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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.4 pp.59-65
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.4.059

Flexural Strengthening Characteristics of FRP Sheets for Slab and Preflex Girder Bridges

Park, Soon-Ho1, Il-Young Zang2
1Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2021년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Park, Soon-Ho Department of Civil Engineering, 61, Daehak-ro, Gumi-si, Gyeongsangduk-do, 39177, Korea. Tel: +82-54-811-3202, Fax: +82-54-811-3209 E-mail: roadpia1@naver.com
July 22, 2021 July 28, 2021 August 2, 2021

Abstract


Fiber-reinforced polymer plastic (FRP) is a promising reinforcement material owing to its excellent long-term durability. In this study, we present the analytical results of the flexural reinforcement characteristics of materials made using carbon and aramid fibers, which are mainly applied to the reinforcement of concrete structures. The subject of this analytical research was slab and preflex girder bridges, which are the primary targets of repair and reinforcement among concrete bridges. Analytical research was conducted with reference to ACI Committee 440 and previous reports based on the Limited State Design. In addition, we summarized the properties of carbon and aramid fiber reinforcements applied to slab and preflex girder bridges.



슬래브교 및 프리플렉스 거더교의 FRP시트 휨 보강 특성

박순호1, 장일영2
1금오공과대학교 토목공학과 박사과정
2금오공과대학교 토목공학과 교수

초록


섬유강화플라스틱(FRP)은 우수한 장기내구성으로 인해 보강재료로 알려져 있다. 이 연구에서는 콘크리트 구조물에 적용했을 때 탄소섬유와 아라미드섬유 보강재의 휨보강 특성에 대한 해석적 연구 결과를 제시하였다. 이 해석적 연구의 주요 대상은 콘크리트 교량 중 보수보강의 주요 대상인 슬래브교와 프리플렉스 거더교를 대상으로 하였다. 해석적 연구는 ACI Committee 440과 이한계상태설계를 기반으로 한 이전 연구를 참고하여 수행하였다. 또한, 슬래브교 및 프리플렉스 거더교에 적 용한 탄소섬유 및 아라미드섬유의 구조적 특성을 정리하였다.



    1. 서 론

    국내에서는 1970년대에 급격한 산업화 과정에서 시 공된 건설구조물의 노후화로 인해 최근 다수의 보수 보강공사가 이루어지고 있다. 그중 섬유강화복합재 (Fiber Reinforced Polymer Plastic, FRP)는 강도가 우 수하고, 단위중량이 작으며, 내부식성 및 내화학성이 우수한 많은 장점을 가지고 있는 건설신소재로서, 콘크리트 구조물의 보수보강 적용실적이 많으며, 관 련된 연구 또한 활발하게 진행되고 있다(Kim et al., 2012;Choi et al., 2013;Jeong et al., 2020;Ka et al., 2021).

    FRP 보강재는 건축보의 보강에 활용되어 왔으며, 토목분야에서는 교각의 내진보강에 주로 활용되어 왔다. 그러나 최근에는 슬래브교, 프리플렉스 거더교 등 토목분야의 주거더의 휨보강에 사용된 사례가 보 고되고 있다. 이와 같은 추세를 볼 때, FRP 보강재 의 교량 거더 보강 적용 사례는 꾸준히 증가할 것으 로 판단된다. FRP 보강재를 적용한 교량의 시공사례 는 Fig. 1에 나타내었다.

    그러나 FRP 보강재는 적용사례가 증가하고 있음 에도 불구하고 설계 및 시공자들의 보강재의 특성에 대한 이해도가 부족한 실정이다. 특히, FRP 보강재 는 국내 설계기준이 마련되어 있지 않기 때문에, 콘 크리트 관련 설계기준 및 정역학적 개념에 의존한 설계가 이루어지는 것이 대부분이다.

    Ka et al. (2021)ACI Committee 440 (2017)에서 제시하고 있는 RC 부재의 FRP 보강 설계식을 참고 로 하여, 프리플렉스 거더교의 FRP 보강 설계식을 제안하고, 설계예제 및 보강 특성을 제시한 바 있다.

    이 연구에서는 ACI Committee 440 (2017)Ka et al. (2021)이 제시한 보강 설계식을 활용하여, 교량 거더의 휨보강에 가장 많이 적용될 것으로 예상되는 슬래브교와 프리플렉스 거더교의 보강 특성을 제시 하였다. 보강 특성은 기존 연구(Lee et al., 2021;Lee 2012;Choi et al., 2005)에서 제시한 탄소섬유, 아리 미드섬유로 제작된 보강재의 역학적 성질을 참고하 여 매개변수해석을 통해 검토하였다. 또한, 특정 제 원 및 하중조건의 슬래브교 및 프리플렉스 거더교에 대하여 각각의 보강재의 적용 수를 증가시킬 경우에 대한 보강 특성을 검토하였다.

