FRP Re-Bar로 보강된 콘크리트 부재의 구조거동에 관한 실험적 연구

Abstract

철근콘크리트는 벽돌조나 석조에서는 어려웠던 넓은 개구부를 만들 수 있었고, 근대적인 실내공간을 만들 수 있게 되었다. 이러한 철근콘크리트는 현대에 이르러서도 그 중요성이 더욱 높아져가고 있는 것이 사실이다. 이는 건축재료로써 반영구적인 재료로 인식되기 때문이다. 하지만 반영구적이라는 말과 같이 어떠한 요인에 의하여 어느 때에는 수명을 다한다는 것이고 이러한 수명을 더욱 연장시키면서 그 철근콘크리트의 장점을 살리기 위한 연구가 계속되어왔다. 특히 구조물의 성능 저하를 시키는 원인으로써 염해나 중성화 등과 같은 철근콘크리트의 주요 성능저하 현상 및 균열을 통해 수분, 화학물질의 침투등과 같은 손상에 의한 철근의 부식은 철근 유효단면의 손실로 인한 내력의 감소를 가져온다. 또한 철근마디의 손상에 의한 부착력의 저하로 인해 철근콘크리트 구조물의 안전성에 문제를 야기시킬 수 있고, 철근콘크리트 구조물의 내구수명을 현저히 저하시키며, 유지보수비용의 증가를 가져온다. 이와 같은 문제를 해결을 위해 에폭시 코팅철근의 사용, 콘크리트 피복두께 증가, 콘크리트의 수밀성 강화, 전기방식을 이용한 철근 부식의 억제, 방청제의 사용 등 다양한 기술이 개발되었으나 아직까지 철근콘크리트 부재에서 철근 부식의 문제를 근본적으로 해결할 수 없었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 철근을 대체하면서도 기존의 철근의 역할과 성능을 지닌 재료에 대하여 연구 되어왔고 이러한 대안으로 FRP(Fiber Reinforced Polymer) 복합재료를 이용한 철근 대체재의 사용이 일본, 미국, 캐나다 등에서 활발히 연구되어지고 있다. FRP 복합재료는 철근에 비해 고강도, 저중량, 높은 인장강도, 내부식성, 절연성, 열전도성, 고내구성, 저유지관리 등 장점을 가지고 있다. FRP의 장점을 활용하여 철근을 대체한 보강재료로 사용할 경우, 부식으로 인한 콘크리트 구조물의 노후화 방지, 내구수명 증가가 가능해져 보수, 보강비 절감 및 장수명화로 경제적인 효과를 기대할 수 있다. 이러한 장점을 가지고 있으나 아직까지 많은 나라에서 FRP Re-Bar 이용한 사례와 연구가 부족하여 현장적용이 매우 어려운 실정이다. 또한 FRP 보강근은 높은 인장강도에 비해 낮은 탄성계수, 그리고 뚜렷한 항복점과 소성구간이 없는 거의 선형탄성적인 역학적 특성으로 인하여 FRP 보강근을 사용한 구조부재의 설계 시에는 기존의 철근콘크리트와는 다른 검토가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 본 연구에서는 콘크리트에서 철근 대체재로써 유리섬유인 GFRP를 콘크리트 휨부재(보, 일방향 슬래브)에 주근으로 사용하여, 휨 거동특성과 철근을 사용한 콘크리트 부재와의 차이점을 분석하여 FRP Re-Bar를 사용한 구조부재의 성능을 평가하고자 한다. 또한 FRP의 낮은 탄성계수, 부착성능 등의 재료적 특성들로 인한 FRP 보강 콘크리트의 높은 처짐과 균열폭 등의 구조거동특성을 분석하고, FRP 보강 부재의 취성적 파괴의 개선방안을 찾기 위하여 압축측 콘크리트의 구속을 이용한 연성증대효과를 고찰하기 위한 실험도 고려하였다. 본 연구는 다음과 같이 구성되었다. 제 1장은 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 방법을 기술하였다. 제 2장은 기존 연구 고찰로써, ACI 440 위원회 제안식 및 ISIS Canada Design Manual, 그리고 국외 연구에 대해 기술하였다. 제 3장은 FRP Re-bar로 보강된 보와 일방향 콘크리트 슬래브의 실험재료, 실험계획, 실험방법에 대해 기술하였다. 제 4장은 실험결과값을 토대로 각 변수의 영향을 분석, FRP 보강 부재의 거동특성을 분석하고, 연성 및 사용성을 평가하였다. 제 5장은 본 연구의 결론에 대하여 기술하였다. 본 연구에서는 FRP Re-bar를 사용한 콘크리트 부재(보, 일방향 슬래브)의 휨 실험을 통하여 부재의 거동특성을 분석, 평가하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) FRP Re-bar로 보강된 부재의 거동은 균열이후에는 선형탄성적인 이선형(biliner) 거동특성을 나타내었으며, 철근콘크리트부재에 비하여 균열의 폭과 발생구간이 크게 나타났다. 2) FRP 보강비가 증가함에 따라 내력의 증가효과가 나타났으며, 콘크리트의 압괴에 의한 파괴는 균열양상과 파괴징후를 알 수 있는 이유로 상대적으로 안정적인 거동을 보였으나, 콘크리트 압괴에 의한 거동 역시 콘크리트 허용변형률까지의 한계가 있었다. 3) 콘크리트 압괴가 발생하여 파괴된 균형보강비 이상의 실험체들에서 모두 콘크리트 한계압축변형률인 0.003이상의 콘크리트 변형이 나타났으며, FRP Re-bar를 구조부재에 사용할 때 현재 콘크리트 압축변형률 0.003의 상향조정검토가 필요할 것으로 판단된다. 4) 압축측 콘크리트 구속보강 효과의 경우 압축구속보강하는 나선형 보강근에 의하여 콘크리트 연단의 압괴발생후에 파괴를 지연시키는 효과가 있었으며, 연성증진에 매우 효과적이었다. 따라서 FRP 보강근을 사용한 구조부재를 실제 구조물에 적용시에 취성적인 파괴를 막고, 연성증진을 위해 압축측 보강에 대한 기준설정이 필요할 것으로 판단된다. 그러나 이 경우 휨전단 또는 전단균열이 발생하여 거동에 영향을 미치기 때문에 전단보강과 연관시켜 추가적으로 검토할 필요가 있다고 판단된다. 5) 사용성 평가를 위해 계획된 조합하중(중량차량 용도의 주차장바닥 기준)하에서의 처짐과 균열폭에 대해 평가하였을 때, 슬래브의 춤이 200㎜인 실험체들 중 균형보강비 2배 이상의 실험체들에서 처짐이 근사치로 다소 허용기준을 초과하는 것으로 나타났으며, 제한균열폭 미만의 균열폭을 나타내었다. 따라서 구조물에 적용시에는 허용처짐과 허용균열폭의 조건을 만족하기 위해서 최소춤에 대한 설계기준식이 필요하며, 균형보강비의 2배 이상의 높은 보강비가 필요할 것으로 판단된다. 6) FRP bar로 보강된 일방향 콘크리트 슬래브의 전단강도는 FRP 보강비와 비례관계에 있었으며, JSCE와 CAN/CSA-S806-02 설계방법은 전단강도를 잘 예측하였으나, ACI 440 설계방법은 과소평가하는 양상을 띠었고, 보강비에 따른 전단강도 역시 큰 차이를 보였다.