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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.2 pp.31-36
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.031

Analytical Study on the Bond Performance of Fiber Optic Sensor Embedded Carbon Fiber Sheets for Strengthening Concrete Structures

Joon-Seok Park1, Byung-Cheol Kim2, Ki-Tae Park3, Kyu-san Jung4
1Post Doc, Sustainable Infrastructure Research Center, Gyeonggi-Do, Korea
2Research Specialist, Sustainable Infrastructure Research Center, Gyeonggi-Do, Korea
3Senior Research Fellow, Sustainable Infrastructure Research Center, Gyeonggi-Do, Korea
4Post Doc, Sustainable Infrastructure Research Center, Gyeonggi-Do, Korea
Corresponding author: Jung, Kyu-San Structural Engineering Research Institute, KICT, Daehwa-dong 283, Goyangdae-ro, Goyang-Si, Gyeonggi-do, 10223, Korea. Tel: +82-31-910-0793, Fax: +82-31-910-0121, E-mail: jungkyusan@kict.re.kr
May 14, 2018 June 5, 2018 June 13, 2018

Abstract


The purpose of this study was to develop a carbon fiber sheet with embedded fiber optic sensor for maintenance and performance improvement of aged concrete bridges. The carbon fiber sheet reinforcement method can separate the concrete and the carbon fiber sheet, so it is necessary to investigate the bond performance level. However, separation of concrete and carbon fiber sheet and investigation of concrete scaling phenomenon are carried out by human, so it is difficult to secure objectivity and accurate investigation. Therefore, in this study, a method to confirm the bond level of carbon fiber sheet by reinforcing with a carbon fiber sheet with a fiber optic sensor was examined. In this study, we investigated the strain of fiber optic sensor embedded in carbon fiber sheet to identify the separate point of carbon fiber sheet. The strain measured by fiber optic sensor was measured by numerical analysis. The strain rate of the carbon fiber sheet was compared with that of the carbon fiber sheet. As a result, it was confirmed that the strain was changed at the point where the carbon fiber sheet was separated, and the strain occurred in the carbon fiber sheet was examined to predict the separate point.



콘크리트 구조물 보강용 광섬유 센서 내장형 탄소섬유시트의 부착성능에 관한 해석적 연구

박 준석1, 김 병철2, 박 기태3, 정 규산4
1한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 박사후연구원, 공학박사
2한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 전임연구원, 공학박사
3한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 선임연구위원, 공학박사
4한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 박사후연구원, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17SCIP-B128496-01

    1 서 론

    콘크리트 구조물은 건설 중 또는 공용기간 동안 다양 한 원인에 의해 손상된다. 손상된 구조물을 보수⋅보 강하여 사용하지 않으면 구조물의 손상은 계속 진행 되어 구조물의 안전성이 저하되어 결국 사용수명을 다하지 못 하고 파괴에 이르게 된다.

    탄소섬유시트 공법은 손상된 콘크리트 구조물의 표면에 일방향 탄소섬유 시트를 레진(에폭시 수지 등) 을 사용하여 부착함으로서 구조물을 보수⋅보강하는 공법을 말한다. 기존에는 손상된 구조물을 보강하기 위하여 주로 강판을 이용한 보강공법이 사용되었으나, 강판보강 공법은 평면 이외의 굴곡부와 같은 복잡한 형태의 구조물을 보강하기 어렵고 시공 장소가 제한 되며, 시공 시 많은 장비를 필요로 하는 등의 단점이 있다. 탄소섬유시트 공법은 효과적으로 구조물의 성능 을 향상시키고 기존에 발생한 균열의 발전을 구속하 면서도 강판보강 공법의 단점을 보완한 공법이다.

