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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.2 pp.37-42
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.037

Comparisons of Bond Characteristics between FRP Hybrid Bars and Deformed Steel Bars

Kyu-San Jung1, Ki-Tae Park2, Young-Jun You3, Byeong-Cheol Kim4, Joon-Seok Park1
1Post-Doctoral Researcher, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea
2Senior Research Fellow, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea
3Researcher Fellow, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea
4Research Specialist, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea
Corresponding author: Park, Joon-Seok Sustainable Infrastructure Research Center, KICT, Daehwa-dong 283, Goyangdae-ro, Goyang-si, Gyeonggi-do, 10223, Korea. Tel: +82-31-910-0065, Fax: +82-31-910-0121, E-mail: joonseokpark@kict.re.kr
May 17, 2018 June 8, 2018 June 18, 2018

Abstract


This paper presents experimental results for evaluating bond strength of FRP Hybrid Bars(HYB). In order to confirm the bond strength of HYB, direct bond strength tests were performed on 20 specimens. 20 specimens made of deformed steel bars were also tested for relative comparison. HYB and deformed steel bars were embedded in a concrete block with a size of 200 mm and different attachment lengths were applied depending on the diameter of the reinforcing bars. During the test, load and relative displacement(slip) were measured and the load-displacement behaviors of all specimens were analyzed from the measured results. The maximum bond strength of deformed steel bars were higher than that of HYB regardless of its diameter. However, after the maximum load, the deformed steel bars were more dominant than the HYB in the sudden load reduction tendency.



FRP Hybrid Bar와 이형 철근의 부착 특성 비교

정 규산1, 박 기태2, 유 영준3, 김 병철4, 박 준석1
1한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 박사후연구원
2한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 선임연구위원
3한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 연구위원
4한국건설기술연구원 노후인프라연구센터 전임연구원

초록


    1 서 론

    철근콘크리트 구조물에서 철근은 구조적으로 매우 중 요한 재료이다(Jung et al., 2017). 하지만 철근은 부 식 문제를 가지고 있어 철근을 비부식 재료로 대체하 기 위한 연구들이 국내⋅외적으로 다수 수행되어져 왔다(Bakis et al., 2001). 그 중에서 대표적인 것이 Fiber Reinforced Polymer(FRP) 재료를 활용하는 연 구들이다(Park et al., 2017). 한국건설기술연구원에서 도 Glass Fiber Reinforced Polymer(GFRP)를 이용 한 보강근을 개발하여(You et al., 2015) 다양한 실험 적 연구들을 수행하였다(Jung et al., 2017). FRP 보 강근이 구조재료로써 사용되기 위해서는 무엇보다도 콘크리트와의 부착력 평가가 우선 시 된다(Ju et al., 2016). 따라서 본 연구에서는 이형철근에 GFRP를 블 레이드 방식으로 감싸고 표면에 규사를 코팅한 FRP Hybrid Bar(HYB)의 부착 강도를 평가하기 위하여 직접부착시험을 수행하였으며 이형철근과의 비교를 통해 HYB의 부착 강도를 평가하였다. 실험을 통해 계측된 하중과 슬립량을 통하여 부착 거동 특성을 분 석하였으며 개발된 HYB의 한계와 추가 연구에 대해 서 본 논문에 기술하였다.

    2 부착 시험 계획 및 방법

    2.1 시험 변수 및 사용 재료 특성

    HYB의 부착 시험을 위한 변수를 Table 1에 나타냈 다. 이형 철근 4개 직경과 FRP Hybrid Bar 4개 직경 에 대하여 각각 5개의 동일 시험체를 고려하였다.

    HYB의 제작에 사용된 이형철근, 유리섬유, 그리 고 수지의 역학적 특성을 Table 2에 나타냈다. 또한 부착 시험체 제작을 위한 사용된 콘크리트의 배합표 를 Table 3에 제시하였으며 ASTM C39/C39M (2013)에 따른 ø100×200 mm의 원주형 공시체 5개에 대한 압축강도 시험 결과, 평균 약 40 MPa의 압축강 도를 확인하였다.

