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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.6 pp.21-27
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.6.021

Fatigue Effect of the Type of Web Anchorage in RC Beams Bonded with CFRP Plate

Cui Xian1,Zhang Pei-Yun2
1Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Yanbian University, Yanji, China
2Undergraduate Student, Department of Civil Engineering, Yanbian University, Yanji, China
November 14, 2019 December 2, 2019 December 4, 2019

Abstract


In this study, to analyze the fatigue failure characteristics of Reinforced concrete beams strengthening with CFRP plates, the mechanical behaviors and failure patterns of cyclic loads were analyzed by taking the amount of reinforcement (anchoring length and width of the CFRP plates) as the experimental variables. The safety and validity of the use were evaluated. The cyclic load ranged from 10% to 70% of the ultimate load and was loaded at a frequency of 3 Hz using a sine wave as a tripartite-point loading method. Experimental results show that the smaller the reinforcement length, the greater the probability of debonding failure at the end of plate and the number of cyclic loads is also reduced. The fatigue life increased with decreasing reinforcement thickness, but the adhesion force between CFRP and concrete decreased, resulting in peeling failure at the interface and final failure. As the width of reinforcement decreases, the number of fatigue increases significantly, and the availability of reinforcement increases significantly, indicating that stability increases.



CFRP판으로 보강된 RC보의 복부정착형태에 따른 피로효과

최현1,장폐윈2
중국연변대학교 토목공학과 조교수1, 중국연변대학교 토목공학과 학부생2

초록


본 연구에서는 CFRP판으로 보강된 콘크리트 보의 피로파괴 특성을 알아보기 위하여 보강재의 정착 길이, 보강재의 정착넓이, 보강재의 정착량을 실험변수로 반복 하중에 따른 역학적 거동과 파괴형태를 분석하고 CFRP판 사용에 대한 안전성과 타당성을 평가하도록 하였다. 반복하중의 범위는 극한하중의 10~70%를 취하고 3점 재하방식으로 sine파를 이용한 3Hz의 속도로 재하 하였다. 실험결과 보강길이가 작을수록 보강재 단부에서 박리파괴가 일어날 확률이 증가하였고 반복하중의 횟수도 현저히 감소되어 안정성은 다소 감소됨을 알 수 있다. 보강두께는 감소할수록 피로수명은 증가하지만 CFRP와 콘크리트사이의 부착력 이 저하되어 경계면에서 박리파괴가 일어나 최종파괴를 이루었다. 보강넓이는 감소할수록 피로 횟수는 현저하게 증가되었고 보 강재의 이용률도 현저하게 증가되어 안정성도 증가함을 알 수 있다.



    1. 서 론

    구조물의 보강은 시설물 완공 이후 그 기능을 보전 하고 내구성을 향상하며 이용자의 안전성을 높이기 위한 목적으로 현실 여건에 맞는 경제적인 보강 재 료의 선택이 요구된다. FRP 외부부착 공법은 현재 많이 사용되고 있는 공법중 하나이다.

    국외에서는 FRP보강 콘크리트에 대한 연구가 활 발히 진행되고 있으나 이에 대한 설계기준을 제정하 여 사용하고 있는 나라는 미국, 유럽, 일본 정도로 많지 않다.

    FRP 재료로 보강된 RC 부재의 휨 거동에 관한 실험적 연구는 FRP판이나 시트를 사용한 축소 모형 시험체에서 주로 정적 실험을 통해 수행되었다. 지 진활동이 빈번한 현재 동적 거동에 대한 실험 데이 터는 많지 않은 실정이다. 특히, 최대 하중과 최소 하중의 차이가 큰 반복 하중에 대한 안전성 검토는 미흡한 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 CFRP판으로 보강된 RC보 를 제작하여 높은 반복 하중에 따른 보의 역학적 거 동과 파괴형태를 실험 연구를 통하여 파악하고자 하 였다. 실험 인자는 보강재의 정착 길이, 보강재의 보 강 두께, 보강재의 보강 넓이를 실험변수로 하여 반 복 실험을 진행하였다. 실험을 통하여 변수에 따른 피로 특성과 파괴과정을 분석함으로서 내진설계나 파괴기준에 대하여 기초자료를 제시하고자 하였다.