    탄소섬유는 높은 인장강도와 인장탄성계수를 지니 고 있으므로 구조부재 보강에 적용할 수 있다. 특히 탄소섬유시트를 콘크리트 부재의 주철근 방향으로 부 착하여 콘크리트 내부 철근의 인장력을 분담하여 부 재의 휨 강성을 증가시킬 수 있다. 탄소섬유시트 공법 의 높은 보강효과를 기대하기 위해서는 시공 시 완전 한 탄소섬유시트를 형성시키고 콘크리트 부재와 일체 화시켜야 한다. 이러한 탄소섬유시트 보강은 도로교 콘크리트 거더 보강에 적용되면서 사용량이 급격히 증가되었다. 일본에서 한신 대지진 이후 건축물의 기 둥이나 철도고가교, 도로교의 교각 등의 내진보강에 탄소섬유시트 공법이 많이 적용되고 있다.

    이러한 탄소섬유시트보강 공법은 보강재의 갑작스 런 탈락이 발생할 수 있어 보강 성능의 검증을 위해 부착상태에 대한 조사가 필요하다(Kim et al., 2012). 또한, 시트부착보강 공법 완료 후 손상 유형 파악 및 대응방안 수립이 가능하도록 손상위치와 면적의 정확 한 계측 및 평가 시스템이 필요하다. 이 연구에서는 탄소섬유시트의 박리 발생의 확인 및 점검의 신속성 과 정확성을 확보하기 위하여 탄소섬유시트에 광섬유 센서(Fiber Optic Sensor, FOS)를 매립하여 광섬유 센서로 부터 측정된 변형률로 부터 탄소섬유시트의 박리 발생을 확인하고자 하는 연구를 수행 중에 있으 며, 이를 검증하기 위한 실내 실험 및 유한요소 해석 에 의한 연구들을 수행 중에 있다. 이 논문에서는 FOS 내장형 탄소섬유시트 보강 콘크리트 보에 대해 이론적인 방법과 수치해석적인 방법을 통해 탄소섬유 시트의 변형률을 검토하여 탄소섬유시트의 탈락지점 을 확인할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 이론적인 방법으로 탄소섬유 시트의 최대 발생 변형률과 수치 해석결과와 비교하여 탈락지점 예측에 대한 결과를 검증하였다.

    2 FOS 내장 탄소섬유시트 보강공법 개요

    콘크리트 구조물의 보강 효과 및 활용성이 검증된 CFRP 시트를 이용한 외부 보강공법은 적용성이 높지 만 보강 후 시공 성능에 대한 확인이 어려운 단점이 있다. 하지만 광섬유 센서 매립형 탄소섬유시트/플레 이트 및 보강 성능 추적 시스템의 개발을 통하여 추 가적 절차 없이 콘크리트 구조물의 보강 효과 및 상 태를 정량적으로 파악할 수 있다. FOS 내장형 탄소 섬유시트 보강 방법은 Fig. 2와 같다. Fig. 1

    FOS 내장형 탄소섬유시트 보강 기술을 개발하기 위해 FOS가 내장된 탄소섬유시트 제조기술, FOS의 탄소섬유시트 내 배치 기술, FOS 데이터 획득을 위 한 전용의 데이터로거 기술, 그리고 FOS로부터 도출 되는 데이터 분석 기술 등의 요소기술 개발이 필요하 다. 이 연구에서는 효과적인 FOS 계측을 위하여 탄 소섬유시트에 FOS의 배치를 Fig. 3과 같은 온돌형 배치로 정하였다. 온돌형 배치는 단일 광섬유 다점계 측에 유리하고 이음부를 최소화할 수 있다. 탄소섬유 시트는 각 섬유가 90°로 교차되어 직조되도록 제작하 고 시트에 FOS를 레진으로 부착시키는 형태로 고려 하였다.