    2.2 부착 시험체 제작

    Fig. 1은 HYB의 부착 특성을 확인하기 위한 시험체 상세를 나타낸 것이다. ASTM D 7913 (2014)에 따라 200 mm의 정입방체 콘크리트 블록 중앙에 이형철근 혹은 HYB가 매립된 형태로 제작하였다. 콘크리트 블 록 매립부에는 시험 변수에 따른 부착 길이를 고려하 여 부착 구간과 비부착 구간으로 나누었으며 비부착 구간에는 콘크리트와의 부착을 방지하기 위하여 표면 이 매끄러운 고무관을 삽입하였다. 또한 이형철근 및 HYB의 인발을 위해 단부에는 콘크리트로 채워진 강 관을 설치하였다.

    2.3 시험체 설치 및 계측 계획

    부착 시험을 위해서 Fig. 2에 나타낸 것과 같이, 한국 건설기술연구원에 있는 최대 1,000 kN 용량의 UTM (Universal Testing Machine)을 사용하여 2 mm/min 의 변위제어를 통해 가력하였다.

    시험체의 슬립 발생을 측정하기 위하여 각 시험체 끝 부분 돌출부에 LVDT를 설치하였으며 시험 전과 후에 버니어캘리퍼스로 측정하였다. 또한 하중 및 기 계 변위를 매초마다 데이터 로거(Data Logger)를 통 하여 수집하였고 컴퓨터에 저장하였다.

    3 시험 결과 및 토의

    3.1 시험 결과 요약

    40개의 시험체에 대한 시험 결과, 모든 시험체는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이, 이형철근 혹은 HYB의 뽑힘에 의해 파괴되었다. 또한 계측된 하중으로 부터 각 시험 체의 최대하중과 부착면적으로 나눈 부착강도, 그리고 LVDT로 부터 측정된 슬립량으로 부터 최대하중에서 의 슬립량을 Table 4에 정리하였다.

    실험결과로 부터, 이형철근의 최대하중은 33.27∼ 109.7 kN 이고 HYB의 최대하중은 37.85∼100.51 kN 이었다. 보강근 종류에 상관없이 직경의 크기가 증가 할수록 최대하중이 증가하는 경향을 나타냈으며 D13 의 경우를 제외한 대부분의 시험체에서 이형철근의 최대하중이 HYB의 최대하중보다 더 컸다.

    3.2 직경별 이형철근과 HYB의 부착 특성 비교

    Fig. 4는 DRB-D13과 HYB-D13 시험체들의 하중-변 위 곡선을 나타낸 것이다. DRB-D13 시험체들의 경 우, 최대하중에서 차이가 있지만 최대하중이 약 34 kN 정도이고 최대하중 이후, 슬립 발생과 함께 급격 히 하중이 감소하는 형태를 나타냈다. 반면에, HYB-D13 시험체들의 경우, 최대하중은 DRB-D13 시험체들의 최대하중보다 약 3 kN 정도 증가하였으 며 최대 하중 이후에도 하중이 급격히 감소하지 않고 슬립 발생에 따라 하중이 서서히 감소하는 형태를 나 타냈다. 슬립 발생 20 mm에서 DRB-D13과 HYB-D13 시험체들의 하중을 보면, DRB-D13의 경우에는 약 5 kN 미만의 하중을 나타내었지만 HYB-D13의 경우에 는 편차가 크지만 5 kN 이상의 하중을 나타냈다. DRB-D13 시험체에 사용된 보강근은 이형철근으로써 공장에서 제작되어 리브와 마디가 일정하여 5개의 동 일 시험체에 대해서 편차가 작았으며 HYB-D13의 경 우, 수작업에 의한 표면 규사 코팅으로 인해 콘크리트 와의 부착부가 불균질 할 수밖에 없어 5개의 동일 시 험체 내에서도 최대하중 이후 부착거동이 상이한 것 으로 판단된다.

