1.1 일반사항

세계적으로 산업화 시대에 다수의 시설물이 철근콘크리트를 활용하여 시공되었으나 노후화에 따라 시설물 붕괴 등 안전사고 위험 증가 및 이에 따른 막대한 유지보수 비용 증가가 사회문제로 대두되고 있다.

일반적으로 보편적이고 반영구적인 구조형식으로 인식되고 있는 철근콘크리트는 특히, 철근 부식으로 인하여 급격한 수명 단축과 안전사고 발생 위험성이 증가하고 있는 실정이다.

이러한 문제를 근본적으로 해결하고 또한 효율적 유지관리를 위해 1990년대 중반부터 국내외적으로 섬유보강복합재료(Fiber Reinforced Polymer, FRP) 및 탄소섬유보강복합체(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP) 등을 활용한 차세대 철근대체재와 이를 적용한 콘크리트의 개발 및 실적용과 관련된 기술 개발이 지속적으로 수행해오고 있다.

건설용 탄소섬유보강복합체(CFRP)와 같은 초고강도, 비부식성, 초경량 등의 성능이 우수한 철근대체재를 활용한 콘크리트 시설물 적용은 유지·보수가 거의 필요 없는 장수명화 구현과 콘크리트 부재 단면 크기와 자중 경감이 가능하여 프리캐스트화 및 장비자동화, 로봇시공, 모듈러 건축 등 건설자동화에도 최적화된 재료라고 할 수 있다(^{Okelo and Yuan, 2005}).

이와 관련된 글로벌 건설분야 시장규모 확대가 전망되는 가운데 독일, 일본 등은 철근대체재 및 철근대체재-콘크리트 시장 선점을 위한 대규모 기술개발 실시 중에 있으며 국내에서도 새로운 건설재료 개발을 통한 해외 시장 선점 및 경쟁력 확보 필요한 상황이라고 할 수 있다.

1.2 국내외 기술개발 및 연구 현황

건설용 탄소섬유보강복합체(CFRP)는 일반적으로 철근 대비 인장강도는 약 5배 이상, 밀도는 약 4배 이하 및 약 35% 이상의 비용 감소가 가능한 뛰어난 성능을 가지고 있는 것으로 알려져있다. 이와 함께 구성 재료인 탄소섬유 관련 기술의 발달과 수요의 다양성 증가로 그 활용성이 증대되고 있으며 이를 활용한 고성능 다기능 철근대체재-콘크리트 핵심원천 및 실적용 기술 개발이 국내외적으로 지속적으로 수행되고 있다.

국내에서는 현재까지 연구개발 성과의 검증을 위하여 교량 일부 구간(서울-문산 고속도로 행신 IC RG교의 교량 바닥판 상부 일부 및 부흥교의 거더 4개소)에 한정하여 시험 적용한 사례가 있다(KICT 214-162).

미국, 캐나다, 유럽, 일본 등지에서는 FRP 보강재의 콘크리트 구조물에의 활용도를 높이기 위하여 FRP 보강재와 관련 설계 및 시공 기준을 마련하고 있으며, 국내에서도 FRP 보강근이 철근을 대신하는 보강재로 실제 콘크리트 구조물에 적용하기 위해 재료, 하중‧강도‧휨‧전단 설계, 정착‧이음, 배근‧피복두께 등에 대한구조설계지침을 발간하였다(^{KCI, 2019}).

^{Zhang et al.(2004)}은 CFRP 격자 그리드를 주철근으로 적용한 1-방향 철근콘크리트 슬래브 실험체에 대해 일반 철근(Grade 400, No.15)을 적용한 실험결과와의 균열 발생을 포함한 파괴시까지의 거동 특성에 대한 비교·분석을 수행하여 CFRP 격자 그리드의 철근대체 적용성을 검증하였다.

^{Chris et al.(2012)}은 부식 저항성이 큰 GFRP 보강재로 보강된 경량 콘크리트 패널 실험체를 다양한 설계 변수에 따라 설계 및 제작하여 기존 설계기준(ACI 440.1R-06) 등에서 제시한 전단력 및 파괴모드 등에 대한 비교· 분석을 수행하였다.

