탄소섬유시트로 휨 보강된 철근콘크리트 보의 보강효과 영향인자 분석

Abstract

최근 들어 건축물의 노후화 및 용도 변경으로 인한 구조물의 보수, 보강에 관한 필요성이 증대되면서 섬유시트 보강 철근콘크리트 구조물의 수요가 날로 증가하고 있다. 섬유시트 보강은 구조물의 형태에 관계없이 시공이 용이하며 인장성능이 우수하여 구조물의 보강재로서 탁월한 장점을 가지고 있다. 특히 탄소섬유시트는 두께가 얇아 부착성능이 좋으면서도 큰 강성을 지니고 있어 비싼 가격에도 불구하고 사회기반 시설뿐 아니라 건축물의 보강재로써 사용이 확대되고 있다. 탄소섬유시트를 이용하여 철근콘크리트 보에 휨 보강을 하는 경우 나타나는 파괴모드는 부착파괴를 포함하여 대부분 취성파괴의 형태를 띠고 있어 파괴시점을 예측하는데 어려움이 있다. 특히 파괴모드에 영향을 미치는 다양한 인자가 복잡한 관계를 맺고 있기 때문에 어떤 상황에서 어떤 파괴모드가 발생하는지 예측하는 것 또한 어려운 실정이다. 본 연구에서는 여러 겹의 탄소섬유시트로 휨 보강된 철근콘크리트 보에서 보강효과에 영향을 미치는 다양한 인자에 대한 분석을 수행하였다. 섬유시트의 단부형태, 길이, 겹 수 및 보의 옆면 보강량을 변수로 하여 철근콘크리트 보를 보강하고 가력 실험을 수행하였다. 또한, 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 탄소섬유시트로 휨 보강된 철근콘크리트 보의 구조 해석을 수행하였다. 보강효과 영향 인자에 따른 휨 내력 및 응력 분포를 해석적으로 실험값과 유사하게 구현하였다. 이를 기반으로 인장 철근의 보강량 변화가 탄소섬유시트로 보강된 철근콘크리트 보의 보강효과에 어떠한 영향을 미치는지 추가적인 해석 수행을 통해 알아보았다. 실험과 해석 연구 결과, 탄소섬유시트의 보강 겹 수가 증가할수록 조기에 보강재에서 부착파괴가 발생하여 보강효과가 감소하며 이는 섬유시트 단부에서의 계면응력 집중 현상에 기인한다. 따라서 여려 겹의 탄소섬유시트를 부착하여 보강하는 경우 겹마다 길이를 다르게 하여 계단식 단부형태로 보강하는 것이 보강효과에 유리하다. 또한, 보의 밑면뿐만 아니라 옆면까지 올려서 보강하는 경우 옆면 보강량이 클수록 보강효과가 증가하는 것을 알 수 있다.;CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) sheets are used for strengthening structural members such as beams, slabs and columns due to its wide range of application and high strength. For instance, flexural and shear capacity of beams can be increased by attaching CFRP sheets on flexural and side surfaces of the beams, respectively. For concrete beams strengthened with CFRP sheets, premature failure of CFRP sheets is critical because the beams often show sudden failures due to cover delamination or CFRP debonding, and capacity of the CFRP sheets is not fully achieved at the time of beam failure. This study aims at investigating the structural behavior of RC (reinforced concrete) beams externally strengthened with CFRP sheets according to influencing parameters on strengthening effect. Towards this goal, experimental and analytical studies are performed. For the experimental studies, RC beams having different lengths, numbers and widths of CFRP sheets and the termination point of each CFRP sheet are subjected to four point-bending with simply supported condition. From the test, structural behaviors such as cracks, beam failure modes, load-deflection relationships are observed. Also, a numerical differentiation is employed to analyze the stresses between concrete and CFRP sheets. Analytical models are generated including cohesive elements for epoxy to verify the structural behavior of RC beams with CFRP sheets. Moreover, parametric studies are performed to predict structural behaviors of RC beams having different amount of flexural reinforcing bar. Based on the results, following conclusions can be drawn: 1) The stiffness of the beams strengthened with CFRP sheets increases with the increase of numbers of CFRP layers, however, beams strengthened with multiple layers show premature failures due to cover delamination. 2) When multiple layers of CFRP sheets are used for strengthening, beams with the tapered layers of CFRP are able to avoid premature failure due to the stress concentration on the termination point of CFRP sheets. 3) When width of CFRP sheets is wider than width of RC beam, concrete cover separation occurs along the location of reinforcing steel bars due to high interfacial stresses between concrete and CFRP sheets. 4) The proposed analytical results are in good agreements with the experimental results which proves the validity of the analytical method proposed in this study.