Review on the Study for FRP Strengthened Steel Structures

1. 서론

일반적으로 FRP 보수보강에 대한 연구는 철근콘크 리트 구조물에 초점을 맞추어 진행되어 왔으며, 현재 건설현장 및 구조분야에서 보수보강재료로 FRP를 적 용한 사례는 많지만 강구조물에 적용한 사례는 드물 다. 본 학술기사에서는 국내외 많은 연구자에 의해 수 행된 강구조물의 FRP 보수보강에 대한 연구내용을 다 룬다. 기사는 크게 부착성능에 대한 연구, 휨부재에 대 한 연구, 압축부재에 대한 연구로 나뉘었으며, 세 분야 에 대한 국내외 연구결과를 본 학술기사에서 소개하고 자 한다.

2. 연구내용 소개

2.1 부착성능에 대한 연구

2.1.1 파괴메커니즘

FRP 와 강재사이에 인장력이 작용할 경우 가능한 파 괴메커니즘을 아래와 같으며, 이는 그림 1에 도식화 하 여 나타내었다.

(a) 강재와 접착재 사이 부착면의 탈락 (debonding) (b) 접착층의 내부파괴 (adhensive layer failure) (c) FRP 와 접착재 사이 부착면의 탈락 (debonding) (d) FRP 층간박리 (delamination, FRP 중 일부 층이

분리되어 떨어져 나가는 현상) (e) FRP 파단 (rupture)

(f) 강재의 항복 (steel yielding)

그림 1. 강판과 FRP 사이의 파괴모드

2.1.2 부착에 관한 실험방법

강재와 FRP사이에 부착거동 특성 및 영향 인자를 파 락하기 위해 기존 문헌 ¹⁾ 에서 총 4가지 타입의 FRP와 강재사이의 부착 실험방법이 소개되었으며 이를 그림 2 에 나타내었고, 각 방법들에 대한 내용 및 특징은 표 1 에 정리하였다.

강구조물의 FRP 보강연구의 사례 고찰

Review on the Study for FRP Strengthened Steel Structures

박재우 (Jai-Woo Park) 정회원｜한국시설안전공단 시설안전연구소 과장, 공학박사

｜[email protected]

최성모 (Sung-Mo Choi) 부회장｜서울시립대학교 건축학부 교수｜[email protected]

2.1.3 부착성능에 관한 연구내용

S.Rizkalla et al ²⁾ 은 강재와 CFRP 스트립의 부착성 능 향상을 위해 CFRP 스트립의 마감가공에 따른 부착 거동에 대한 연구를 수행하였다. CFRP 스트립의 마감 가공형상은 그림 3의 총 4가지로 정하였으며, 그림 2의

실험방법 중 그림 3의 (i) 방법인 Double strap joints 의해 연구를 수행되었다. 실험결과 그림 3의 4가지 가 공형상 중 Reverse tapered 2(T2) 방법이 가장 부착성능 을 개선시키는 데 효과적인 가공방법임을 검증하였다 ( 그림 4 참고).

(a) Type 1 (i) Uniform width (i) Double strap joints (i) Shear lap tests

(ii) Coupon shape (ii) Single lap joint with

circular hollow section (ii) Single lap shear joint

(c) Type 3

(iii) Dogbone shape (iii) Double lap shear joint

(b) Type 2 (d) Type 4

그림 2. 강판과 FRP 사이의 부착성능실험 방법

구분 실험방법 요약 특징

Type 1 FRP와 강재보 사이에 간접적으로 하중이 가해지는 경우 (Fig 1 (a) 참고)

- 직접인장은 아니지만 일방향으로 안전된 파괴거동을 보임 - I-section의 강재보에만 적용이 가능

- 중공강관과 같은 다른 단면을 가진 강재보에는 적용시키 지 못함

Type 2 Gap이 없는 강판에 직접적으로 하중이 가해지는 경우 (Fig 1 (b) 참고)

- 하중이 강판을 통해 FRP로 간접적으로 전달

- 시험체 제작이 비교적 간편하고 안정된 박리거동을 함 - 강재의 항복구간을 FRP 보강부위에서 발생시키도록 유도

하여야 함

Type 3 Gap이 있으며, 강판에 직접적으로 하중이 가해지는 경우 (Fig 1 (c) 참고) - 두 개의 강재사이에 간극을 둠

- 판타입인 스트립타입이 아닌 쉬트타입에만 적용 가능

Type 4 FRP에 직접적으로 하중이 가해지는 경우 (Fig 1 (d) 참고)

- 하중을 FRP에 직접적으로 작용

- 국부좌굴로 인한 FRP의 파단으로 부착력 측정이 부정확함 - FRP와 강재면에 편심이 발생하기 쉬어 안정된 결과 도출

이 어려움

표 1. 실험 방법 및 특징

그림 3. 이면부착의 끝단처리방법 형상

그림 4. 실험결과 (하중 – 변형률 곡선)

I. Akbar et al ³⁾ 은 접착재의 종류와 부착길이 등에 대한 영향인자에 대해 강재와 CFRP 스트립의 부착성 능 거동을 파악하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.