^{Hasan et al.(2013)}은 2-방향 평판 슬래브 실험체에 대해 하부 보강시 저자 등에 의해 새로이 제안된 CFRP Grid와 에폭지 접착 방법을 적용한 실험체의 보강 여부에 따른 실험 결과를 비교·분석하였다. 연구결과 슬래브의 최대 하중과 변형 능력을 향상시키고 취성적인 파괴모드 또한 방지하고 있음을 확인하였다.

^{Park et al.(2004)}은 CFRP 격자 보강재의 양, 보강 모르타르 깊이, 압축부 보강 유무를 변수로 보강한 콘크리트 슬래브의 파괴형태와 보강설계기준 제시에 대한 연구를 수행하였다.

^{Son et al.(2015)}은 경량콘크리트와 GFRP 보강근을 휨보강근으로 사용하여 제작되는 GFRP 보강근 경량콘크리트 슬래브 실험체를 대상으로 다양한 실험 변수에 따른 초기균열의 발생 및 전반적인 거동 특성에 대한 평가를 수행하였다.

현재까지 수행된 국내외 연구는 일부 구조 부재에 대한 CFRP Grid를 포함한 섬유보강복합재료의 보강근으로써의 적용성 검증 및 CFRP 격자 그리드를 통한 구조 부재의 보수·보강과 관련된 연구가 대부분이라고 할 수 있으며 우수한 구조 건설재료의 개발과 올바른 실적용을 위해서는 다양한 변수에 따른 신뢰성 있는 실험 결과들의 확보와 함께 이론적 접근을 통한 합리적인 구조설계 기준 및 해석 기법 마련 등은 필수적이라고 할 수 있다.

본 연구에서는 CFRP Grid의 건설 부재(보, 기둥, 벽체, 슬래브 등)에의 적용성을 위해 CFRP Grid를 보강근으로 적용한 콘크리트 부재에 대한 합리적인 해석적 방안을 제시하는 것을 목표로 한다.

이를 위하여 ^{Zhang et al.(2004)}의 실험 연구 결과를 바탕으로 저자 등에 의해 그동안 제안된 해석기법과 해석모델을 적용한 비선형 유한요소 해석프로그램을 사용하였으며 결과 분석을 통해 적용성과 타당성을 검증하고 보다 신뢰성 있는 해석 기법 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

2.1 철근콘크리트 비선형 재료모델

현재까지의 연구 결과 CFRP 보강재를 포함한 FRP 보강근이 배근된 콘크리트 구조물의 경우 Fig. 1과 같이 콘크리트 균열 발생 후, 하중 전달 과정에서 철근이 배해 낮은 탄성계수로 인하여 철근이 배근된 콘크리트 부재에 비하여 강성이 급격하게 저하되어 동일 하중에서 큰 변형이 발생하는 것으로 알려져 있다(^{Protal, 2015}).

이러한 거동 특성 예측을 위한 해석적 방안 마련을 위해서는 다양한 요인에 따른 CFRP 보강근과 콘크리트의 부착특성 등을 고려할 수 있는 재료모델과 해석 기법의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.

본 연구에서는 기존의 연구자가 수행한 CFRP Grid를 보강근으로 적용한 1-방향 콘크리트 슬래브 실험체를 대상으로 해석적 평가 방안 마련을 위한 기초연구를 수행하였다.

이를 위해 Fig. 2에서와 같이 그 동안 저자 등에 의해 개발된 분산균열 개념에 근거한 콘크리트의 압축모델, 균열 직각 방향의 인장모델, 균열면에서 전단전달모델 그리고 콘크리트에 포함된 철근모델로 각각 구성된 철근콘크리트 요소 구성방정식을 적용하였다(^{Cheon et al., 2015}; ^{Cheon et al., 2016}).