    3 탄소섬유시트 보강 콘크리트 보의 구조적 거동

    3.1 탄소섬유시트의 설계인장강도

    탄소섬유시트 보강 철근콘크리트 휨부재의 공칭휨강 도(nominal moment capacity)를 결정하기 위해서는 설계에 적용하기 위한 탄소섬유시트의 설계인장강도 (specified tensile strength)와 최대인장변형률 (ultimate tensile strain)을 결정해야 한다. 기존 연구 (Nanni, 1993; Yoon, 2002)에 따르면, 탄소섬유시트의 설계인장강도와 최대인장변형률은 시험을 통해 얻은 평균인장강도와 표준편차(standard deviation)를 적용 하여 식 (1), (2)를 통해 결정한다. 또한, 탄소섬유시 트의 탄성계수는 식 (1)과 (2)의 결과를 적용하여 식 (3)과 같이 결정한다(Nanni, 1993; Yoon, 2002).

    f f u * = f f u a v e * 3 σ
    (1)

    ε f u * = ε f u a v e * 3 σ
    (2)

    E f = f f u ε f u
    (3)

    여기서,

    • f f u * : 실험으로부터 얻은 탄소섬유시트의 인장강도

    • ε f u * : 실험으로부터 얻은 탄소섬유시트의 최대인장 변형률

    • f f u a v e * : 평균인장변형률

    • ε f u a v e * : 평균최대인장변형률

    • σ : 표준편차

    • E f : 탄소섬유시트의 탄성계수

    ACI Committee 440 (2008)에 따르면 FRP는 환 경적인 요인에 의해 장기거동시에 인장강도가 감소될 수 있으며, 이러한 장기거동에서의 강도감소의 영향을 고려하기 위하여 구조물의 노출 정도와 보강섬유의 종류에 따라 환경요인에 대한 강도감소계수 (environmental reduction factor, C E )를 곱하여 설계 인장강도를 결정하도록 제안하고 있다. 따라서 설계인 장강도와 최대인장변형률은 식 (4), (5)와 같이 결정 한다. ACI Committee 440 (2008)에서 제안하고 있는 에폭시(epoxy)를 사용할 경우 환경요인에 대한 강도 감소계수는 Table 1에 나타낸 것과 같다.

    f f u = C E f f u *
    (4)

    ε f u = C E ε f u *
    (5)

    여기서,

    • f f u : 설계인장강도

    • ε f u : 최대인장변형률

    ACI Committee 440 (2008)에서는 환경요인에 대 한 강도감소계수 외에도 알칼리 또는 산에 대한 반응 성과 온도의 영향을 고려하도록 제안하고 있다.

    3.2 탄소섬유시트의 시공단계 해석

    탄소섬유시트를 시공하기 전에 자중을 제외한 구조물 에 재하되는 하중은 모두 제거되어야 한다. 이때, 기 존의 철근콘크리트 구조물의 자중으로 인해 발생하는 변형률은 초기변형률로 고려하고, 부착된 탄소섬유시 트에는 그 영향을 고려하지 않는다(Arduini et al., 1997; Nanni et al., 1998). 또한, 탄소섬유시트가 부착 된 철근콘크리트 인장부 연단의 초기변형률은 식 (6) 과 같이 기존 부재에 대한 탄성해석을 통해 결정한다.

    ε b i = M D L ( h k d ) I c r E c
    (6)

    여기서,

    • ε b i : 구조물의 자중으로 인한 인장측 연단의 변형률

    • M D L : 고정하중에 의한 모멘트

    • h : 콘크리트 보 단면의 높이

    • E c : 콘크리트의 탄성계수

    • I c r : 균열환산단면2차모멘트

    식 (6)으로부터 얻은 콘크리트의 초기변형률을 적 용하여 탄소섬유시트를 부착했을 때 철근콘크리트 단 면의 중립축은 식 (7)을 적용하여 구한다.

    c = A s f s + A f f f 0.85 f c k β 1 b
    (7)

    여기서,

    • A s : 철근의 단면적

    • f s : 철근에 발생한 응력

    중립축을 구한 후에는 부착 후 탄소섬유시트의 변 형률 및 철근에 발생하는 응력을 검토하여 탄소섬유 시트 보강량의 적정성을 판단한다. 탄소섬유시트에 발 생한 변형률은 식 (6)에 나타낸 초기변형률을 고려하 여 식 (8)과 같이 구한다.