    2. FRP 보강재의 설계법

    이 장에서는 슬래브교 및 프리플렉스 거더교의 보강 설계법을 제시하였다. 슬래브교는 ACI Committee 440 (2017), 프리플렉스 거더교는 Ka et al. (2021)을 참고하였으며, 이 연구에서 검토할 내용만을 정리하 여 제시하였다.

    2.1 슬래브교의 보강 설계법

    ACI Committee 440 (2017)에서는 일반적인 RC 구조 의 설계 가정사항 외에 다음과 같은 가정사항을 제 시하고 있으며, FRP 보강재의 장기거동에 따른 강도 감소 등을 고려하여 노출환경에 대한 강도감소계수 (environmental reduction factor, CE)를 제시하고 있다 (Ka et al., 2021).

    • ① FRP 보강재와 콘크리트면 사이는 완전부착 된다.

    • ② FRP 보강재의 전단변형은 무시한다.

    • ③ FRP 보강재의 응력-변형률 관계는 파괴시까지 선형탄성을 유지한다.

    노출계수에 따른 설계인장강도와 최대인장변형률 은 식 (1), (2)에 나타내었으며, 노출환경에 대한 강 도감소계수는 Table 1에 나타내었다(ACI Committee 440, 2017;Ka et al., 2021).

    f f u = C E f f u *
    (1)

    f u = C E f u *
    (2)

    식 (1), (2)에서, f f u * f u * 는 실험으로부터 구한 FRP 시트의 인장강도와 최대인장변형률, ffufu 는 노출환경영향을 고려한 FRP 보강재의 인장강도 및 최대인장변형률을 의미한다(Ka et al., 2021).

    FRP 보강재의 부착성능은 계수하중에 의해 발생 하는 설계변형률과 극한변형률의 0.9를 적용하여 식 (3)과 같이 검토하며, Fig. 2에 나타낸 것과 같이 활 하중에 의한 변형률을 검토하여 식 (4)와 같이 검토 한다(Ka et al., 2021).

    f d = 0.41 f c n E f t f 0.9 f u
    (3)

    f e = c u ( d f c c ) b i f d
    (4)

    또한, 공칭휨강도는 식 (5)에 나타낸 것과 같이 구하며, 설계휨강도는 식 (6)에 나타낸 강도감소계수 를 적용하여 식 (7)과 같이 구한다(ACI Committee 440, 2017;Ka et al., 2021).

    M n = A s f s ( d β 1 c 2 ) + ψ f A f f f e ( d f β 1 c 2 )
    (5)

    ϕ = ( 0.93 for t 0.005 0.65 + 0.25 ( t s y ) 0.005 s y for s y < t < 0.005 0.65 for t s y
    (6)

    M d = ϕ M n M u = 1.2 M D + 0.85 M L
    (7)

    사용성 검토에서 처짐 및 균열은 ACI Committee 318 (2019) 규정을 만족하여야 하며, Fig. 3에 나타낸 사용하중 상태에서 철근과 FRP의 응력을 검토하도 록 규정되어 있다. 철근과 FRP의 응력 검토식은 각 각 식 (8), (9)에 나타내었다. 또한, FRP 보강재의 허 용응력은 Table 2에 나타내었다(ACI Committee 440, 2017;Ka et al., 2021).

    f s , s = [ M s + b i A f E f ( d f k d 3 ) ] ( d k d ) E s A s E s ( d k d 3 ) ( d k d ) + A f E f ( d f k d 3 ) ( d f k d )
    (8)

    f f , s = f s , s ( E f E s ) d f k d d k d b i E f
    (9)

    2.2 프리플렉스 거더교의 보강 설계법

    Ka et al. (2021)은 환경영향계수, 강도감소계수 및 FRP 보강재의 허용응력 등의 계수는 기존 연구의 실험 결과를 토대로 제시하고 있는 ACI Committee 440 (2017)의 계수를 그대로 적용하였으며, 한계상태 와 사용성 검토에 대하여 각각 Figs. 4, 5와 같은 평 형관계에 따라 설계휨강도 및 철근과 FRP 보강재의 응력 검토식을 제안하였다. Ka et al. (2021)이 제시 한 공칭휨강도 및 철근보강재의 응력 검토식은 식 (10), (11)에 각각 나타내었으며, FRP 보강재의 응력 검토식은 식 (9)와 같다.

    M n = P s w t y s w t + P s f 2 y s f 2 + P s f c 2 y s f c 2 + P r y r + ψ P f y f
    (10)

    f s , s = [ M s M s t , s + b i A f E f ( d f k d 3 ) ] ( d k d ) E r A r E r ( d k d 3 ) ( d k d ) + A f E f ( d f k d 3 ) ( d f k d )
    (11)

    3. FRP 보강재 보강특성

    이 장에서는 FRP 보강재의 보강 특성을 검토하기 위해 특정 단면을 갖는 슬래브교 및 프리플렉스 거 더교에 대한 설계예제를 통한 매개변수해석을 수행 하였다. FRP 보강재는 탄소섬유, 아라미드섬유로 제 작된 보강재에 대하여 검토하였다.