균열 발생 이전의 콘크리트의 해석모델은 등가 응력-등가 변형률 관계의 이축응력상태에 대한 탄소성파괴모델(Maekawa and Okamura, 1983)근거로 교번 반복하중 하에서 이력거동 경로에 대해 수정한 모델을 적용하였다(^{Seong et al., 2011}).

균열 발생 이후의 철근과 콘크리트의 부착효과로 인한 콘크리트의 인장경화 효과(tension stiffening effect)를 고려하기 위해 ^{Shima et al.(1987)}의 일축인장실험식에 ^{Okamura et al.(1985)}이 균열직각 방향의 인장변형률의 함수로서 제안한 부착모델을 근거로 Fig. 3 및 식 (1)에서와 같이 하중 재하 및 재재하시 철근과의 부착에 의한 압축응력과 균열면의 접촉에 의한 압축응력을 추가적으로 고려할 수 있도록 수정된 모델을 적용하였다(^{Kim et al., 2003)}.

여기서, $f_{t}$ : 콘크리트의 인장강도, $\varepsilon_{cr}$: 인장강도에서의 변형률, $\varepsilon_{0}$: 인장응력이 발생하는 시점의 평균변형률, $\sigma_{t}$와 $\varepsilon_{t}$ : 각각 균열 직각방향의 평균응력과 평균변형률, $c$ : 부착 매개계수(0.4 : 이형철근, 0.6 : 원형철근 )

본 연구에서는 콘크리트 균열 발생 이후 CFRP grid와의 부착으로 인한 인경경화 효과를 고려하기 위해 식 (1)에서의 부착 매개계수($c$)는 다양한 부착 실험과 매개변수 연구를 근거로 용접망에 대해 Maekawa et al.(1983)이 제안한 0.2를 적용하였다(^{Shin, 1988}).

균열면에서 전단전달모델은 ^{Li et al.(1989)}이 제안한 전단전달모델을 근거로 고강도 콘크리트에 대해 마찰력, 접촉면의 변형으로 인한 경사각의 변화, 균열면의 파괴 및 소성변형에 기인하는 강성의 저하 등을 추가로 고려할 수 있도록 Fig. 4에서와 같이 저자 등이 기존에 제안한 접촉면 밀도함수를 갖는 해석 모델을 적용하였다([15]Seong, et al., 2011; ^{Cheon, et al., 2015}).

콘크리트에 매입된 CFRP Grid에 대한 해석 모델은 Fig. 5 및 식(2)에서와 같이 기존의 콘크리트에 매입된 철근에 대해 ^{Shima et al.(1987)}이 제안한 부착모델을 근거로 ^Shin(1988)이 제안한 평균 응력 - 변형률 관계식에 근거한 해석 모델을 적용하였다(^{Cheon et al., 2016)}.

여기서, $\overline{f}_{y}$ : 콘크리트에 포함된 철근의 평균항복응력, $\sigma_{t}$ : 철근과의 부착으로 인해 콘크리트가 부담하는 인장응력, $E_{s}$ : 철근의 탄성계수, $\overline{\epsilon}_{y}$ : $\overline{f}_{y}$에서 평균인장변형률, $\rho$ : 철근비, $\epsilon_{cr}$ : 콘크리트 인장강도에서의 변형률, $f_{y}$ : 순수 철근의 항복강도

Fig. 1 Example of load - displacement relationship(RC vs CFRP bar member)

Fig. 2 Outline of analysis model for reinforced high- strength concrete

Fig. 3 Average tensile stress-strain curves for concrete

Fig. 4 Contact density function and shear transfer model for high-strength concrete

Fig. 5 Average tensile stress-strain relation of reinforcement

2.2 비선형유한요소 해석프로그램(RCAHEST)

본 연구에서는 Fig. 6에서와 같이 저자 등에 의하여 그동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소 등을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP에 이식하여 모듈화 된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)를 사용하였다.

