본 연구는 동결융해 및 철근 부식으로 복합열화된 철근콘크리트 보를 탄소섬유 복합재료로 보강한 경우의 휨 거동을 평가하 기 위해 층상화 단면해석 모델을 제안하고 그 유효성을 실험적으로 검증하였다. 해석 모델은 열화에 따른 재료물성 저하와 CFRP 보강 효과를 통합적으로 고려하여 휨 거동을 예측하도록 구성되었다. 제안된 모델의 해석 결과, 열화 및 CFRP 보강 RC 보의 항복휨모멘트 와 최대휨모멘트 예측값은 실험값과 평균 1.01∼1.16의 비율을 보여 휨 성능을 매우 높은 신뢰도로 예측함을 확인하였다. 그러나 휨모 멘트-변위 관계에서는 일부 상이한 경향이 관찰되었다. 항복 이전 구간에서는 해석 모델의 휨 강성이 실험 결과보다 높게 평가되었는 데, 이는 해석 모델이 콘크리트의 초기 미세균열과 같은 비선형적 거동을 완벽히 반영하지 못하기 때문으로 분석된다. 반면, CFRP로 보강된 보의 항복 이후 구간에서는 해석 모델의 강성이 실험값보다 낮게 나타났다. 이는 현행 RC 이론 기반의 변위 산정 방식이 CFRP 보강재의 높은 탄성계수 효과를 충분히 반영하지 못하여 최대강도 도달 시의 변위를 과대평가하기 때문으로 판단된다.

콘크리트 구조물의 내ㆍ외부 보강재로 사용되는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 그리드의 철근 대체 가능성을 확인하기 위해, 철도용 콘크리트 침목 내부에 CFRP 그리드를 보강한 후 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 활용하여 성능을 평가 하였다. 본 연구에서는 PC 강연선 대신 CFRP 그리드를 보강하고 하중을 재하한 결과, 피복두께 40 mm에서 최대 휨-인장 응력이 2.494 MPa로 도출되었으며 이는 KR CODE 2012의 허용응력 기준을 충족하는 값으로 나타났다. 추가적으로, 본 연구에서는 설계기준에 따라 하중 조건과 응력분포를 고려하여 중립축 위치와 CFRP 그리드의 배치를 최적화한 침목 단면설계를 진행하였다. ABAQUS 해석을 통해 침목의 휨 강도와 내구성을 평가한 결과, CFRP 그리드를 적용한 침목은 기존 PC 강연 선 보강 침목 대비 유사한 수준의 구조적 성능을 확보하면서도 경량화 측면에서 우수함을 확인하였다. 이를 통해 CFRP 그리드가 철근 을 대체하여 철도용 콘크리트 침목 설계에 적합한 보강재로 활용될 수 있음을 확인하였다.

Over the past decade, a global emphasis has been placed on reducing carbon emissions, with the construction industry given particular attention in this regard. In reinforced concrete structures, one proposed method to reduce carbon emissions during manufacturing is to replace steel bars with fiber reinforced polymer (FRP) reinforcing bars. Accordingly, this study conducts flexural tests on concrete FRP (CFRP)-reinforced prefabricated slabs to investigate the joints between these slabs. The experimental variables include the types of connecting reinforcing bars used at the joints of two prefabricated slabs. The experimental results revealed the following: 1) the moment capacity of the slabs did not reach the nominal moment due to the insufficient length of the CFRP reinforcing bars, and 2) steel bars were found to be more suitable than CFRP reinforcing bars for connecting prefabricated slabs, as they promote ductile failure.

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.

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.

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.

전 세계 대부분의 국가들은 탄소배출량을 줄이기 위한 노력을 지속하고 있다. RC구조물의 탄소배출량을 줄이기 위해 수십 년간 건설 분야의 많은 연구자들이 철근콘크리트 구조물에서 철근을 FRP보강근으로 대체하기 위한 연구를 수행하여 왔다. 북미지역을 비롯한 일부 지역에서는 해양구조물이나 도로 등에 CFRP보강근을 사용한 바 있다. 그러나 건축물에는 철근을 CFRP보강근으로 대체한 사례와 적용을 위한 연구는 거의 진행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 예제건물을 선정하여 철근콘 크리트구조로 설계한 후, 철근을 CFRP보강근으로 대체하여 설계함으로써, 철근콘크리트건물에서 철근을 CFRP보강근으로 대체 하였을 때 철근량을 비교하였다. 그 결과 슬래브의 철근비가 0.005미만으로서 CFRP의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 안전 율 측에서도 우수한 것으로 나타났다.

