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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.1 pp.20-25
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.1.020

Bond Performance Evaluation of FRP Hybrid Bar Fabricated Using by Deformed Bar and Glass Fiber

Joon-Seok Park1 , Ki-Tae Park2 , Young-Jun You2 , Dong-Woo Seo3
1Post-Doctorate Researcher, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
2Research Fellow, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
3Research Specialist, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
Corresponding author: Park, Joon-Seok Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea. +82-31-910-0065, +82-31-910-0121, joonseokpark@kict.re.kr
November 21, 2016 March 3, 2017 March 10, 2017

Abstract

GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer Plastic) has a superior corrosion resistance, high specific strength/stiffness, etc. Therefore, such properties can be used to mitigate the problems associated with the use of conventional construction materials. In this study, the various rib and pitch distance of hybrid fiber GFRP bars were evaluated by experimental method. From the test result, thirty two types of FRP hybrid bars such as spiral and cross type with the dimension of rib geometry were fabricated. To evaluate the bond properties of them, direct pull-out test was performed. All testing procedures including specimen preparation, set-up of test equipment and measuring devices were made in accordance with the recommendations of ASTM D 7913. From the test results, it was found that cross type hybrid GFRP reinforcing bars showed the highest bond strength than that of the others due to the higher relative rib area.


이형철근과 유리섬유를 이용한 FRP Hybrid Bar의 부착성능 평가

박 준석1 , 박 기태2 , 유 영준2 , 서 동우3
1한국건설기술연구원 박사후 연구원, 공학박사
2한국건설기술연구원 연구위원, 공학박사
3한국건설기술연구원 전임연구원, 공학박사

초록


    Korea Institute of Construction Technology

    1.서 론

    국내 주요 사회 인프라 구조시설물 중 철근콘크리트 구조물은 전체의 70%이상 차지하고 있다. 하지만 이 러한 철근콘크리트 구조물은 극한의 부식환경에 노출 되어 콘크리트 내부의 철근이 부식으로 인해 구조물 의 내구성 및 안전성을 감소시키는 요인으로 작용하 고 있다. 극한의 부식환경(해양환경 등)에 직접적으로 노출된 항만시설물의 노후화 및 열화로 유지보수비용 이 급증하고 있는 실정이다. 또한 도로, 철도, 교량, 항만 등 인프라시설물의 노후화와 함께 사용하중의 증가 등 사회환경의 변화가 진행되면서 내구성 저하 에 대응한 유지보수 수요 및 보수비가 급증하고 있어 기존 시설물에 대한 합리적 성능향상 대책이 필요하 다. 이러한 문제를 해결하기 위해 콘크리트 구조물의 내구성을 증가시키고 유지관리비용을 최소화할 수 있 는 연구들이 진행 중에 있다. 특히, 부식환경에서 불 리한 조건을 갖는 기존의 철근을 대체하고 고내구성 을 확보하기 위해 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer Plastic)를 보강재로 활용하기 위한 연구가 활 발히 진행되고 있다.

    이 연구는 구조적 성능과 경제성을 확보할 수 있 는 최적화된 FRP Hybrid Bar를 개발하는 단계의 일부 로서 기존의 이형철근과 GFRP를 결합하고 콘크리트 와 부착성능을 극대화하기 위해 규사코팅을 최외부에 코팅하여 부착성능을 비교하고 평가하고자 한다.

    2.FRP Hybrid Bar의 특성

    이 연구에서 고려되고 있는 FRP Hybrid Bar는 Fig. 1 과 같이 심재(이형철근)와 심재를 감싸고 있는 외피 (GFRP), 외피를 감싸고 있는 규사로 구성된다. 심재인 이형철근은 다양한 직경을 적용할 수 있으며 이형철 근을 감싸고 있는 GFRP경우는 부식 환경으로부터 심 재를 보호하는 역할을 한다. 규사코팅의 경우는 FRP Hybrid Bar가 콘크리트의 보강근으로 사용될 때 콘크 리트와의 부착성능 확보를 담당한다.