Fig. 6 Element library

4.1 유한요소 모델링

검증 대상 실험체에 대한 비선형 유한요소 해석을 수행하기 위해서 저자 등에 의해 개발된 8절점의 철근콘크리트 평면 요소 33개로 분할된 유한 요소망을 Fig. 5에 나타내으며 해석을 위해 Fig. 9(a) 및 (b)에서와 같이 실제 하중 재하 조건과 집중 하중이 재하되는 재하판 폭의 크기(300 mm × 300 mm × 25 mm) 및 피복덮개 등을 종합적으로 고려하여 요소 분할을 수행하였다.

Table 1의 철근 및 2가지 형태 CFRP Grid에 대한 실제 실험으로부터 얻어진 재료 물성값을 해석에 적용하였다.

4.2 실험 및 해석 결과와의 비교ㆍ분석

CFRP Grid를 보강근으로 적용한 1-방향 콘트리트 슬래브 실험체를 대상으로 저자 등에 의해 그동안 개발된 해석 기법과 구성관계식을 적용한 해석프로그램을 통한 해석 결과와의 비교·분석을 수행하였다.

Fig. 10에 실험과 해석으로부터의 균열 발생에서부터 최종 파괴시까지의 모멘트-변위 관계를 나타내었으며, 해석에서 모멘트는 각 실험체별 하중 재하 단계에 따른 지점 반력에 순각격($s$) 을 곱한 값으로 산정하였다.

전체 4개의 검증 대상 실험체에 대해 실험과 해석 결과로부터의 최대 모멘트 및 이에 대응하는 변위에 대한 평균과 변동계수는 Table 2에서와 같이 각각 1.39와 13% 및 1.41과 10%의 정확도로 예측하고 있음을 알 수 있다.

비교 기준 실험체인 Fig. 10(c)의 철근콘크리트 실험체(JB3)의 경우 콘크리트 균열 발생과 하중 증가에 따른 유효 단면과 강성의 감소 및 철근의 항복 강도 도달에 따른 전형적인 휨파괴 거동 특성을 나타내고 있는 것음을 알 수 있다. 해석 결과 역시 이러한 전반적인 비선형 거동 특성과 함께 실험으로부터의 최대 모멘트와 대응 변위에 대해 약 9%와 19%의 오차로 예측하고 있음을 확인하였다.

CFRP Grid를 보강근으로 재료 물성과 보강량 및 하중재하 방법을 변수로한 실험체(JB1, JB2 및 JB4)의 경우 Fig. 10(a), Fig. 10(b) 및 Fig. 10(d)에서와 같이 균열 발생 이후 동일 하중에서 철근콘크리트 실험체(JB3)에 비해 상대적으로 큰 변형이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 균열 이후 철근에 비해 낮은 탄성 계수와 큰 항복 강도를 갖는 CFRP Grid를 통한 하중 전달 매커니즘에 따른 것으로 판단된다.

본 연구에서 적용한 해석 결과 역시 이러한 전반적인 비선형 거동 특성을 적절히 예측하고 있으나 JB1, JB2 및 JB4 실험체의 최대 모멘트와 대응 변위에 대해 각각 49% 정도의 예측 오차를 나타내고 있음에 따라, 실험 결과들의 확보와 부착 계수에 대한 매개변수 연구 및 이를 통한 해석 모델에서의 파괴 한계 상태 제안 등에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.

Fig. 11에는 실험체에 대한 최종 파괴시의 형상과 균열 상세 및 이에 대응되는 해석으로부터의 주응력 상태를 각각 비교하여 나타내었고, 이를 통해 실험 결과들에 대한 간접적인 예측이 가능한 것으로 판단된다.

각 검증 대상 실험체에 대해 Fig. 9의 유한요소 해석 모델에서 중앙부 인장측 요소의 9개 가우스 적분값중 가장 큰 값을 대푯값으로 하중단계별 파괴시까지의 철근과 CFRP Grid의 모멘트-변형률 결과를 Fig. 12에 비교하여 나타내었다. 균열 발생 이후 콘크리트 부재에 적용된 일반적인 철근과 달리 CFRP Grid는 동일한 하중 상태에서 더 큰 변형률을 나타내고 있으며 파괴시까지 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 10

Fig. 11 Failure mode of test specimens and principle stress

Fig. 12 Applied moment - strain from analysis