국내 건설현장에서 장스팬 구조물이 증가함에 따라 콘크리트와 강재를 조합한 충전형합성보의 적용이 증가하고 있 다. 충전형합성보는 경제적이며 시공성이 향상되고 콘크리트 축열효과에 따라 내화성도 우수하다. 충전형합성보 내부에 휨성능 을 향상시키기 위해 Re-bar로 보강하여 사용한다. 이는 콘크리트 균열에 의해 부식 되어 내력저하를 유발한다. CFRP Re-bar는 경량이며 내부식성이 우수하다. 그러나 임계온도가 250℃로 낮기 때문에 화재에 취약으로 적절한 내화피복재를 적용해야된다. 따라서 열전달해석을 통해 내부 CFRP Re-bar가 보강된 충전형합성보의 온도분포를 확인하였다. 온도 상승에 따른 휨내력을 산 정하여 피복두께를 제안하고자 한다. 해석결과 단면크기에 상관없이 콘크리트 피복두께 40mm와 뿜칠내화피복재 20mm를 적용 하면 표준화재에서 3시간 내화성능을 확보하는 것으로 평가되었다.

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.

국내 철근콘크리트 구조물은 겨울철 영하의 날씨로 매년 동결융해가 반복된다. 동결융해의 영향으로 철근콘크리트 구조물에 여러 가지 문제가 발생한다. 동결융해에 의해 손상이 된 철근콘크리트 구조물을 보강하기 위하여 다양한 보강공법 중 CFRRP(탄소섬유강화플라스틱)보강공법을 사용하였다. CFRP는 고강도, 고탄성 경량 소재로 시공성이 우수하며 인장강도, 탄성계 수가 뛰어나다. 본 연구에서는 동결융해 환경에 노출된 철근콘크리트 보(FTB), CFRP 플레이트로 보강한 철근콘크리트 보(FPB), CFRP 플레이트로 보강한 후 동결융해 환경에 노출된 철근콘크리트 보(FFP)의 휨 성능 실험을 하였다. 실험결과 FTB는 최대강 도 도달 이후 강도가 급격하게 감소하였다. FPB는 최대강도 도달하기 전에 강도와 강성이 증가하지만 CFRP 플레이트의 조기 파괴 후에는 효과가 없음을 보여준다. 또한 FFP는 FPB보다 최대강도가 낮았다. 이는 동결융해에 의한 콘크리트 표면과 CFRP 플레이트 사이의 계면전단응력의 감소로 판단된다.

최근 친환경 건축이 대두되고 있는 가운데, 목조건축물의 내진성능과 더불어 친환경 건축의 대표적 시스템으로 많은 연구가 진행되며 다시 각광을 받고 있다. 따라서 목재 구조물의 수요와 성능 개선에 관한 연구는 활발히 증가되고 있지만 목재와 같은 비균질 재료에 대한 보강법에 대한 연구는 아직 초기 수준이다. 본 연구에서는 원형단면의 목재기둥을 CFRP 시트로 보강하여 압축 및 휨 강도실험을 수행하였다. 실험 결과를 분석하여 동일한 면적에 CFRP 시트의 보강겹수와 겹침이음길이에 따른 보강효과를 나타내었다. 실험 결과 보강 시 압축 응력과 휨 응력이 증가하였다. 보강겹수와 보강재의 겹침 이음 길이의 증가에 따른 휨 응력 또한 모두 증가하는 경향을 나타내었으나, 압축응력은 목재의 비균질한 성질로 인한 횡방향 팽창이 불특정 하게 나타나 특정 경향 없이 나타나는 것을 확인하였다.

내진설계규정이 정립되기 전에 시공된 콘크리트 교각의 경우 횡철근을 겹침이음하거나 최소한의 배근으로 최적화를 유도하였다. 따라서 지진하중 발생 시 지진에너지를 소산할 수 있는 에너지 감쇠의 효과가 기존 교각들에는 미흡한 실정이다. 본 논문은 반복하중을 받는 원형콘크리트 교각 외부에 강판, GFRP, CFRP 보강을 적용한 경우, 교각의 지진대응 성능 향상도를 정량적으로 평가하였다. 범용유한요소해석프로그램인 ABAQUS의 다양한 3차원 요소를 적용하여 교각 구조물을 모델링하였으며,하중은 교각 상부에 횡방향 동적하중과 교각 전체 자중이 고려되었다. 하중-변위 곡선, 응력-변형률 곡선, 연성도, 에너지 흡수 능력(연성도), 손상도를 고려하여 보강에 따른 교각의 내진성능 향상도를 비교분석하였다. 비보강 콘크리트 교각의 경우 연성도는 78%로 취성파괴 구조물이었으나, 강판보강의 경우 91.0%, GFRP보강의 경우 91.9%, CFRP보강의 경우 92.0%이다. 세 가지 보강의 종류를 비교한 결과 강도, 연성도, 손상도 모두에 있어서 CFRP보강의 경우가 가장 큰 증진 효과를 보이고 있다.