NSM-CFRP 판으로 보강된 RC 보의 시간 의존 처짐 응답 = Time-Dependent Deflection Response of RC Beams Strengthened with Near-Surface-Mounted CFRP Strips

국문 초록 (Abstract)

최근 콘크리트 건축물의 보강을 위해 CFRP (Carbon fiber-reinforced polymer)를 적용한 보강 공법에 관한 많은 관심이 집중되고 있다. CFRP 보강재는 높은 강도-중량비와 우수한 내식성을 지니고 있어 전통적인 보강재를 대체할 수 있는 효율적인 대안으로 간주된다. 보강 공법 중에서 Near-Surface-Mounted (NSM) 공법은 external bonding (EB) 공법에 비해 우수한 부착 성능을 보여 널리 사용되고 있다.
CFRP 판을 적용한 NSM 공법의 보강 효과를 평가하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 건축물이 보강된 이후에는 보강 효과의 장기적 내구성이 중요한 문제로 간주된다. 그러나 장기적인 영향을 고려하여 보강 효과를 평가한 연구는 매우 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트에 NSM-CFRP 판의 장기 부착 거동에 관한 진행하였다. 또한 NSM-CFRP 판으로 보강된 철근콘크리트 보의 장기 휨 거동이 연구하였다.
첫번째 연구와 관련하여, 콘크리트에 NSM-CFRP 판의 장기 부착 거동을 연구하기 위하여 장기 인발 실험을 진행하였다. 비교를 위하여 단기 하중 실험도 함께 진행하였다. 본 실험의 주요 파라미터는 CFRP 판의 단면 형상과 지속 하중 수준이다. 세 가지의 CFRP형상 (1.2 x 15 mm, 2.4 x 7.5 mm, 3.6 x 5 mm)을 고려하였으며 극한 부착 강도의 25%와 50%에 해당하는 두 가지 지속 수준을 적용하였다. 각 지속 하중 수준은 1000시간 동안 유지되었다.
하중이 가해진 단부 지점에서의 변위 변화를 기준으로 CFRP 형상과 지속하중 수준의 영향을 평가하였다. 콘크리트에 NSM-FRP 판의 시간 의존적 변위는 부착 계면에서의 미끄럼과 FRP 판의 신장의 합으로 표현될 수 있다. 이 중 시간에 따른 미끄럼 변화량은 FRP 판의 신장량보다 훨씬 큰 값을 나타냈다. 실험 결과로부터 시간에 따른 미끄럼 변화의 경향은 FRP 판의 형상비 변화와 관련이 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 콘크리트에 보강된 FRP 판의 시간 의존적 거동을 예측할 때 FRP 형상비를 고려해야 한다. 변위비는 FRP 형상비가 증가함에 따라 Power-law 경향을 보이며 증가하였고, 상관 정확도는 90% 이상이었다. 시간 의존적 부착 성능을 예측하기 위하여 기존 모델을 수정하여 FRP 형상비의 영향을 반영하였다. 수정된 모델은 본 연구의 실험 데이터로 검증되었으며, 우수한 예측 정확도를 보였다.
두번째 연구와 관련하여, 서로 다른 보강 공법을 적용하여 CFRP 판으로 보강된 철근 콘크리트 보의 장기 휨 거동을 연구하였다. 세 가디의 휨 보강 공법을 대상으로 한 개씩 즉, 세 개의 실험체를 제작하였으며 이는 외부부착(external bonding) 공법과 완전 부착 및 부분 부착 길이를 적용한 표면매립(near-surface-mounted) 공법을 포함한다. 장기하중 재하와 관련하여, 구조 부재의 실제 상태를 표사하기 위하여 제작된 설험체에는 보강 전 공칭 모멘트의 60%에 해당하는 하중을 적용하였다. 또한 장기 휨 거동을 평가하기 위하여 CFRP로 보강된 철근콘크리트 보의 공칭 강도의 60%와 80%에 해당하는 두 가지의 지속 하중 수준을 적용하였다.
실험체의 성능 변화는 균열 전파, 변형률, 처짐 및 강성의 변화를 기준으로 관찰하고 논의하였다. 장기 하중에 노출된 경우, 보강 공법에 따른 구조적 성능 변화를 항복강도, 극한강도, 연성, 강성 및 인성 측면에서 관찰하고 논의하였다. NSM 공법은 EB 공법에 비해 연성과 인성에서 뛰어난 장점을 나타냈다. CFRP로 보강된 RC 보의 장기 처짐을 예측하기 위해 보강 시스템 계면에서의 시간 의존적 미끄럼을 고려하도록 기존 이론 모델을 수정하였다. 수정된 모델은 실험 결과와 비교하여 검증되었으며 좋은 일치를 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, the use of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) materials for strengthening existing buildings has attracted significant attention. Due to high strength-to-weight ratio and outstanding corrosion resistance, FRP materials are regarded as an efficient alternative to traditional materials for strengthening purposes. Among strengthening methods, the near-surface mounted (NSM) method has been widely adopted thanks to its effective bonding capacity compared to the external bonding (EB) method.
Numerous studies have been conducted to evaluate the effectiveness of structural strengthening using the NSM method with CFRP strips. However, once buildings are strengthened, the durability of these interventions over time becomes a critical concern. Despite this, a limited number of studies have shown the effectiveness of strengthening under long-term conditions. Therefore, the first study was performed to investigate the time-dependent bond behavior of CFRP strips in concrete using the NSM method. Subsequently, a second study was carried out to evaluate the time-dependent deflection response of RC beams strengthened using the different methods with CFRP strips.
First, long-term pull-out tests were performed to experimentally investigate the time-dependent bond behavior of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strips bonded to concrete block using the near-surface-mounted (NSM) method. Additionally, short-term loading tests were performed for comparison. The key factors in these tests are the cross-sectional shapes of CFRP and the sustained loading levels. Three cross-sectional shapes of CFRP strip (1.2 × 15 mm, 2.4 × 7.5 mm, and 3.6 × 5 mm) were considered, and two long-term loading levels of 25 and 50 % of the ultimate bonding strength were applied. The applied load for both load levels was kept to 1000 hours each sustained loading level.
The effects of CFRP aspect ratio and sustained loading levels were evaluated based on the displacement variations at the loaded-end point. The time-dependent displacement of near-surface-mounted FRP strips in concrete can be expressed by the total of the slip at the bond interface and the elongation of FRP strips. In which, the values of slip variation were much greater than the values of the FRP strip elongation over time. From the test results, it can be seen that the trend of slip variation over time was related to changes in the FRP strip aspect ratio. Therefore, the FRP aspect ratio should be considered when predicting the time-dependent behavior of FRP strips strengthened in concrete. The displacement ratio increased with the FRP-aspect ratio following a power-law trend, with a correlation accuracy exceeding 90%. An existing model was modified to incorporate the effect of the FRP shape ratio for predicting time-dependent bond performance. The revised model was validated using the current test data and demonstrated good predictive accuracy.
Second, time-dependent deflection response of reinforced concrete (RC) beams strengthened with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) using different strengthening methods was investigated. Three test specimens were prepared targeting three flexural strengthening methods: external bonding (EB) and near-surface-mounting (NSM) with full or partial bond lengths. In order to simulate the actual state of the structural members, these specimens were loaded with a load equal to 60% of the nominal moment before strengthening. And two sustained loading levels corresponding to 60 and 80% of the nominal strength of FRP-strengthened RC beams were applied to investigate the time-dependent deflection behavior.
The performance variation of test specimens was observed and discussed in terms of crack propagation, variations of strain, deflection, and stiffness. After exposure to long-term loading, changes in structural performance according to reinforcing method were also observed and discussed in terms of yield strength, ultimate strength, ductility, stiffness, and toughness. The NSM method revealed outstanding advantages in the ductility and toughness compared to the EB method. An existing theoretical model was modified to account for the time-dependent slip at interface of strengthening system for predicting the long-term deflection of CFRP-strengthened RC beams. The revised model was validated against experimental results and demonstrated good agreement.

