건축물의 대공간 및 고층화에 대한 요구가 증가함에 따라 부분매입형합성보의 연구가 진행되고 있다. 부분매입형합성보는 휨 성능을 증대시키기 위해 내부에 철근을 보강하여 시공한다. 이는 철근의 부식으로 구조물의 내력 저하를 유발한다. 이를 보완하고자 내 부식성이 우수하고 고강도인 CFRP 보강근에 대한 연구가 진행 중이다. 하지만 CFRP 보강근은 임계온도가 250℃로 낮기 때문에 적절 한 내화피복과 철근량이 필요하다. 따라서 하부철근의 종류와 SFRM 두께를 변수로 표준화재에 노출된 부분매입형합성보의 열전달 해 석을 수행하였고 화재에 의한 저감계수를 고려하여 휨내력을 산정하였다. 또한, 열전달해석과 동일한 사이즈의 실험체를 통해 비재하 수평가열로 실험을 진행하여 열전달 해석 결과와 비교 분석하였다. 해석 결과 SFRM 30 mm 적용 시 1시간의 내화성능을 확보할 수 있다. 또한, 화재 시 하중 조합에 의한 내화성능 평가 시, 무피복임에도 2시간의 내화성능을 가지는 것으로 평가되었다.

최근 전 세계적으로 탄소 배출을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다. 이에 따라 건설 부문에서도 시공 과정에서 탄소 배출 을 줄일 수 있는 방안을 모색하고 있다. 그중 하나가 RC 건물에서 철근을 CFRP 보강근으로 대체하는 것이다. KDS 기준에 따라 설계 된 7개 건물의 설계 자료를 바탕으로 구조부재의 철근 비율을 비교하여 철근을 CFRP 철근으로 대체할 가능성을 분석했다. 그 결과, 건물의 구조부재 중에서 슬래브가 CFRP 철근의 대체 효과가 가장 큰 것으로 나타났다. 일반적인 건물 슬래브의 경간이 1.25∼4.1 m인 것을 감안할 때 RC 슬래브에서 CFRP 철근을 철근으로 대체할 경우 CFRP 철근의 양을 철근의 1/2∼1/3까지 줄일 수 있었다.

탄소섬유보강근을 철근 대체재로 사용하기 위해서 단기 역학적 특성뿐 아니라 장기간 역학적특성에 대한 연구가 필히 수행 되어야 하고 현재도 진행 중이다. 이에 따라 본 연구에서는 CFRP bar의 지속하중에 대한 저항성을 평가하기 위해 ASTM 기준에 따라 약 1,000시간 동안 탄소섬유보강근 인장강도의 40%를 재하하는 크리프 시험을 진행 후 잔류 인장강도 확인을 위한 추가 인장시험을 진행하였다. 크리프 시험 결과, 탄소섬유보강근의 변형률은 지속하중 하에서 1,000시간 경과 후 하중재하 초기 변형률보다 약 4.9% 상 승하였고 크리프 파괴는 발생하지 않았다. 잔류 인장강도는 일반 인장강도의 95% 수준으로 측정되었고 잔류 탄성계수는 일반 탄성계 수의 85 % 수준이었다. 따라서 본 연구에서 진행한 인장강도의 40 %가 1,000시간 동안 재하되었을 때 탄소섬유보강근은 안전한 것으 로 확인되었다.

자연재해의 발생이나 화재, 폭발 등의 인재 등으로 인하여 교량이 파괴되거나 노후화 등으로 교량이 기능을 상실한 경우, 기존의 교 통량에 대하여 빠르게 대처하기 위하여 급속으로 시공이 가능한 가설교량이 필요하다. 교통 통제가 장기화되면 막대한 경제적 손실이 발생하고, 교통 체증으로 인한 불편함도 증가하게 된다. 기존의 급속시공 교량은 대부분 미리 제작한 모듈을 현장에서 조립하는 방법 을 이용하고 있고, 신규 교량 건설 수요가 발생하거나 대대적인 교량 보수보강 작업이 필요한 시점에서 모듈을 제작하고 현장에서 조 립해야 하는 기간을 고려하면 초단기간의 급속시공이 이루어진다고 보기는 어렵다. 본 연구에서는 매우 큰 인장강도로 인하여 기존의 인장재에 비하여 구조적 성능이 탁월한 CFRP를 보강재로 사용함으로써 강재의 사용량을 감소시켜 급속시공이 가능하면서 경제적인 가설교량 모델을 제시하였고, 기존 H형강 강교량의 CFRP Plate 보강 전후의 내하력을 비교하여 11% 이상의 내하력 증가효과를 확인 하였다.

