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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.2 pp.15-23
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.2.015

Effect of Partial Delamination of CFRP Sheet on the Load Capacity of RC Beam

Won-Bo Shim1, Ki-Nam Hong2, Yeong-Mo Yeon3, Kyu-San Jung4
1Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
4Senior Reseacher, Sustainable Infrastructure Research Center, KICT, Goyang, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hong, Ki-Nam Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Chungdae-ro 1, Cheongju, Chungbuk, Korea Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-275-2377 E-mail: hong@Chungbuk.ac.kr
February 5, 2020 March 5, 2020 March 5, 2020

Abstract


This paper reports the experimental and analytical results to investigate the effect of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheet delamination on the load capacity of reinforced concrete beams strengthened with CFRP sheets in flexure. As an experimental study, flexural failure tests were performed on specimens by considering the unbonded level and position of the CFRP sheet as experimental variables. For specimens with an unbonded section in the center, the maximum load and the stiffness did not decrease despite the increase in the unbonded section. However, for specimens with the unbonded section at the end, the maximum load and stiffness decreased significantly as the unbonded section increased. This could be because of the premature peeling of the CFRP sheet after the yielding of the rebar because of the lack of anchorage due to the small bond length of the CFRP sheet. The comparison between the results of this study and the prediction results using the existing proposed bond strength model showed that the existing bond strength models predicted the load capacity of the center unbonded specimens more accurately than the end unbonded specimens.



CFRP 쉬트의 부분적 박락이 RC 보의 내하력에 미치는 영향

심 원보1, 홍 기남2, 연 영모3, 정 규산4
1충북대학교 토목공학과 박사수료
2충북대학교 토목공학과 교수
3충북대학교 토목공학과 박사과정
4한국건설기술연구원 노후인프라센터 수석연구원

초록


본 논문은 CFRP 쉬트로 휨 보강된 철근콘크리트 보에서 보강재의 탈락이 구조물에 미치는 영향을 파악하기 위한 실 험적 그리고 해석적 연구결과를 보고한다. 실험적 연구로 CFRP 시트의 비부착 수준 및 위치를 실험변수로 고려한 실험체들에 대한 휨파괴 실험이 수행되었다. 중앙부에 비부착구간을 갖는 실험체의 경우 비부착구간의 증가에도 불구하고 최대하중 및 강 성의 변화는 크게 감소하지 않았다. 단부에 비부착 구간을 갖는 실험체의 경우 비부착 구간이 증가할수록 최대하중 및 강성이 크게 감소하였다. 이것은 보강재의 작은 보강길이로 인한 정착력의 부족으로 인해 철근의 항복 이후 보강재가 조기 박리되었기 때문으로 판단된다. 본 연구의 결과와 기존 제안된 부착강도 모델을 이용한 예측 결과의 비교를 통해 기존 부착강도 모델들은 단부 비부착 실험체들보다 중앙 비부착 실험체들의 내하력을 더 정확하게 예측하는 것으로 나타났다



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

    1. 서 론

    국내 기반시설들은 대부분 철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC)를 사용한 구조물이며, 현재 노후화가 상당히 진전되어 본래의 기능을 발휘하는데 한계를 드러내고 있다(Park et al., 2017;Lee et al., 2019). 이 러한 노후 철근콘크리트 구조물의 보수⋅보강에는 경제적이고 단기간 내에 수행이 가능한 탄소섬유 (CFRP)보강 공법이 많이 사용되고 있다. CFRP 보강 공법 중 CFRP를 쉬트(sheet) 형태로 가공하여 내하 력 증진이 필요한 콘크리트 구조물의 외부에 부착하 는 CFRP쉬트보강 공법은, 굴곡부와 같은 복잡한 구 조물의 보강에도 용이하며 시공에 많은 기술과 장비 를 필요로 하지 않아 현재 가장 보편적인 보강 공법 으로 알려져 있다. 또한 교량과 같은 대형 구조물에 도 연속적인 보강이 가능하고, 기존에 발생된 콘크 리트 균열의 구속을 통하여 노후 구조물의 내구성 증진에 기여할 수 있다. 이러한 CFRP쉬트보강 공법 은 CFRP쉬트와 콘크리트 부재가 완전히 일체화되어 야 높은 보강효과를 기대할 수 있다. 그러나 구조물 의 사용 중 내⋅외부적 요인에 의하여 보강재의 갑 작스런 탈락이 발생하고 점진적으로 발전될 수 있어 부착상태에 대한 조사가 필요하다(Kim et al., 2012).그러나 보강재의 부착유무를 육안으로 확인하기 어 려워 탈락 부위를 찾아내기 위해서는 주기적인 인력 점검이 수행되어야 한다(Kim et al., 2018). 또한 점검 후에도 인력의 한계로 인하여 탐지되지 못한 비부착 구간이 보강면 전체에 산재되어 있을 가능성이 높 다. 이러한 비부착구간의 존재는 보강성능의 저하뿐 만 아니라 구조적인 문제를 야기할 수 있다. 따라서 보강재의 탈락 위치 및 수준에 따른 구조물의 내하 력을 예측하여 구조물의 유지관리에 반영해야 한다. 그러나 보강재의 탈락이 구조물의 내하력에 미치는 영향에 관한 평가방법이 아직 보고되지 않은 실정이 다. 특히 구조물로부터 보강재가 탈락되어 발생하 는 비부착 구간을 구조물에 모사하여 실험적으로 거동특성을 규명한 사례는 현재까지 보고되지 않고 있다.