    2. 실험계획 및 방법

    2.1 시험체 제원

    재하 시험을 위한 하중배치와 보의 치수 및 각종 게 이지 위치는 Fig. 1과 같다.

    시험체는 콘크리트 구조설계기준에 의하여 압축부 와 인장부에 길이 방향으로 주철근(D16)을 2개씩 배 근하였고 전단 철근은 스터럽(D8)을 100mm 간격으로 배근하여 충분한 전단 저항능력을 가지게 함으로써 전단 파괴를 방지하여 반복 하중에 대한 보강효과에 대해서만 조사할 수 있도록 하였다.

    본 연구에서는 보강재의 보강효과와 파괴 메커니 즘을 알아보기 위하여 주요 변수가 착안되었고 각 실 험체의 변수는 CFRP판 보강 길이, CFRP판 보강 넓 이, CFRP판 보강 두께를 변수로 기준 시험체를 포함 하여 총 8개의 시험체를 제작하였다. 그 중 SBN은 아무런 보강도 하지 않은 기준 실험체이다. 시험체 변수에 대한 모습은 Fig. 2와 같으며 시험체 상세는 Table 1과 같다.

    2.2 실험 및 데이터 수집

    실험은 3점 재하법으로 sine파를 이용하여 재하 속도 에 큰 영향을 받지 않는 3Hz로 반복 하중을 재하 하 였다. 하중의 범위는 시험체의 정적 실험을 실시하 여 얻은 결과로부터 파괴하중 값을 기준으로 반복 하중의 범위를 결정하였다.

    피로 실험 방법은 ACI 440.3R에 제시된 방법을 참조하여 최소하중과 최대하중을 일정하게 유지하는 방법을 선택하여 실시하였다. 본 실험에서는 정적 실험을 통해서 얻은 극한 하중의 10%를 최소 하중 으로, 파괴 하중의 70%를 최대하중으로 변화시키면 서 피로 실험을 실시하였다.

    피로 실험 기준으로는 총 200만회 이상의 반복 하중 가력에 대하여 안전해야하나, 본 실험은 소형 실험체로서 파괴 증상이 나타나면 피로 재하실험을 중지하고 정적 재하실험을 진행하였다.

    정적 실험인 경우 하중 제어방식으로 0.5kN/sec의 속도로 재하하고 약 10kN마다 균열을 확인하고 표 시하였다. 하중은 Load cell을 이용하여 수집하고 시 험체의 변위를 측정하기 위하여 Fig. 1과 같이 보 중 앙에 변위계를 설치하였다. 데이터는 동적 변형률 측정기 DH3817를 이용하여 CFRP와 콘크리트 압축 부에 Strain gage를 부착하여 수집하였다.

    피로 실험 시 반복 횟수 0, 100, 500, 1000, 5000, 10000, 100000회가 될 때 반복 하중을 멈추고 정적 실험을 실시하여 보의 강도변화를 측정하였다.

    2.3 재료

    2.3.1 콘크리트

    시험체에 적용된 콘크리트는 C35, 시멘트는 42.5#(보 통 포틀랜드 시멘트), 슬럼프는 13cm, 굵은 골재 최 대치수는 25mm를 초과하지 않았다. 실험 시 측정한 공시체의 28일 평균 강도는 38.7MPa로 나타났다.

    2.3.2 철근

    시험체에 사용된 압축부와 인장부 철근은 3등급 D16 이형철근을 사용하고, 스터럽은 D8 철근을 사용하였 다. 철근의 인장 실험 결과는 Table 2와 같다.

