FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 계면응력과 최대 휨모멘트 간의 상관관계 분석

Abstract

건물의 장수명화를 위하여 기존 건물을 보수·보강하는 사례가 늘어남에 따라 보강재료 또는 보강방법 등에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 널리 사용되는 FRP 보강재는 인장강도, 연성 등의 재료적인 측면에서 우수한 성능을 발휘하지만, 실제 구조체에 보강하였을 경우 단부의 응력 집중으로 인한 조기탈락의 위험성이 존재한다. 이를 보완하기 위하여 구조체로부터의 탈락을 지연시키는 anchorage system에 대한 다양한 연구가 수행되어 왔으나, 시공이 용이하지 않거나 효용성이 낮은 이유로 현장에서는 널리 적용되지 못하고 있다. 또한, FRP 보강재의 재료적 특성 또는 그에 따른 구조체 와의 부착성능에 대하여 역학적 분석이 미흡하여 FRP 보강재의 취성적인 파괴를 예측하기 어려운 실정이다. FRP 보강재의 효용성을 높이고 현장에서의 FRP 보강재의 시공을 용이하게 하기 위하여 FRP 보강재와 구조체 사이의 부착성능을 파악하고 취성적 파괴를 방지할 수 있는 부착방법을 고안해 낼 필요가 있다. 본 연구에서는 FRP 보강재와 콘크리트 사이의 계면응력을 분석하여 보강재의 부착성능을 파악하고 이를 이용하여 FRP로 휨 보강된 철근콘크리트 보의 휨모멘트를 예측하였다. 이를 위하여 계면응력 분포 또는 보강 성능에 영향을 미칠 것으로 예상되는 FRP 보강재의 단부 형태 및 hybrid FRP의 부착 순서, 인장철근의 부착 면적을 변수로 하는 가력실험을 수행하였다. 또한, ABAQUS를 이용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 실험 결과와 비교하였다. 실험 및 수치해석 연구 결과, 여러 겹의 FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 보강성능은 보강재 탈락에 의해 결정되며, 보강재 탈락 현상은 계면응력과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 단부에 집중되는 계면응력을 완화하기 위하여 계단식 단부형태로 hybrid FRP를 사용하여 보강하는 공법이 가장 효율적인 것으로 나타났으며, FRP 보강재와 콘크리트 사이에 발생하는 계면응력을 고려하여 FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 휨모멘트를 예측할 수 있다.;FRP(Fiber Reinforced Polymer) is used for strengthening and repairing RC(Reinforced Concrete) structural members due to its high tensile strength and ductility and wide applicability. To increase strengthening effect, many experimental and numerical research has been conducted about bonding performance of FRP. Because RC structural members strengthened with FRP show brittle failure due to premature FRP debonding. Therefore strengthening effect could be increased by delaying FRP debonding from structural members. However, mechanical behavior of FRP bonding and material characteristic of FRP have not been completely evaluated. This research aims at investigating relationships between maximum moment and interfacial shear stress of RC beams strengthened with FRP. Towards this goal, Experiments are conducted about influence factors determining bonding performance and interfacial shear stress. Influence factors are tapered ends of FRP, size and number of rebar and attachment order of hybrid FRP composed by CFRP(carbon FRP) and GFRP(glass FRP). Also, non-linear finite element analysis is performed for validating experimental results. Experimental and numerical results show that strengthening effect of RC beams strengthened with several layers is determined by FRP debonding from RC beams, And FRP debonding is closely related with interfacial shear stress between concrete and FRP. To release concentrations of interfacial shear stress on FRP ends, strengthening with tapered hybrid FRP is recommended. Also, moment of RC beams strengthened with FRP can be predicted by considering interfacial shear stress.