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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.43-49
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.043

An Experimental Study on the Behavior of Real Size Curved FRP Panel Using Composite Materials

Hee Beom Park1, Jong-Sup Park2, Jae-Yoon Kang2, Woo-Tai Jung3
1Researcher, 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: Jung, Woo-Tai Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea. +82-31-910-0580, +82-31-910-0121, woody@kict.re.kr
May 18, 2018 June 7, 2018 June 18, 2018

Abstract


FRP is a new material that has light, high strength and high durability characteristics and is emerging as a third construction material in and out of countries. However, very few studies have been done on curved FRP construction materials that can be used for tunnels or arched bridges. In particular, many joints are required for the application of curved panels to the open cut tunnel. Experimental data on the performance of the joint is required due to insufficient design criteria. The purpose of this study is to analyze the structural performance of real size, composite materials curved panels. To achieve this goal, curved panels were constructed and bending performance was tested. A numerical analysis was also performed and compared with the results of the test. The results of the test showed that the average load was 757.6 kN and the average displacement of bottom was measured at 53.12 mm. Compression stress on the upper flange and tensile stress on the lower flange were within acceptable limits of 50% of the allowable stress.



복합소재를 활용한 곡면 패널 실대형 실험체의 구조 성능 평가

박 희범1, 박 종섭2, 강 재윤2, 정 우태3
1한국건설기술연구원 신진연구원, 공학박사
2한국건설기술연구원 연구위원, 공학박사
3한국건설기술연구원 수석연구원, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17SCIPB128496-01

    1 서 론

    현재까지 대부분의 구조물 건설에서는 전통적인 건설 재료인 강재와 콘크리트가 가장 일반적이고 보편적인 재료로 사용되어 왔다. 강재는 장기간 습윤환경에 노 출될 경우 별도의 부식방지 대책을 적용하지 않는 한 내구성이 저하되며 무거운 자중으로 인하여 시공성이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한 철근콘크리트는 각종 주변 환경에 의해 심하게 열화되며 철근이 부식 되어 구조적인 안전성에 문제가 발생하게 된다.

    이러한 기존건설재료의 대체재료 개발요구가 증가 되고 있으며 저탄소 녹색성장을 위한 친환경 재료개 발의 필요성과 구조물의 고품질화 및 시공성 개선의 필요성이 증가하고 있는 실정이다(Benjamin T, 1998; Burningham E. A., 2011; Cosenza E. et al., 1997; Park J.S. et al., 2017). 이에 따라 복합소재는 내부식⋅ 고내구성 특성으로 기존의 건설재료인 콘크리트 열화 나 강재의 부식문제를 근본적으로 해결할 수 있으며 경량성으로 인해 공기 단축, 유지관리 및 공사비 절감 이 가능한 기존 건설재료의 대안으로 제시되고 있다.

    구조물의 장수명화에 대한 관심이 증가하면서 내 부식, 고내구성이 뛰어난 재료적 특성으로 인해 유지 관리비용이 현저히 절감되는 FRP를 건설구조물에 활 용하기 위한 연구가 다방면에서 시도되고 있다(Kim, 1995; Luc R. T. & Stikn M., 1999; L.C. Hollaway, 2010).

    그러나 아직까지 터널이나 아치형 교량 등에 활용 가능한 곡면형 FRP 건설자재에 대한 연구는 거의 이 루어지지 않고 있으며 현재까지 곡면 구조재에 대한 연구는 프리캐스트 콘크리트에 대한 연구가 주를 이 루고 있는 실정이다.

    특히 구조부재 중 하나인 개착터널에 곡면패널을 적용하기 위해서는 Fig. 1과 같이 다수의 연결부가 존재하며, 설계기준 미비로 인하여 연결부 성능에 대 한 실험데이터가 필요한 실정이다. 시공에 있어서 안 전성 확보에 대한 성능데이터가 필요하며, 다양한 연 결부의 실험 데이터뿐만 아니라, 실대형 크기의 거동 분석도 필요한 상황이다.

    본 연구의 목적은 곡면인발성형을 통해 생산된 실 대형 FRP 곡면패널의 구조적 성능을 분석하는 것이 다. 이를 위해 실대형 FRP 곡면패널을 제작하고 다양 한 조건에서 휨 부재 성능실험을 수행하였다. 또한 구 조해석을 통해 실험결과와 비교 분석을 수행하였다. 본 논문에서는 이러한 연구 내용 및 결과에 대해서 상세히 기술하였다.