본 논문은 염해 환경에 노출된 CFRP Grid로 보강된 콘크리트 보의 휨 거동에 대한 실험적 연구를 보고한다. 실험을 위해 길 이 2,200 mm, 폭 250 mm, 높이 125 mm의 실험체가 제작되었다. 실험변수로 염화물 수용액의 종류(NaCl: 염화나트륨, CaCl2: 염화칼 슘), 사전 하중 가력의 유무 및 염화물 용액 침지 기간(40일, 120일)이 고려되었다. 제작된 실험체는 침지 후 3점 휨 실험이 수행되었다. 초기 균열 하중은 침지 40일 후 증가하였으나, 120일 이후 다시 감소하였다. 파괴 모드는 사전 하중 가력을 통해 균열이 발생되지 않은 실험체에서는 대부분 콘크리트 압축부가 파쇄되는 휨파괴 양상을 보였으며, 사전 하중 가력을 통해 균열이 발생된 실험체는 모두 Pull-Out 파괴가 발생되었다. 염화칼슘에 침지된 실험체에서는 120일 이후 약 10%의 극한하중의 감소가 나타났으며, 염화나트륨에 침지 된 실험체의 극한하중은 미미하게 증가하였다. 균열이 발생된 실험체에서는 모두 120일 이후 극한하중 및 처짐이 급격하게 감소되었다.

FRP 복합재료 중 CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱)는 현재 RC 구조물의 내부 및 외부 보강재로서 그리드 형태로 활용되고 있다. 그러나 CFRP 그리드에 대한 성능평가 기준은 매우 미흡하여 FRP 보강근 기준을 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 그리드 가닥 수와 경계조건과 변수를 고려하여 CFRP 그리드의 인장 성능을 평가하기 위한 실험이 수행되었다. 가닥 수는 1, 2, 3가닥에 대한 인장시험이 수행되었으며, 경계조건의 경우 모르타르, 에폭시, 에폭시 + 모르타르로 변수를 지정하였다. 인장시험을 통하여 최적 가닥 수 및 최적 경계조건으로 개발한 시편을 토대로 고온 노출 시간에 따라 CFRP 그리드의 인장 성능 평가가 수행되었다. 온도는 130°C 로 유지되었으며, 5개의 시편을 각각 70분(Case 2), 100분(Case 3), 120분(Case 4), 150분(Case 5) 고온에 노출하여 비 고온 노출 시편 과 비교하였다. 실험 결과, 비 고온 노출 시편과 비교하여 Case 5에서는 인장강도와 탄성계수가 각각 최대 51.32% 및 44.4% 감소한 것으로 나타났다.

현대 건설산업 분야에서 철근콘크리트는 반영구적인 재료로 인식되어 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 콘크리트의 노후화 및 수분 용해 현상 등으로 생긴 균열을 통해 강재의 부식이 발생하게 된다. 이러한 부식은 철근콘크리트의 거동과 구조물의 내구성을 저하시키기 때문에 근본적인 원인인 강재를 대체할 필요가 있다. 최근 건설산업에서 복합재료는 높은 강도, 낮은 중량, 부식에 대한 우 려가 없어 주목받고 있는 재료이다. 복합재료는 섬유와 기지재료로 사용되는 수지에 따라 재료의 특성이 달라지게 되며 이중 탄소섬유 를 활용한 복합재료 CFRP은 복합재료 중 가장 뛰어난 성능을 보여준다. 따라서 본 연구에서는 뛰어난 성능을 보여주는 CFRP와 경제 성을 고려하여 탄소섬유와 유리섬유를 혼합한 CFRP Hybrid를 사용하여 강재의 대체품으로 사용가능성을 확인하고자 한다. 재료의 특 성을 비교하기 위하여 ASTM 규정에 따라 인장시험과 압축시험을 수행하고 반복하중에 대한 저항을 확인하기 위하여 인장반복시험과 압축반복시험을 수행한다. 이때 측정된 응력, 영구변형 등을 그래프로 도식화하고 강재와 비교분석을 진행하였다.

