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리브를 갖는 FRP 판과 고인성섬유보강콘크리트로 이루어진 합성보의 파괴거동에 대한 실험적 연구
강가람(Kang, Ga-Ram),유승운(Yoo, Seung-Woon) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.3
고인성섬유보강콘크리트는 기존의 콘크리트에 비해 인성을 크게 개선한 재료로써, 콘크리트 구조물의 여러 분야에 적용 가능한 건설 신재료로 평가되고 있다. 본 연구에서는 고인성섬유보강콘크리트와 리브를 갖는 FRP 판을 인장 보강재 및 영구거푸집으로 활용한 합성보의 파괴거동에 관한 실험을 실시하였다. 비교를 위해 일반콘크리트와 PVA계열인 RF4000과 PP계열인 PP-macro의 섬유를 사용하였으며, 각각 RF4000+RSC15, PP-macro+RSC15를 혼입하여 합성보를 제작하여 실험하였다. FRP 판에 잔골재를 미부착한 경우는 보의 중앙에 발생한 휨 균열이 크게 벌어지면서 FRP 판과 콘크리트가 미끄러짐에 의한 파괴형태를 보여주고 있음으로 잔골재 부착은 필수적 사항이라 판단되며, 파괴모드에 대한 섬유보강재의 영향은 크지 않은 것으로 판단된다. FRP 판에 잔골재를 부착한 실험 결과는 1200, 2000mm 모두 콘크리트와 FRP 사이에 충분한 부착이 형성되었다. 일반콘크리트보다 섬유보강재를 혼입한 경우 최대 하중이 높게 나타났고, 그 중 PP계열의 섬유보강재를 혼입한 경우 최대 하중이 가장 높게 나타났다. 균열이 섬유보강재에 의해 지연되면서 FRP 리브와의 합성작용에 의해 발생한 것으로 판단된다. DFRCC (ductile fiber reinforced cementitious composites), which are a significantly improved ductile material compared to conventional concrete, were evaluated as a new construction material with a high potential applications to concrete structures for a range of purposes. In this study, experiments on the failure behavior of composite beams with a DFRCC and FRP (fiber reinforced polymer) plank with a rib used as permanent formwork and tensile reinforcement were carried out. A normal concrete and a fiber reinforced concrete with PVA series of RF4000 and the PP series of PP-macro were used for comparison, and each RF4000+RSC15 and PP-macro+RSC15 was tested by producing composite beams. The experimental results of the FRP plank without a sand coating showed that sliding failure mode between the FRP plank and concrete started from a flexural crack at the beam center; therefore it is necessary for the FRP plank to be coated with sand and the effect of the fiber to failure mode did not appear to be huge. The experiment of the FRP plank with a sand coating showed that both 1200mm and 2000mm allowed sufficient bonding between the concrete and FRP plank. The maximum load of the fiber reinforced concrete was higher than that of normal concrete and the case which a series of PP fiber was mixed showed the highest value. The crack latency caused by the fibers led to composite action with a FRP rib.
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콘크리트 손상 소성모델을 이용한 FRP-콘크리트 합성보의 비선형 유한요소해석에서 여러 변수들의 영향
유승운(Seung-Woon Yoo),강가람(Ga-Ram Kang) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.2
본 연구는 기존의 철근 콘크리트 구조형식을 대신할 FRP-콘크리트 합성구조의 휨거동에 관한 것이다. 구조적 성능 및 거동 특성을 수치 해석적으로 규명하고자 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 비선형 유한요소해석을 실시하였으며, 이때 사용하게 되는 여러 변수들의 영향을 실험 결과와 비교, 분석하여 본 합성구조에 최적화된 변수 값을 제시하고자 하였다. 합성구조의 구조재료모델은 콘크리트 손상소성모델(concrete damage plasticity model)을 사용하였고 콘크리트 압축응력관계식은 유로규준(Euro code)를 이용하였다. 내연적 유한요소해석의 경우 기하학적, 재료적 비선형성이 큰 경우 수렴에 많은 문제가 있으므로 본 연구의 경우 외연적 유한요소해석법이 적절한 것으로 판단된다. 콘크리트 손상 소성모델의 여러 변수들에 대해 실험값과 비교한 결과 본 연구의 경우, 요소 크기는 20mm, 팽창각은 30°, 파괴에너지 값은 100Nm/㎡, 변수 Kc는 0.667, 손상계수는 고려하는 것이 적절한 것으로 판단된다. 제시된 수치모델의 경우 신소재 합성보의 극한하중 및 균열패턴을 실험과 비교적 유사하게 표현할 수 있으므로 앞으로 다양한 합성구조의 수치해석에 적용 가능하리라 판단된다. This paper examines the flexure behavior of FRP-concrete composite structure that can replace conventional reinforced concrete structure types. In order to investigate the structural performance and behavioral characteristics in numerical analysis means, ABAQUS, a general purpose finite element analysis program, was utilized for nonlinear finite element analysis, and the various variables and their influences were analyzed and compared with experimental results to suggest values optimized to this composite structure. The concrete damage plasticity model and Euro code for concrete were used. In the implicit finite element analysis, the convergence was ambiguous when geometrical and material nonlinearity were large, so the explicit finite element analysis used in this study was deemed to be appropriate. From the comparison with the experiment about concrete damaged plasticity model, 20mm for the mesh size, 30° for the dilation angle, 100Nmm/㎟ for the value of fracture energy, 0.667 for Kc value, and the consideration of damage parameter were suggested believed to be appropriate. The numerical model suggested in this study was able to imitate the ultimate load and cracking pattern very well; therefore, it is expected to be utilized in research of various new material composite structures.
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