Fatigue Behavior of Reinforced Concrete Beams Externally Strengthened using FRP Tendons

構 造 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第6A 號·2008年 11月 pp. 809 ~ 817

FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 피로거동

Fatigue Behavior of Reinforced Concrete Beams Externally Strengthened using FRP Tendons

박상렬*·홍성룡**·김창훈***

Park, Sang Yeol

·

Hong, Sung Ryong

·

Kim, Chang Hoon

···

Abstract

Recently, the external prestressing method is being much frequently used in strengthening reinforced concrete structures because of it's excellent load resistance and serviceability increases comparing to other strengthening methods. However, it is true that the research on fatigue performance of concrete structures strengthened by the external prestressing using FRP ten- dons is rare. Therefore, the purpose of this study is to evaluate the safety and feasibility of the external prestressing method by analyzing the characteristics of the reinforced concrete beam strengthening using FRP tendons under repeated loads. Test vari- ables adopted in this experimental study are the types of external prestressing material (steel or FRP tendon) and the repeated load ranges. The repeated load range have the minimum 50% of yield load of reinforced concrete beam and the maximum 70- 85%. The test beams are loaded by 4 point loadings with 3

Hz sine wave. From this experimental study, it is confirmed that the

reinforced concrete beams strengthened using FRP tendons have sufficient safety against fatigue, especially in FRP tendon itself, tendon at deviators and tendon at anchorages.

Keywords :external prestressing, fatigue, CFRP tendon, stress range

···

요 지

최근 사용되고 있은 구조물의 보강 방법 중 내력 및 사용성 향상효과가 타 공법에 비해 월등한 외부 긴장공법이 많이 사용되고 있다. 그러나 외부 긴장재로 보강된 구조물에 대하여 반복하중에 의한 피로 성능에 대한 평가가 부족하고 이에 대 한 연구도 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 반복하중에 따른 피 로거동 특성을 분석함으로써 외부 긴장공법의 안전성 및 타당성을 평가하고자 하였다. 본 실험연구에서는 비교 변수로 외부 긴장재의 종류(FRP 긴장재, Steel 긴장재)와 하중범위를 채택하여 실험을 실시하였다. 하중은 FRP 보강 시험체의 항복강도 를 기준으로 최소하중을 50%로 삼고 최대하중을 70~85%로 변경하여 4점 재하방식으로 sine파를 이용하여 3Hz의 주기로 실험을 실시하였다. FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보에 대한 피로 실험연구 결과로부터 FRP 외부 긴장 공법은

FRP

긴장재, deviator에서의 절곡부, 정착장치 등에서 피로에 대한 충분한 안전성이 확인되었다.

핵심용어

:

외부 프리스트레싱, 피로, CFRP 긴장재, 응력범위

···

1.

서 론

최근 사용되고 있는 구조물에 대한 보강방법 중 외부 프 리스트레싱 공법은 프리스트레싱 긴장재를 부재단면 밖에 보 강하는 방법으로 근래에는 기존교량의 보강뿐만 아니라 추 후 보강의 필요성을 대비하기 위하여 신설교량에도 사용되 고 있으며, 다른 공법에 비해 보강효과가 매우 크고 보강정 도를 조정하기 쉬운 장점이 있다(박상렬 등, 2007). 이 방법 은 기존 구조물에 내력을 증진시키고 사용성을 증대시키는 방법으로 극한 상태의 하중뿐만 아니라 사용하중상태의 사 용성도 매우 중요하다. 따라서 반복하중에 의해 사용하중 상

태에서 발생할 수 있는 피로파괴는 FRP 보강 공법에서 중 요한 검토 항목이다. 최근 철근을 대신해 FRP를 이용한 연 구가 활발히 진행되어지고 있으며 이들 중 FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 연구는 휨과 전단에 대한 정적 강도를 평가하는 것이 대부분이다. 이와 함께 FRP

Sheet

나 강판 등으로 보강된 철근콘크리트 보의 피로에 대한

연구도 진행되고 있다(심종성 등, 1996 -1999; 장동일 등,

1992; Oh, Byung Hwan, 1991).