    2.3.3 CFRP

    CFRP판은 흔히 사용되고 있는 H사에서 개발한 제품 을 사용하였으며 주요 물성치는 Table 3과 같다. 접 착제는 A사에서 생산한 Two-component bisphenol - A type modified epoxy resin을 사용하였고 인장강도 는 30MPa이상으로 나타났다.

    보강재의 충분한 접착을 위하여 콘크리트 표면은 레이탄스를 완전히 제거하고 깨끗하게 청소하였다. 접착제는 보강재 표면에 도포한 후 동일한 두께를 유지하면서 콘크리트에 부착시켰다. 접착제가 완전 히 응고되기까지 최소 7일 필요하며 10℃에서 최적 의 접착효과를 얻을 수 있다.

    3. 실험결과 및 분석

    기본 시험체의 정적 실험 결과를 토대로 최소, 최대 피로 응력범위는 정적 파괴 강도의 10~70% 취하여 실험을 진행하였다. 실험체의 최대하중 및 최대 변위 는 실험체를 가력했을 때 시험기에 측정되는 최대하 중을 실험체의 최대하중으로, 시험기가 이동한 최대 변위를 실험체의 최대변위로 설정하였고 Table 4에 실험결과를 정리하였다.

    3.1 보강재의 보강길이에 따른 영향

    SBN 시험체는 무 보강 콘크리트 보로 피로 응력범 위를 선정하기 위하여 제작하였다. Table 4에서 나타 난 바와 같이 극한하중은 146.28kN로 나타났다.

    FBLWH, FBL960, FBL480은 CFRP판 보강 길이를 달리한 시험체이다. 시험체의 반복 하중의 범위는 최소하중을 10kN으로 하고 최대 하중을 100kN으로 하여 sine파로 3H의 주기로 실험을 진행하였다.

    FBL480은 보강 길이가 가장 짧은 시험체로 초기 균열하중은 7.5kN에서 발생하였다. 이는 무 보강 시 험체보다 작은 하중에서 균열이 발생하였는데 보강 길이가 짧아 단부에서 균열이 발생하여 보강재가 박 리되었기 때문이다. Fig. 3(a)는 FBL480 시험체의 초 기 박리 모습을 보여주고 있다. 반복 하중 1회 진행 하기 전에 보강재의 탈락으로 실험을 중지하고 정적 실험을 진행하였다.

    FBL960은 보강 길이를 증가한 시험체이다. 균열 양상은 피로 실험 초기 보강재 1/3부분에서 균열이 발생하였으나 5000회 사이에 반복 하중을 받으면서 균열이 확산되어 균열 폭이 증가하였다. 약 15990회 에서는 가로 방향의 균열이 발생하여 Fig. 3(b)와 같 이 단부에서 보강재가 박리되면서 부분 부착파괴를 보여 피로 실험을 중지하고 정적 실험을 진행하였다.

    FBLWH은 보강길이를 최대로 증가한 시험체이다. 초기 균열은 무 보강 시험체보다 다소 작게 나타났는 데 이는 보강재와 콘크리트의 충분한 접착으로 균열 발생을 지연시켰기 때문이다. 피로 실험결과 충분한 접착으로 초기 균열은 현저히 줄어들었고 가로방향의 균열도 반복횟수의 증가에 따라 약 30000회에서 발생 하였고 약 48672회에서 Fig. 3(c)와 같이 보강재의 부 착파괴로 피로 실험을 중지하고 정적 실험을 진행하 였다. Fig. 4는 피로 실험을 통한 하중-처짐 곡선이다.

    Fig. 5는 피로실험을 중지 후 정적실험을 수행한 하중-처짐 관계를 나타낸 그래프이다.