    GFRP와 심재 이형철근을 결합시키는 합성수지는 연속된 유리섬유 사이로 함침되어 철근과 유리섬유를 결합시키는 역할을 한다.

    2.1.FRP Hybrid Bar의 제조 공정

    FRP Hybrid Bar의 제작 개요는 Fig. 2에 나타내었으 며, 제작순서는 Fig. 3과 같다.

    Fig. 3에 나타낸 바와 같이 먼저 유리섬유를 수지 에 함침시키고, 함침된 섬유를 노즐에 통과시켜 심재 (이형철근)를 감싸면서 기본적인 FRP Hybrid Bar를 형성한다. 노즐을 통과한 심재의 외부에 돌기사를 감 아 돌기를 형성하고, 피복 섬유의 배향각을 약 60∘로 직조하여 피복을 구성한다. 이러한 공정은 Ko et al. (1997)이 제안한 브레이드트루젼(Braidtrusion) 공정을 개선한 방식이다. 브레이딩 공정을 통하여 강화섬유다 발과 돌기를 형성하는 섬유에 장력이 도입되며, 이는 섬유다발을 일정한 배열상태로 만들고 공극을 감소시 키는 역할을 한다. 피복된 FRP Hybrid Bar는 열관에 서 90∼110℃의 온도로 경화시켜 최종적인 FRP Hybrid Bar를 제작하게 된다(You et al., 2015).

    2.2.FRP Hybrid Bar의 재료 역학적 특성

    FRP Hybrid Bar가 콘크리트 보강재로 사용될 경우 구 조적 거동을 파악하기 위해 이 연구에서는 FRP Hybrid Bar에 대한 재료 역학적 특성을 조사하였다. 인장시험에 사용된 시편은 Table 1에 정리하여 나타 내었다. 시편 제작시 그립과 그립 사이 FRP Hybrid Bar 길이는 시편 직경의 40배 이상으로 길이를 확보 하여 총 2,200mm로 제작하였다. 그립부를 보강하기 위해 그립부에 강관으로 보강하였다.

    모든 시편은 모르타르와 물의 배합비율을 실제 시 공성 및 강도를 고려하여 18%로 혼합하고 몰드에 혼 합한 모르타르를 타설한 후 7일 이상 자연 양생시켰 다. FRP Hybrid Bar 인장시험은 CSA(2002) S806- 02 의 시험방법을 준용하였으며, 하중용량 1,000kN, 스트 로크 500mm UTM을 사용하여 시험을 실시하였다. 시편 D16/D13, D19/ D16은 5mm/min, D25/D19, D29/D22는 2mm/min의 변위제어로 하중을 재하하였다.

    실험결과는 내부철근에 외부FRP가 둘러싼 형태로 초기 외부 FRP가 항복하기 전까지인 1차 탄성계수 구간과 FRP가 항복한 후 철근이 파단되기 전까지의 2차 탄성계수 구간으로 Fig. 4와 같이 구분하여 정의 하였고, Table 2에 철근이 항복하기 전인 1차 구간에 대한 탄성계수 결과와 최대 인장강도의 평균값을 정 리하여 나타내었다.

    3.FRP Hybrid Bar의 부착성능시험 개요

    FRP Hybrid Bar가 기존의 이형철근과 동일하게 콘크리 트 구조물에 적용되기 위해서는 콘크리트와의 부착강 도를 확보해야 한다. 이 연구에 적용되고 있는 FRP Hybrid Bar는 보강근을 감싸고 있는 돌기의 높이와 간 격, 규사코팅이 결국 콘크리트와의 부착특성에 영향을 미치게 된다. 이에 FRP Hybrid Bar에 대한 부착강도 성능을 확인하기 위하여 FRP Hybrid Bar에 대한 부착 강도실험을 수행하였다.