그러나 FRP 긴장재로 외

부 보강된 철근콘크리트 보의 피로에 대한 연구는 현재까지 거의 이뤄지고 있지 않다.

본 연구에서는 FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트

*정회원·제주대학교 토목환경공학과 부교수 (E-mail : [email protected])

**제주대학교토목해양공학과석사 (E-mail : [email protected])

***정회원·교신저자ㆍ제주대학교 토목해양공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])

보에서 반복하중에 따른 피로거동의 특성을 분석함으로써 외 부 긴장공법의 안전성 및 타당성을 평가하고자 하였다. Fig.

1

은 반복하중에 의한 예상되는 피로파괴 형태를 나타낸 것으 로 정착부(anchorage) 부착 피로파괴, 정착부(anchorage) 전 면 긴장재의 휨 인장 피로파괴, 콘크리트 압축 피로파괴, 인 장철근의 피로파괴와 철근과 콘크리트의 부착피로파괴로 예 상할 수 있다.

2.

실험연구

2.1

실험계획

2.1.1

시험체

실험에 사용된 시험체는 ACI(2005) 설계기준에 따라 Fig.

2

에 보이는 것과 같이 T형 철근콘크리트 보로 제작하였으며

CFRP

긴장재를 외부에 보강하였다.

2.1.2

실험 및 데이터 수집

정적실험은 4점 재하법, 변위제어 방법으로 하중은 분당

1.5 mm

속도로 재하 하였고 하중 재하 시 시험체의 최종파

괴 형태를 관찰하기 위하여 시험체가 완전히 파괴에 이르기 까지 재하 하였다. 20 kN 하중 재하 시마다 균열을 표시하 였다. 하중 측정은 Load cell을 이용하여 하중값을 확인하였 다. 그리고 보 시험체의 변위를 측정하기 위하여 보의 중앙 에 변위계(LVDT)를 설치하였다. 데이터의 수집은 동적변형 률 측정기를 이용하여 작용하중 및 중앙 처짐과 내부 보강 근, 외부 보강근(CFRP) 및 압축부 콘크리트 상단에 strain

gage

를 부착하여 변형률을 측정하였다.

동적실험은 하중제어 방법으로 하중은 정적시험으로 얻은 시험체의 결과로부터 최소하중(P

min)

을 시험체의 항복강도

50%

로 고정하고 최대하중(P

max)

을 70-85%까지 변화시키는 방법으로 하중범위를 선정하였다(ACI Committee 440,

2004).

반복횟수가 10

⁰, 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶, 2×10⁶

회가 될 때 반복하중을 멈추고 정적실험과 동일한 방법으로 각 시험 변수별 하중범위의 최대하중까지 재하하여 데이터를 수집하 였다. 하중속도는 3 Hz, 하중재하 형태는 sin파로 하였다.

2.2

재료

2.2.1

콘크리트

시험체 제작에 사용된 콘크리트는 설계압축강도 f

ck=24

MPa,

굵은 골재의 최대치수가 25 mm, 슬럼프 10 cm, 보

통 포틀랜트 시멘트를 사용한 레미콘을 사용하였다. 실험 시 측정한 10개 공시체의 평균압축강도는 25.97 MPa이었다.

2.2.2

철근

철근콘크리트 보에 사용된 철근은 SD400등급인 이형철근 으로 인장철근은 D22, 압축철근은 D13, 스트럽은 D10을 사용하였다. 철근의 인장 시험 결과는 Table 1과 같다.

2.2.3 FRP

와 Steel 긴장재

FRP

긴장재는 T사에서 제작한 CFCC(Carbon Fiber

Composite Cable)

를 사용하였으며 정착 시스템은 슬리브 형

식으로 너트로 정착하는 시스템이다. Table 2에 FRP의 세부 성질을 나타내었다.

Steel

긴장재는 국내 D 철강에서 제작한 프리스트레싱용

강연선으로 SWPC 7B등급의 직경 9.5 mm를 사용하였다.

Table 3

은 Steel 긴장재의 세부 성질을 나타낸 것이다.