    ε f = 0.003 ( h c c ) ε b i
    (8)

    여기서,

    • ε f : 탄소섬유시트의 변형률

    • c : 콘크리트 단면 압축부 연단에서 중립축까지의 거리

    4 FOS 내장형 탄소섬유시트 보강 콘크리트 보의 수치해석적 검토

    탄소섬유시트의 탈락위치 예측을 위해 Fig. 4와 같이 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 범용 구 조해석 프로그램인 MIDAS FEA를 사용하였으며, 콘 크리트 보와 탄소섬유 시트를 Fig. 4와 같이, 3D-Solid 요소와 2D-Plate 요소를 사용하여 Mesh를 구성하였다. 요소의 크기는 0.25 m이고, 해석 모델에 사용된 3D-Solid 요소 수는 5,760개, 2D-Plate 요소 수는 480개이다.

    콘크리트 보는 2×3 m의 직사각형 단면을 가진 길 이 15 m이고 해석에 사용된 콘크리트와 CFRP 시트 의 재료적 특성은 Table 2에 정리하여 나타냈다. 콘 크리트 보와 탄소섬유시트의 접촉면은 완전부착으로 가정하였으며, 콘크리트 거더의 양단부를 단순지지로 가정하였다. 탄소섬유시트의 보강 효과를 검증하기 위 해 임의의 하중 300kN을 등분포하중으로 가정하여 상부에 재하하였다.

    4.1 보강 후 탄소섬유시트의 인장 거동 해석 조건

    탄소섬유시트로 보강된 콘크리트 보의 인장 거동과 부분 탈락된 탄소섬유시트의 인장 거동을 평가하기 위해 Fig. 5와 같이 탈락되지 않은 Reference 해석 모델과 탈락 위치에 따른 해석 모델 3가지를 해석에 고려하였다. Fig. 5에서 탄소섬유시트의 부착수준에 따른 MIDAS 프로그램 접촉조건을 고려한 요소를 나 타내며, 녹색으로 표시되는 부분이 접촉조건으로 완전 부착된 요소를 나타낸다. 또한, 탄소섬유시트의 탈락 조건을 해석모델의 길이방향(x축)으로 5등분하여 각 지점에서 탄소섬유시트가 탈락될 경우를 고려하였다.

    4.2 보강 후 탄소섬유시트의 인장 거동 해석 결과

    Fig. 6은 탈락되지 않은 탄소섬유시트에 대한 인장 응력의 분포를 나타낸 것이다. 탄소섬유시트에 전 단 면에 걸쳐서 고른 인장 응력을 나타내고 양쪽 단부에 서 약 3.0 MPa의 최대 인장 응력을 확인하였다. 이는 양단 단순지지로 인한 응력 집중에 기인하는 것으로 판단된다.

    Fig. 4는 탈락위치에 따른 부분 탈락(1/5지점, 2/5 지점, 3/5지점)된 탄소섬유시트의 인장 응력의 분포를 나타낸 것이다. 탈락 부분 뒤쪽에 위치한 탄소섬유시 트에서 지점부의 인장 응력에 상응하는 약 3.0 MPa 의 인장 응력이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 부분 탈락으로 인해 탈락 부분 뒤쪽에 응력 집중이 발생하 는 것으로 판단된다.

    4.3 FOS 내장형 탄소섬유시트의 탈락 지점 예측

    보강된 탄소섬유시트의 탈락 지점을 조사하기 위해서 는 실험을 통해 FOS에서 계측되는 변형률을 분석하 여 탈락 지점 조사하여야 한다. 이 연구에서는 실험에 의한 변형률 결과의 검증과 실험 전 탈락지점을 예측 할 수 있도록 수치해석적 방법을 제안하였다. 탈락지 점 예측을 위한 유한요소해석은 Fig. 8과 같이 탄소 섬유시트에 FOS를 온돌형으로 배치하는 것으로 가정 하여 FOS 설치 라인 요소의 방향별 변형률을 도출하 였다.