    Fig. 5는 D16 직경을 가진 이형철근과 HYB를 보 강근으로 사용한 시험체에 대한 하중-변위 곡선을 나 타낸 것이다. DRB-D16의 하중-변위 곡선은 DRB-D13과 마찬가지로 5개의 동일 시험체 내에서 편차가 비교적 작았으며 HYB-D16의 하중-변위 곡선 의 경우, 5개의 동일 시험체 내에서 최대하중 이후의 편차가 큰 것을 확인할 수 있다. 하지만 최대하중의 경우에서 DRB-D16 시험체의 편차는 약 20 kN 정도 로 컸으며 HYB-D16 시험체의 편차는 약 5 kN으로 작았다. 이러한 결과는 각 보강근의 특성에 기인하는 것으로 판단된다. DRB-D16의 경우, 철근 마디 사이 의 부착된 콘크리트의 물리적인 파괴로 인해 최대하 중이 결정되어 편차 큰 것으로 사료되고 HYB-D16의 경우, 철근 마디가 없고 표면의 규사와 콘크리트와의 화학적으로 부착되기 때문에 최대하중에 편차가 적은 것으로 판단된다. 따라서 물리적인 파괴로 인하여 이 형철근의 경우, 최대하중 이후 하중이 급격히 감소하 고 화학적으로 부착된 HYB의 경우, 규사 코팅으로 표면이 이형철근보다 거칠고 부분적으로 파괴가 이루 어져 최대하중 이후 하중이 서서히 감소하는 것으로 판단된다.

    Fig. 6은 DRB-D19와 HYB-D19 시험체들의 하중- 변위 곡선을 나타낸 것이다. DRB-D19와 HYB-D19 시험체들의 하중-변위 곡선의 형태는 전술한 바와 같 이, 각각의 특성을 잘 나타내고 있다. 하지만 HYBD19의 최대하중의 경우, HYB-D13이나 HYB-D16의 최대하중 분포와 다르게 5개의 동일 시험체 내에서 편차가 상당히 크게 발생한 것을 알 수 있다. 이는 HYB의 제작 시 발생된 결함에 의한 것으로 판단된 다. HYB은 이형철근에 유리 섬유를 블레이드 방식으 로 감싸 경화시킨 뒤에, 표면에 규사를 코팅하여 제작 하였다. 이러한 일련의 제작 과정은 기계를 통하여 이 루어졌지만 규사 코팅 부분만은 수작업을 실시하였다. HYB의 직경 변화에 상관없이 모두 동일한 크기의 규사를 적용하였는데 HYB의 직경이 증가할수록 표면 의 규사 부착이 고르지 못하였고 경화 중 혹은 운반 중에 표면으로 부터 탈락하는 규사의 양이 많았다. 따 라서 HYB의 직경이 증가할수록 표면 규사 코팅의 품질은 떨어졌으며 이에 따라 HYB-D19 시험체들의 최대하중에서 큰 편차가 발생한 것으로 판단된다. 이 와 관련하여 직경별 최적화된 규사 크기 도출 혹은 표면 규사 탈락 방지를 위한 추가 연구가 필요하다.