2.3

실험변수

FRP

긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 피로실험을 수행하기 위해 시험체에 대한 하중범위를 선정하는 것이 중

Fig. 1 Expected failure modes by repeated load

Fig. 2 Dimensions and loading layout of specimen

Table 1. Test results of tensile strength of re-bar Type Diameter

(mm)

Ultimate stress (MPa)

Yield stress (MPa)

Elastic modules (GPa) Steel

(SD 400)

H10 634.00 526.89 197.34

H13 600.98 493.14 195.85

H22 611.34 489.24 190.50

Table 2. Standard specifications of CFCC

Type Area

(mm²)

Breaking load (kN)

Tensile strength (MPa)

Tensile modulus

(GPa)

Elongation at break

(%)

CFCC 1×7, 12.5 76.0 142 1870 137 1.5

Table 3. Steel tendon specification

Type Area

(mm²)

Tensile strength

(MPa)

Yield stress (MPa)

Elastic modules

(GPa)

Elongation (%) PS steel

1×7, 9.5f 55.1 1938.29 1735.03 210.84 7.00

요하다. 따라서 시험체의 극한하중을 측정하기 위한 정적시 험체와 반복하중범위에 따른 피로시험체(RF), 그리고 보강효 과를 비교하기 위한 무보강시험체(RU70)와 FRP 긴장재와 비교하기 위한 Steel 긴장재로 보강된 시험체(RS)로 구성하 였다. Table 4에 실험변수에 대하여 정리하였다. Table 4에 서 RS70 시험체의 긴장력을 인장강도의 55%인 것은 FRP 긴장재로 보강된 시험체와 비교하기 위해 극한강도를 서로 맞추기 위해서이다.

3.

실험결과 및 분석

3.1

정적실험결과

피로실험 전 하중 범위를 산정하기 위하여 각각 정적실험 을 실시하였다. Fig. 3은 정적실험으로부터 얻은 하중-처짐도 이며, 그 결과를 Table 5에 정리하였다. FRP 긴장재로 외부 보강된 시험체의 경우 FRP 재료의 선형 탄성 특성에 의해 철근 항복 전후 선형거동을 하였다. 모든 시험체는 철근 항 복 후 최종적으로 콘크리트 압축 파괴가 일어났다. 정적시험

결과 FRP 긴장재로 외부 보강된 시험체의 항복강도 240

kN

을 기준으로 50~70%, 50~75%, 50~80%, 50~85%의 반 복하중을 가하여 피로 실험을 실시하였다.

3.2

피로실험결과

3.2.1

반복 횟수에 대한 균열성장과 파괴형태

Fig. 4

는 시험체들에 대한 균열도를 나타내었다. 그림에서

점선인 원은 시험체들의 최종 피로파괴를 일으킨 곳을 나타 낸다. 모든 시험체에서 정적하중으로 인해 발생된 초기균열 이 반복횟수가 증가함에 따라 점차 진전하여 피로파괴의 주 요 인자인 주 균열로 성장하였으며 하중이 집중되는 deviator 부분에서 파괴가 주로 발생하였고 철근의 절단과 함께 피로 파괴를 보였다. 파괴가 일어난 보의 균열은 플랜지 부분까지 진행된 것을 확인 할 수 있었다. 균열의 발생형태나 진전되 는 과정은 정적하중을 받는 보의 경우와 비슷하였으며 피로 실험도중 하중을 제거하면 미세균열은 상당부분 복원이 되 는 것을 볼 수 있었다. 보강 시험체의 경우는 반복하중으로 인하여 철근이 파단 되더라도 시험체가 갑작스럽게 파괴되 지 않아 구조체로서의 기능을 완전히 상실하지는 않았다. 파 괴된 시험체를 살펴보면 파괴를 일으킨 보의 균열 폭은

Table 4. Experimental parameters

Para-meters Beam I.D Re-bar External PS tendon Jacking Force (Fj) Stress range Unstrengthen RU70

2H22, A_s=774 mm²

ρ

used=0.61

ρ

max

- - 50%~70%

Stress ratio (FRP)

RF70

FRP 2

× φ

^12.5 A_ps=152 mm²

F_j=0.4F_pu^*

50%~70%

RF75 50%~75%

RF80 50%~80%

RF85 50%~85%

Steel RS70 "

