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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.66-72
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.4.066

Bond Stress and Development Length Calculation of CFRP Grid through Direct Pullout Test

Choi, Dongyoung1, Heo, Sohyeon1, Jeong, Yeongseok2, Kwon, Minho3
1M.sc. student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

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


Corresponding author: Kwon, Minho Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 501, Jinju-Daero, Jinju-si, Gyeongsangnam-do, Korea. Tel: +82-55-772-1796, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: kwonm@gnu.ac.kr
August 9, 2021 August 13, 2021 August 13, 2021

Abstract


Fiber-reinforced polymer (FRP) composite material, such as carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) grid, has been introduced and recently used as a structural member to replace rebar. Furthermore, CFRP grid helps improve the corrosion resistance of rebar. However, its bonding stress with concrete has not been well studied because it is a relatively new construction material. Therefore, a pullout test with varying CFRP grid lengths bonded to concrete was performed to determine the bonding behavior and bonding stress as well as its development length. Consequently, it is found that the longer the bonding length, the smaller is the bonding stress, corresponding to the FRP rebar trend. The differences between the CFRP grid and FRP rebar are noticeable in the bonding stress trend line, and a change in the bonding stress behavior is apparent after the maximum bonding force is applied. The conservative development length of the CFRP grid in this study was found to be 250mm based on above experimental results.



직접 인발실험을 통한 CFRP 그리드의 부착응력 및 정착길이 산정

최동영1, 허소현1, 정영석2, 권민호3
1경상국립대학교 토목공학과 석사과정
2경상국립대학교 토목공학과 박사수료
3경상국립대학교 토목공학과 교수

초록


철근의 부식 문제를 해결하기 위해 최근 복합재료 기반의 철근이 개발되어 사용되고 있으며 CFRP 그리드도 개발되 어 구조부재로 사용되기 시작하고 있다. 그러나 CFRP 그리드의 부착 특성과 응력을 연구한 경우는 매우 드물다. 이에 본 실험 은 CFRP 그리드의 부착거동, 부착응력을 평가하고 정착길이를 산정하기 위해 다양한 길이의 정착길이를 가진 인발실험체를 제 작한 후 인발하였으며 실험 결과 부착력의 경우 정착길이가 길어질수록 커지며 반대로 부착응력은 정착길이가 길어질수록 작아 지는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 FRP 보강근도 같은 경향을 보이지만 CFRP 그리드와 FRP 보강근의 차이점은 부착응력의 추 세선의 경향에서 두드러지며 또한, 최대 부착력 이후 거동에서 차이를 나타냈다. 위 실험 결과를 토대로 CFRP 그리드의 정착길 이를 산정한 결과 본 연구에서 사용된 CFRP 그리드의 보수적인 정착길이는 250mm로 나타났다.



    1. 서 론

    철근 콘크리트 구조물에서 철근은 인장력의 대부분 을 받는 주요한 구조 재료이다. 그러나 다양한 환경 에 노출될 때 철근이 부식이 발생하며 이는 구조물 의 안전에 위협적인 요소가 된다(ACI 440.1R-06, 2006). 특히 제설 및 제빙 작업을 위하여 항상 사용 되는 염화칼슘과 같은 염화물 기반의 재료는 이러한 강재의 부식을 촉진한다. 철근의 부식은 결국 콘크 리트와 철근의 계면을 손상시키고 접착 강도를 떨어 뜨려 결국 부착을 잃게 만들어 철근이 그 역할을 감 당하지 못하게 된다. 그러므로 토목 구조물의 연한 이 증가할수록 토목 구조물 주기적인 유지 보수 및 보강에 상당한 비용이 지속적으로 발생하게 된다 (Bedard, 1992).