    2 복합소재 실대형 곡면패널의 구조거동 분석을 위한 실험

    2.1 개요

    복합소재 패널을 활용하기 위해서는 실대형 실험을 통해서 구조적 성능검증이 이루어져야한다. 본 연구에 서 대상으로 하는 복합소재 패널은 곡선을 가지는 부 재로서 터널 등의 구조물에 가장 많이 사용되는 아치 형 부재이다. 실험에 사용된 곡면패널은 Fig. 2에 나 타낸 바와 같이 자동화 제작장치를 통해 생산되었다. Fig. 2(a)는 복합소재 패널의 형상을 제작하는 중공형 금형의 상세를 나타내고 있으며, Fig. 2(b)에서는 수 지에 함침된 강화섬유가 금형을 통과하여 연속적으로 경화된 상태로 생산되어 곡면을 가지도록 일정한 속 도로 인발하는 모습을 보여주고 있다. Fig. 2(c)에서 는 인발장치를 통해 연속적으로 배출되는 복합소재 곡면패널의 커팅장치의 모습을 보여주고 있다. 곡면패 널 제조 장치를 통해 성형공정을 모두 마치고 생산되 어진 제품은 Fig. 2(d)에 나타내었다.

    아치형 복합소재 패널은 현장에서 광범위하게 사 용되지만 아치형 부재가 주로 사용되는 구조형식인 휨 부재의 실험조건에서 대하여 성능실험을 수행하였 다. 복합소재 패널 실대형 실험은 현장에 실제로 적용 되는 반경을 가진 아치형 부재로써 횡방향으로 2개의 부재를 결합하여 실험을 수행하고 그 결과를 분석하 였다.

    실험체의 제원은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 외부 곡면길이가 5 m, 폭은 약 900 mm이고 2개의 부재가 축방향 암, 수 연결부로 결합된 실험체이며 2개를 제 작하여 휨 성능 실험을 수행하였다. 또한 복합소재 패 널 내부를 콘크리트로 충전하는 중실형으로 제작하였 다. 1/2 크기의 축소형 실험체로 실험한 결과 콘크리 트를 충전한 중실형 실험체가 콘크리트를 충전하지 않은 중공형 실험체에 비해 휨강도가 2배 이상 크게 나타났기 때문에 실대형 실험체에서도 중실형으로 제 작하였다.

    충전하는 콘크리트의 압축강도는 보통콘크리트 강 도인 24 MPa을 사용하였다. 실험체 타설시 함께 제 작한 압축 공시체를 본 실험 기간 중 압축강도 실험 을 수행하였다. 양생일로부터 33일 경과된 평균 압축 강도는 23.3 MPa, 40일 경과된 압축강도는 평균 24.9 MPa로 나타났으며, 44일 경과된 평균 압축강도는 25.1 MPa로 나타나 기간증가에 따라 압축강도도 조 금씩 증가하는 것으로 나타났다. 3주에 걸친 공시체의 평균 압축강도는 24.43 MPa로 설계상의 24 MPa인 101.8% 수준으로 나타났다. 또한 본 연구에서 사용된 FRP의 역학적 특성은 Table 1에 나타내었다.

    2.2 계측 방법 및 센서 설치

    5 m 길이의 복합소재 패널 실대형 실험체의 하중단 계별 변위를 측정하기 위한 계측센서 설치 위치는 Fig. 4와 같다. 실험체 중앙 하부에 수직방향으로 DT-2를 설치하였고 중앙단면에서 260 mm 위치에 DT-1, 230 mm 위치에 DT-3를 수직방향으로 설치 하여 수직변위를 계측하였다.

    변형률을 측정하기 위한 계측센서 설치 위치는 Fig. 5와 같다. 실험체의 상단에 길이방향으로 1/4, 1/2, 3/4 지점에 변형률 게이지를 총 9개 설치하였고 단면에는 시편접합부, 시편1 중앙, 시편2 중앙에 3개 씩 설치하였다. 축방향 변형률을 측정하기 위한 변형 률 게이지는 중앙부와 3/4 지점에의 시편접합부, 시편 1 중앙, 시편2 중앙에 각 3개씩 설치하여 총 6개의 축방향 게이지를 설치하였다. 실험체의 하부는 상부와 동일한 위치에 게이지를 설치하였다.

    복합소재 패널 실대형 실험체의 경우는 2개의 패 널 부재가 결합된 형태이다. 따라서 이 연결부의 벌어 짐을 측정하기 위하여 균열 게이지를 설치하였다. 균 열게이지의 설치위치는 Fig. 6과 같다. Fig. 7에서는 실대형 실험체의 게이지 설치 전경을 나타냈다.

