콘크리트내에 매입된 FRP판의 부착특성 및 RC부재 휨보강성능에 관한 연구 = Bond characteristics of FRP plate embedded in concrete and flexural retrofit capacity of it for RC member

국문 초록 (Abstract)

철근콘크리트구조물은 시공이 용이하고, 내구년한이 높아서 널리 사용되어 왔지만 하중, 지진, 피로 등의 인위적인 요인과 환경적인 요인으로 인해 구조물의 균열, 과다한 처짐, 강도저하 등과 같은 문제점이 발생하게 된다. 이와 같은 문제점들의 개선책으로 구조물의 보수 보강법에 관한 연구가 필요하게 되었다.
철근콘크리트 구조물의 보강을 위하여 초기에는 강판을 주로 사용하였으나 보강공사시 재료 취급의 어려움과 무게로 인하여 보강효과가 저하되는 등 문제점이 발생하였다. 이러한 강판의 문제점을 보완하고자 최근에는 높은 인장강도와 취급의 용이성, 무게의 경량화가 가능해진 탄소섬유보강재(FRP, Fiber Reinforced Polymer)를 사용한 보강법이 주로 사용되어 지고 있다. 이에 따라 국내ㆍ외에서는 탄소섬유 보강공법의 부착성능에 대해 연구가 진행되었고 현재에도 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다.
FRP는 강재보다 강하고 알루미늄보다 가벼우며 녹슬지 않고 가공하기 쉽다는 장점이 있어 철근콘크리트 부재의 보강에 널리 활용되고 있다. 그러나 보강된 부위의 단부에서 보강재가 콘크리트 표면으로부터 탈락되는 현상이 종종 발생하고 있다. 이는 보강재 단부에서의 FRP가 콘크리트에 충분히 정착되지 못함에 기인한다. 이에 따라 보강재 단부에서의 탈락을 방지하기 위하여 U형태의 추가보강을 실시하기도 하지만, 이 U형 보강재는 보강효과가 낮을 뿐만 아니라 추가의 보강이 되어 보강비용의 상승을 유발하게 된다.
철근콘크리트 부재에 대한 FRP 보강방법을 보강공법에 따라 분류하면, 콘크리트 부재의 표면에 완전히 FRP를 부착하는 방법과 콘크리트 부재에 FRP 길이 이상으로 홈을 파서 FRP를 매립한 후 에폭시로 완전히 부착시키는 방법이 있다.
종래의 FRP를 완전히 부착시키는 방법은 하중이 증가되어 콘크리트 부재에 균열이 발생되면 균열발생 부위에 응력이 집중되어 그 부위에 변형도가 증가되기 때문에 균열발생 부위 주변에는 부착파괴가 발생되고, 이러한 부착파괴는 점차 전체적으로 발생되는 문제가 있다.
이를 개선한 방법으로 철근 또는 강봉형태로 제작한 FRP를 콘크리트내에 매입하는 방법이 개발되어 현재 현장에서 사용되고 있으나, 이 방법은 FRP 매입을 위해 콘크리트를 일정 크기 이상으로 홈을 파고 그 내부에 정착시킨 뒤 에폭시 모르터 등으로 부착시켜야 하기 때문에 홈을 만드는 작업이 요구되고 또한 홈이 일정크기 이상이 되어야 하기 때문에 많은 양의 에폭시 모르터가 요구되는 문제점이 있다.
이에 따라 본 연구에서는 이들 방법을 개선한 새로운 형태의 보강방법으로 에폭시 판넬을 부재면에 직각으로 세워서 매입하는 방법을 제시하고 이 방법을 적용할 경우 FRP의 부착특성 규명과 실제 부재에 보강을 실시할 경우 구조적 거동을 규명하고자 하였다. 또한 보강된 부재의 구조성능을 평가하기 위한 해석적인 연구를 실시하여 제시된 보강공법의 실용화를 위한 자료를 제시하고자 하였다.
본 연구에서 제시하고자 하는 보강공법은 FRP와 콘크리트의 부착강도가 높기 때문에 이에 따라 중앙부를 비부착시킴으로 인하여 단부에 집중되는 부착응력을 효율적으로 지지할 수 있음으로서 FRP의 보강효과를 극대화 할 수 있다. 또한 FRP의 중앙부를 부분적으로 비부착 시킴으로서 콘크리트 부재의 면처리가 일부 생략되어 공사기간이 단축되고 작업이 간단해지며, 접착제의 사용량이 감소되어 경제적인 이점도 있다. 또한 FRP의 중앙부 비부착과 상관없이, 기존 FRP보강에서 발생하는 단부 정착부분에서의 박리현상을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 보강방법에 대한 구조성능을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 콘크리트와 FRP와의 부착강도의 증대를 위한 방법의 모색과 실험 및 해석을 통한 검증을 실시하고자 하였다.
실험연구는 본 연구의 보강공법에 대한 부착특성을 규명하고 그 결과를 분석한 뒤, 기존보의 1/2 크기로 제작된 휨 실험체에 결과를 접목시켜 휨 실험을 수행하여 그에 관련된 기초자료 제시하고자 하였다. 실험연구에서 고려한 주요내용은 기존의 표면부착보강과 본 연구에서 제시하는 매입보강의 부착성능에 대한 규명, 그리고 규명된 내용을 근거로 매입보강을 적용한 휨부재의 구조성능 평가 등이다. 부착실험에서 고려하는 주 내용은 매입 줄수 및 전단키의 유무 등이고 부재의 휨실험에서는 비부착거리에 따른 구조성능 규명과 매입 줄 수의 영향 등이다.
우선 부착실험을 통하여 각 공법 및 인자들의 특성에 따른 성능변화를 분석하고, 이를 토대로 우수한 성능을 발휘할 수 있는 최종 보강방안을 정리한다. 다음에 제시된 보강공법을 실제 휨부재에 적용시켜 보강을 실시한 후, 휨성능 평가실험을 실시하고 그 결과를 분석하여 가장 효과적인 보강방법을 제안하고자 하였다.
또한 부착실험과 휨실험을 통하여 예상되는 거동을 미리 해석적으로 예측하기 위하여 ADINA 프로그램(2008)과 MIDAS-FEA 프로그램(2010)을 이용하여 부착특성과 보강 후 전체적인 거동 등에 대한 유한요소해석을 실시하고 그 결과를 분석하였다.
이상과 같은 연