    따라서 본 연구에서는 보강된 CFRP쉬트의 부분 적 박락이 구조물에 미치는 영향을 파악하기 위하여 CFRP쉬트의 비부착을 모사한 콘크리트 보의 정적 4 점 휨실험을 실시하였다. 그리고 결과의 분석을 통 하여 비부착 구간을 갖는 구조물의 거동특성을 규명 하고자 한다.

    2. 실험 계획 및 방법

    2.1 실험 변수 및 실험체 제작

    본 연구에서는 CFRP쉬트로 휨 보강한 철근콘크리트 보의 보강면에 발생한 비부착 구간이 구조물에 미치 는 영향을 파악하기 위하여 Table 1에 나타낸 바와 같이 비부착 구간의 유무 및 수준, 위치 등을 변수 로 하여 실험체에 휨보강을 실시하고, 정적 4점 휨 재하 실험을 수행하였다. 실험체는 비부착 구간의 다양한 형태 및 크기에 따른 거동특성을 관찰하여야 하므로 최대한 많은 변수의 설정이 가능하도록 폭이 넓은 슬래브 형태의 실험체로 하였다. 실험체는 총 11개를 제작하였으며 크기는 폭 500mm, 높이 200mm, 길이 3,400mm, 순경간 3,000mm이다. 인장철근은 SD400의 D16철근 5개를 사용하였고, 조립철근 및 전단스트럽은 SD400의 D10 철근을 사용하여 100mm 간격으로 배근하였다. 피복두께는 30mm로 하였다. 콘크리트는 타설 3일 후 거푸집을 탈형 하였고 약 28일간 습윤양생 하였다. 양생 후 보강면을 정리하 고 레이턴스를 제거하였다. CFRP쉬트의 보강을 위 한 에폭시 수지의 부착력을 높이기 위하여 보강면에 프라이머를 도포 하였다. 프라이머의 경화 후 비부 착 구간을 모사하기 위하여 Fig. 1과 같이 비닐을 양 면테이프로 부착하였다. 실험체에 적용된 비부착 구 간의 상세 위치는 Table 2와 같다. CFRP쉬트의 보강 은 순경간 내의 모든 인장부에 실시 되었다. CFRP 쉬트의 폭은 실험체와 동일하며 보강길이는 지점에 간섭이 없도록 2700mm로 하였다. 보강 겹수는 실험 체의 내하력 및 접착제의 부착강도를 고려하여 기준 실험체(Control)를 제외한 모든 실험체에 2겹으로 보 강하였다. Fig. 2는 실험체의 제원이며 실험체의 제 작에 사용된 콘크리트 및 CFRP의 기본 재료특성은 Table 3과 같다.