    GFRP 곡면패널 성능실험은 하중용량 2,000 kN, 스트로크 300 mm 엑츄에이터 1기를 이용하여 수직하 중을 재하하였고, 하중용량 1,000 kN, 스트로크 300 mm 엑츄에이터 2기로 양측 단부를 횡방향 구속하여 정적실험을 수행하였다. GFRP 곡면패널 성능실험은 Fig. 8에서 보는 바와 같이 1,400 mm 간격으로 4점 재하를 수행하였다. 재하 장비와 실험체간의 유격을 없애기 위해 양측 횡방향에는 2 kN, 동시에 수직방향 에는 5 kN의 초기하중을 가력하였다. 하중재하는 양 측횡방향 엑츄에이터는 변위고정 조건을 유지하고 수 직 엑츄에이터를 1 mm/min의 속도로 변위제어하여 하중을 가력하였다. 복합소재 곡면패널 실험체의 휨 거동 실험 전경은 Fig. 9에 나타낸 바와 같다.

    3 실험 결과

    Fig. 10에서는 하중-변위 곡선을 나타내었다. 실험체-1 의 최대하중은 764.8 kN으로 나타났으며 최대하중시 하부에 설치된 변위계의 최대변위는 59.80 mm로 나 타났다. 실험체-2의 최대하중은 750.3 kN으로 나타났 으며 최대하중시 최대변위는 47.72 mm로 나타났다.

    Fig. 11에서는 실험체 파괴형상을 나타내었다. 실 험체 파괴양상은 로드셀 용량문제로 실험체 파괴시까 지 실험을 수행하지 못하였기에 외관상 큰 변화가 없 었다. Fig. 10(a)에서 볼 수 있듯이 실험체-1에서는 중앙 상하부 변단면부에서 약간의 균열이 발생하였고, 단부 FRP 콘크리트와의 미세한 분리가 관찰되었다. 실험체-2의 파괴양상은 Fig. 10(b)에 나타냈으며 단부 의 우측 상하면 일부 FRP와 내부 콘크리트가 분리된 것으로 판단된다.

    Fig. 12에서는 하중 재하에 따른 연결부의 벌어짐 을 측정하여 나타내었다. 균열게이지는 실험체 중앙하 부 연결부에 설치하였다. 실험체-1의 경우 최대하중 764.8 kN시 약 0.12 mm의 미세한 벌어짐이 측정되어 두 부재의 연결특성이 양호한 것으로 판단된다. 실험 체-2에서는 최대하중 750.3 kN시 약 0.7 mm의 미세 한 벌어짐이 측정되었다. 두 실험체의 연결부의 벌어 짐은 어느정도 차이가 발생하였으나 그 값이 미소하 기 때문에 두 실험체의 연결특성은 양호한 것으로 판 단된다.

    실험 요약결과는 Table 2와 같다. 실험결과 실험 체 2개의 평균 하중은 757.6 kN로 나타났고 중앙 하 부 단면에 설치한 평균 변위는 53.12 mm로 나타났다. 2개의 실험체 모두 재하실험은 로드셀 용량문제로 실 험체 파괴시까지 실험을 수행하지 못하였기에 실험 종료후 외관상 큰 변화가 없으며 관찰결과, 단부의 상 하면 일부에서 GFRP와 내부 콘크리트 분리에 의한 파괴로 분석된다.

    3 유한요소해석

    3.1 개 요

    구조해석은 대상실험체인 복합소재 패널의 휨 해석을 통하여 구조 성능검토뿐만 아니라 실험으로 도출된 하중 작용시에 대한 해석결과를 실험을 통해 획득한 측정값과 비교하여 복합소재 패널의 실 거동상태 파 악 및 파괴거동을 분석하였다.

    3.2 해석 모델링

    복합소재 바닥판 시작품의 구조해석을 위하여 수치해 석 프로그램은 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS/ CIVIL LSD(2013)를 활용하여 구조해석을 실시하였 다. 구조해석 모델은 Fig. 13에 나타낸 바와 같이 폭 900 mm, 지점간거리 5,000 mm, 패널 높이 200 mm 로 실대형 실험체와 동일한 조건으로 모델링하였으며, 패널 단면은 사각단면 2개로 형성된 단면을 병렬접합 단면으로 하였다. 복합소재 패널의 구속조건은 힌지- 롤러와 롤러부에 수평하중을 작용시켜 수평변위를 구 속시킨 2개의 조건으로 단순 지지하여 구조해석을 실 시하였다. 복합소재 패널의 하중재하는 실험체 실험결 과의 최대재하 하중의 평균값인 757.6 kN을 2지점 선 하중으로 분할 재하 하였고, 수평하중은 800 kN을 적 용시켰다.

