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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.
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이중연 ( Lee Joongyeon ),홍기남 ( Hong Kinam ),이정풍 ( Lee Jeongpung ),한민철 ( Han Mincheol ) 한국복합신소재구조학회 2021 복합신소재구조학회논문집 Vol.12 No.1
본 논문은 증기이송튜브를 이용한 현장경화 보강튜브 삽입공법(Cured in placed pipe, CIPP)의 성능을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 연구를 위해 증기이송튜브를 이용하여 CIPP 라이너 시편 및 CIPP 라이너로 보수된 콘크리트관 실험체를 제작하였다. CIPP 라이너 시편을 이용하여 단ㆍ장기 휨특성을 평가하였으며, 단기 휨특성 시험변수로 시점으로부터 떨어진 거리를 고려하였다. 단기 휨거동 평가결과 CIPP 라이너의 휨강도 및 휨탄성계수는 ASTM 기준에서 제시하고 있는 휨강도 및 휨탄성계수의 197%, 154% 수준으로 우수한 단기 구조 성능을 보이는 것으로 나타났다. 또한 시점부로부터 떨어진 거리와 CIPP 라이너의 단기 휨특성은 큰 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 장기 휨거동 시험내용을 이용하여 1차원 회귀분석을 실시한 결과 50년 경과 후 CIPP 라이너의 휨 탄성계수는 초기 휨탄성계수의 87.8%로 우수한 장기 구조 성능이 나타났다. 이 후 CIPP 라이너로 보수된 콘크리트관 실험체의 외압강도시험을 실시하였다. 외압강도시험 변수로 보수 유ㆍ무 및 시점으로부터 떨어진 거리를 고려하였다. CIPP 라이너로 보수된 콘크리트관의 외압강도는 보수되지 않은 콘크리트관에 비해 초기균열 하중은 16.8%, 최대하중은 7.7% 증가한 것으로 나타났다. 외압강도 시험결과 시점으로부터 떨어진 거리와 외압강도는 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 이는 실험체 제작시 증기이송튜브를 이용하여 CIPP 내부 모든 구간에서 균일한 경화온도를 확보할 수 있었기 때문으로 판단된다. This paper presents an experimental study to evaluate the performance of the cured-in-place pipe (CIPP) method, using a steam transfer tube. For the study, CIPP liner specimens and concrete pipe specimens, which were repaired with the CIPP liner, were fabricated using a steam transfer tube. The short-term and long-term flexural characteristics were evaluated using the CIPP liner specimens. As a result of short-term flexural behavior evaluation, there was no significant correlation between the distance away from the starting point and the short-term flexural characteristics of the CIPP liner. As a result of long-term flexural, after 50 years, the flexural modulus of the CIPP liner was 87.8% of the initial flexural modulus. The external pressure strength test of the concrete pipe specimens repaired with the CIPP liner was conducted. As a result of the external pressure strength test, no correlation was noted between the distance away from the starting point and the external pressure strength. This result shows that a uniform curing temperature could be secured in all sections inside the CIPP liner by using the steam transfer tube when the test specimens were manufactured.
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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.
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