    하중-처짐도에 나타난 바와 같이 아무런 보강이 없는 기준 시험체 SBN은 인장철근이 항복된 후 상 당량의 처짐을 발생시키면서 압축부 콘크리트가 파 괴되는 전형적인 인장파괴 형태를 보였다. FBLWH 는 기준 시험체와 유사한 거동을 보이다 반복 하중 의 영향으로 철근의 항복강도는 다소 감소되었으나 CFRP판 보강 영향으로 극한강도는 증가하였다. FBL960는 기준 시험체와 비슷한 거동을 보이다 보 강재의 갑작스런 박리로 하중이 감소하면서 최종파 괴를 이루었다. FBL480은 보강길이가 작은 영향으로 4.7kN 시 단부에서 보강재가 박리되었다. 박리 후 기본 시험체와 비슷한 양상을 보이다 휨 파괴로 최 종파괴를 이루었다. Fig. 6은 최종 파괴 시 모습을 보여주고 있다.

    3.2 보강재의 보강넓이에 따른 영향

    FBW40, FBW60, FBLWH은 CFRP판의 보강넓이를 달 리한 시험체이다. FBW40 시험체의 경우 반복 횟수 1000회 이후에 보강재와 콘크리트사이의 부착력 저하 가 조금씩 발생하여 처짐이 증가하였고 약 1997회에 두 가닥에서 모두 부착파괴가 발생하였다. Fig. 7(a)은 FBW40 시험체의 피로 파괴 사진이다.

    FBW60은 FBW40 시험체보다 우수한 보강성능을 보이면서 피로실험 결과 약 19730회에서 부착파괴가 발생하였다. Fig. 8은 피로 실험을 통한 FBW60 시험 체의 하중-처짐 곡선이다. FBW60 시험체는 초기에 는 FBW40 시험체와 같은 거동을 보이다 높은 반복 하중범위로 인해 FBLWH 시험체에 비해서 부분 보 강재의 박리파괴가 초기에 나타나 조기파괴가 발생 하였다. Fig. 7 (b)는 FBW60 시험체의 파괴 모습을 나타낸 것이다.

    Fig. 9는 피로파괴 발생 후 FBW 시험체에 정적 실험을 진행하여 하중-처짐 관계를 나타낸 그래프이 다. 하중-처짐도에 나타난 바와 같이 FBW40, FBW60 시험체의 초기 강성은 FBLWH 시험체보다 다소 증가 되었다. 이는 FBLWH 시험체가 FBW40, FBW60시험 체에 비해 피로 하중을 충분히 받음으로 균열의 성 장으로 강성은 상대적으로 작아졌기 때문이다. 또한 FBW40, FBW60 시험체의 항복하중도 증가하였는데 이는 보강재의 보강효과로 판단된다. Fig. 10은 최종 파괴 시 모습을 보여주고 있다.

    FBW40,FBW60,FBLWH 시험체는 서로 비슷한 거동을 보이다 보강재의 박리파괴, 철근 항복, 콘크 리트 압축부가 파괴되는 전형적인 인장파괴 형태를 보였다. 단지 접착형태에 따라 보강재 박리 시점이 상이 할 뿐이다.

    3.3 보강재의 보강두께에 따른 영향

    FBH2, FBH3, FBLWH는 보강재의 두께를 달리한 시 험체이다. 여기서 보강 두께의 증가는 보강재 보강 량의 증가를 의미한다. 시험체 FBH2는 보강두께를 2mm로 증가시킨 경우로 FBLWH 시험체와 유사한 거동을 보이다 11.8kN에서 보강재 단부에 균열이 발 생하였다. 약 63150회에서 보강재의 단부에서 박리파 괴가 일어나면서 피로 실험을 중지하였다. Fig. 11(a) 는 FBH2 시험체의 피로 파괴 사진이다.

    시험체 FBH3은 보강두께를 3mm로 증가시킨 경 우로 우수한 강성을 보이면서 약 11.9kN에서 접착부 에서 균열이 발생하였다. 반복 하중의 증가로 접착 부에서 가로 균열이 증가하면서 약 2993회에서 박리 파괴가 발생하여 피로 하중을 중지하였다. Fig. 11(b) 는 FBH3 시험체의 피로 파괴 사진이다.

