철계-형상기억합금의 부식특성 평가

연영모 ( Yeon Yeongmo ),홍기남 ( Hong Kinam ),이정훈 ( Lee Junghoon ),지상원 ( Ji Sangwon ) 한국복합신소재구조학회 2021 복합신소재구조학회논문집 Vol.12 No.2

본 논문은 철계-형상기억합금(Fe-SMA)의 부식특성을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 연구를 수행하기 위해 동전위 분극실험을 통해 Fe-SMA의 부식성능을 평가하였다. 시편을 3전극 플렛셀에 설치 후 전위차계를 이용하여 -200mV∼1000mV 구간의 전위를 2mV/s으 속도로 측정하였다. 기준전극 및 상대전극으로 각각 SCE 기준전극과 백금 와이어를 이용하였다. 동전위 분극곡선 및 타펠 피팅을 이용하여 부식전위 및 부식전류밀도를 측정하였다. Fe-SMA의 부식특성을 직관적으로 확인하기 위해 SD400 철근을 비교군으로 설정하였다. 염화물 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 3.5wt% 농도의 NaCl 용액에서 실험을 실시하였으며, 콘크리트 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 CaO를 이용하여 수용액의 pH를 13으로 조절하였다. 실험결과 Fe-SMA는 SD400 대비 모든 조건에서 우수한 내부식성이 나타났다. Fe-SMA의 콘크리트 환경에서 내부식성은 우수한 것으로 나타났다. 하지만 Fe-SMA가 염화물에 노출되면 부식저항이 급격히 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 염화물에 직접적으로 노출되는 환경에서 Fe-SMA를 사용할 경우 부식을 방지하기 위한 적절한 조치가 필요할 것으로 사료된다. This paper reports an experimental study to evaluate the corrosion characteristics of Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA). For confirming the corrosion performance of Fe-SMA, a potentiodynamic polarization test was performed. After installing the specimen in the three-electrode flat cell, the potential in the range of 200-1000 mV was measured at a rate of 2 mV/s. saturated calomel electrode(SCE) and Pt wires were used as reference and counter electrodes. Corrosion potential and current density were measured using Tafel fitting of potentiodynamic polarization curves. SD400 was used as a control group to intuitively check the corrosion characteristics of Fe-SMA. To confirm the corrosion performance of Fe-SMA in a chloride environment, an experiment was conducted in a 3.5 wt% NaCl solution. To confirm the corrosion performance of Fe-SMA in a concrete environment, the pH of the solution was adjusted to 13 using CaO. In the test results, Fe-SMA showed better corrosion resistance in all conditions compared with SD400. Moreover, the corrosion resistance of Fe-SMA was found to be excellent in the concrete environment. However, corrosion resistance was found to decrease rapidly when Fe-SMA was exposed to chloride. Therefore, an appropriate method is required to prevent corrosion when using Fe-SMA in an environment directly exposed to chloride.

셀프 프리스트레싱 스터럽으로 보강된 철근콘크리트 보의 전단거동 예측

지상원 ( Ji Sangwon ),연영모 ( Yeon Yeongmo ),홍기남 ( Hong Kinam ),한민철 ( Han Mincheol ),정병은 ( Jung Byungeun ) 한국복합신소재구조학회 2022 복합신소재구조학회논문집 Vol.13 No.5

본 논문은 철계형상기억합금(Fe-SMA) stirrup으로 전단보강된 철근콘크리트 보의 전단거동을 예측하기 위한 해석적 연구이다. 전단거동 예측을 위해 변형률 적합조건 및 하중 평형조건을 만족하는 휨해석이 수행되었으며, 이후 수정압축장이론(MCFT)에 기반한 전단해석이 수행되었다. 부재의 처짐을 계산하기 위해 휨 및 전단에 의해 발생된 처짐이 모두 고려되었다. 제안된 해석모델의 검증은 Ji et al.(2022)의 실험결과를 비교하여 수행되었다. 비교결과 제안된 해석모델과 실험결과의 극한하중, 극한하중 시 처짐의 오차는 평균 4.77%, 6.62%로 Fe-SMA Stirrup으로 전단보강된 철근콘크리트 보의 전단 거동을 비교적 정확하게 예측하는 것으로 나타났다. An analytical study is conducted to predict the shear behavior of reinforced concrete beams strengthened with Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA) stirrup. To predict the shear behavior, flexural analysis that satisfies the strain distribution condition and force equilibrium condition was performed, followed by shear analysis based on the modified compression field theory. To calculate the deflection of the member, both the flexural and shear deflection were considered. The proposed analysis model was verified by comparing the experimental results of Ji et al. (2022). As a result of the comparison, the errors of deflection under ultimate load and ultimate load of the proposed analytical model and experimental results were on average 4.77% and 6.62%, respectively, indicating that the shear behavior of reinforced concrete beams strengthened with Fe-SMA stirrup was predicted relatively accurately.