Steel 2×

φ

9.5 Aps=110.2 mm²

Fj=0.55Fpu 50%~70%

F_pu :

각 재료의 인장강도(N)

Fig. 3 Load-Deflection curves Table 5. Test results of static experiment

Beam I.D

Yield Ultimate Load

(kN)

Deflection (mm)

Load (kN)

Deflection (mm)

RU 180.5 14.37 202.9 47.49

RF 242.6 18.21 310.9 45.46

RS 273.5 19.52 317.2 47.49

Fig. 4 Crack development pattern

1.5~5 mm

로 상당히 컸으며, RF70-1 시험체의 경우 인장 철근의 위치와 같은 곳에서 발생한 가로 방향의 균열에 의 해 콘크리트와 철근의 부착 파괴로 이어졌고, RF75, RF80,

RF85

시험체는 deviator 부분에서 인장철근이 파단 되었다.

3.2.2

무보강 시험체 (RU70)

피로시험의 결과를 Table 6에 요약하였다. 무보강 시험체 인 RU 시험체는 하중범위를 FRP 긴장재로 외부 보강된 철 근콘크리트 보의 항복강도를 기준으로 하였고 그 범위는

50~70%

로 120~168 kN이다.

무보강 시험체는 FRP 긴장재로 외부 보강된 시험체의 항 복강도를 기준으로 하중을 설정하였기 때문에 무보강 시험 체에게는 매우 높은 응력수준으로 반복하중에 의한 변형이 계속적으로 증가되었다. 초기에 발생한 균열이 반복하중을 받는 동안 점점 진전되어 약 13만회에서 균열이 상단까지 진행되어 결국 콘크리트 압축파괴를 일으켰다. Fig. 5는

RU70

시험체의 실험 모습으로 (a) 실험 전 모습, (b) 파괴

후 균열 모습을 나타내고 있다.

무보강 시험체는 약 13만회에 이르는 동안 외부 보강된 시험체에 비해 처짐이 크게 증가하였다. Fig. 6은 RU70의 반복횟수에 대한 하중-처짐도를 나타내고 있다.

3.2.3 FRP

긴장재로 외부 보강된 시험체(RF70, RF75,

RF80, RF85)

RF70-1

시험체는 반복횟수의 증가에 따라 처짐은 거의 선

형적으로 증가하다가 약 1,257,000회 정도 진행 되었을 때 인장철근과 콘크리트의 부착 피로파괴를 일으켰다. 이는 70 만회정도에서 인장철근의 위치에서 발생한 가로 방향의 미 세한 균열이 반복하중을 받는 동안 콘크리트와 철근사이의 부착이 피로에 의해 약해져 결국 파괴된 것이라 판단된다.

보가 파괴된 후 1.50 mm정도의 휨 균열이 deviator 부분에

Table 6. Summary of fatigue test results

Beam I.D Pmin

(kN)

Pmax

(kN) Residual displacement(mm) Failure type

RU70 120

(50%)

168 (70%)

2.30 (1)*

5.25 (10³)

7.57 (10⁴)

9.08 (10⁵)

12.47 (1.3×10⁵)

Concrete compression failure

RF70-1 120

(50%)

168 (70%)

0.90 (1)

1.22 (10³)

1.75 (10⁴)

2.10 (10⁵)

2.74 (10⁶)

7.48 (1.257×10⁶)

Concrete debonding failure

RF70-2 120

(50%)

168 (70%)

1.06 (1)

1.31 (10³)

1.38 (10⁴)

1.47 (10⁵)

1.76 (10⁶)

2.40

(2×10⁶) No failure

RF75 120

(50%)

180 (75%)

1.37 (1)

1.46 (10³)

1.57 (10⁴)

1.81 (10⁵)

2.25 (10⁶)

7.94

(1.816×10⁶) Rupture of re-bar

RF80 120

(50%)

192 (80%)

1.18 (1)

1.27 (10³)

1.83 (10⁴)

2.36 (10⁵)

8.42

(3.83×10⁵) Rupture of re-bar

RF85 120

(50%)

204 (85%)

1.24 (1)

1.53 (10³)

1.97 (10⁴)

2.48 (10⁵)

8.20

(3.04×10⁵) Rupture of re-bar

RS70 120

(50%)

168 (70%)

1.43 (1)

1.48 (10³)

1.76 (10⁴)

1.80 (10⁵)

2.12 (10⁶)

2.92

(2×10⁶) No failure

*( ) :

하중반복 횟수

Fig. 5 Real view of RU70 specimens

Fig. 6 Load-deflection curves with the number of cycles (RU70)

Fig. 7 Load-deflection curves of RF and RF70-2 specimens

서 발생하였다.

