers (FRPs)

Abstract

In this study the bonding strength of hybrid fiber reinforced polymers (FRPs) is investigated. Experimental and analytical investigations are carried out in order to evaluate the conditions that lead to debonding of hybrid FRPs composed by carbon (CFRP) and glass fiber composites (GFRP). For the experimental studies, small reinforced concrete (RC) beams retrofitted with one and two layers of CFRP and GFRP are designed and loaded such that failure by debonding of the FRP plates occurs. The beams are tested using a previously proposed bending test method that is modified and adopted to evaluate the bonding performance of hybrid FRPs. From the experimental studies, load-deflection relationships, strains in the concrete beams and strains tensile stresses developed in FRP plates are obtained. Furthermore, a numerical differentiation is employed to analyze stresses developed between the concrete and the FRP layers. Analytical studies are performed to verify the results obtained from the experiments. For the analytical studies, the commercial software program ABAQUS is used to develop finite element models to simulate the behavior of the beams by employing interfacial stresses obtained experimentally. The bonding between the concrete and FRP plates is modeled using cohesive elements present in the ABAQUS element library. Additional models are generated in order to perform parametrical studies to predict the behavior of RC beams retrofitted with three layers of FRPs. The experimental and analytical results show that the bonding strength of hybrid FRP composites is influenced by the type, number and order of composing layers.;현존하는 RC (reinforced concrete) 구조 부재 보강에는 다양한 방법이 있으나, FRP를 부착하여 보강하는 방법은 적용이 쉽고, 그 보강효과가 뛰어나서 널리 쓰이고 있다. FRP를 이용하는 보강의 형태 역시 휨 보강, 휨-전단 보강 등 여러 가지 방법이 개발되고 있으며 재료적인 측면에서의 개발도 활발히 이루어지고 있다. 특히 유리섬유와 탄소섬유를 적절히 혼합하여 제작하는 하이브리드 FRP 섬유는 각 섬유의 단점을 보완하고 장점을 극대화 시키는 보강 재료로 인정받아 널리 쓰이고 있다. 그러나 FRP 보강 기법은 보강부재의 탈락으로 인한 보강효과의 상실 및 구조 부재의 파괴가 가장 큰 취약점으로 꼽히고 있다. 보강부재의 탈락은 서서히 발생하는 것이 아니라 갑자기 일어나는 현상이기 때문에 예측이 어렵고, 콘크리트의 피복과 함께 탈락하게 되는 경우, 구조부재 자체에도 피해를 끼칠 수 있어 그 위험성이 크다. 본 연구에서는, 하이브리드 FRP로 보강된 철근 콘크리트 보의 부착성능 평가를 목표로 실험연구와 구조해석을 수행하였다. 실험체 및 실험방법은 보강재 탈락으로 인한 파괴가 유도되도록 위하여 현존하는 콘크리트 휨 시험방법을 수정하여 계획하였다. 따라서 150x150x550 mm 크기의 작은 RC 보에 notch를 주고 CFRP 이나 GFRP 1겹이나 2겹으로 보강한 후, 3점 재하 방식으로 가력 하였다. 실험을 통해 하중-처짐 곡선, 콘크리트 보 및 FRP 변형율 얻었으며 콘크리트와 FRP사이에 생긴 부착응력을 판단하기 위해 Gartner et al. 의 공식을 이용하였다. 또한 실험결과를 검증하기 위해 ABAQUS 프로그램을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 정확한 해석을 위해 콘크리트와 FRP사이의 계면을 cohesive element 하고 실험을 통해 얻은 부착응력을 포함하여 모델링 하였다. 그리고 변수 해석을 위하여 하이브리드 FRP 3겹으로 보강한 RC 보를 모델링 하여 구조거동을 예측하였다. 실험결과와 해석 결과 모두 FRP의 부착성능은 FRP 종류 및 순서와 밀접한 관계가 있음을 보여주었다.