    Fig. 13은 피로파괴 발생 후 FBH 시험체에 정적 실험을 진행하여 하중-처짐 관계를 나타낸 그래프이 다. 하중-처짐도에 나타난 바와 같이 FBH2, FBH3 시험체는 하중이 증가하다 보강재의 박리로 갑자기 하중을 상실하였다. FBH2 시험체는 FBH3 시험체보 다 극한 하중이 높게 나왔는데 이는 FBH3 시험체가 극한 하중에 도달하기 전에 BH2 시험체보다 먼저 계 면부착파괴가 발생하였기 때문이다. Fig. 12

    FBLWH 시험체 연성은 무보강 시험체보다 감소 되었는데 이는 피로하중을 충분히 받음으로 강성이 상대적으로 작아졌기 때문이다.

    FBW40, FBW60 시험체의 초기 강성은 무보강 시 험체보다 다소 증가하였는데 이는 보강재의 보강효 과로 판단된다. Fig. 14는 최종 파괴 시 모습을 보여 주고 있다. FBH2 시험체는 보강재의 인장파괴로 최 종파괴를 이루어 바람직 한 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    이 연구는 CFRP판으로 외부 보강한 콘크리트 보의 피로 실험을 통하여 최대 사용하중 상태에서 반복 하중에 대한 보강재의 안전성을 파악하고 피로 성능 을 평가하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있다.

    • 1) CFRP판 보강재를 이용한 콘크리트 보의 피로 실험결과 극한 하중의 10~70% 범위에서 전부 보강재의 박리파괴로 피로 하중을 중지하였 다. 시험체의 최종 파괴형태는 보강재의 부착 파괴-철근 항복-콘크리트 압축파괴로 최종파괴 를 이루었다.

    • 2) CFRP판 보강재의 보강길이를 달리한 콘크리트 보의 피로 실험 결과 보강재의 보강 길이를 증 가할수록 피로수명과 연성지수도 증가하였다.

    • 3) CFRP판 보강재의 보강넓이를 달리한 콘크리 트 보의 피로 실험 결과 보강 넓이를 증가할 수록 보강 량의 증가로 초기 강성이나 극한 하중도 증가하였다.

    • 4) CFRP판 보강재의 보강 두께를 달리한 콘크리 트 보의 피로 실험 결과 보강 량의 증가로 초 기강성은 증가하나 피로수명은 감소되었다. 따라서 적정한 보강량의 선정이 필요하다.

    Figure

    KOSACS-10-6-21_F1.gif
    Dimensions of specimen
    KOSACS-10-6-21_F2.gif
    Dimensions of specimen
    KOSACS-10-6-21_F3.gif
    FBL Fatigue failure
    KOSACS-10-6-21_F4.gif
    L-D curves with the number of cycles(FBLWH)
    KOSACS-10-6-21_F5.gif
    L-D curves with different length reinforcement
    KOSACS-10-6-21_F6.gif
    FBL Final static failure
    KOSACS-10-6-21_F7.gif
    FBW Fatigue failure
    KOSACS-10-6-21_F8.gif
    L-D curves with the number of cycles (FBW60)
    KOSACS-10-6-21_F9.gif
    L-D curves with different width reinforcement
    KOSACS-10-6-21_F10.gif
    FBW Final static failure
    KOSACS-10-6-21_F11.gif
    FBH Fatigue failure
    KOSACS-10-6-21_F12.gif
    L-D curves with the number of cycles (FBH3)
    KOSACS-10-6-21_F13.gif
    L-D curves with different thickness reinforcement
    KOSACS-10-6-21_F14.gif
    FBH Final static failure

    Table

    Experimental parameters
    Test results of tensile strength of rebar
    CFRP plate specification
    Summary of test results

    Reference

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