    이러한 문제를 해결하기 위하여 철근을 대체하려 는 수요가 증가함에 따라 최근 복합재료 기반의 철 근이 개발되어 사용되고 있으며 CFRP 그리드도 개 발되어 구조부재로 사용되기 시작하고 있다(Ballinger, 1991;Nanni et al., 2014;Rizkalla et al., 2009). 특히 가격대비 성능이 우수한 GFRP 철근은 내식성과 내 화학성, 비용 효율성으로 주목을 받고 있다. 따라서 GFRP 철근과 콘크리트의 결합 특성에 관한 연구가 수행되었고(CAN/CSA S806-02; CAN/CSA S6:06), 이 들 중 몇몇은 인발 테스트(Daniali, 1992;Choi et al., 2007;Heins et al., 2020), 보의 휨실험(Lee et al., 2008)을 수행하여 부착 성능을 평가하였으며 Wambeke and Shield (2006)는 실험결과로부터 GFRP 철근에 대 한 부착강도 방정식을 제안하였다.

    복합재료 그리드 또한 개발되었으며 대부분의 복 합재료 그리드는 CFRP를 활용하여 제작되었다. 주로 CFRP 그리드는 프리캐스트 콘크리트 슬래브에 주로 사용되었으며 일부 기둥의 횡보강재로 사용되었다 (Rizkalla et al., 2009;Matthys and Taerwe, 2000;Saafi, 2000). 그러나 GFRP 철근과는 달리 CFRP 그리드의 경우 콘크리트와의 부착 특성을 연구한 경우는 Ding et al. (2010)을 제외하고는 거의 찾아볼 수 없다. Ding의 연구에서는 인발 시험과 휨 인장 시험을 통 하여 부착 특성을 연구하였으나(Ding et al., 2010), 그 리드와 콘크리트 사이의 부착응력에 대한 연구는 수 행되지 않았다. 이에 본 연구는 CFRP 그리드의 부착 응력 및 부착거동을 평가하고, 사용된 CFRP 그리드 의 정착길이를 산정하는 데 목적을 두었다.

    2. 실험 준비

    2.1 CFRP 그리드

    본 연구에서 사용된 CFRP 그리드는 Fig. 1과 같다. 그리드의 폭과 두께는 3.5×0.5mm이며, 평균적인 단 면의 크기는 1.75mm2, 마디의 간격은 25mm이다. 탄 소 섬유와 에폭시 수지로 구성되었으며 그리드의 총 단면적에 대한 섬유의 면적비는 88%이다. 그리드의 인장 실험은 ASTM D3039 (2002)을 참고하였으며 인 장 실험결과 평균 인장강도는 1,225MPa로 나타났다. 자세한 CFRP 그리드의 물성치는 Table 1에 나타내 었다.

    2.2 인발실험체 제작

    복합재료 보강근은 ACI 440.3R-04, CAN/CSA S806-02 (2002)의 실험 규정을 따라 제작되고 있으나, 그리드 에 대한 규정은 없는 상태이다. 본 연구에서는 이러 한 상황을 고려하여 정착 및 부착거동 파악을 위한 실험체를 제작하였다.

    순수하게 콘크리트와 그리드의 부착력에 의한 정 착길이 평가를 위하여 그리드의 마디를 전부 제거한 뒤 Fig. 2와 같이 실험체를 제작하였다. 단면 치수 100×100mm 길이 200mm의 실험체에 부착길이(Le) 를 20∼180mm 범위로 제작하였다. 그리드의 부착길 이는 현재 실험 가능한 길이를 고려하여 180mm까지 제작하였다. 사용된 콘크리트의 목표강도는 35MPa이 며, 콘크리트의 제원은 Table 2에서 확인할 수 있다. Table 3과 Fig. 3은 실험체의 제작 현황이다. 이때 배 합 오류로 인해 140∼180mm의 실험체의 콘크리트 강도는 29.0MPa로 나타났다.

