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보고서 상세정보

철근콘크리트 건축물 보강공법의 개발 및 성능평가-유리섬유 및 아라미드섬유쉬트 보강공법을 중심으로-
Development and Performance Evaluation of Repair and Strengthening Methods for Reinforced Concrete Building Structures- Focuing on Glass Fiber Sheet and Aramid Fiber Sheet -

  • 사업명

    산학연공동연구

  • 과제명

    철근콘크리트 건축물 보강공법의 개발 및 성능 평가

  • 주관연구기관

    한국건설기술연구원
    Korea Institute Of Construction Technology

  • 연구책임자

    김궁환

  • 참여연구자

    유영찬   채창우   최기선   심종우   전찬수  

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2003-08

  • 과제시작년도

    2002

  • 주관부처

    건설교통부

  • 사업 관리 기관

    한국건설교통기술평가원
    Korea Insitute of Construction & Transportation Technology Evaluation and Planning

  • 등록번호

    TRKO201000018813

  • 과제고유번호

    1500000383

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    The first year's study was begun with establishing the test and quality standard for the composite materials through the literatu...

    The first year's study was begun with establishing the test and quality standard for the composite materials through the literature review. After setting the standard test procedures, the physical and mechanical properties of the composite materials are appraised. Also, the bond strength between FRP and concrete were investigated through pull-off test and tensile-shear bonding test under various environmental conditions. The debonding failure mechanism of RC flexural members strengthened by GFRP or AFRP are investigated and anti-debonding details are preliminarily tested through tensile-shear bonding test and small-scale RC beam tests. In the analytical study, the FRP material element models as well as bonding element model were developed for the non-linear FEM analysis of RC beams using the general-purpose FEM analysis programs, so called TOTAL-RC. The analytical results for the tensile-shear bonding test and small-scale beam test are compared with test results.
    The main content of second year's study is to propose the methodologies and details for preventing premature debonding failure of RC flexural members strengthened by GFRP or AFRP. Various types of details were proposed and tested through full-scale RC beam tests as well as small-scale RC beam tests to examine the contributions of each proposed details to anti-debonding failure mechanism of strengthened RC beams. Finally the design and construction guideline of the RC structures strengthened by the GFRP or AFRP were proposed based on the test results obtained in this study for material properties, bonding characteristics under various environmental conditions and strengthening effects by GFRP or AFRP. In the analytical study, the parametric study for determining material characteristics of bond elements in FEM analysis to predict the non-linear behavior of the strengthened RC beams was first carried out. Based on this results, theoretical studies for analysis and design of RC beam strengthened by GFRP and AFRP were completed by performing counter-analysis and parametric analysis for test specimens. The content and scope of each research era is as follows.

    o Examinations on the quality standards of the composite materials which is used in strengthening RC members by GFRP or AFRP
    o Survey and Establishment of the standard test procedures for the GFRP or AFRP
    - Foreign standard such as JIS, ASTM, BS
    - Quality test for physical and mechanical properties of FRP
    o Establishment of the standard test procedures for the quality evaluation of the composite materials
    o Physical and mechanical tests of GFRP or AFRP to evaluate the material design values
    - Physical tests by the standard test procedures on the GFRP or AFRP
    - Mechanical tests by the standard test procedures on the GFRP or AFRP
    - Performance verifications of the composite materials on the environmental conditions
    - Investigation of mechanical characteristics of composite materials
    o Structural tests for the strengthened RC members to evaluate the strengthening effects by GFRP or AFRP
    - Fabrication of test specimen for bonding test
    - Pull-off test between concrete and GFRP or AFRP
    - Tensile-shear bonding test between concrete and GFRP or AFRP
    - Evaluation of basic strengthening effects for the RC beam by GFRP or AFRP
    o Survey on the analytical study for the RC beam strengthened by FRP
    - Modeling of FRP materials and bonding elements
    - FEM analytical study for FRP composite materials.
    o Development of FEM analysis methods for the RC beams strengthened by GFRP or AFRP by general purpose nonlinear FEM analysis program.
    - Constituent model for FRP elements
    - Constituent model for bonding element
    - FEM analysis for the tested RC beams strengthened by GFRP or AFRP