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 4
• 제2장 FRP를 이용한 RC 부재의 보강에 관한 이론적 고찰 5
• 2.1 일반사항 5
• 2.2 FRP의 재료적 특성 6
• 2.3 FRP와 콘크리트의 부착 특성 7
• 2.4 기존연구 현황 11
• 2.5 부착실험 방법의 기준 및 종류 18
• 제3장 콘크리트에 매입된 FRP판의 부착특성 21
• 3.1 일반사항 21
• 3.2 콘크리트에 매입된 FRP판의 파괴기구 23
• 3.3 부착성능 평가실험계획 24
• 3.4 부착성능 평가실험결과 36
• 3.5 부착성능 평가실험결과의 비교분석 45
• 3.6 실험결과분석 66
• 제4장 FRP판으로 매입보강된 RC 휨부재의 거동특성 70
• 4.1 일반사항 70
• 4.2 매입보강된 FRP의 거동 71
• 4.3 휨성능 평가 실험계획 73
• 4.4 휨성능 평가 실험결과 79
• 4.5 실험결과의 분석 91
• 제5장 FRP판으로 보강된 RC부재의 부착 및 휨거동 해석 99
• 5.1 일반사항 99
• 5.2 FRP판으로 보강된 부재의 부착해석 100
• 5.3 FRP판으로 휨보강된 RC보의 휨해석 111
• 제6장 결론 120
• 참고문헌 123
• ABSTRACT 127
• 부록 135
• 감사의 글 176