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 등 구조적, 환경적, 재료적 요인에 의해 내구성에 영향을 받게 된다. 따라서 내구성 및 내력 등의 구조적 성능이 저하된 구조체의 안전성을 확보하고 내용 년수를 늘리기 위한 적절한 진단과 보수·보강의 필요성이 증대되고 있는 실정이다. 다양한 구조체 보강 공법 중, 최근에는 재료의 자중, 구조체 사용 면적 감소, 시공성 저하 등의 문제를 해결하기 위하여 재료 자체가 경량이고 부식이 적은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등과 같은 FRP(Fiber Reinforced Polymer)재료를 이용한 보강 공법이 널리 이용되고 있다. 섬유재료 보강 공법 중 특히 단일 탄소섬유나 유리섬유를 이용한 섬유 보강재 접착 공법에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 주로 사용되는 탄소섬유나 유리섬유는 각각 다른 특성을 가지고 있는데, 탄소섬유는 고강도, 고탄성 재료로 두께가 매우 얇은 재료인 반면, 유리섬유는 탄소섬유에 비해 저강도, 저탄성의 두꺼운 두께를 가진 재료이다. 그런데, FRP보강 공법은 고강도, 고탄성이면서 두꺼운 재료로 보강되었을 때 구조체 보강재의 조기 탈락을 유발한다는 문제점을 갖고 있으므로, 탄소섬유와 유리섬유를 함께 적용하여 보를 보강한다면 이러한 조기 탈락을 방지하고 보다 우수한 보강 효과를 유지할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 이러한 취지 하에 hybrid FRP(Fiber Reinforced Polymer), 즉 이질재료인 탄소섬유와 유리섬유를 함께 보에 적용했을 때의 FRP 보강이보의 구조적 거동에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 또, 실제 구조물의 보강 시의 hybrid FRP 보강의 적용성을 평가하기 위하여 무보강 기준보 최대 내력의 50%, 70%의 하중을 재하한 후 섬유 보강을 시행한 경우와 하중을 재하하지 않고 보강을 시행한 경우의 휨거동을 비교하였다. 실험 결과, 단일 섬유 보강 시에 비하여 hybrid FRP보강이 보의 휨거동에 있어서 우수하며, 유리섬유를 먼저 부착하는 경우가 탄소섬유를 보의 밑면에 먼저 부착하는 경우보다 효과적임을 알 수 있었다. 이는 탄소섬유의 높은 탄성으로 말미암아 시험체로부터 탄소섬유 sheet까지 전달된 응력이 탄소섬유 sheet내에서 상당 부분 흡수된 후 탄성이 낮은 탄소섬유 외부의 유리섬유까지는 전달이 제대로 되지 않은 것에 기인한다. 또한 재하 상태 보강에 있어서 보의 연성 거동와 FRP분담하중 등 전반적인 구조적 거동에 있어서 결과, 기준보 최대 내력의 50%을 재하한 경우와 70%을 재하한 경우의 보의 거동은 대체적으로 5%이내의 오차에 듦으로써 보강 전 하중의 선행 재하 정도는 보의 휨거동과 직접적인 연관이 없음을 알 수 있었다. 다만, 보강 전 균열의 정도가 큰 경우, 균열보수를 시행하게 되면 균열보수 없이 바로 보강한 경우보다 보강 효과를 증진시킬 수 있었다. 한편, 유한 요소 해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analyzer)를 사용하여 실험과의 적합성을 검증하고, 콘크리트의 강도, 철근비, 보의 크기 등의 변화에 따른 해석적 고찰을 도모함으로써, 실제 구조물에 있어서 hybrid FRP의 적용성을 입증하였다.; Need of upgrading and strengthening deteriorating and otherwise structurally inadequate members, especially reinforced concrete structures has been increased for a long time. To increase safety and using age, many methods of repairing and strengthening existing structures have been developed and applied to structures. In recent years, flexural strengthening of reinforced concrete beams using externally bonded 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, relatively short application time, and cost effectiveness. However, many experimental results show that FRPs with relatively higher strength and elastic modulus like carbon fiber cause higher stress concentration at the curtailment of FRPs and can result in earlier premature failures than glass fiber. On the other hand, from the point of glass fiber, the thickness and fiber contents of the glass fiber have to be increased in order to get the same strength per layer as carbon fiber. But, the thicker thickness of FRP is, the earlier debonding failure tends to be when the FRP is applied to the beams. Therefore, FRP with low elastic modulus and high strength is needed to minimize the premature failure. This paper reports on a study of strengthening effects of both carbon fiber sheet and glass fiber sheet bonded at the soffit of R.C. beams together on flexural behaviors of beams with or without preloading. The results of experiments and analytical researches with DIANA show the effectiveness of hybrid FRPs on rehabilitation of R.C. beams.