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.

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.

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.

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.

In this paper, the mechanical properties of glass fiber reinforced plastic (GFRP) rebar, which has been applied as an concrete reinforcement, and produced carbon fiber reinforced plastic (CFRP) grid were compared to develop a concrete reinforcement material with excellent mechanical properties. In addition, the mechanical properties of CFRP prepared with each molding process were evaluated. Three molding processes were evaluated: prepreg oven bagging, reaction injection molding (RIM), and pultrusion. The tensile strength of the CFRP grid prepared through pultrusion was 2.85GPa, the elastic modulus was 169.81GPa, and the strain was 1.68%, which was 2.85 times better in tensile strength, and 2.83 times better in elastic modulus compared mechanical properties of GFRP rebar. The strain was confirmed to be equivalent to GFRP rebar.

본 논문은 철근을 대체재로 CFRP 그리드의 적용 가능성을 평가하기 위한 해석적 연구 결과를 보고한다. CFRP 그리 드로 보강된 콘크리트 보의 휨거동 예측을 위한 유한요소해석은 상용 구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 수행되었다. 제안된 유한요소해석 모델은 Kwak et al.(2022)에 의해 수행된 실험 결과에 대한 재현해석을 통해 검증되었다. 해석에서 도출된 파괴양상은 실험 결과와 비교적 정확히 예측되었다. 또한 유한요소해석에서 예측된 극한하중 및 극한하중에서의 처짐은 실험 결과와 각각 9%, 12%의 미미한 오차를 보였으며, 제안된 유한요소해석모델의 정확성은 검증되었다. 제안된 해석모델을 FE해석 모델을 이용하여 CFRP 그리드로 보강된 콘크리트 부재의 휨강도에 영향을 미치는 인자를 확인하기 위해 매개변수해석이 수행 되었다. 매개변수해석 결과, CFRP 그리드의 단면적이 CFRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨성능에 상당한 영향을 끼치는 인 자로 확인되었다.

본 논문은 철근대체재로 Carbon fiber reinforced polymer(CFRP) 그리드가 사용된 콘크리트 부재의 휨성능을 평가하기 위한 실험적 연구결과를 보고한다. 실험에 사용된 CFRP grid의 탄성계수와 인장강도는 각각 240GPa, 3964MPa이다. CFRP 그리 드가 인장 보강재로 사용된 콘크리트 부재의 휨거동 평가를 위해 총 7개의 1방향 슬래브 콘크리트 실험체가 제작되었다. 실험 변수로 피복두께, CFRP 그리드의 보강 겹 수, CFRP 그리드의 겹침 여부가 고려되었다. 실험체의 휨거동 평가는 3점 휨실험을 통해 수행되었으며, 각 실험변수가 초기균열하중에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 실험체에 초기균열이 발생된 이후 응력 재분배에 의해 하중 증가 없이 CFRP grid의 변형률이 증가하는 현상이 관측되었다. CFRP 그리드 보강 겹 수가 1겹 증가 함에 따라 실험체의 극한하중은 약 8.5kN씩 선형적으로 증가하였다. 또한, 피복두께가 증가함에 따라 실험체의 극한하중 및 강 성이 감소하였으며, 그리드 겹침 여부가 실험체 극한하중에 미치는 영향은 미미하다는 것이 확인되었다. 추가적으로 실험결과와 ACI 440.1R-15를 통해 계산된 공칭 휨강도를 비교하였다. 그 결과 실험을 통해 확보된 극한강도는 ACI 440.1R-15 대비 13%∼ 24% 큰 것으로 나타났다. 따라서, ACI 440.1R-15는 CFRP grid로 보강된 콘크리트 보의 휨강도를 보수적으로 평가하고 있음이 확인되었다.

철근의 부식 문제를 해결하기 위해 최근 복합재료 기반의 철근이 개발되어 사용되고 있으며 CFRP 그리드도 개발되어 구조부재로 사용되기 시작하고 있다. 그러나 CFRP 그리드의 부착 특성과 응력을 연구한 경우는 매우 드물다. 이에 본 실험은 CFRP 그리드의 부착거동, 부착응력을 평가하고 정착길이를 산정하기 위해 다양한 길이의 정착길이를 가진 인발실험체를 제작한 후 인발하였으며 실험 결과 부착력의 경우 정착길이가 길어질수록 커지며 반대로 부착응력은 정착길이가 길어질수록 작아지는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 FRP 보강근도 같은 경향을 보이지만 CFRP 그리드와 FRP 보강근의 차이점은 부착응력의 추세선의 경향에서 두드러지며 또한, 최대 부착력 이후 거동에서 차이를 나타냈다. 위 실험 결과를 토대로 CFRP 그리드의 정착길 이를 산정한 결과 본 연구에서 사용된 CFRP 그리드의 보수적인 정착길이는 250mm로 나타났다.