실험변수는 2종류의 접착재(C, A type), 부착길이, 앵커 보강유뮤, FRP 두께 등을 변수로 하여, Single lap shear joint( 그림 2의 Type 4 (ii) 참고) 방법을 사용하였으며, 이를 통해 강재와 FRP 사이의 부착-슬립 관계 (bond-slip relationship) 를 산정하고 이론적인 방법을

이용하여 예측하였으며(그림 5(b) 참고), 각 실험변수에 대한 부착영향을 실험을 통해 검증하였다.

(a) 파괴 전경 (b) 부착 – 슬립 관계

그림 5. I. Akbar 외의 연구결과

최성모, 박재우 ⁴⁾ 는 아라미드(AFRP) 스트립과 강재 사이의 부착거동에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 부 착길이, AFRP판재의 두께를 실험변수로 선택하여 강 재와 AFRP 스트립의 부착성능 거동을 파악하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 부착길이, FRP 두께 등을 변수로 하여, 그림 6(a)와 같이 ASTM(Standard Test Method for Lap Shear Adhesion for Fiber Reinforced Plastic (FRP) Bonding) 의 시험방법을 이용하여 부착- 슬립 관계를 도출하였다.

(a) ASTM 방법 (b) 부착 – 슬립 관계

(c) 파괴 전경

그림 6. 최성모, 박재우 연구결과

최성모, 박재우 ⁵⁾ 는 볼트, Wrapping 방법 등을 사용 하여 보강된 아라미드(AFRP) 스트립과 강재사이의 부 착거동에 대한 실험적 연구를 Single lap shear joint 방 법(그림 2의 Type 4 (ii) 참고)수행하였으며, 실험을 통 해 효과적인 부착성능 방법을 제안하였다. 실험결과 부 착성능을 향상시키기 위한 효과적인 보강방법은 Wrapping 방법인 것으로 나타났다 (그림 7 (c) 참고).

(a) Standard

type (S) (b) Bolt type

(SB) (c) Wrapping type (SW)

(d) 하중 – 변위 관계

그림 7. 최성모, 박재우 연구결과

2.2 휨성능에 대한 연구

본 절에서는 철골보 또는 합성보에 FRP보강에 대한 연구내용을 소개하고자 한다.

Miller et al ⁶⁾ 은 합성보의 강재부위인 H형강 하부플 랜지에 CFRP 쉬트로 보강하고 휨실험을 통해 휨성능 이 증가된다는 결론을 도출하였으며, 실제 교량에 적용 하여 보수보강을 적용하였다(그림 8(a) 참고). Schnerch et al ⁷⁾ 은 고탄성계 CFRP 스트립을 사용한 철골합성보 휨보강에 대한 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 CFRP 스트립은 229GPa의 저탄성계 스트립와 457GPa

의 고탄성계 스트립 2종류이다(그림 8(b) 참고).

(a) Miller 연구 (b) Schnerch 연구

그림 8. Miller and Schnerch의 연구

최성모, 박재우 ⁸⁾ 는 철골보의 아라미드(AFRP) 판을 이용한 보강효과를 검증하기 위해 실험적 연구를 수행 하였다. 아라미드 계열 섬유보강 쉬트는 탄소계열 섬유 보강 쉬트에 비해서는 강도면에서는 성능이 떨어지지 만, 연성능력이 있고, 비전도체 재료여서 발전소 건축 물에서 감전사고를 예방할 수 있으며, 가동중단 없이 보수보강을 수행할 수 있다는 장점이 있다.

H-Beam

FRP plate Debonding

(a) 보 중앙부의 FRP 탈락

(b) AFRP 탈락 (c) CFRP 탈락

그림 9. 실험체 파괴 전경

실험에서 CFRP판재와 AFRP 판재의 거동 비교를 위 해 두 종류의 섬유보강 판을 하부 플랜지에 부착하였 다. 실험결과 그림 9(a)와 같이 강판과 섬유보강판 사이 에 탈락(debonding)이 발생하며 파괴되었으나, 약 20%

의 내력상승효과를 관찰하였다.

박재우 ⁹⁾ 는 철골보의 하부플랜지에 CFRP쉬트를 증 타하여 보강하여 휨성능을 검증하는 실험적 연구를 수행하였다. 선행연구 ⁸⁾ 와는 달리 쉬트타입의 섬유보 강재료는 중앙부에서 먼저 CFRP쉬트가 파단(rupture) 되며 이후 탈락(debonding)이 발생하였으며(그림 10 참고), 실험을 통해 약 13%의 내력상승효과를 관찰하 였다.

그림 10. 보 중앙부의 CFRP 파단

Sallam ¹⁰⁾ 은 철골보의 하부플랜지에 CFRP 판재를 증 타하였을 경우 강판과 섬유판재의 탈락이 발생하여 내 력성능을 저하시킬 수 있어, 이를 보강하기 위해 Belted CFRP sheet 타입의 보강방법을 제안하였으며(그림 11 (a) 참고), 최성모, 박재우 ¹¹⁾ 또한 AFRP 판재의 탈락을 방지하기 위해 단부부위에 AFRP 쉬트로 감싸 보강하 였다(그림 11 (b)참고). 실험결과 내력상승효과는 미비 하였으나, 섬유보강 판재의 탈락시점을 지연시켜 연성 능력을 개선하였다.

