FRP로 외부 보강된 철근 콘크리트 보의 보강 변수 영향에 관한 연구

Abstract

철근콘크리트 구조물은 사용기간 동안 구조적, 환경적, 재료적 요인에 의해 내구성 및 내력이 저하된다. 따라서 결함이 있는 RC구조물의 안전성 확보 및 내용년수를 늘리기 위해서는 적절한 진단과 더불어 보수·보강이 이루어져야한다. 구조체의 보강을 위해 다양한 공법이 있으나 최근에는 재료의 자중, 건축물 사용면적의 감소, 시공성 저하 등의 문제를 해결하기 위하여 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등과 같은 복합 신소재를 이용한 외부접착공법이 이용되고 있다. 섬유재료를 이용한 실험적 연구가 많이 진행되어 왔다. 하지만 연구는 각 실험자들에 의해 개별적으로 이루어져 이것들을 수집하여 보강에 영향을 미치는 변수에 대해 분석할 필요가 있다. 본 연구는 섬유 재료를 이용한 기존의 보강에 관한 실험 데이터를 수집한 후에 실험 변수를 정리하여 보강 방법 및 성능을 파악하고 내력 평가식을 제안하였다. 그리고 보강 시 영향을 미치는 변수들을 분류하여 해석을 실시하였다. 이를 통해 본 연구에서는 보강 설계에 대한 자료를 제공하고, 보강된 부재의 구조적 거동에 영향을 미치는 요소에 대해 연구하는데 연구의 그 목적이 있다. FRP로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 휨 보강 효과에 영향을 미치는 변수에 관하여 파악하기 위하여 실험 데이터 수집·분석과 유한요소해석프로그램을 통한 해석 실시 결과 본 연구의 결론은 다음과 같다. 실험 자료를 분석 결과에 따르면 FRP로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 휨 보강 효과에 영향을 미치는 주요 변수는 보강 겹수에 의한 보강비와 보강길이비의 변화이다. 그 외에 보강재의 단부보강, 보강폭, 콘크리트 강도, 인장철근의 변화가 있다. 보강비가 증가할수록 최대 휨내력이 증가한다. 보강 길이비의 증가는 최대 휨내력 증가는 적지만 연성 측면에서 효과적이다. 단부보강은 앵커볼트 보강과 단부 U형 보강이 있다. 두 방법 모두 최대 휨내력이 증가하지만 부착에 주의해야 한다. 보강폭의 증가 역시 최대 휨내력 증가에 효과적이다. 실험 자료를 바탕으로 주요 변수로 사용되는 보강비와 보강 길이를 변수로 새로 제안한 휨내력 평가식은 다음과 같다. M_n =M_con+ M_frp=0.85f_ckba( d-a/2 )+ ( 30r₁- 0.005r₂+ 0.006 )f_ck bk² 이 식을 이용하여 예측한 결과는 실험값과 유사하게 나왔다. 콘크리트 강도, 보강재의 두께, 보강 길이비의 변화, FRP의 종류, 보 사이즈의 변화에 대해 해석적 연구 결과는 다음과 같다. 휨부재의 콘크리트 강도의 증가는 부재의 연성 증가에 효과적이다. FRP 보강비를 증가시키는 것은 휨내력의 증가와 강성면에서 효과적이다. FRP 보강 길이비의 증가는 휨내력을 증가와 강성면에서 비효과적이지만 연성면에서 효과적이다. FRP의 종류를 변화 시 탄소섬유가 강성과 연성측면에서 가장 효과적이다. 보강비와 철근비를 일정하게 하고 보 크기를 변화시켰을 때 보 사이즈가 커질수록 보강재에 의한 보강 효과는 적다. 즉, 보의 높이/폭 비가 증가할수록 보강재의 휨내력 부담량보다 기준 시험체의 휨내력 부담량이 크다.;Durability and load resisting capacity of reinforced concrete structures is decreased by structural, environmental and material factors during their age. So detective reinforced concrete structures need repaired or strengthened to increase safety and using age. The section enlarge method among variable strengthening method is generally used. In recent, however, external strengthen method using the complex new fiber as carbon fiber sheet, a glass fiber sheet, and an aramid fiber sheet is used to solving the trouble like a material self-weigh, a reduction of using floor space, and a lowing of construction. Many experimental studies using fiber materials are have been performed individually so, the variables that effect on the strengthening need to be collected and analyzed. In this study, the strengthening method and experimental data are grasped and capacity assessment formula is proposed with arrangement experimental variables after collecting the experimental data about the strengthening by fiber materials. Besides, the variables that is influenced by the strengthening are classified and analyzed. The purpose of this study is suggesting the data about the design of strengthening and finding the elements that effect on the structural behavior of strengthened member. The results of collecting and analyzing experimental data for grasp of variables that influence on flexural strengthened effect of R.C beams and running the finite element analysis program are as follows. The major variables that effect on the flexural strengthening with externally strengthened by FRP of R.C beams depend on the ratio of strengthening and the length of strengthening. There are strengthening of end, strengthening width, the strength of concrete, and the change of the tensile steel besides those. The maximum flexural capacity increases in strength as the ratio is higher. The higher ratio of strengthening is not effective in increase of flexural capacity but is effective in the ductility. There are two methods to strengthening of end. those are the strengthening with anchor bolt and U type. Both are effective to increase flexural capacity but they have to be done with attention during adhesion. The increase of strengthening width is effective to increase flexural capacity, too. The following is the evaluation equation about flexural capacity proposed with the ratio of strengthening and the length of strengthening based on the experimental data. M_n =M_con+ M_frp=0.85f_ckba( d-a/2 )+ ( 30r₁- 0.005r₂+ 0.006 )f_ck bk² The results by this equation are similar to the results by experimental data. The analysis result of this study about the strength of concrete, the thickness of FRP, the change of strengthening length ratio, the kind of FRP and the change of beam size is as follows. The increase of flexural member strength is effective on the increase of ductility. The increase of the FRP strengthening ratio is not effective on the flexural capacity and strength but effective on the ductility. The increase of the FRP strengthening length is effective on the flexural capacity and strength. The carbon fiber sheet on FRP is the most effective on the stiffness and durability. The change of beam size on invariable strengthened ratio and reinforced ratio is a little strengthening effect as increasing beam size. That is, imposing flexural capacity as increasing height/width ratio of beam is more concrete than strengthening material.