    Fig. 7은 DRB-D22와 HYB-D22 시험체들의 하중- 변위 곡선을 나타낸 것이다. DRB-D22의 1번과 2번 시험체는 시험체 제작 시, 고무 튜브가 완전히 밀폐되 지 않아 콘크리트 타설 중 일부 페이스트가 들어가 최대하중 이후 하중 감소가 다른 시험체들과 다른 것 으로 판단된다. 계획된 시험 변수 중, 가장 큰 직경을 가진 시험체들로써 하중-변위 곡선의 형태는 각기 재 료적 특성 및 부착 특성을 나타내고 있으나 D13 혹 은 D16 시험체들의 비교에서 처럼 명확하게 구분되지 는 않는다. 이형철근의 경우, 직경 증가에 따라 마디 의 크기가 증가하여 최대하중 이후, 하중감소가 보다 완만해지는 반면에 HYB의 경우, 전술한 규사 코팅 문제와 마디 형성에 사용된 섬유의 굵기가 증가함으 로써 규사 코팅 이후에도 마디가 드러남으로써 하중- 변위 곡선의 형태가 보다 이형철근에 가깝게 최대하 중 이후 급격히 감소하는 형태를 나타냈다. 실험 결과 로 부터, HYB의 직경이 커질수록 규사 코팅 이후에 도 크기가 증가한 마디가 드러나게 되어 전체적인 부 착거동은 이형철근의 거동과 매우 유사하게 나타나고 최대하중 이후 부착력 감소 완화 효과는 미비하기 때 문에 직경이 큰 HYB에 대한 추가 보완 연구가 필요 할 것으로 사료된다.

    Fig. 8은 DRB 시험체들과 HYB 시험체들의 직경 별 부착 강도를 비교하여 나타낸 것이다. 모든 직경에 서 DRB 시험체들의 부착강도가 HYB 시험체들의 부 착강도 보다 높았으며 직경이 증가할수록 DRB 시험 체들과 HYB 시험체들의 부착강도의 차이는 점차 증 가하였다.

    다만, D22의 경우에서 차이는 소폭 줄어들었는데 이는 Fig. 9에 나타낸 것과 같이, HYB-D13, HYB-D16, 그리고 HYB-D19의 경우, 유리 섬유를 감싸는 과정이나 규사 코팅 과정에서 형성된 마디가 드러나지 않게 되고 HYB-D22의 경우, 보다 크게 형 성된 마디로 인하여 규사 코팅 이후에도 마디가 보다 잘 드러나게 되어 이형철근의 마디와 유사한 역할을 했기 때문으로 판단된다.

    4 결 론

    본 연구에서는 이형철근과 HYB의 직경별 직접부착 시험을 수행하고 실험 결과에 따른 각 변수별 하중- 변위 거동 특성 및 부착 강도를 비교⋅분석하였고 취 득된 결과들을 정리하여 다음과 같은 결론들을 도출 하였다.

    • (1) 이형철근의 경우, 최대하중 이후 슬립 발생과 함께 하중이 급격히 감소하였으며 HYB의 경우에는 최대하중 이후에도 하중이 서서히 감소하였다. 이는 철근 마디에 의한 기계적 결합과 규사와 콘크리트의 화학적 결합에 따른 차이로 판단되며 향후, 이에 대한 미시적인 추가 연구가 요구된다.

    • (2) HYB의 직경이 증가함에 따라 최대하중의 편 차가 증가하였고 최대하중 이후의 거동에서도 보다 급격한 하중 감소 형태를 나타냈다. 이는 HYB의 직 경이 증가함에 따라 수작업에 의한 규사 코팅에서 품 질 문제에 기인하며 증가된 직경과 비례하여 크기가 증가된 마디가 규사 코팅 이후에도 외부로 드러남에 따른 결과로 판단된다. 향후, 직경이 큰 HYB에 보완 연구가 필요하다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (17SCIP-B128496-01) from Smart Civil infrastructure Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

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    Details of Specimen

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    Test Setup

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    Failure Mode of HYB-D16 Specimen after Test

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    Load-Displacement Curves for DRB-D13 and HYB D13 Specimens

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    Load-Displacement Curves for DRB-D16 and HYB D16 Specimens

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    Load-Displacement Curves for DRB-D19 and HYB D19 Specimens

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    Load-Displacement Curves for DRB-D22 and HYB D22 Specimens

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    Comparisons of Bond Strength According to Diameters for DRB and HYB

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    Comparisons of Surface States for HYB by Diameter

    Table

    Test Variables

    Mechanical Properties of Materials Used the Manufacture of HYB

    Mixing Proportion of Concrete

    ※SP: Superplasticizer

    Results of Direct Bond Strength Test

    Reference

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