    FRP Hybrid Bar에 대한 부착강도시험은 ‘ASTM D 7913 Standard Test Method for Bond Strength of Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite Bars to Concrete by Pullout Testing’을 참고하여 수행하였다. 또한 수행된 시험결과와 기존 이형철근의 부착시험 결과를 비교 및 분석하였다.

    FRP Hybrid Bar에 대한 부착성능 평가시험에 사 용된 시편은 비교대상인 일반 이형철근 D13, D16, D19, D22의 각각 3개씩 총 12개와 각 변수에 따른 FRP Hybrid Bar 112개를 사용하였으며(Fig. 5) 시험변 수는 이형철근의 직경, 피치간격, 합사 수, 규사직경, 부착길이를 Fig. 6과 Table 3과 같이 정하였다.

    시험은 200×200×200mm3의 거푸집을 제작하여 Fig. 7과 Fig. 8과 같이 부착시편을 제작하였다. 시험 에서 하중의 가력속도는 20kN/min이며, 각 하중단계 별 대응하는 변위량인 슬립 측정을 위하여 LVDT(변 위계)를 고정단인 콘크리트 프리즘 부분, FRP Hybrid Bar 중앙부에 설치하여 실험 중 슬립량을 자동으로 계측하였다.

    ASTM D 7913은 하중작용선과 철근의 정확한 일 직선상의 정렬 및 콘크리트와의 접촉면이 하중작용선 과의 정확하게 수직 배치될 것을 강조하고 있다. 이는 작용 인발력이 콘크리트 접촉면에 균등한 응력을 유 발하도록 하기 위한 목적이다. 따라서, 본 연구에서는 하중가력 cage를 제작하여 universal test machine (UTM) 의 고정단에 힌지 형태로 고정할 수 있도록 하여 하 중재하시 하중 수직선상에 가력이 되도록 설치하였다.

    4.이형철근 및 FRP Hybrid Bar 부착성능 시험 결과

    4.1.이형철근 부착시험 결과

    이 연구에서는 FRP Hybrid Bar의 부착성능을 검증하 기 위해 일반 이형철근에 대해서도 부착시험을 수행 하였다. 그 결과를 정리하여 Table 4에 나타내었다. 또한 splitting파괴가 나타난 D22 시편의 시험결과를 Fig. 9에 나타내었다.

    4.2.FRP Hybrid Bar 부착시험 결과

    FRP Hybrid Bar의 시험 변수에 대한 결과는 Fig. 10 과 Fig. 11에 정리하여 나타내었다.

    시험결과 시편의 90% 정도가 Pull-out 파괴모드를 나타냈다. 각 직경별로 최대 부착강도를 나타낸 시험변 수는 D13-p12.6-b8-1.2 (17.6MPa), D16-p14.9-b8-0.6 (16.6MPa), D19-p19.6-b10-0.6과 D19-p19.6-b14-1.2 (13.1MPa) 그리고 D22-p22.8-b16-1.2 (15.1MPa) 이다. 전반적으로 합사수, Pitch, 규사직경에 상관없이 직경이 증가함에 따라 부착강도가 낮아지는 결과를 나타내었다. 단, 직 경에 따른 부착강도의 직접적인 비교는 합사수, Pitch, 규사직경 등의 고정변수 종류가 제한적으로 적용되었 기 때문에 직경 크기에 따른 전반적인 분석만 가능하 다. 이 결과는 현재 양산수준이 아닌 시험시편 수준에 서의 결과이며 규사코팅을 포함한 보강근 제작공정 및 품질 신뢰성이 향상된다면 이형철근에 근접하는 부착강도를 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.

    4.3.FRP Hybrid Bar 및 이형철근의 부착시험 결 과 비교

    이형철근과의 부착성능을 비교 분석하고자 동일 공칭 외경을 갖는 FRP Hybrid Bar 시편 중 직경별로 가장 큰 부착강도를 나타낸 시편의 부착강도를 비교하였으 며 그 결과는 Fig. 12와 같다.