    o Performance evaluations of RC members strengthened by GFRP or AFRP through the RC beam model tests.
    - Evaluation of bond strength to avoid debonding failure
    - Analysis of failure mechanism of RC beams strengthened by GFRP or AFRP
    - Multi-layer effects of GFRP or AFRP on structural behavior
    - Comparison of small-scale test results and full-scale test results
    o Development and evaluation of details for avoiding premature debonding failure of RC beams strengthened by GFRP or AFRP
    - Analysis of debondong failure mechanism of strengthened RC beams
    - Methodologies for avoiding premature debonding failure
    - Details for avoiding premature debonding failure
    - Structural test for the RC beams strengthened by proposed details and methodologies
    - Analysis of anti-debonding failure mechanism on the RC beams strengthened by proposed details and methodologies
    o Shear strengthening effects on RC members by GFRP or AFRP through the RC beam model tests
    - Analysis of shear failure mechanism of strengthened RC beams
    - Methodologies for improving shear strengthening effects
    - Structural test for the RC beams strengthened by proposed methodologies
    o Verifications of strengthening effects on RC members by GFRP or AFRP
    - Verification of strengthening effects by full-scale structural test
    - Suggestion of anti-debonding failure methodlogies
    o Preparation of guideline for the design and construction of externally bonded GFRP or AFRP systems for strengthening concrete structure
    - Determination of premature debondng strain
    - Suggestion of partial strength reduction factor according to the number of GFRP or AFRP layers
    - Environmental effects on the material performance and bonding between concrete and GFRP or AFRP
    o Development of nonlinear FEM analysis methods for the RC beams strengthened by GFRP or AFRP
    - Parametric study for determining material characteristics of bond elements in FEM analysis
    - FEM analysis and counter-analysis for the test beams strengthened by GFRP or AFRP
    - Constituent model for bonding element
    - FEM analysis for the tested RC beams strengthened by GFRP or AFRP
    - Analysis of failure mechanism of the RC beams on various geometric condition
    - Development of analytical logic to predict failure mechanism
    - Analysis of strengthening effects on the variation of failure condition


    1차년도의 연구개발 내용은 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 품질성능을 확보하기 위한 기초연구 단계로서, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공사에 사용되는 재료의 품질기준 설정, 표준 시험방법안 도출 및 재료물성 ...