    2.2 가력 및 데이터 측정 방법

    실험체의 4점 휨 실험을 수행하기 위하여 2,000kN 용 량의 Actuator를 사용하였으며, 변위제어를 이용하여 1.5mm/min의 속도로 가력 하였다. 가력 이후 CFRP 보 강재의 탈락 또는 박리, 콘크리트 압축부 파괴 등으 로 인한 하중감소가 극한하중의 80% 이하로 내려간 시점을 실험의 종료 시점으로 하였다. 하중 재하시 실험체의 처짐량을 계측하기 위하여 실험체 하단 중 앙에 2개의 변위계를 설치하였다. 또한 실험체의 양 쪽 단부 부근 CFRP의 조기 탈락 또는 처짐을 모니 터링하기 위하여 양단부에서 450mm 떨어진 곳에 변 위계를 설치하였다. Fig. 3은 실험 전경이다. 하중 재하시 실험체의 변형률을 계측하기 위하여 실험체 의 제작 단계에서 인장철근에 3개, 압축부 조립 철 근에 2개의 변형률 게이지를 부착하였다. 또한 압축 부 콘크리트의 변형률을 계측하기 위하여 실험전 콘 크리트 변형률 게이지를 실험체의 중앙부 상단에 1 개 부착하였다. 하중 재하시 부착된 보강재의 변형 률을 계측하기 위하여 CFRP 중앙부에 변형률 게이 지를 부착하였다. 가력 하중과 측정된 처짐, 변형률 값은 모두 데이터 로거(Data logger)를 이용하여 저장 되었다.

    3. 실험 결과 및 분석

    3.1 균열 및 파괴 양상

    실험 종료 후 실험체의 균열 및 파괴 양상을 관찰 하였다. 보강하지 않은 C-0 실험체는 일반적인 휨 파괴(Flexural Failure) 양상을 보였다. 전체보강 실험 체인 A-100과 중앙부에 비부착구간이 있는 M-50, M-40, M-30, M-20, M-20 실험체는 CFRP의 부착력 부족에 의한 계면박리(Interface Debonding) 양상을 보였다. 실험체의 양쪽 단부에 비부착 구간이 있는 E-60, E-50, E-40, E-30 실험체들은 CFRP 쉬트 단부 부근의 모체에서부터 사인장 균열이 진전되어 인장 철근 아래의 콘크리트 피복이 박리되는 박리파괴 (Cover Delamination)가 발생하였다. 이러한 박리파 괴는 보강재의 길이가 짧은 경우에 많이 발생한다. 그 이유는 CFRP 단부에서 응력집중이 발생하여 보 강재 근처의 인장철근 부근에서 균열이 크게 발생 하고 경간 중앙으로 진행되기 때문으로 보고되고 있다(Park, 2018). Fig. 4는 실험체의 대표적인 파괴 양상이다.

    3.2 균열하중 및 극한하중

    하중 재하 실험의 결과를 Table 4에 나타내었으며, 각 변수별 초기균열하중 및 최대하중을 비교하여 Figs. 56에 나타내었다. 중앙 비부착 실험체의 경 우 초기균열 하중은 M-50 시험체를 제외한 모든 시 험체에서 기준 실험체보다 약 6∼30% 감소하였다. 그러나 최대하중에서는 모든 실험체에서 약 15∼30% 이상 증가하여 최대하중에 미치는 영향이 크지 않았 다. 양단 비부착 실험체의 경우 초기균열하중은 약 20% 이상 증가하였으나 최대하중은 비부착구간의 크 기에 비례하여 감소하였다. 특히 E-40과 E-30은 하중 증가율이 약 2∼5%에 그쳐 사실상 보강 효과가 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 중앙에 보강재가 탈락 될 경우 빠른 초기균열의 발생이 예상되나 구조물의 사용하중 단계에서는 큰 문제가 없을 것으로 판단된 다. 하지만 장기적으로 볼 때 콘크리트의 빠른 균열은 침수 등으로 인한 내구성에 문제가 될 수 있으므로 주의가 필요할 것으로 판단 된다. 단부 보강재의 탈락 이 발생될 경우 보강재의 탈락 크기에 비례하여 보강 효과가 저하되므로 주의해야 할 것으로 판단된다.