철계-형상기억합금 나선철근으로 횡구속된 콘크리트의 압축거동

지상원 ( Ji Sangwon ),연영모 ( Yeon Yeongmo ),홍기남 ( Hong Kinam ) 한국복합신소재구조학회 2020 복합신소재구조학회논문집 Vol.11 No.6

본 논문은 철계형상기억합금(Fe-SMA) 나선철근을 이용한 기둥의 횡구속 효과를 평가한 실험적 연구를 보고한다. 실험을 위해 사전변형 4%의 5mm × 5mm의 Fe-SMA 나선철근으로 구속된 150mm × 150mm ×300mm의 원형 실험체가 제작되었다. 실험변수는 Fe-SMA 나선철근의 피치(0mm, 80mm, 60mm, 40mm), Fe-SMA 나선철근의 활성화 유무(활성화, 비활성화)를 고려하였다. Fe-SMA 나선철근 활성화를 위해 소성로를 사용하여 목표온도 140℃까지 가열하였다. 실험체의 온도가 상온에 도달한 후 만능재료시험기를 이용하여 1축 압축실험을 실시하였다. 실험결과를 통해 Fe-SMA 나선철근을 활성화하여 능동적 횡구속압이 작용된 실험체의 최대응력과 최대응력 발현 시의 변형률은 활성화하지 않은 실험체에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 나선철근 피치의 감소로 인해 능동적 구속압이 증가함에 따라 최대응력과 연성지수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히 보강 간격이 40mm인 활성화된 나선철근으로 구속된 실험체는 최대하중 도달 후 하중이 유지 및 증가하는 변형경화가 발생하는 것으로 나타났다. This study evaluates the lateral confinement effect of a column using Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA) spiral reinforcement. For the experiment, 150 × 150 × 300-mm cylinder specimens confined by Fe-SMA spiral reinforcement of a 4% pre-deformed 5 × 5-mm section were fabricated. Two experimental variables were considered: the pitch (0, 80, 60, and 40mm) and activation/non-activation of the Fe-SMA spiral reinforcement. To activate the Fe-SMA spiral reinforcement, the specimen was heated to the target temperature of 140° using a kiln. After the specimen was cooled to room temperature, a uniaxial compression test was performed using a universal testing machine. The experimental results confirm that the maximum stress and corresponding strain of the specimen with Fe-SMA spiral reinforcement activation were significantly increased compared with that of the specimen without activation. Additionally, it was found that, due to the decreased pitch of the spiral reinforcement, the maximum stress and ductility index increased significantly as the active lateral confinement pressure increased. In particular, it was found that the specimens confined by activated 40-mm-pitch spiral reinforcement exhibited strain hardening, which maintained and increased the load after the maximum load was reached.

철계-형상기억합금의 건설분야 적용에 관한 국내 연구

홍기남(Kinam Hong),연영모(Yeongmo Yeon),한상훈(Sanghoon Han) 한국콘크리트학회 2021 콘크리트학회지 Vol.33 No.1

LS-DYNA를 이용한 FRCM공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨성능 예측

이정풍 ( Lee Jeongpung ),홍기남 ( Hong Kinam ),연영모 ( Yeon Yeongmo ),지상원 ( Ji Sangwon ) 한국복합신소재구조학회 2021 복합신소재구조학회논문집 Vol.12 No.6