    1차년도의 연구개발 내용은 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 품질성능을 확보하기 위한 기초연구 단계로서, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공사에 사용되는 재료의 품질기준 설정, 표준 시험방법안 도출 및 재료물성 파악 등의 단계를 통하여 보수·보강 복합재료의 품질시험 및 성능기준안을 도출하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 문헌적 연구를 바탕으로 보강재료의 물성파악을 위한 종합적인 재료시험을 실시하였으며, 콘크리트와 보강재료와의 계면성능검증을 위한 각종 부착실험을 실시하였다. 또한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 부착파괴 방지를 위한 휨부착강도를 평가하였으며, 부착파괴 방지를 위한 배근상세를 제안하고 그 유용성을 검증하였다.
    협동연구기관에서는 기존 RC구조부재의 보강공법 관련 연구를 수집하고, 선행연구인 탄소섬유쉬트 복합체에 의해 보강된 부재의 실험결과를 기초로 하여 섬유쉬트 복합체의 재료 및 부착구성 모델을 개발하였다. 이를 바탕으로 하여 실제 2차원 비선형 유한요소법에 의한 섬유쉬트 보강공법 실험체의 FEM해석을 실시하여, 섬유쉬트 복합체 보강공법의 FEM해석에 필요한 구성모델 개발 및 보강메카니즘을 규명하였다.
    2차년도에는 1차년도에 도출된 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공사에 사용되는 보강재료의 품질시험 및 계면성능 실험결과를 바탕으로, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 구조부재에서 필연적으로 발생되는 박리파괴 메커니즘을 분석하고, 이를 방지하기 위한 각종 보강상세를 제안하였으며, 그 유용성을 검증하기 위한 구조보강성능 실험을 실시하였다. 구조보강 성능 실험시에는 휨 보강 실험 뿐만 아니라 전단보강 성능에 대한 실험도 추가적으로 실시하여 구조보강분야의 완성도를 재고하였다.
    이와 같이 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 휨 및 전단보강된 구조부재의 실험결과에 대한 비교·분석 및 설계방법에 대한 검토를 통하여 보강설계 지침서를 작성하며, 각 보강공법에 관한 시방규정 및 환경요인과 시공요인이 재료품질 성능에 미치는 영향에 대한 시험결과를 바탕으로 시공지침서를 작성하였다. 또한 1차년도에 구축된 비선형 유한요소 해석프로그램에 의한 해석적 연구를 확대 적용하여, 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 보강된 구조부재의 해석을 위한 부착요소의 물성 및 제원을 정량화하기 위한 변수해석을 실시하였으며, 이를 바탕으로 하여 섬유쉬트 복합체로 보강된 구조부재에 대한 역해석 및 파라메트릭 해석을 실시함으로써 해석 및 설계를 위한 이론적 연구를 완성한다. 본 과제의 연구기간은 2001. 8. 30~2003. 8. 29까지의 2개년이며 연차별 연구내용 및 범위는 다음과 같다.
    <1차년도>
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법에 사용되는 국내·외 보강재료 자료수집 및 분석
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법에 사용되는 보강재료의 품질기준에 대한 조사
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법에 사용되는 보강재료의 품질시험법 조사
    - 외국의 보수·보강 관련 각종 품질시험 조사 및 분석
    - 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 품질성능 평가를 위한 품질시험
    - 에폭시수지, 프라이머, 퍼티의 품질성능 평가를 위한 품질시험
    o 가용 보수·보강 재료의 품질시험(안) 수립 및 품질기준 파악
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법에 사용되는 보강재료의 품질시험 및 재료성능 평가
    - 도출된 품질시험(안)에 따른 보강재료의 역학적 특성시험
    - 도출된 품질시험(안)에 따른 보강재료의 물리적 특성시험
    - 환경요인 및 결함요인에 의한 보강재료의 성능 검증
    - 보강재료의 역학적 특성 파악
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 성능검증을 위한 구조실험
    - 보강공법의 계면성능 파악을 위한 기존의 축소시험방법 조사
    - 계면성능 시험용 모의시험체 제작
    - 콘크리트와 보강재간의 부착성능 시험
    - 콘크리트와 보강재간의 접착성능 시험
    - 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 휨 보강된 RC부재의 기본 보강성능 검증
    o 국내외 보강공법 관련 해석적 연구에 대한 문헌조사 및 분석
    - 신소재 FRP 보강공법의 재료 및 부착 성능
    - 신소재 FRP 보강공법의 FEM 해석 연구
    o 비선형 유한요소 해석프로그램에 의한 섬유쉬트 복합체 보강공법의 유한요소해석기술 개발
    - 섬유쉬트 복합체 재료의 구성 모델
    - 섬유쉬트 복합체의 부착 구성모델 개발
    - 섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법 실험 결과의 FEM해석(실험결과 FEM해석 및 FEM 역해석)
    <2차년도>
    o 모형실험을 통한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 성능검증
    - 부착파괴 방지를 위한 섬유쉬트별 부착강도 평가
    - 보강된 부재의 파괴 메카니즘 분석
    - 보강매수의 증가에 따른 영향 평가
    - 축소모형 실험과 실물모형 실험 비교
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 휨 보강된 구조부재의 조기 박리파괴 방지를 위한 보강상세 개발 및 검

    - 보강된 부재의 부착파괴 메커니즘 분석
    - 조기 부착파괴 방지를 위한 방법 검토 : 표면강화제, 전단키 성형
    - 조기 부착파괴 방지를 위한 세부상세 검토 : 에폭시 전단키, 중앙부 U보강, 파이버 전단키
    - 보강상세 및 방법별 구조성능 검증을 위한 실험 실시
    - 보강상세 몇 방법별 박리파괴 방지 메커니즘 분석
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체로 전단보강된 구조부재의 보강성능 검증
    - 전단보강된 구조부재의 파괴메커니즘 분석
    - 전단보강성능 향상을 위한 방법론 검토 : 표면강화제, 전단키 성형
    - 보강상세 및 방법별 구조성능 검증을 위한 실험 실시
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강효과의 검증
    - 파괴실험에 의한 보강공법의 효과검증
    - 실물크기 모형실험에 의한 보강성능의 검증
    - 보강효과의 극대화를 위한 공법개선 방향 제시
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 철근콘크리트 건축물 보강설계 및 시공지침서 작성
    - 조기 박리파괴시 설계용 박리변형도 산정
    - 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 부분감소계수 α 검증
    - 시공·환경 요인에 의한 유리·아라미드섬유쉬트 복합체의 성능 영향분석
    o 유리·아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 비선형 FEM 해석 기술개발
    - 부착요소의 물성 및 제원을 정량화하기 위한 변수해석
    - 휨 보강 실험체에 대한 부착요소의 물성 및 제원 정량화

    - 실험결과에 대한 FEM 해석 및 역해석
    - FRP로 보강된 휨부재의 기하학적 형상에 따른 파괴메커니즘 분석
    - 파괴메커니즘 예측을 위한 해석 Logic 개발
    - 파괴메커니즘의 변화(박리파괴, 파단파괴)에 따른 보강효과 해석