    3. 실험 및 결과

    3.1 실험

    본 실험은 변위 제어방식의 유압 시험장치를 이용하 여 인장하중을 가력하였다. 인장하중을 가력하는 동 안 실험체를 완전히 고정하기 위해 20mm 두께의 강 판에 25mm 크기의 구멍을 뚫어 그리드를 통과시킨 뒤 실험체의 상단부와 완전히 부착시켜 그립 장치에 고정하였다. 실험에서 발생한 변위는 실험장치에 내 장된 변위계를 통해 측정하였다. 전반적인 실험의 설치는 Fig. 4와 같다.

    3.2 실험 결과

    Table 4는 각 실험체의 실험결과를 정리하여 나타낸 것이다. 여기서 140mm의 실험체는 그리드의 조기 손상으로 인해 실험결과에서 제외하였다. 조기 손상 의 이유로 실험체를 관리 및 설치하는 과정 중 그리 드에 좋지 않은 손상이 가해진 것으로 판단된다. 140mm 실험체를 제외한 모든 실험체에서 그리드가 인발되었으며 부착길이가 증가할수록 부착력은 증가 하였지만, 부착응력은 부착길이가 길어질수록 감소 하는 모습을 보였다.

    Fig. 5는 각 부착길이에 따른 부착응력-슬립 곡선 으로 인발이 진행되는 동안 발생한 슬립에 따른 부 착응력을 기록한 것이다.

    3.3 결과 분석

    3.3.1 CFRP 그리드와 FRP 보강근의 부착거동 비교

    FRP 보강근의 경우 외부 표면 형상에 따른 다양한 부착거동을 보인다(Jung et al., 2011). 이형 보강근으 로 분류되는 FRP 보강근의 경우 보강근이 완전히 뽑혀 나오는 최대 부착응력 이후의 거동에서 최대 부착응력과 이후 부착응력이 큰 차이를 보이는 반 면, 그리드의 경우 Fig. 6과 같이 최대 부착응력과 그 이후의 부착응력이 큰 차이를 보이지 않는다. FRP 보강근의 경우 이형의 마디에 의해 콘크리트의 파괴가 일어나며 인발되는 반면 그리드는 마디가 존 재하지 않아 순전히 콘크리트와의 부착력에 의해서 만 영향을 받기 때문으로 생각된다.

    3.3.2 콘크리트 강도에 따른 CFRP 그리드의 부착응력 분석

    Ding et al. (2010)의 연구에서 분석된 CFRP 그리드 의 부착응력은 콘크리트 강도 23MPa, 부착길이 102mm에서 1.162MPa로 나타나 본 실험의 100mm의 부착응력 1.254MPa과 0.092MPa 차이를 보인다. 또 한, 배합 오류로 인해 상대적으로 낮은 압축강도를 가진 160∼180mm 실험체에서의 부착응력이 부착응 력 추세선 상에 위치하는 것으로 보아 콘크리트의 강도에 따른 부착응력 차이는 매우 적을 것으로 판 단된다. 따라서 CFRP 그리드의 부착응력은 콘크리트 의 강도보다는 콘크리트 표면과 그리드의 부착에 크 게 의존한다고 생각된다.

    3.3.3 부착길이에 따른 부착응력의 변화

    Fig. 6은 부착길이에 따른 CFRP 그리드의 부착응력 변화를 나타내었다. 부착응력은 부착길이에 따라 2.4∼ 1.2MPa로 나타났다. 모든 실험체에서 부착길이가 증 가함에 따라 총 부착력은 증가하는 반면 부착응력은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 부착응력의 감소는 FRP 보강근에서도 동일하게 나타난다(Park, 2017). 하지만 부착응력 추세선의 형태가 보강근의 경우 직 선적인 형태로 나타나는 반면, 그리드는 곡선 형태 를 띠며 부착응력의 감소가 나타났다.

