CFRP bar 콘크리트보의 전단지간비 및 휨보강근비 변화에 따른 콘크리트 전단강도

Abstract

철근 콘크리트로 시공된 사회간접 시설물은 시간의 경과에 따라 노후화가 진행되어 구조물의 성능이 저하되는데, 이는 대부분이 구조물 내부의 철근 부식에 의한 것이다. 철근의 부식은 구조물이 오랜 기간 동안 대기 중의 이산화탄소 등에 노출되어 콘크리트가 중성화 되거나, 동절기 제설 작업을 위하여 살포되는 제설제의 사용, 해양환경에서 염화물의 침투 등으로 인하여 발생한다1). 이러한 철근의 부식을 방지하기 위하여 에폭시도막 철근 사용, 콘크리트의 수밀성 강화, 전기 방식, 피복두께의 증가 등과 같은 대책이 제시되고 있다. 그러나 철근의 사용이 계속되는 한 어떠한 대책을 택하든 근본적으로 철근 자체의 부식 진행은 피할 수가 없다. 에폭시도막 철근 사용의 경우도 장기적인 효과의 검증에 대하여는 아직 밝혀진 바가 없는 것으로 알려져 있다8). 현재 철근의 대체제로서 연구가 진행되고 있는 신소재 재료는 대표적으로 FRP(Fiber Reinforced Polymer) bar이다2-19). FRP bar는 중량대비 인장강도가 크고 비부식성, 비전·자기성 등의 장점 및 취성적인 특성을 갖고 있다. 이러한 장점들을 활용하여 FRP bar가 철근 대체재로 사용될 경우, 부식으로 인한 콘크리트 구조물의 노후화 방지 그리고 내구수명의 증가가 가능해져 보수·보강비 절감 및 장수명화로 경제적인 효과를 기대할 수 있다. 따라서 1990년대 이후 미국, 유럽, 캐나다, 일본 등에서 콘크리트 구조물에 철근을 대신하여 FRP bar를 사용하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 현재 FRP bar 콘크리트 구조물의 설계기준을 확립해가고 있는 실정이다. 국내에서도 FRP bar 사용에 관한 연구가 최근에 행해지고 있는데, 기존 콘크리트 구조물의 보수·보강시 단면확대공법 및 표면매립공법에서 FRP bar의 활용2), 철근대체재로서 휨보강근으로 사용시 휨거동4), FRP bar의 부착응력 특성5,6) , 콘크리트의 전단강도 평가3) 등으로 구분해볼 수 있다. 위에서 언급한 콘크리트의 전단강도 평가 분야에 관하여 현재 국내·외에서 연구가 행해지고 있는데3, 8-16) , ACI 및 일본 토목학회에서는 전단지간비(a/d)의 변화에 대한 고려를 하지 않고 단지 휨보강근비의 변화만 고려하여 콘크리트의 전단강도를 평가하고 있으나, 캐나다 기준에서는 휨보강근비 외에 전단지간비의 변화까지 고려한 식을 제시하고 있다17). 한편 ACI 440 위원회에서 추천한 FRP bar 콘크리트보의 콘크리트 전단강도 평가식(1.1)을 살펴보면 콘크리트의 압축강도()가 증가할수록 콘크리트 전단강도()는 감소하게 되며, 또한 FRP bar를 사용하지 않는 경우(=0인 경우) 콘크리트 전단강도가 0이 되는 모순점을 갖고 있다. (1.1) 우리나라 콘크리트구조설계기준의 경우 ACI code를 많이 참조하는 바, 식(1.1)에 대한 재평가가 필요하다고 판단된다. FRP bar 콘크리트보의 콘크리트 전단강도 평가에 관하여 현재까지 국내에서 행해진 연구는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) bar와 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer) bar를 휨보강근으로 사용한 콘크리트 보에서 전단지간비의 변화를 고려하지 않고 단지 휨보강근비의 변화만을 고려하여 실험에서 얻어진 결과를 제시한 것이다3). 따라서 본 연구에서는 CFRP bar 콘크리트 보의 사용시 콘크리트의 전단강도를 정확하게 평가할 목적으로, 전단지간비 및 휨보강근비의 변화를 동시에 고려한 경우에 대하여 일련의 실험 및 분석을 통하여 콘크리트의 전단강도를 평가하는 수식을 제안하므로서 추후 FRP bar 콘크리트 구조물의 설계기준을 확립하기 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

FRP(Fiber Reinforce Polymer) bar is the representative new material considered as the substitutional material, which has the merits of ani-corrosion, big tensile strength for its weight, non-electricity and non-magnetism and brittle characteristics. Recent domestic studies on the usage of FRP bar are increasing. The studies largely can be divided into the usage of the FRP bar in section enlargement method of construction and surface reclaiming method of construction in case of maintaining and reinforcing the existing concrete structure, shearing intensity evaluation of concrete and bent behavior in case of being used as reinforcing rod for being bent as substitutional material for the reinforcing bar and the characteristic of the adhesive power of the FRP bar. The Japanese engineering works institute and ACI do not consider the variation of a/d and only consider the change of the bending reinforcing rod rate, through those consideration, they evaluate the shearing intensity but Canadian standards suggests the formula considering the variation of the a/d as well as bending reinforcing rod rate. In the domestic studies related to this, they all suggests the results from the experiments considering only the variation of the bending reinforcing rod rate neglecting the change of the a/d in the concrete pillars using the CFRP and GFRP. Thus, in this study, for the exact evaluation of the shearing intensity of concrete in case of using CFRP bar concrete pillar, through a series of experiments, the evaluating formula for the shearing intensity considering the a/d and the bending reinforcing rod rate at the same time will be suggested. The FRP bar used in the experiment is CFRP bar. For analyzing the variation of the shearing ability and the moving characteristic of the concrete pillar, we didn't do the shearing reinforcement. The a/d of the concrete pillar used in this experiment is 1.5.2.0.2.5.3.5.4.5 and the bending reinforcing rod rate is 0.00331, 0.00442 and 0.00791. We could come to a conclusion as follows through the analyzing the experimental results. (1) The average shearing adhesiveness of the concrete in the CFRP bar concrete is improving keeping pace with the increase of the bending reinforcing rod rate and the decrease of a/d. (2) Shearing intensity correction coefficient(β) has the tendency to increase according to the increase of the bending reinforcing road rate(？？) or the decrease of the a/d. ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요)？？ ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요)？？ (3) We could get the better results in case of considering both a/d and bending reinforcing rod rate than in case of considering only the bending reinforcing rod rate.