    3.1 적용 재료의 역학적 특성

    매개변수해석에 적용한 재료의 역학적 성질은 기존 연구문헌(Lee et al., 2021;Lee, 2012; Kim et al., 2009; Choi et al., 2005)을 참고하였으며, 각 재료의 역학적 성질은 Table 3에 나타내었다.

    FRP 보강재의 두께는 제조사에 따라 차이가 있 으며, 설계식 내에서 보강재의 수와 곱하여 적용되 므로, 약 0.8mm로 가정하여 적용하였다.

    3.2 슬래브교의 보강 특성

    매개변수해석에 적용한 슬래브교는 폭 5m, 높이 320mm, 유효깊이 260mm이며, 철근은 단철근으로 D25 철근을 250mm 간격으로 배근하였다. 또한, 콘 크리트의 설계기준강도는 24MPa이고, 철근의 항복강 도는 300MPa로 가정하였다.

    슬래브교는 단위폭(1m)을 기준으로 검토하였으 며, 슬래브교의 단면 제원은 Table 4에 정리하였으 며, 슬래브교의 단면도는 Fig. 6에 나타내었다.

    탄소섬유 보강재와 아라미드섬유 보강재의 매개변 수해석 결과는 Table 5, Table 6에 각각 정리하였다. Table 5, Table 6에서 사용성 검토를 위한 사용하중은 100kN⋅m이다.

    검토 결과, 탄소섬유 보강재를 적용할 경우 설계 휨강도는 21.9∼58.7% 향상되었다. 또한, 철근과 보 강재의 응력은 허용응력보다 낮은 강도를 나타내었 다. 그러나, 보강재를 3장 이상 적용할 경우, 콘크리 트의 취성파괴가 발생하며, 보강재의 탄성변형률 또 한 최대변형률을 초과하여 부착성이 결여되는 것으 로 나타났다. 따라서, 탄소섬유 보강재는 1장 보강 시 21.9%, 2장 보강 시 37.5%의 보강효과를 나타내 며, 3장 이상은 적용할 수 없는 것으로 나타났다.

    아라미드섬유 보강재를 적용할 경우 설계휨강도 는 11.2∼35.6%의 향상되었다. 또한, 철근과 보강재 의 응력은 허용응력보다 낮은 강도를 나타내었다. 그러나, 보강재를 2장 이상 적용할 경우, 콘크리트의 취성파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 따라서, 아라 미드섬유 보강재는 1장 보강 시 11.24%의 보강효과 를 나타내며, 2장 이상은 적용할 수 없는 것으로 나 타났다.

    각 보강재의 검토 결과, 슬래브교의 보강효과는 아라미드 섬유보다 탄소섬유가 우수하며, 보강 적용 성 또한 탄소섬유 보강재가 더 우수한 것으로 나타 났다. 특히, 탄소섬유는 아라미드섬유에 비해 높은 강성을 보유하고 있기 때문에, 철근이 부담해야하는 휨인장력을 크게 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 보강수에 따른 탄소섬유 보강재와 아리미드섬유 보 강재의 설계휨강도 및 철근과 보강재의 발생응력은 Figs. 7, 8에 각각 나타내었다.

    3.3 프리플렉스 거더교의 보강 특성

    매개변수해석에 적용한 프리플렉스 거더교의 단면은 높이 1.2m이며, Ka et al. (2021)에서 검토한 단면 형 상을 참고하였다. 단면 제원은 Table 7에 정리하였으 며, 단면도는 Fig. 9에 나타내었다.

    탄소섬유 보강재와 아라미드섬유 보강재의 매개 변수해석 결과는 Table 8, Table 9에 각각 정리하였다. Table 5, Table 6에서 사용성 검토를 위한 사용하중은 17,000kN⋅m이다.

    검토 결과, 탄소섬유 보강재와 아라미드섬유 보 강재의 설계휨강도는 보강재 수가 증가함에 따라 설 계휨강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 현상은 Ka et al. (2021)에서도 언급한 것과 같이, 공 칭휨강도는 증가하지만, 보강수가 증가할수록 철근 의 인장변형률이 감소하기 때문에 강도감소계수(ϕ) 가 감소하고, FRP 보강재의 강도감소계수(ψ)의 영향 으로 FRP 보강재의 휨강도 기여도가 감소되기 때문 이다.