    3.3.4 최소 정착길이 평가 및 산출

    기존 CFRP 그리드 연구에서 203mm의 정착길이를 제안하고 있으나(Ding et al., 2010) 최대하중은 그리 드의 파괴하중보다 13% 정도 작게 측정되어 궁극적 으로 부착파괴가 발생한 것으로 분석된다. 따라서 기존 연구 결과로는 CFRP 그리드의 충분한 정착길 이를 확인할 수 없었다.

    본 연구에서는 부착 실험 결과를 바탕으로 소요 정착길이를 계산하였다. Fig. 6에 나타낸 부착길이와 부착응력 관계 추세선 함수는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

    u = 28 L + 0.96
    (1)

    여기서, u는 부착응력(Bond stress)이고, L 는 부 착길이(Embed length) 이다.

    Fig. 7은 그리드가 인장하중을 받을 때의 부착응 력 분포이다. 아래 식 (2)는 인장하중과 부착응력의 관계를 식으로 나타낸 것이다.

    A f f f u = u b 0 L
    (2)

    여기서, Af는 그리드의 단면적, ffu는 그리드의 인장강도, b0는 단위 부착면적, u는 부착응력, L 는 부착길이이다.

    L = A f f f u u b 0
    (3)

    L = A f f f u 0.96 b 0 29.17
    (4)

    식 (1)와 식 (2)를 이용하여 도출한 식 (4)에 그리 드의 면적과 인장하중을 대입하여 본 연구에서 사용 한 CFRP 그리드의 최소 정착길이를 산정하였다. 여 기서 정착길이는 그리드의 마디를 제외하여 보수적 으로 산정하였으며, 그 결과 최소 250mm의 정착길 이가 필요한 것으로 평가되었다.

    4. 결 론

    CFRP 그리드의 콘크리트에 대한 부착응력 및 정착 길이 산정하기 위한 실험 연구 결과를 분석하면 다 음과 같다.

    • (1) 연구 과정에서 도출된 그리드의 부착거동을 FRP 보강근의 부착거동과 비교했을 때 보강 근과 그리드의 물리적 형태 차이에 의해 부 착거동의 차이를 확인할 수 있었다. 그러나 부착길이의 증가에 따른 부착응력의 추세는 보 강근과 그리드 모두 감소하는 경향을 보였다.

    • (2) 그리드의 정착길이에 대한 기존 연구에서는 부착응력에 대한 평가가 수행되지 않았다. 이 에 본 연구에서는 추세분석을 통해서 그리드 의 부착길이와 부착응력 사이의 관계식을 도 출하고, 이를 바탕으로 정착길이를 계산할 수 있는 식을 제안하였다.

    • (3) 본 연구에서 사용된 CFRP 그리드의 부착응력 은 부착길이에 따라 2.4∼1.2MPa로 나타났으 며, 제안된 식을 통해서 정착길이를 보수적으 로 산정한 결과 최소 250mm의 정착길이가 필요한 것으로 평가되었다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지 원으로 수행되었음. (과제번호 21CFRP-C163381-01)

    Figure

    KOSACS-12-4-66_F1.gif
    CFRP Grid
    KOSACS-12-4-66_F2.gif
    Dimension of Test Specimen
    KOSACS-12-4-66_F3.gif
    Casting Test Specimen
    KOSACS-12-4-66_F4.gif
    Experimental View
    KOSACS-12-4-66_F5.gif
    Stress-Slip Curve for Each Embedded Length
    KOSACS-12-4-66_F6.gif
    Change of Bond Stress of CFRP Grid According to Embedded Length and Trend Line
    KOSACS-12-4-66_F7.gif
    Stress Distribution in Grid

    Table

    Physical Properties of CFRP Grid
    Specification of Concrete
    Specimen Variable Theorem
    Summary of Pullout Test Results