(a) Sallam 연구

(b) 최성모, 박재우 연구

그림 11. 다양한 보강 방법

2.3 압축성능에 대한 연구

본 절에서는 철골기둥과 합성기둥의 FRP보강에 대 한 연구내용을 소개하고자 한다.

Shatt ¹²⁾ 는 판폭두께비 23인 비조밀단면 단주 각형강

관(Hollow Square Section, HSS)에 CFRP쉬트를 길이

방향과 폭방향으로 각각 보강하여 중심합축실험을 수

행하였다. 여기서, 보강개념은 그림 12(a)와 같이 강관

에 발생하는 Outward local buckling을 CFRP쉬트의 구

속으로 보강하는 것이다. 실험결과 18%의 내력상승을

보여 철골기둥의 압축성능을 개선시킬 수 있음을 검증

하였다.

(a) 보강 방법 개요

(b) 보강 방법 상세

그림 12. Shatt 연구 (HSS 단주)

박재우 ¹³⁾ 는 판폭두께비 23인 비조밀단면 단주, 장주 와 판폭두께비 60, 80, 100 세장판단면 각형강관 단주 에 대해 CFRP쉬트를 보강하여 중심축하중 실험을 수 행하였으며, 유한요소해석을 범용 유한요소해석프로그 램인 ANSYS workbench V. 14.0을 사용하여 실험결과 와 비교하였다. 연구결과 비조밀 단면은 10% 미만의 내력상승효과가 나타나 효과가 미비하였지만, 세장판 단면에서는 탄성좌굴응력을 향상시켜 내력이 최대 33% 이상 증가되어 CFRP 보강은 세장판 단면에서 더 효과적임을 알 수 있었다. 또한 장주기둥은 23%의 내 력상승효과를 관찰하였는데, 일반적으로 장주는 전체 좌굴(overall buckling)이 발생하는데 길이방향의 CFRP 쉬트 보강을 통해 강관의 인장면이 휨보강을 발휘하게 되어 내력이 상승하게 된다(그림 13(b) 참고).

(a) 단주 (b) 장주 보강 개념

(b) 장주

그림 13. 박재우 연구 (HSS 단주, 장주)

박재우 ^14),15) 는 콘크리트 각형충전강관(CFT)기둥에

CFRP 쉬트로 보강하여 중심축하중 실험을 수행하였다.

건축구조기준에 의하면 CFT기둥은 비조밀 단면과 세 장판 단면을 구분하는 한계 판폭두께비 설계기준이 있 는데, 이 연구에서는 비조밀단면 (b/t=20,30,40)기둥과 조밀단면 (b/t=80,100) 기둥에 대해 실험변수 초점을 맞 추어 연구를 수행하였다. 실험결과 비조밀 단면의 경우 구속에 의한 내력상승효과가 10% 정도로 미비하였지 만, 세장판 단면에 대한 CFT기둥은 23%의 내력상승효 과를 보여 세장판 단면에서 더 효과적임을 관찰하였다.

(a) b/t = 20,30,40 (b) b/t = 100

그림 14. 박재우 연구 (각형 CFT)

또한 박재우, 최성모 ¹⁶⁾ 는 콘크리트 원형충전강관 (CFT) 기둥에 CFRP쉬트로 보강하여 중심축하중 실험 을 수행하였다. 각형강관과는 달리 원형강관에서는 포 아송효과로 인해 균등하게 횡방향으로 팽창하므로 CFRP 쉬트의 구속효과로 인한 내력상승효과를 검증할 수 있었다(그림 15(b) 참고).

(a) 파괴 전경 (b) 하중 - 변위관계

그림 15. 박재우 연구 (원형 CFT)

박재우, 최성모 ¹⁴⁾ 는 콘크리트 각형충전강관(CFT)기 둥 단부에 기둥폭길이만큼 CFRP쉬트로 보강하였으며, CFRP 쉬트보강 겹수와 판폭두께비를 실험변수로 채택 하여 이력거동실험을 수행하였다. 실험결과 내력증가 는 미비하였지만, 단부부위의 국부좌굴의 지연으로 에 너지소산능력과 연성능력을 향상시켜 내진성능을 개선 시킬 수 있음을 검증하였다.

R5F1-3

-150 -100 -50 0 50 100 150

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

변위율 (%)

모멘트 (kN-m)

(a) 파괴 전경 (b) 모멘트 – 변위 관계

그림 16. 박재우 연구 (내진 실험)

3. 결론

본 학술기사에서는 강구조물의 FRP보강에 대한 국

내외 연구내용을 소개하였으며, 휨재와 압축재 등 다양 한 강구조 부재에서 보강효과가 있음을 검증하였다. 향 후, 다양한 실험적 연구와 설계식제안 등 이론적인 연 구가 뒷받침 되어야 될 것이며, FRP가 콘크리트 구조 물 뿐만 아니라 강구조물 보수보강에 널리 쓰일 수 있 도록 연구관계자와 현장실무자의 많은 관심이 필요하다.

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