    시험결과의 분석을 위한 비교군으로는 이형철근 D16 (15.9mm)과 FRP Hybrid Bar D13(16.4mm), 이형 철근 D19(19.1mm)와 FRP Hybrid Bar D16 (20.5mm) 이다. 분석결과, FRP Hybrid Bar D13은 이형철근 D16 에 비해 94% 수준의 부착강도를 보이는 것으로 분석 되었다. 반면, FRP Hybrid Bar D16은 이형철근 D19에 비해 102% 수준의 부착강도를 보이는 것으로 나타났 다. 이는 규사코팅에 의한 부착강도 증진효과가 탁월 한 것으로 판단된다.

    직경에 따른 부착강도는 직경이 증가할수록 부착 강도가 낮아지는 일반적인 경향을 나타내었다. 단, 이 형철근 D22의 경우, 부착강도가 19.5MPa로 크게 나타 났으나 이는 파괴모드가 보강근 뽑힘파괴(pull-out)가 아닌 콘크리트 쪼갬파괴(concrete splitting)로서 pullout 파괴보다 상대적으로 큰 하중에서 파괴되었기 때 문으로 분석되었다.

    5.결 론

    이 연구에서는 부식환경 및 기존의 강재 보강근의 단 점을 보완하고자 FRP Hybrid Bar를 개발하였고, 개발 된 FRP Hybrid Bar의 재료 역학적 성질과 부착성능을 검증하기 위해 여러 변수를 고려하여 콘크리트와 부 착시험을 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다.

    • 1) 이 연구에서는 4종의 FRP Hybrid Bar(D16/D13, D19/D16, D25/D19, D29/D22)에 대하여 인장실험 을 수행하였고, 탄성계수의 경우 모든 종류에서 100GPa 이상으로 기존 상용화되어 있는 FRP 보 강근에 비해 100% 이상의 성능향상을 확보한 것으로 평가되었다.

    • 2) 이 연구에서는 개발된 FRP Hybrid Bar의 최적의 부착성능을 발휘하기 위해 심재를 구성하는 이 형철근의 직경, 피치간격, 합사수, 규사직경을 변 수로 정하여 부착성능 시험을 수행하였다. 그 결 과, 피치간격, 합사수의 변수는 부착성능에 영행 을 미치지 않는 것으로 평가되었다.

    • 3) FRP Hybrid Bar의 표면에 규사를 코팅하는 경 우, 부착강도는 D16의 FRP Hybrid Bar는 D19 이형철근의 부착강도의 102% 이상 수준으로 나 타났다. 따라서, FRP Hybrid Bar는 sand coating 에 의한 부착강도 증진효과가 탁월한 것으로 판 단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research (Basic Research: Development of Hybrid FRP Bars for Concrete Waterfront Structures) was supported by Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology and funded by the Ministry of Science, KICT, and Future Planning of Korean Government. Any opinions, findings, and conclusions or recommendations are those of the writers and do not necessarily reflect the views of this agency.

    Figure

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    Cross-sectional Shape of FRP Hybrid Bar [Seo et al. 2016]
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    Modified braidtrusion process[You et al. 2015]
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    Step-by-step Production Process
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    Test Result of Tensile Test
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    Specimen of FRP Hybrid Bar for Bond Strength Test
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    Variables of Bond Strength Test
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    Outline of Bond Strength Test Specimen
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    Bond Strength Test of FRP Hybrid Bar
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    Failure Mode(Concrete splitting)
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    Failure Mode(Pull-out)
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    Result of Bond Strength Test(FRP Hybrid Bar)
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    Comparison of Test Results

    Table

    Specimen of Tensile Strength Test
    Elastic Modulus and Max. Tensile Strength
    Specimen of Bond Strength Test
    Result of Bond Strength Test(Deformed Bar)

    Reference

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