    3.3 비부착 위치에 따른 영향

    Fig. 7은 중앙부 비부착 실험체의 하중-처짐 곡선이 며 Fig. 8은 중앙부 비부착 실험체의 하중-CFRP변형 률 곡선이다. 실험결과 중앙부에 위치한 비부착 구 간의 증가에 따라 강성 및 최대하중이 하락하였다. 또한 비부착 면적이 커짐에 따라 실험체에 부착되지 않은 중앙부 CFRP의 변형이 증가하여 동일하중 대 비 큰 변형률을 보였다. 이것은 비부착 면적이 커짐 에 따라 콘크리트와 보강재 사이의 접촉면적이 감소 하여 계면 응력이 상승하였기 때문으로 판단된다. Fig. 9는 단부 비부착 실험체의 하중-처짐 곡선이다. E-60의 경우 전체보강 실험체인 A-100과 비교하여 유사한 강성과 최대하중을 보였다. 그러나 그 이외 의 실험체들은 비부착 구간이 클수록 최대하중이 감 소하였으며 이것은 CFRP의 부착 길이의 확보가 어 려워 충분한 보강효과를 발휘하지 못한 것으로 판단 된다. E-40 및 E-30의 경우 기준 실험체인 C-0과 유 사한 하중-처짐 경향을 나타내어 보강 효과가 거의 없었다. 이러한 부착길이 부족에 따른 하중감소 현 상은 Fig. 10의 하중-CFRP변형률 곡선에서 원인을 찾아볼 수 있다. 최대하중의 증가율이 높은 A-100 및 E-60은 초기 콘크리트 균열 이후 CFRP와 철근이 함께 하중을 부담하여 선형적인 휨 거동을 보였다. 그 이후 철근이 항복하며 CFRP가 부담하는 하중이 급격하게 증가하였고 이에 따라 변형률이 상승하였 다. 그러나 E-50, E-40, E-30의 경우 철근의 항복 이 전 CFRP가 조기에 박리되어 CFRP의 하중 부담 구 간이 나타나지 않았다. 따라서 보강재의 탈락으로 인하여 보강재의 부착길이가 충분히 확보되지 못하 는 경우 철근의 항복 이후에 필요한 보강재의 하중 부담 단계가 발생하지 않아 보강 효과를 기대할 수 없는 것으로 판단된다.

    3.4 부착강도 모델

    부착강도모델이란 CFRP쉬트 등의 보강재료로 휨보 강한 콘크리트구조물의 파괴시점을 보강재나 콘크리 트의 자체인장파괴시점 또는 경계면의 박리파괴가 진행되어 보강재료가 보강구조물로부터 박리되는 시 점으로 간주하고, 이 시점에서 보강재료에 작용하는 축방향 하중 또는 수직응력 등의 최대값으로 정의되 는 경계면 거동모델이다(Kang, 2006). CFRP쉬트를 사용하여 콘크리트 구조물을 보강하는 경우 경계면 을 따라 발생하는 파괴모드가 매우 취성적임이 알려 져 있기 때문에 파괴시점을 예측하는 것을 목적으로 하는 부착강도 모델들이 과거 30년간 여러 가지의 형태로 제안되었다. 본 연구에서는 선행 연구자들이 제안한 부착강도 모델을 이용하여 실험체의 부착강 도를 예측하고, 실제 실험 결과와 비교하여 기존 부 착강도 모델이 비부착구간을 갖는 CFRP쉬트 보강 RC보의 거동 예측에 적용될 수 있는지 평가하였다. Table 5는 본 연구에 적용된 부착강도 모델이다. 부 착강도 모델의 적용 가능성을 평가하기 위하여 먼저 기존 부착강도 모델들을 이용하여 각각의 실험체들 의 부착강도(Pu)를 도출하였다.