목차 (Table of Contents)

• I. INTRODUCTION 1
• 1.1. Research background 1
• 1.1.1. Strengthening methods and material types 2
• 1.1.2. Fiber-reinforced polymer materials 4
• 1.1.3. Applications for FRP materials 6
• 1.2. Research objectives and scopes 8
• 1.3. Thesis organization 9
• II. LITERATURE REVIEW 11
• 2.1. Time-dependent bond behavior of FRP strips strengthened in concrete 12
• 2.1.1. Effect of different parameters 13
• 2.1.2. Theoretical model 16
• 2.2. Time-dependent deflection behavior of RC beams strengthened with NSM-FRP strips 21
• 2.2.1. Effect of different parameters 22
• 2.2.1.1. Effect of pre-load and FRP stress-lagging 22
• 2.2.1.2. Effect of service temperatures 24
• 2.2.1.3. Effect of CFRP areas, concrete strength and sustained loading levels 25
• 2.2.2. Theoretical model 26
• 2.3. Summary 32
• III. TIME-DEPENDENT BOND BEHAVIOR OF CFRP STRIPS STRENGTHENED IN CONCRETE 33
• 3.1. General 33
• 3.2. Experimental program 35
• 3.2.1. Details of test specimens 36
• 3.2.2. Material properties 38
• 3.2.3. Test setup and instrumentation 39
• 3.2.3.1. Monotonic pull-out tests 39
• 3.2.3.2. Long-term pull-out tests 40
• 3.2.4. Experimental procedure 41
• 3.3. Experimental results and discussions 43
• 3.3.1. Monotonic pull-out test 43
• 3.3.2. Long-term pull-out test 46
• 3.3.2.1. Effect of sustained loading level 46
• 3.3.2.2. Effect of FRP aspect ratio 50
• 3.3.2.3. Variation of FRP strain 53
• 3.3.2.4. Variation of slip under sustained loading. 58
• 3.3.2.5. Comparison to short-term test results 60
• 3.4. Theoretical model 63
• 3.4.1. Existing theoretical model 63
• 3.4.2. Revised theoretical model 66
• 3.4.3. Validation of the revised theoretical model 68
• 3.5. Summary 73
• IV. TIME-DEPENDENT DEFLECTION RESPONSE OF RC BEAMS STRENGTHENED WITH NSM-CFRP STRIPS 75
• 4.1. General 75
• 4.2. Experimental program 78
• 4.2.1. Details of test specimens 78
• 4.2.2. Material properties 80
• 4.2.3. Test setup and instrumentation 81
• 4.2.4. Experimental procedure 83
• 4.3. Experimental results and discussions 85
• 4.3.1. Crack occurrence and propagation 85
• 4.3.2. Strain variations of component materials 89
• 4.3.3. Deflection variations 94
• 4.3.4. Stiffness variations 97
• 4.3.5. Failure test results 101
• 4.4. Theoretical model 105
• 4.4.1. Existing theoretical model 106
• 4.4.2. Revised theoretical model 110
• 4.4.3. Validation of the revised theoretical model 113
• 4.5. Summary 117
• V. CONCLUSIONS 118
• 5.1. Summary 118
• 5.2. Conclusions 119