본 논문은 FRCM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 성능을 예측하기 위한 해석적 연구결과를 제시한다. FRCM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 성능 예측을 위해 상용구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석이 수행되었다. 유한요소해석시 콘크리트와 모르타르는 Solid 요소로 모델링 되었으며, 철근과 FRP 그리드는 각각 Beam 요소 및 Shell 요소로 모델링되었다. 또한, 콘크리트와 철근은 완전부착하는 것으로 가정되었으며, 콘크리트와 모르타르 경계면의 부착파괴를 모사하기 위하여 Contact_Tiebreak_Surface_to_Surface 요소가 사용되었다. 이후, 국내·외 여러 연구자들에 의해 수행된 실험의 재현해석을 통해 제안된 유한요소해석 모델의 신뢰성이 검증되었다. 실험결과와 해석결과의 파괴양상을 분석하였을 때, 본 연구에서 제안된 유한요소해석 모델은 실험체의 부착파괴를 적절히 모사할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 해석을 통해 예측된 극한 강도에 대한 실험결과의 비는 평균 1.04, 표준편차 0.064로 제안된 해석모델은 FRCM 공법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 성능을 비교적 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. This paper presents analytical research results for predicting the flexural capacity of reinforced concrete (RC) beam strengthened in flexure with a fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) method. For the study, finite element (FE) analysis was conducted using LS-DTNA. In the FE model, concrete and mortar were presented as solid elements, while steel rebars and FRP grids were modeled as beam elements and shell elements, respectively. Furthermore, it was assumed that the concrete and the rebar were completely attached, and the Contact_Tiebreak_Surface_to_Surface element was used to simulate the debonding failure between the concrete and the mortar interface. To verify the reliability of the proposed FE model, FE analyses were carried out using the experimental results published by other researchers. When the failure mode of the FE model was compared to the experimental failure mode, it was discovered that the FE model proposed in this study can adequately simulate the adhesion failure of the specimen. In addition, the ratio of the FE analytical results to the experimental results was an average of 1.04, and the standard deviation was 0.064. In other words, it can be seen that the FE model accurately predicts the flexural behavior of the RC beam strengthened using the FRCM method.

CFRP 그리드가 인장보강재로 사용된 콘크리트 부재의 휨 거동 평가

곽홍신 ( Kwak Hongshin ),이정풍 ( Lee Jeongpung ),홍기남 ( Hong Kinam ),연영모 ( Yeon Yeongmo ) 한국복합신소재구조학회 2022 복합신소재구조학회논문집 Vol.13 No.5

본 논문은 철근대체재로 Carbon fiber reinforced polymer(CFRP) 그리드가 사용된 콘크리트 부재의 휨성능을 평가하기 위한 실험적 연구결과를 보고한다. 실험에 사용된 CFRP grid의 탄성계수와 인장강도는 각각 240GPa, 3964MPa이다. CFRP 그리드가 인장 보강재로 사용된 콘크리트 부재의 휨거동 평가를 위해 총 7개의 1방향 슬래브 콘크리트 실험체가 제작되었다. 실험변수로 피복두께, CFRP 그리드의 보강 겹 수, CFRP 그리드의 겹침 여부가 고려되었다. 실험체의 휨거동 평가는 3점 휨실험을 통해 수행되었으며, 각 실험변수가 초기균열하중에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 실험체에 초기균열이 발생된 이후 응력 재분배에 의해 하중 증가 없이 CFRP grid의 변형률이 증가하는 현상이 관측되었다. CFRP 그리드 보강 겹 수가 1겹 증가함에 따라 실험체의 극한하중은 약 8.5kN씩 선형적으로 증가하였다. 또한, 피복두께가 증가함에 따라 실험체의 극한하중 및 강성이 감소하였으며, 그리드 겹침 여부가 실험체 극한하중에 미치는 영향은 미미하다는 것이 확인되었다. 추가적으로 실험결과와 ACI 440.1R-15를 통해 계산된 공칭 휨강도를 비교하였다. 그 결과 실험을 통해 확보된 극한강도는 ACI 440.1R-15 대비 13%∼24% 큰 것으로 나타났다. 따라서, ACI 440.1R-15는 CFRP grid로 보강된 콘크리트 보의 휨강도를 보수적으로 평가하고 있음이 확인되었다. This paper reports an experimental study to evaluate the flexural performance of concrete members using carbon fiber reinforced polymer(CFRP) grids as a substitute for traditional steel rebar. The modulus of elasticity and tensile strength of the CFRP grid used in the experiment were 232GPa and 3964MPa, respectively. A total of 7 specimens were constructed to evaluate the flexural performance of concrete members with CFRP grids used as tensile reinforcement. The modulus of elasticity and tensile strength of the CFRP grid used in the experiment were 232 GPa and 3964 MPa, respectively. As experimental variables, the cover thickness, the number of CFRP grid layers, and the overlapping of the CFRP grid were considered. After the initial crack occurred in the specimen, it was observed that the strain of the CFRP grid increased without an increase in load due to moment redistribution. As the number of CFRP grid layers increased by one, the ultimate load of the specimen increased linearly by about 8.5 kN. In addition, as the cover thickness increased, the ultimate load and stiffness of the specimen decreased. Moreover, the experimental results and the nominal flexural strength calculated through ACI 440.1R-15 were compared. As a result, the ultimate strength obtained through the experiment was 13%-24% greater than that of calculated by ACI 440.1R-15.