    Reference

    1. ACI 440.1R-06 (2006), Guide for the Design and Construction of Structural Concretereinforced with FRP Bars, American Concrete Institute, Michigan, USA.
    2. ACI 440.3R-04 (2004), Guide Test Method for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Strucyures, American Concrete Institute, Michigan, USA.
    3. ASTM D3039 (2002), “Standard Test Mesthod for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials,American Society of Testing and Materials (ASTM), Pennsylvania, USA.
    4. Ballinger, C. (1991), Development of Composites for Civil Engineering, Advanced Composites Materials in Civil Engineering Structures (ASCE).
    5. Bedard, C. (1992), “Composite Reinforcing Bars: Assessing Their Use in Construction,” Concrete International, Vol. 14 No. 1, pp. 55-59.
    6. CAN/CSA S6:06 (2006), Canadian Highway Bridge Design Code, Canadian Standard Association, Rexdale, Ontario, Canada.
    7. CAN/CSA S806-02 (2002), Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers, Canadian Standard Association, Rexdale, Ontario, Canada.
    8. Choi, D. U. , Ha, S. S. , Lee, C. H. (2007), “Development Length of GFRP Robars Based on Pullout Test,” Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 9, No. 3, pp. 323-331.
    9. Daniali, S. (1992), Development length for fiber-reinforced plastic bars, Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, Sherbrooke, Canada.
    10. Ding, L. , Rizkalla, S. , Wu, G. , and Wu, Z. S. (2010), “Bond Mechanism of Carbon Fiber Reinforced Polymer Grid to Concrete,” CICE 2010: The 5th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering September 27-29, 2010, Beijing, China,
    11. Heins, K. , Kimm, M. , Olbrueck, L. , May, M. , Gries, T. , Kolkmann, A. , Ryu, G. S. , Ahn, G. H. , and Kim, H. Y. (2020), “Long-Term Bonding and Tensile Strengths of Carbon Textile Reinforced Mortar,” Materials 2020, Vol. 13, No. 20, p. 4485.
    12. Jung, W. T. , Park, Y. H. , and Park, J. S. (2011), “An Experimental Study on Bond Characteristics of FRP Reinforcements with Various Surface-type,” Journal of the Korean Society of Civil Engineers (KCI), Vol. 31, No. 4, pp. 279-286.
    13. Lee, J. Y. , Kim, T. Y. , Kim, T. J. , Yi, C. K. , Park, J. S. , You, Y. C. , et al., (2008), “Interfacial Bond Strength of Glass Fiber Reinforced Polymer Bars in High-strength Concrete,” Composites Part B: Engineering 2008, Vol. 39, No. 2, pp. 258-270,
    14. Matthys, S. , and Taerwe, L. (2000), “Concrete Slabs Reinforced with FRP Grids I: One-way Bending,” American Society of Civil Engineers (ASCE), Vol. 4, No. 3, pp. 145-153,
    15. Nanni, A. , De Luca, A. , and Zadeh, H. J. (2014), Reinforced Concrete with FRP Bars: Mechanicsand Design, CRC Press.
    16. Park, J. S. (2017), Bond Behavior Evaluation of Glass Fiber Reinforced Polymer Composite Rebars with Different Surface Types, Department of Civil, Architectural and Environmental System Engineering, Sungkyunkwan University, Seoul Korea,
    17. Rizkalla, S. , Hassan, T. , and Lucier, G. (2009), “FRP Shear Transfer Mechanism for Precast Concrete Sandwich Load Bearing Panels,” ACI Special Publication, Vol. 265, pp. 607-627.
    18. Saafi, M. (2000), “Design and Fabrication of FRP Grids for Aerospace and Civil Engineering Applications,” Aerospace Engineering, Vol. 13, No. 2, pp. 144-149.
    19. Wambeke, B. W. , and Shield, C. K. (2006), “Development Length of Glass Fiber-reinforcedpolymer Bars in Concrete,” ACI Struct Journal 2006, Vol. 103, No. 1. https://www.researchgate.net/publication/283857846_Development_length_of_glass_fiber-reinforced_polymer_bars_in_concrete