    아라미드섬유 보강재는 탄소섬유 보강재에 비해 강도감소율이 작은 것으로 나타났다. 이와 같은 현 상은 한계상태에서 아라미드섬유 보강재의 유효응력 (ffe= 1,605.5MPa)이 탄소섬유 보강재의 유효응력(ffe= 1,113.9MPa)보다 크기 때문에 중립축이 더 상승하는 영향인 것으로 판단된다. 그러나 설계휨강도가 감소 하는 경향은 두 보강재가 동일하게 나타나므로, 프 리플렉스 거더교에 적용하는 FRP 보강재는 설계휨 강도에 대한 보강효과를 기대하기 어려운 것으로 판 단된다.

    사용성 검토 결과, 탄소섬유 보강재는 4겹을 적 용할 경우에 철근과 보강재의 허용응력 기준을 만족 하는 것으로 나타났으며, 아라미드섬유 보강재는 모 든 경우에서 철근의 허용응력 기준을 만족하지 못하 는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 아라미드섬 유 보강재의 인장변형률이 탄소섬유 보강재보다 크 게 발생하고, 변형률이 선형을 유지하는 가정사항에 따라 인장측에 위치하는 철근의 인장변형률 또한 탄 소섬유 보강재를 적용할 때보다 증가하여 높은 인장 응력을 발생시키기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 사용성 보강 효과는 탄소섬유 보강재가 아라미드섬 유 보강재에 비해 우수한 것으로 판단된다. 보강수 에 따른 탄소섬유 보강재와 아리미드섬유 보강재의 설계휨강도 및 철근과 보강재의 발생응력은 Figs. 10, 11에 각각 나타내었다.

    4. 결 론

    이 연구에서는 국외설계기준(ACI Committee 440, 2017) 및 기존 연구문헌(Ka et al., 2021)을 참고하여, 탄소섬유 및 아라미드섬유 보강재를 이용한 슬래브 교와 프리플렉스 거더교의 보강 적용성에 대한 해석 적 검토를 수행하였다.

    슬래브교의 경우, 탄소섬유 보강재와 아라미드섬 유 보강재 모두 적용성이 우수한 것으로 평가되었으 며, 특히, 탄소섬유 보강재는 휨강도 증가효과가 매 우 우수한 것으로 나타났다. 또한, 프리플렉스 거더 교는 탄소섬유 보강재의 경우 사용성 증진효과를 기 대할 수 있는 것으로 나타났다.

    FRP 보강재는 보강섬유의 종류 레진의 종류, 섬 유체적비(fiber volume ratio) 등에 따라 다양한 역학 적 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, FRP 보강재의 합리적인 보강설계를 위해, 이 연구의 수행 내용을 반영한 보강설계가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

    Figure

    KOSACS-12-4-59_F1.gif
    Application Examples of FRP Reinforcement
    KOSACS-12-4-59_F2.gif
    Strain and Stress Distribution for a RC Section under Flexure at Ultimate Limit State (ACI Committee 440, 2017;Ka et al., 2021)
    KOSACS-12-4-59_F3.gif
    Elastic Strain and Stress Distribution (ACI Committee 440, 2017;Ka et al., 2021)
    KOSACS-12-4-59_F4.gif
    Strain and Stress Distribution for a Preflex Girder Section under Flexure at Ultimate Limit State (Ka et al., 2021)
    KOSACS-12-4-59_F5.gif
    Elastic Strain and Stress Distribution for a Preflex Girder Section (Ka et al., 2021)
    KOSACS-12-4-59_F6.gif
    Cross-Section of Slab
    KOSACS-12-4-59_F7.gif
    Relationship between No. of ply and the Design Moment for the Slab Bridge
    KOSACS-12-4-59_F8.gif
    Relationship between No. of ply and the Stress of Rebar and FRP for the Slab Bridge
    KOSACS-12-4-59_F9.gif
    Cross-Section of Preflex Girder
    KOSACS-12-4-59_F10.gif
    Relationship between No. of ply and the Design Moment for the Preflex Girder Bridge
    KOSACS-12-4-59_F11.gif
    Relationship between No. of ply and the Stress of Rebar for the Preflex Girder Bridge

    Table

    Environmental Reduction Factor (ACI Committee 440, 2017)
    Service Load Stress Limits in FRP Reinforcement (ACI Ommittee 440, 2017;Ka et al., 2021)
    Mechanical Properties (Lee et al., 2021;Lee 2012;Choi et al., 2005)
    Variables of Slab Bridge
    Analytical Results for Slab Bridge Strengthened by Carbon Reinforcement
    Analytical Results for Slab Bridge Strengthened by Aramid Reinforcement
    Variables of Preflex Girder Bridge
    Analytical Results for Preflex Girder Bridge Strengthened by Carbon Reinforcement
    Analytical Results for Preflex Girder Bridge Strengthened by Aramid Reinforcement

    Reference

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