RF70-2

시험체는 200만 번까지 피로 파괴를 보이지 않아

피로 실험 후 정적실험을 실시하였다. Fig. 7에 보인 바와 같이 200만 번의 반복하중을 받은 시험체는 반복하중을 받 지 않은 RF 시험체와 비교해 볼 때 항복 전 특히, 사용하 중 상태에서 강성이 약화되어 처짐이 증가하였으나 철근 항 복 후에는 두 시험체가 같은 거동을 보여 반복하중을 받은 후에도 FRP재료의 선형적인 특성이 변화되지 않았음을 알 수 있다. 이는 외부 긴장재로 사용한 FRP 긴장재가 피로에 대해 안전성을 가지고 있음을 보여주고 RF70-2 시험체가 피로에 의해 하중 지지능력을 상실하지 않았다고 해석 할 수 있다.

최대 하중의 범위가 75%, 80%, 85%인 RF75, RF80,

RF85

시험체는 정적 하중에 의해 생긴 균열이 반복하중에

의해 점차 진전되었으며, 하중재하 점 하부 균열에서 응력

집중현상이 발생하여 결국 인장철근이 취성파괴 되었다. 두 개의 인장철근 중 하나의 철근이 피로 파괴된 후 처짐은 급 격하게 증가하였으며 하중을 제거한 후에도 파괴가 일어난 부분의 균열은 복원이 되지 않았고 이 부분의 균열을 측정 한 결과 3~5 mm정도였다. Fig. 8은 RF70 시험체의 모습 이며, (a) RF70-1 시험체의 보 중앙부분의 가로 균열모습,

(b) RF70-2

시험체의 압축파괴 모습을 나타낸 것이다. Fig.

9

는 RF75 시험체의 모습을 나타낸 것으로 (a) deviator부근 에서의 콘크리트 균열, (b) 인장철근 파단을 보여주고 있다.

Fig. 10

은 RF80 시험체의 모습으로 (a) deviator부근에서의

콘크리트 균열, (b) 인장철근의 파단을 나타낸 것이다. Fig.

11

은 RF85 시험체의 모습으로 (a) deviator부근에서의 콘크 리트 균열, (b) 인장철근의 파단을 나타내고 있다.

1)

반복횟수에 대한 보 중앙부 처짐의 관계

Fig. 12~16

은 FRP 긴장재로 외부 보강된 시험체의 반복

횟수와 중앙부의 처짐 관계를 나타낸 것이다. 피로실험에서 의 처짐은 반복횟수의 영향보다는 작용하중의 범위나 응력 범위에 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있었다. 모든 시 험체에서 하중을 제거하였을 때 분명한 잔류 변위를 보였고 미세 균열은 거의 복원되었다. 중앙부의 잔류처짐이 반복횟 수의 증가에 따라 크게 증가하지 않는 것은 외부 긴장재에

Fig. 8 Real view of RF70 specimens

Fig. 9 Real view of RF75 specimens

Fig. 10 Real view of RF80 specimens

Fig. 11 Real view of RF85 specimens

Fig. 12 Load-deflection curves with the number of cycles (RF70-1)

Fig. 13 Load-deflection curves with the number of cycles (RF70-2)

의해 어느 정도 회복되었기 때문으로 판단된다.

반복하중 재하 시 하중 증가부의 곡선과 하중 감소부의 곡선 사이의 면적을 통해 전체 시스템에서 발생되는 에너지 손실을 알아 볼 수 있다. 단 본 실험에서는 10의 지수 승 에 해당하는 재하 시에만 측정하였고, 잔류변위에 의한 손실 까지 포함하였다. 특히 첫 번째 재하의 경우는 휨 균열 및 사인장 균열을 발생시키는 에너지 손실을 포함한 것으로 반

복하중에 의한 에너지 손실은 아니다. 초기 에너지 손실이 가장 크게 나타났으며 반복횟수에 따라 에너지 손실도 조금 씩 증가하였다.