RC구조물에서 대부분의 인장력을 받는 철근은 다양한 환경에 노출되었을 때 부식이 발생하며, 이러한 철근의 부식은 인장력 감소와 더불어 철근의 주변에 존재하는 콘크리트 균열 크기를 확장시켜 RC 구조물의 수명을 단축시키는 주요한 원인으로 작용하고 있 다. 이로인해 건축물의 유지 관리에 많은 비용이 필요하게 되며, 과도한 구조물의 유지, 관리 비용은 건설 분야의 문제점으로 남아있 다. 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP)는 내화학성(비부식) 특성과 중량 대비 높은 강도로 인해 철근을 대체할 수 있는 보강제로 주목받고 있으며, CFRP보강재의 높은 항상성은 위에 대두된 구조물의 유지 관리 비용을 크게 절감할 수 있을 것이라 판단되어 연구되어지고 있다. 본 논문에서는 다양한 건설 분야에서 CFRP 보강재를 사용하기 위한 과정 중 CFRP 그리드를 내부 보강제로 사용하기 위한 연구로써 CFRP 그리드와 콘크리트의 부착 특성을 실험을 통해 연구하였다. 이를 위해 다양한 정착 길이를 가진 30개의 콘크리트 부착 시편에 대해 인발 시험을 수행하였으며, 실험 결과를 바탕으로 콘크리트에서 CFRP 그리드의 부착 특성을 분석하고 콘크리트 구조물의 보강재 로 CFRP 그리드를 적용하기 위한 분석 공식을 제안하였다.

강재를 대처할 수 있는 다양한 복합재료 중 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)를 사용하여 인장 물성 실험을 실시한다. KS F ISO 10406 (콘크리트용 섬유강화 폴리며(FRP 보강재 - 시험방법) 에서 FRP의 측정길이는 지름 (D)의 40 배를 기준으로 제시되어진다. 그러나 25 mm 이상의 시험체는 양단 보강부를 포함하게 된다면 대략 2 m 이상으로 제작되어지게 되고 시험이 상당히 번거롭게 됨으 로써 시험법 개선을 위해서 측정 길이별로 설정하여 성능평가 후 비교분석 한다.

현재 철근콘크리트 분야에서 부재의 철근을 FRP 보강재로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)는 특히 내화학성이 우수하여 보수 및 보강재로 큰 장점을 가지 며, RC 구조물의 보강재로 주로 사용되고 있다. CFRP 그리드의 경우 수지를 이용하여 섬유를 결합한 형 태를 가진다. 이러한 형태는 외부의 영향에 의해 수지 혹은 섬유의 손상으로 강도 저하가 발생할 수 있다. CFRP 그리드의 산성에 대한 저항성을 침지기간에 따른 인장강도 변화량 및 SEM과 무게 변화를 통해 확인하고자 한다. 따라서 Ph 농도 1~3의 강산성에 CFRP 그리드를 침지시키는 방식을 통해 내 화학 실험을 진행한다. 황산()을 이용하여 산성 용액을 제작한 후 실험을 진행하였다. 실험은 항온장치에서 60℃의 온도로 침지기간은 30, 60, 90, 180일로 한다. 그리드의 인장강도 변화를 확인하기 위하여 기간 별 시편의 수는 5개로 하며 침지시키지 않은 그리 드를 포함하여 총 25개의 시편을 실험한다. 인장실험을 통해 변형률 및 인장강도 변화를 확인한다. 그 리드의 섬유 및 수지의 변화 확인을 위해 실험진행 전 그리드의 무게를 측정 및 SEM(전자주사현미 경) 데이터 확보 후 실험을 진행한다. 기간별 침지된 그리드와 비교를 통해 기간별 섬유 및 수지의 영 향 정도를 확인한다. 본 연구에서는 산성이 CFRP 그리드에 미치는 영향을 조사하기 위해 인장강도, SEM, 무게 변화를 통해 연구하였으며, 이를 통해 산성의 영향을 받는 CFRP 그리드 부재의 안정성을 평가하고자 한다.

이 연구에서는 CFRP 케이블의 압착형 정착장치의 강종에 따른 피로성능을 평가하였다. 실험결과, CFRP 케이블 압착형 정착시스템은 정착장치의 강종에 상관없이 도로교설계기준의 포스트텐션용 정착 구에 대한 피로시험 조건을 만족시켰다. 그러나 피로시험이후 인장성능 실험에서 SM45C 강종의 정착 장치는 최대내력 도잘전에 케이블과 정착장치 사이에서 미끄러짐이 발생하였으며, 듀플렉스 강종의 정 착장치는 최대 내력 도달과 동시에 CFRP 케이블이 파단되었다.