    이후 도출된 각 모델별 부착강도를 적용하여 각 실험체의 최대 휨모멘트(MP)를 계산하였고, 실험적으 로 산정된 실험체의 최대 휨모멘트(MT)와 비교하였 다. Table 6은 모델식을 이용하여 계산된 부착강도를 나타내며, Table 7은 계산된 부착강도를 이용하여 예 측된 최대 휨모멘트와 실제 실험결과의 비교이다. 비 교결과 실제 실험결과에서는 부착 길이가 감소함에 따라서 최대 휨모멘트가 감소하였으나, 부착강도 모 델을 이용하여 도출된 부착강도 및 최대 휨모멘트는 부착길이나 위치에 상관없이 모든 실험체에서 동일 한 값으로 예측되었다. 이것은 부착강도 모델의 주요 영향인자인 유효부착길이 Le가 모두 동일하기 때문이 며, 이에 따라 CFRP쉬트의 부착길이가 유효부착길이 이상이면 모두 동일한 부착강도로 도출되었다. Figs. 1112는 비부착 위치에 따른 실험결과와 예측결과 의 비교이다. 비교결과 중앙 비부착 실험체들은 각 변수별 실험값과 예측값의 편차가 약 10% 내외였으 며 비교적 안전측으로 잘 예측되었다. 반면에 단부에 비부착구간을 갖는 실험체들은 부착길이가 짧아짐에 따라서 크게는 약 20%의 편차를 보이며 위험측으로 예측되었다. 이러한 예측결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 실험결과를 일반화하고 평균과 표준편차, 변 동계수를 계산하여 Table 8에 나타내었다. 실험결과 의 표준편차 및 변동계수의 분석 결과 단부비부착 실험체들이 중앙비부착 실험체들보다 표준편차 및 변동계수에서 약 2배 이상 크게 나타났다. 따라서 기 존 제안된 모델식을 통한 부착강도의 예측은 중앙비 부착 실험체에서 더 잘 예측되는 것으로 판단된다.

    현재 제안된 부착강도모델들은 하중 단계별 경계 면의 응력분포를 보강재가 부착된 길이 및 면적에 따라 예측할 수 없었다. 따라서 보강재의 부착길이 및 폭을 고려하여 보강된 구조물의 내하력을 평가할 수 있는 예측식이 개발될 수 있도록 추가적인 연구 가 필요하다고 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 CFRP 쉬트로 휨 보강된 철근콘크리 트 보에서 발생할 수 있는 보강재의 탈락이 구조물 에 미치는 영향을 파악하기 위하여 비부착 수준 및 위치에 따른 변수에 따라 제작된 실험체의 정적 4점 휨 재하실험을 실시하였고 그 결과를 분석하여 다음 과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 중앙부에 비부착 구간을 갖는 실험체의 경우 비부착 구간이 증가할수록 최대하중 및 강성 이 감소하였으나 감소폭이 크지 않으므로 구조물의 사용하중 단계에서는 큰 문제가 없을 것으로 판단 되며, 빠른 초기균열을 발생시켜 구조물의 내구성에 문제가 될 수 있으므로 주 의가 필요하다고 판단된다.

    • 2) 양단부에 비부착구간을 갖는 실험체의 경우 비부착구간이 증가할수록 최대하중 및 강성이 감소하였으며, 이것은 부착면적의 감소로 인 한 정착력의 부족으로 철근의 항복 이후 필요 한 보강재의 하중 부담단계 이전에 보강재가 박리되었기 때문으로 판단된다.

    • 3) 본 연구의 결과를 기존 제안된 부착강도모델 을 이용하여 예측해본 결과 단부 비부착 실험 체들이 중앙 비부착 실험체들보다 표준편차 및 변동계수에서 약 2배 이상 크게 나타나 중 앙 비부착 실험체에서 더 잘 예측되는 것으로 판단된다.

    • 4) 추후 CFRP 보강재의 비부착 위치에 따라 잔 존 내하력을 예측할 수 있는 예측 모델의 개 발이 필요할 것으로 생각된다.

    ACKNOWLEDGMENT

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

    Figure

    KOSACS-11-2-15_F1.gif
    Unbond Conditions
    KOSACS-11-2-15_F2.gif
    Specimen Configuration
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    Test Setup
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    Failure Mode of Specimens
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    Comparison of Initial Cracking Load
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    Comparison of Ultimate Load
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    Load-Displacement Curves of Specimens with Midspan Unbonded Location
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    Load-CFRP Strain Curves of Specimens with Midspan Unbonded Location
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    Load-Displacement Curves of Specimens with the End Unbonded CFRP
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    Load-CFRP Strain Curves of Specimens with the End Unbonded CFRP
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    Test Versus Predicted Using Reference Models on Midspan Unbonded
    KOSACS-11-2-15_F12.gif
    Test Versus Predicted Using Reference Models on End Unbonded

    Table

    Test Specifications
    Unbonded Location of each Specimen
    Used Materials
    Results of Test
    Bond Strength Models
    Bond Strength Predicted by Reference Model
    Comparison of MT and MP
    Statistical Comparison of MT/MP

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