2)

반복횟수에 대한 변형률 관계

Fig. 17~21

은 FRP 긴장재로 외부 보강된 보의 반복횟수

Fig. 14 Load-deflection curves with the number of cycles (RF75)

Fig. 15 Load-deflection curves with the number of cycles (RF80)

Fig. 16 Load-deflection curves with the number of cycles (RF85)

Fig. 17 Relationship of strain and the number of cycles(RF70-1)

Fig. 18 Relationship of strain and the number of cycles(RF70-2)

Fig. 19 Relationship of strain and the number of cycles(RF75)

와 변형률의 관계를 나타낸 것이다. FRP 긴장재는 반복횟수 에 따라 최대하중일 때 변형률이 미세하게 증가하였고, 보의 중앙부 처짐과 같이 철근과 콘크리트의 변형률 또한 증가하 는 것을 확인 할 수 있었다. 내부인장철근은 하중비가 증가 할수록 변형률이 증가하였으며 외부 긴장재로 인한 복원효

과로 전체 변형률이 미세하게 증가하였다. 최대하중이 75%

이상인 시험체들의 그래프를 보면 반복횟수가 증가할수록 내 부인장철근의 변형률이 외부 긴장재와 콘크리트 변형률에 비 해 증가량의 변화가 뚜렷하게 나타났으며 이는 철근의 응력 부담률이 증가하였다는 것을 알 수 있다. 여기서 누적 변형 률은 반복횟수에 따라 각 단계에서 측정된 중앙부의 국부 변형량 값에다 잔류처짐과 곡률과의 관계, 곡률과 모멘트와 의 관계로부터 간접 계산한 중앙부의 국부잔류 변형량 값을 더한 값이다.

FRP

긴장재가 선형탄성 거동과 취성재료라는 단점에도 불 구하고 FRP가 아닌 인장철근이 피로에 더욱 취약했는데, 이 는 FRP가 외부에 보강되어 긴장재에 응력 집중이 없이 평 준화되었기 때문이다. 반면 인장철근은 균열부에서 응력 집 중으로 인해 피로에 의해 취성파괴가 발생한 것이다. 따라서

FRP

긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보에 있어서 FRP 긴장재는 피로에 대해 안전하다고 판단할 수 있다.

3.2.4 Steel

긴장재로 외부 보강된 시험체(RS70)

RS70

시험체는 200만 번까지 피로 파괴를 보이지 않아

피로실험 종료 후 정적실험을 실시하였다. Fig. 22는 200만 번의 반복하중을 받은 RS70 시험체와 정적실험을 한 RS 시험체의 하중-처짐도를 비교한 그래프이다. 200만 번의 반 복하중을 받은 시험체는 반복하중을 받지 않은 RS 시험체보 다 균열로 인한 초기 강성과 항복강도에 약간의 차이를 보 이며 극한 강도는 조금 감소하였으나 RS 시험체와 비슷한 거동을 보였다. Fig. 23은 RS70 시험체의 실험 모습이며.

(a)

균열 모습, (b) 정적실험에서 최종 콘크리트 압축파괴 모 습을 나타낸 것이다.

Fig. 20 Relationship of strain and the number of cycles(RF80)

Fig. 21 Relationship of strain and the number of cycles(RF85)

Fig. 22 Load-deflection curves of RS and RS70 specimens

Fig. 23 Real view of RS70 specimensx

Fig. 24 Load-deflection curves with the number of cycles (RS70)

1)

반복횟수에 대한 보 중앙부의 처짐의 관계

실험변수 중 같은 하중범위인 RF70 시험체에 비해 초기 처짐 속도가 빠르게 진행 되었다. Fig. 24는 반복횟수에 대 한 보 중앙부 처짐의 관계를 나타낸 것이다. 반복횟수가 증 가 할수록 잔류 변위량 또한 다른 시험체와 같이 증가 하였 고 에너지 손실 역시 반복횟수의 증가와 함께 증가하였다.

