R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201616CTAP-C097358-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | FRP와UHPC 복합구조를 이용한 일방향 철근콘크리트 슬라브의 휨/전단보강 방법 및 설계기법 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-06-18 ~ 2017-06-17 | |||||
| 연구책임자 | 김정중 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 50,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
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| 연구기관명 | (학교)경남대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-1613000-001911-01 | |||||
| ISBN | 979-11-950018-04 | |||||
| 주요 내용 |
건축물의 노화와 재하하중의 증가로 인한 철근콘크리트(RC) 구조물의 보수보강에 대한 요구는 증가하는 추세이다. 또한 내폭설계에 적합한 수준으로 기존의 구조물을 보강하는 방안에 대한 연구도 많은 관심을 끌고 있다. RC 휨 부재 (슬라브 혹은 보)의 휨 보강은 일반적으로 구조용 강재나 섬유보강플라스틱 (FRP) 같은 인장재를 구조 단면의 인장지역에 보강함으로써 이루어진다. 슬라브의 정(+)의 모멘트 구간의 휨 보강을 위해서는 슬라브의 하부에 인장재를 부착해야 하는데, 일반적으로 건물 내 슬라브의 하부에는 소방파이프, 전기배선 등의 설비가 설치되어 있다. 이러한 슬라브 하부의 설비들은 인장재 시공에 방해 요소가 될 뿐만 아니라 설비들을 철거 후 재설치 해야 하는 추가비용을 발생 시킨다. 또한, 접착제를 이용하여 슬라브의 하부에 인장재를 시공 시 균일한 상향의 초기 부착압을 주기가 매우 어렵다. 이러한 시공의 어려움은 인장재의 구조물에 대한 부착력의 품질을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 인장보강재로써 외부에 부착된 FRP의 구조적 거동은 주로 구조물과의 부착력에 의해 지배되기 때문에, FRP 부착력의 품질 저하는 보강된 단면의 구조적 성능의 저하를 발생시킬 수 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위하여 정(+)의 모멘트 구간과 부(-)의 모멘트 구간 모두 RC 슬라브의 상부 면에 시공할 수 있는 초고거동 콘크리트 (UHPC)와 FRP의 하이브리드 구조가 제안되었다. FRP와 UHPC를 이용한 보강 기법은 휨 부재의 상부에 먼저 FRP를 부착한 후 UHPC를 타설하기 때문에 하부에 FRP를 부착하는 방법에 비하여 간단히 휨 부재를 보강할 수 있다. 또한, 상부에 FRP를 부착하기 때문에 하부에 FRP를 부착하는 방법에 비하여 보다 균일한 부착력을 확보할 수 있으며, UHPC층이 FRP를 외부환경으로부터 보호하기 때문에 FRP의 열화에 의한 손상을 방지한다. 본 연구에서는 FRP와 UHPC를 이용하여 휨 부재를 보강하는 경우의 설계기법을 확립하고 보강된 휨 부재의 전단파괴 방지를 위한 방안을 고려 하고자 한다. [최종목표] 본 연구에서는 섬유보강플라스틱 (FRP) 및 초고거동 콘크리트 (UHPC)를 이용하여 일방향 철근콘크리트(RC) 슬라브의 휨 강도를 보강하는 방법에 대한 설계조건과 보강된 RC 슬라브의 휨 강도를 이론적으로 유도한다. FRP의 탈착파괴를 고려할 수 있는 유한요소해석 모형을 개발하고 유도된 이론식을 검증한다. 또한, 휨 강도 증가에 따른 슬라브의 전단 파괴가 예상되므로 보강된 슬라브의 연성 파괴를 유도하기 위한 휨 강도의 보강한계를 제안할 것이다. FRP-UHPC 복합 휨 보강방안의 활용성을 높이기 위하여 추가적인 전단 보강 방법도 제안할 것이다. [연구내용 및 범위] 본 연구의 대상인 FRP-UHPC로 보강된 슬라브의 기본 개념은 부(-)의 모멘트 구간에서는 주로 FRP의 인장력에 의한 휨 보강 기능을 발휘하는 반면, 정(+)의 모멘트 구간에서는 파괴 시 구조단면의 중립축을 UHPC층 내에 위치하도록 하는 것이다. 따라서 파괴 시 중립축이 UHPC층 내에 위치하도록 FRP의 양과 UHPC의 두께에 대한 설계조건을 결정하여야 한다. 휨 파괴 매카니즘이 기존 일방향 슬라브와는 상이하므로, 제안된 보강 기법이 적용된 슬라브의 휨 강도 산정법에 대한 연구가 먼저 이루어질 것이다. 또한, 휨 부재는 취성적인 전단 파괴전에 연성적인 휨 파괴가 발생되도록 설계되어야 하므로, 휨 파괴를 유도하기 위한 휨 강도 보강 한계가 검토되고 제안될 것이다. 마지막으로 제안된 보강 기법의 활용성을 높이기 위하여 추가적인 전단 보강방법에 대한 연구가 수행될 것이다. 1차년도 1단계 연구에서는 FRP와 콘크리트의 계면에서 FRP의 탈착을 고려함과 동시에 콘크리트 강도에 따른 등가응력 사각형 계수들의 변화를 추가변수로 고려하여 FRP-UHPC 복합 보강 기법의 설계조건식과 보강된 휨 부재의 단면력 (휨/전단 강도) 산정식을 유도할 것이다. 1차년도 2단계 연구에서는 FRP와 콘크리트의 계면에서 FRP의 탈착을 고려한 유한요소 해석 모형을 개발하고, 변수해석과 슬라브 휨 강도 실험을 통하여 1단계에서 유도된 이론식들을 검증할 것이다. 2차년도 3단계 연구에서는 다양한 지지 조건 (단부, 내부 슬라브)을 가지는 슬라브의 휨 강도와 전단 강도간의 관계를 고려하여 FRP-UHPC로 복합 보강된 RC 휨 부재 단면의 파괴모드 결정 방법을 제안할 것이다. 이 후 3차원 유한요소해석 결과와 변수 해석 결과를 이용하여 제안된 휨 강도 보강한계를 검토할 것이다. 2차년도 4단계 연구에서는 이론적인 전단 설계 방안에 대하여 연구를 수행한 후 실험 및 비선형 유한요소해석을 이용하여 FRP-UHPC 복합 보강 기법과 함께 사용이 가능한 전단 보강 방안을 제안하고 휨 실험으로 검증할 것이다. 본 연구결과 기대되는 최종 성과물은 (1) 유한요소모형을 바탕으로 한 FRP-UHPC로 복합 보강된 슬라브의 설계조건 및 휨강도 해석, (2) 유한요소모형을 바탕으로 한 FRP-UHPC로 복합 보강된 슬라브의 파괴모드 해석, (3) FRP-UHPC로 복합 보강된 슬라브의 전단 보강방안의 설계기준과 관련된 SCI급 논문 3편, 국내논문 3편, 특허출원 2건이다. |
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| 영문 | FRP | UHPC | Hybrid structure | Retrofit method | Slab design | |
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