    Fig. 8에서 붉은색 라인은 FOS가 설치되는 라인 을 나타내며, 파란색 점선은 탄소섬유시트의 탈락되는 부분을 나타낸다. 탈락 위치는 탄소섬유전체를 기준으 로 왼쪽부터 1/5 지점, 2/5 지점 및 3/5(중앙) 지점을 나타낸다.

    4.4 FOS 내장형 탄소섬유시트의 탈락 지점 예측 결과

    탄소섬유시트가 콘크리트 거더 하단에 전체 부착되어 탈락이 없는 경우부터 중앙 부분까지 탈락된 경우까 지의 FOS 변형률 분포를 Fig. 912와 Table 3에 정 리하여 나타내었다. Fig. 10, 11

    전체 부착일 경우, 탄소섬유시트의 양단부에서는 지점조건의 영향으로 인해 변형률의 방향이 변화되는 것을 알 수 있으며, FOS의 중앙부로 갈수록 인장변 형률이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 1/5 지점 탈 락된 해석모델의 경우, 탄소섬유시트가 탈락된 2m∼ 4m 구간에서 압축변형률이 증가되는 것을 알 수 있 었다. 2/5 지점이 탈락된 경우, 변형률 분포가 탄소섬 유시트가 탈락된 6m∼8m 구간에서 인장변형률이 증 가되는 것을 확인할 수 있었다. 3/5 지점탈락의 경우 전체부착일 때와 유사한 변형률 분포를 나타내는 것 을 알 수 있었다. 이는 전체 탄소섬유시트의 최대 변 형률 발생지점이 중앙부이기 때문인 것으로 판단된다.

    하지만 탄소섬유시트의 탈락 면적이 증가될 경우 에는 FOS 변형률의 차이가 발생되어 탈락지점 예측 이 가능할 것이라 판단된다.

    5 결 론

    이 연구에서는 탄소섬유시트 보강공법에 대해 이론적 인 설계법을 검토하고 수치해석을 통하여 노후교량의 FOS 내장형 탄소섬유시트 보강전/후의 구조성능을 검토하였다. 또한, 탄소섬유시트의 부착수준에 따른 구조성능을 비교분석하였으며, 탄소섬유시트에 내장된 FOS의 변형률을 통하여 탄소섬유시트의 탈락지점을 예측할 수 있는 방안을 검토하였다. 검토 결과는 다음 과 같다.

    • (1) 콘크리트 거더에 탄소섬유시트로 보강한 후 인장응력이 약 47% 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 탄소섬유시트의 보강효과를 해석적으로 검증하였다.

    • (2) 탄소섬유시트에 내장된 FOS의 변형률을 통한 탄소섬유시트의 부착수준을 예측하기 위하여 수치해 석을 통해 도출된 변형률을 비교분석하였으며, 탄소섬 유시트 탈락으로 발생되는 구조성능의 변화를 비교분 석하였다.

    • (3) 탄소섬유시트가 탈락되는 지점에서 변형률의 변화가 발생되는 것을 확인하였으며, 탄소섬유시트에 서 발생되는 변형률을 검토하여 탈락지점을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 탈락위치에 따라 그 영향의 정도가 차이가 발생되어 향후 다양한 변수 에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 연구는 국토교통부 건설기술연구개발사업의 연구 비지원(과제번호: 17SCIP-B128496-01)에 의해 수행 되었습니다.

    Figure

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    Fig. 2

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    Fiber Optic Sensor Embedded Carbon Fiber Sheets for Strengthening Concrete Structures

    KOSACS-9-31_F3.gif

    Design of FOS

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    Modeling

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    Analysis of Models

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    Result of Tensile Stress for Reference

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    Results of Tensile Stress for Local Delaminated Carbon Fiber Sheet

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    Installation of FOS Line

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    Full Bonded Strain

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    1/5 Point Strain

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    2/5 Point Strain

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    3/5 Point Strain

    Table

    Strength Reduction Factor of Carbon Fiber

    Material Properties

    Comparison of Result

    Reference

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