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 요약문 ...2
    3. Summary ...16
    4. 제1장 서 론 ...20
    5. 1.1 연구개발의 필요성 ...20
    6. 1.2 국내.외 관련기술 기술동향 ...21
    7. 1.3 연구개발 목표 및 내용 ...36
    8. 제2장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질시험 방법...
    1. 표지 ...1
    2. 요약문 ...2
    3. Summary ...16
    4. 제1장 서 론 ...20
    5. 1.1 연구개발의 필요성 ...20
    6. 1.2 국내.외 관련기술 기술동향 ...21
    7. 1.3 연구개발 목표 및 내용 ...36
    8. 제2장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질시험 방법 ...40
    9. 2.1 개요 ...40
    10. 2.2 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질 시험 규격 ...40
    11. 2.3 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질시험 방법 ...43
    12. 2.4 함침용 에폭시수지의 품질시험 방법 ...48
    13. 제3장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질기준 및 성능 ...55
    14. 3.1 개요 ...56
    15. 3.2 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질기준 및 품질성능 ...56
    16. 3.3 함침용 에폭시수지의 품질기준 및 품질성능 ...62
    17. 3.4 프라이머의 품질기준 및 품질성능 ...64
    18. 3.5 퍼티의 품질기준 및 품질성능 ...67
    19. 제4장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질성능 평가시험 ...68
    20. 4.1 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 품질성능 시험 ...68
    21. 4.2 함침용 에폭시수지의 품질성능 시험 ...84
    22. 제5장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 보강공법의 시공요소 기술개발 ...106
    23. 5.1 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 시공환경 영향 ...106
    24. 5.2 함침용 에폭시수지의 시공환경 영향 ...130
    25. 제6장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체와 콘크리트와의 부착성능 평가 ...139
    26. 6.1 인발접착강도 ...139
    27. 6.2 인장전단 부착강도 ...145
    28. 6.3 부착성능 향상을 위한 상세 개발 ...164
    29. 제7장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 휨 보강성능 평가 ...170
    30. 7.1 연구 개요 ...170
    31. 7.2 실험의 일반사항 ...170
    32. 7.3 유리.아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 RC보의 휨 보강성능 및 파괴 메커니즘 분석 ...181
    33. 7.4 유리.아라미드섬유쉬트 복합체의 휨 부착성능에 대한 재검증 ...188
    34. 7.5 박리파괴 방지를 위한 U 보강상세 개발 ...196
    35. 7.6 박리파괴 방지를 위한 원형 에폭시 전단키 보강상세 개발 ...202
    36. 7.7 박리파괴 방지를 위한 직사각형 에폭시 전단키 보강상세 개발 ...212
    37. 7.8 박리파괴 방지를 위한 파이버 전단키 보강상세 개발 ...219
    38. 7.9 콘크리트 압축강도의 저하에 따른 휨 보강효과의 평가 ...231
    39. 7.10 부착성능 향상을 위한 표면강화제 유용성 검증 실험 ...235
    40. 7.11 U보강 상세를 적용한 실물모형 실험체의 휨 보강성능 평가 ...240
    41. 7.12 파이버 전단키를 매입한 실물모형 실험체의 휨 보강성능 평가 ...253
    42. 제8장 유리.아라미드섬유쉬트 복합체에 의한 전단보강성능 평가 ...264
    43. 8.1 서론 ...264
    44. 8.2 실험의 일반사항 ...265
    45. 8.3 전단보강비에 따른 전단보강 성능 평가 ...272
    46. 8.4 콘크리트 강도에 따른 전단보강 성능 평가 ...283
    47. 8.5 부착길이에 따른 전단보강 성능 평가 ...288
    48. 8.6 부착상세에 따른 전단보강 성능 평가 ...300
    49. 제9장 비선형 유한요소해석 ...307
    50. 9.1 FEM해석 개요 ...307
    51. 9.2 인장.전단 부착실험 ...312
    52. 9.3 섬유쉬트 보강재에 의한 휨 보강실험체의 비선형 FEM해석 ...342
    53. 9.4 비선형 FEM 해석을 이용한 변수해석 ...356
    54. 9.5 박리파괴시의 각 보강재 인장응력 분포 ...370
    55. 9.6 소결 ...379
    56. 제10장 결론 ...379
    57. 참고문헌 ...452
  • 참고문헌

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