2)

반복횟수에 대한 변형률의 관계

Fig. 25

는 반복횟수에 대한 변형률을 나타낸 것인데, 반복

횟수에 따른 변형률 또한 다른 시험체와 같이 증가하는 것 을 알 수 있다.

3.3 S-N

선도

콘크리트 구조물에서의 피로한계는 각국 기준에 따라 약

100

만회~200만회 일 때 경우를 나타내고 있으며 일반적으로 철근 콘크리트의 반복횟수 100만회에 대한 피로강도는 정적 강도의 약 50~60%인 것으로 알려져 있다(ACI Committee

215, 1992).

본 연구에서는 200만회를 피로한계로 가정하였

다. Fig. 26은 FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보 의 S-N곡선을 나타낸 것으로 FRP 긴장재로 외부 보강된

철근콘크리트 보는 항복강도가 최소값 50%를 기준으로 최 대값의 70~85%에서 파괴되었다. S-N곡선으로부터 반복횟수

200

만회에 대한 피로강도는 철근 항복강도의 71% 전후라고 판단된다. FRP 긴장재로 외부 보강하면 피로저항능력이 증 가되어 피로한계와 피로수명을 실질적으로 증가시켜 주는 효 과를 나타냈다.

피로실험결과 부재의 대한 피로강도 관계식은 지수형태의 함수로 나타낼 수 있으며 적용된 작용응력범위와 반복횟수 의 관계식은 다음 식(1)과 같다.

(1)

여기서 A와 B는 실험에 의하여 결정되는 상수이며, 200만 회 내에 피로 파괴된 시험체에 대해 위의 식과 같은 형태로 바꾸어 실험결과로부터 얻은 결과 값을 항복하중에 대한 피 로하중 백분율(Y)인 피로강도와 피로수명(X)의 관계를 회귀 분석하여 다음과 같은 피로강도 추정 식을 얻을 수 있다.

4.

결 론

본 연구에서는 FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 피로거동분석을 통하여 반복하중에 대한 외부 긴장 공 법의 안전성과 적정성을 파악하고자 하였다. 실험을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

1. FRP

긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보에 대한 피로

실험을 분석한 결과 FRP 외부 긴장 공법은 FRP 긴장재,

deviator

에서의 절곡부, 정착장치 등에서 피로에 대한 안전

성을 가지고 있는 것으로 확인되었다.

2. FRP

긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보에 작용하는

반복하중은 FRP 긴장재보다 철근콘크리트 보 자체에 대 한 피로의 영향이 구조부재의 피로 거동을 지배하였다.

3. FRP

긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 피로 파괴

형태는 FRP 긴장재에 관련된 피로 파괴가 아니라 내부 인장 철근의 인장 피로 파괴나 철근과 콘크리트의 부착 피로 파괴를 나타내었다. 이는 외부 FRP 긴장재가 비부 착되어 있어 반복 하중에 의한 응력 증가량이 적어 피로 파괴에 대해 보다 안전한 것으로 판단된다.

4.

피로 실험 결과 FRP 긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 항복강도가 70%~85%에서 파괴되었으며 S-N곡선으 로부터 반복횟수 200만회에 대한 피로강도는 인장철근 항 복강도의 약 71%에 해당하였다.

5. FRP

긴장재로 외부 보강된 철근콘크리트 보의 반복하중

에 대한 처짐과 잔류 변위량은 반복 횟수의 증가에 따라 증가하였으며 최대하중이 높을수록 처짐과 잔류 변위량도 큰 값을 나타내었다.

감사의 글

본 연구는 한국건설교통기술평가원의 건설핵심 기술연구개 발사업(과제명:FRP 긴장재 및 정착장치의 개발과 활용을 위 한 연구)의 지원에 의하여 이루어 졌으며 이에 감사드립니다.

Y=B log X

× ( ) A

+

Y=112.42 14.501 log X–

⋅ ( )

R=0.85581

Fig. 25 Relationship of strain and the number of cycles (RS70)

Fig. 26 S-N curve of beams strengthened with external FRP tendon

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(

접수일: 2008.5.20/심사일: 2008.6.27/심사완료일: 2008.8.12)