Fiber reinforced polymer (FRP)는 섬유와 폴리머가 결합된 복합재료로써 중량 대비 강도가 높아 취급 및 운반이 용이할 뿐 아니라 인장강도 등의 역학 성능이 우수한 재료이다. 더욱이, FRP는 뛰어 난 내부식성에 의해 기존 철근과 달리 부식이 발생하지 않는 장점이 있다. 이 장점에 의해 FRP를 기 존 철근대체재로 활용하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 그러나 FRP는 탄소성 거동을 하는 철 근과 달리 완전탄성거동을 하는 취성적 재료로써 안전성 문제에 의해 철근대체재로의 사용은 한계가 명확한 실정이다. 최근 FRP의 취성파괴 문제를 해결하기 위해 연속섬유가 사용된 FRP가 아닌 단섬유 를 사용후 Stitched를 이용하여 파괴시 응력을 재분배하여 FRP의 단계적 파괴를 유도하기 위한 연구 가 국방, 항공 분야를 중심으로 연구되고 있으나, 이를 건설분야에 적용하기 위한 연구는 극히 제한적 으로 수행되고 있다. 이에 본 연구에서는 의사소성이 확보된 FRP를 철근대체재로 사용하기 위한 기초 연구로써 Stitched된 단섬유 FRP 보강재의 단계적 파괴여부를 실험적으로 확인하였다. 실험변수로써 Stitched 여부가 고려되었으며, 직접인장시험을 통해 FRP 보강재의 인장거동이 확인되었다. 실험결과 Stitched되지 않은 FRP 시편은 최대응력 도달 후 취성적으로 파괴되었다. 반면 Stitched된 FRP 시편은 최대 강도 도달 후 최대 강도 대비 66%~75%의 응력이 약 0.0071ε 구간동안 유지되는 것으로 나타 났다.

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)는 강재 대비 약 4배의 강도와 25% 수준의 경량성을 보 유한 신소재 복합재료이며, 부식과 같은 화학적 반응에 대한 저항성이 우수하다. 이러한 특징으로 인 해 전 세계적으로 부식에 취약한 철근의 대체재로써 연구가 활발하게 진행 중이다. 국내에서 적용되고 있는 CFPR 보강재에 대한 성능 평가의 경우, 재료의 단편적인 물성치 조사를 통한 단기 성능 평가(인 장 등)에 초점을 두고 수행되고 있어, 보강된 RC(Reinforced Concrete) 구조물 내 장기 거동 특성(피 로 등)이 반영된 CFRP 보강재 자체의 성능 검증이나 품질 기준이 전무한 실정이다. 이에 따라 본 연 구에서는 기존의 단기 성능 평가 방법의 한계를 극복하고자 선행 연구를 바탕으로 건설 산업 분야에 서 상용화된 건설용 CFRP의 장기 거동 특성을 규명하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 RC 구조물 내 ‧ 외부에 보강된 CFRP 보강재의 실제 하중 환경을 모사하기 위해 ASTM D7772 및 D6272를 바 탕으로 4점 휨 시험 기반 휨-인장 피로 시험 장비를 개발하였으며, 섬유 함침율이 50%인 CFRP 시편 을 대상으로 3, 5, 7, 9mm의 변위 하중을 고려하여 보강재의 장기 거동 분석 및 피로 성능 한계 곡 선(r-N curve)을 구성하였다. FRP의 피로 거동은 유효 응력이 감소하다 일정 수준에서 일정하게 유지 된다는 특징을 보인다. 따라서 선행 연구를 참고하여 CFRP 시편의 피로 파괴를 초기 응력이 80% 감 소된 시점으로 정의하여 피로 시험을 시행하였다. 시험 결과, CFRP 보강재의 피로 거동은 하중이 급 격하게 감소하는 영역(영역 I), 변곡점 이후 감소가 미미한 영역(영역 II), 변곡점 이후 감소가 미미한 영역(영역 III)으로 구분되었다. 평균적으로 약 105 사이클까지 영역 I를 보였으며, 이후 영역 II와 영역 III가 순차적으로 나타남을 확인하였다. 이러한 시험 결과를 바탕으로 r-N curve를 구성하였으며, 이 를 기준으로 상용 CFRP 보강재의 피로 성능 합불 여부를 평가할 수 있다.