    3.3 해석 결과

    실험결과의 해석적 검증을 위해 복합소재 패널의 성 능실험과 최대한 같은 조건으로 유한요소해석을 실시 하여 실험결과와 비교하였다. 해석결과는 Fig. 14에 나타내었으며 실험체-2의 실험결과와 비교 분석하였 다. Fig. 15에서 볼 수 있듯이 하중-변위 조건과 1/2 지점에 설치한 게이지의 변형률에 대하여 비교 분석 을 수행하였다. Fig. 15(a)에서는 하중 757.6 kN이 재 하되었을 때 실험결과와 해석결과의 하중-변위 비교 결과와 상부, 하부에 위치한 변형율 게이지와 동일 위 치의 응력-변형률 비교 결과를 나타내었다. 해석결과 힌지-롤러의 구속조건에 수평하중 800 kN으로 변위 를 구속한 경우 실험결과와 유사한 해석결과를 나타 내었다.

    재하실험 및 수치해석결과 최대 재하하중 조건에 서 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 발생하는 변형율은 Table 3과 같다. 상부 플랜지에 발생하는 압축응력은 재하실험 결과 41 MPa, 수치해석 결과 34.2 MPa로 약 19% 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 하부 플랜지에 발생하는 인장응력은 재하실험 결과 37.0 MPa, 수치해석 결과 32.8 MPa로 약 12% 차이가 발 생하는 것으로 나타났다. 이러한 오차는 재하실험시 단부에서의 슬립을 제어하기 위해 횡방향 구속을 수 행하였는데 이러한 조건들이 해석상에서 정확하게 모 사되지 못했기 때문에 발생한 것으로 판단된다. Table 4

    국외에서는 FRP 부재의 허용응력계산을 위한 안 전계수로 3.0∼5.0을 토목구조물에 적용하고 있다 (ACI, 2008). 본 연구에서는 안전계수 4.0을 기준으로 곡면 FRP 부재 상부플랜지 및 하부플랜지의 허용응 력을 계산하였다. 그 결과 재하실험과 수치해석을 통 해 계산된 상부 플랜지에 발생하는 압축응력과 하부 플랜지에 발생하는 인장응력은 허용응력의 약 50% 정도로 허용 범위 이내임을 확인하였다.

    4 결 론

    본 연구에서는 실대형 복합소재 곡면패널의 구조적 성능을 분석하는 것이다. 이를 위해 실대형 FRP 곡면 패널을 제작하고 다양한 조건에서 휨 부재 성능실험 을 수행하였다. 또한 구조해석을 통해 실험결과와 비 교 분석을 수행하였다. 본 연구를 수행하여 도출한 결 론을 요약하면 다음과 같다.

    • 1) 실대형 실험결과 실대형 실험체 2개의 평균 하 중은 757.6 kN로 나타났고 중앙 하부 단면에 설치한 평균 변위는 53.12 mm로 확인하였다. 2개의 실험체 모두 재하실험은 로드셀 용량문제로 실험체 파괴시까 지 실험을 수행하지 못하였기에 실험 종료후 외관상 큰 변화가 없으며 관찰결과 상하면 일부에서 GFRP와 내부 콘크리트 분리에 의한 파괴로 판단된다.

    • 2) 유한요소해석 결과 힌지-롤러의 구속조건에 수 평하중 800 kN으로 변위를 구속한 경우 실험결과와 가장 유사한 해석결과를 나타내었다. 하지만 상부 플 랜지에 발생하는 압축응력은 재하실험 결과와 수치해 석 결과가 약 19% 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 하부 플랜지에 발생하는 인장응력은 재하실험 결과와 수치해석 결과가 약 12% 차이가 발생하는 것 으로 나타났다. 이러한 오차는 재하실험시 단부에서의 슬립을 제어하기 위해 횡방향 구속을 수행하였는데 이러한 조건들이 해석상에서 정확하게 모사되지 못했 기 때문에 발생한 것으로 판단된다.

    • 3) 안전계수 4.0을 기준으로 곡면 FRP 부재 상부 플랜지 및 하부플랜지의 허용응력을 계산하였다. 그 결과 재하실험과 수치해석을 통해 계산된 상부 플랜 지에 발생하는 압축응력과 하부플랜지에 발생하는 인 장응력은 허용응력의 약 50% 정도로 허용 범위 이내 임을 확인하였다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (17SCIPB128496- 01) from Smart Civil Infrastructure Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government

    Figure

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    Construction of open cut tunnel

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    Manufacturing of curved pannel

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    GFRP panel dimensions (unit: mm)

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    Installation of LVDT

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    Installation of strain gauges

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    Installation of crack gauges

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    Installation of gauges at GFRP panel

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    Loading test setup

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    Loading test

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    Load-displacement curve

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    Fracture mode

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    Joint width

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    FEM model

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    Result of FEM

    KOSACS-9-43_F15.gif

    Comparison of test and FEM results

    Table

    Characteristics of GFRP

    Test results

    Comparison of test and analysis results

    Comparison of induced stress and allowable stress

    Reference

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