외부 FRP쉬트로 휨 보강된 RC 부재의 FRP 탈착파괴 연구 = A Study on debonding failure of FRP for RC members felxurally reinforced with external FRP sheet

국문 초록 (Abstract)

섬유보강폴리머(Fiber Reinforced Polymer, FRP)로 휨 보강된 철근콘크리트 슬래브의 휨 파괴 거동을 실험적으로 분석하였다. 두 가지 형태의 FRP 보강 방법을 적용하였으며, 두 실험 모두에서 FRP의 탈착에 의한 파괴가 관찰되었다.
유한요소해석을 위해 모델링을 수행하고, 실험 결과를 기반으로 FRP의 본드–슬립 모델 파라미터를 결정하여 FRP 탈착 파괴를 해석할 수 있는 유한요소해석 모델을 구축하였다.
본드–슬립 모델이 탈착 파괴에 미치는 영향에 초점을 맞추어, FRP 보강 시스템을 적용한 RC 슬래브의 휨 강도 실험 결과와 비교 분석하였다.
본드–슬립 모델은 손상 개시 기준을 다소 과대평가하는 경향을 보였으나, 초기 강성의 10%, 최대 전단 응력의 13% 조건의 수치해석 결과는 기존 모델과의 비교에서 실험 데이터와 매우 잘 일치하였다. 또한 구조물의 강성은 계면 요소의 초기 강성에 크게 의존하였으며, 박리 하중 및 파괴 하중은 최대 계면 전단 응력에 의해 결정되었다. 응력 간 상호작용을 고려한 결과, 손상 개시 기준으로 이차 공칭 응력을 적용하는 것이 타당함을 확인하였다. 보강된 슬래브의 구조 거동은 혼합 모드 파괴 기준 및 응집 계수 변화에 대해 민감하지 않았다.
폐어망을 재활용한 폴리머 쉬트를 이용하여 보강된 철근콘크리트 슬래브에 대해서도 탈착 파괴에 초점을 맞추어 휨 강도 실험 결과를 검토하였다. 유한요소해석을 수행하여 하중–처짐 관계를 기반으로 본드–슬립 법칙이 보강 슬래브의 파괴 메커니즘에 미치는 영향에 대해 민감도 분석을 수행하였다. 기존 본드–슬립 모델 및 특성 매개변수가 탈착 파괴에 미치는 영향을 평가하였고, 재활용 폐어망 쉬트 사용시 기존의 본드–슬립 모델은 폐어망쉬트–콘크리트 인터페이스의 결합 강도를 과대평가하였으나, 기존 연굿 결과에 따라 최대전단응력의 50%, 파괴에너지 20%로 설정한 수치해석은 실험 데이터와 높은 상관관계를 보였다. 또한 손상 개시 기준의 민감도는 보강 쉬트의 넓이에 영향을 받았으나, 혼합 모드 파괴 및 응집 계수를 포함한 손상 진화 기준은 전반적 구조 거동에 미치는 영향이 없음을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study experimentally and numerically investigates the flexural failure behavior of reinforced concrete (RC) slabs strengthened with fiber-reinforced polymer (FRP) materials. Two different FRP strengthening schemes were applied, and in both cases, debonding failure of the FRP layer was observed. To simulate the debonding mechanism, a finite element analysis (FEA) model incorporating a bond–slip law was developed, and the model parameters were calibrated based on experimental results. The analysis revealed that while the bond–slip model slightly overestimated the damage initiation criterion, the numerical predictions obtained with an initial stiffness of 0.1K0 and a maximum shear stress of 0.13τmax were in excellent agreement with the experimental data and the Neubauer and Rostasy model. The structural stiffness was found to be governed primarily by the initial interface stiffness, whereas the debonding and ultimate loads were controlled by the maximum interfacial shear stress.
Additionally, RC slabs strengthened with polymer sheets fabricated from recycled waste fishing nets were tested and analyzed. The results showed that conventional bond–slip models overestimated the interfacial bond strength for this material system. When the parameters were modified following Monti et al. (2003) — τmax=0.5τmax,ref and Gf=0.2Gf,ref — the numerical results exhibited high correlation with the experimental load–deflection response. The sensitivity of the damage initiation criterion depended on the sheet width, while mixed-mode fracture and cohesive evolution parameters had negligible influence on overall structural behavior. The findings confirm the validity of bond–slip-based cohesive models for predicting FRP debonding failures in both conventional and recycled polymer-sheet strengthening systems.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = ⅵ
• Chapter 1. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• Chapter 2. 문헌고찰 =3
• 2.1 섬유보강폴리머 = 3
• 2.1.1 섬유보강폴리머의 구성과 특성 = 3
• 2.1.2 섬유보강폴리머의 역학적 성질 = 5
• 2.1.3 섬유보강폴리머의 활용 = 8
• 2.2 FRP 휨 보강 방법 = 10
• 2.2.1 전통적인 보강 방법 = 10
• 2.2.2 다양한 접근방법 = 12
• 2.3 본드-슬립 거동 = 13
• Chapter 3. UHPC-FRP 복합보강FRP 슬래브 실험을 통한 FRP 탈착파괴 거동 연구 = 15
• 3.1 실험방법 = 17
• 3.1.1 실험체 제작 = 17
• 3.1.2 휨강도 산정 = 19
• 3.2 유한요소모델 = 23
• 3.2.1 콘크리트 = 25
• 3.2.2 철근 = 27
• 3.2.3 CFRP = 27
• 3.2.4 FRP-콘크리트 인터페이스 모델 = 27
• 3.3 해석결과 = 32
• 3.3.1 본드-슬립 모델의 효과 = 36
• 3.3.2 특성 매개변수의 영향 = 38
• 3.4 소결 = 45
• Chapter 4. 폐어망재활용 FRP쉬트 보강 슬래브 실험을 통한 FRP 탈착파괴 거동 연구 = 47
• 4.1 실험방법 = 52
• 4.1.1 실험체 제작 = 52
• 4.2 유한요소해석 모델 = 59
• 4.2.1 개요 = 59
• 4.2.2 재료모델 = 62
• 4.3 해석결과 = 64
• 4.3.1 실험 결과 = 64
• 4.3.2 해석결과비교 = 68
• 4.4 소결 = 76
• Chapter 5. 결론 = 77
• REFERENCES = 79
• ABSTRACT = 94