FRP 복합재 중 CFRP(Carbon Fiber Reinforcement Plastic)는 현재 Rebar, Plate, Grid 등 다양한 형태로 RC 구조물에 내‧외부 보강재로써 사용되고 있다. 이 중 CFRP Grid의 경우 국내에서 상용화가 되지 않아 다른 형태의 보강재보다 성능 분석 및 평가 기준이 미흡한 실정이다. 이에 따라 본 연구에 서는 Grid의 Strand, 경계조건, ASTM 고정장치의 유무 등 다양한 실험을 통하여 CFRP 그리드의 인 장 성능평가를 진행하였다. 선행 연구에서는 CFRP Grid의 인장시험 고정단의 경계조건에 따른 영향 성 분석을 위해 ASTM D7205 및 ASTM D6637에 따라 Tap-Tap (Type 1), Tap-Mortor (Type 2) 로 구성하여 인장시험을 수행하였으며, 시편의 파단 형상 및 시험 결과값이 가장 안정적인 Type 2를 CFRP Grid의 고정단 경계조건으로 설정하였다. 이러한 선행 연구를 바탕으로 고온 노출에 따른 CFRP 그리드의 인장 성능시험 평가를 진행하였으며, 인장시험은 만능재료시험기 및 고성능 카메라를 활용하여 최대 응력과 탄성계수를 도출하였다. 온도는 FRP의 전이온도인 150℃ 이내의 130℃에서 각 Case 별 5개의 시편을 70분(Case 2), 100분(Case 3), 120분(Case 4), 150분(Case 5) 노출한 후, 고온 에 노출하지 않은 시편(Case 1)과 비교하였다. 실험 결과, Case 5와 Case 1을 비교하여 인장강도와 탄성계수는 각각 최대 51.32%, 44.4% 감소하였다. 결론적으로 고온 환경에서 지속적으로 노출될 경 우, CFRP Grid의 성능이 최대 절반 수준으로 감소 되며 RC 부재 내‧외부에 보강 시에 고온 조건을 면밀히 검토하여 성능 감소를 최소화할 필요가 있다고 판단된다.

본 논문은 CFRP 그리드의 정착길이에 따른 콘크리트 보의 휨거동을 평가한 실험적 연구를 보고한다. 실험을 위해 폭 250 mm, 높이 125 mm, 길이 2000 mm의 실험체가 제작되었다. 실험변수로 CFRP 그리드의 정착길이(1000 mm, 800 mm, 700 mm, 600 mm, 500 mm, 400 mm, 300 mm, 200 mm)가 고려되었다. 실험체 제작 후 3점 휨실험이 수행되었다. 실험결과 모든 실 험체의 강성은 정착길이에 영향을 받지 않고 유사한 것으로 나타났다. 초기 균열하중은 모든 실험체에서 유사하게 나타났으나, 정착길이가 감소됨에 따라 최대하중, 최대하중 시의 처짐 및 변형률은 감소하는 경향을 나타냈다. 특히 부재 길이에 80% 이상 이 정착된 경우 부재 길이와 동일한 정착길이를 가진 콘크리트 보의 약 90% 이상의 구조성능을 확보할 수 있는 것으로 확인되 었다. 제안된 수치해석 모델은 CFRP 그리드의 정착길이가 감소됨에 따른 극한하중의 저하를 유사하게 예측하였으며, 극한하중 의 오차는 평균 13.1%로 CFRP 그리드의 정착길이에 따른 콘크리트 보의 휨성능을 비교적 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.

Prepreg is an abbreviation of Preimpregnated Materials. It is a sheet-type product in which a matrix is ​​impregnated with reinforced fiber. The prepreg has very different properties depending on the orientation of the fibers and the weaving method, and the orientation of the fibers plays an important role in determining the mechanical strength of CFRP. Short and randomly oriented reinforcing fibers show isotropy, while long, unidirectional reinforcing fibers exhibit anisotropic behavior and are strongest when the applied load is parallel to the reinforcing fibers. Classification by the direction of the fiber is divided into unidirectional, orthogonal, multiaxial, and the like. Uni-directional refers to a state in which almost all fibers in the fabric are aligned in one direction. When the fibers used as reinforcing materials are aligned in one direction, the fibers are used in a straight line without twisting during the fabric production process, and there is an advantage in that the amount of fibers used as a whole can be minimized. A uni-directional prepreg exhibits different cutting forces depending on the stacking orientation angle. In this experiment, the optimal cutting conditions for a uni-directional prepreg 45 degree orientation angle specimen are presented.