KR100535217B1 - Hybrid fiber reinforced polymer reinforcing material and concrete structure using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전달되는 응력에 의해 단면적이 감소되는 내부심재; 및 외부하중에 의한 응력이 내부심재에 전달되도록 상기 내부심재를 둘러싸고 있는 섬유보강폴리머체;를 포함하는 혼성 섬유보강폴리머 보강재로서,(Hybrid fiber reinforced polymer reinforcing material) 상기 섬유보강폴리머체보다 항복강도가 낮은 내부심재가 먼저 외부하중에 의하여 항복상태에 도달하면, 추가적인 응력부담없이 내부심재의 변형률이 커지게 되어 혼성 FRP 보강재가 연성 거동하도록 하고, 나아가 내부심재 항복 후 섬유보강폴리머체가 외부하중을 부담하게 되면서 섬유보강폴리머체에 발생하는 내부응력에 의해 내부심재의 단면적이 감소함에 따라 섬유보강폴리머체의 단면적도 감소하게 되어, 섬유보강폴리머체가 추가적인 응력부담 없이 변형률이 커지게 됨으로서, 외부하중에 대하여 연성파괴형태로 거동하는 혼성 섬유보강폴리머 보강재 및 이를 이용한 콘크리트구조물에 관한 것이다.The present invention is the inner core material is reduced in cross-sectional area by the stress transmitted; And a fiber reinforced polymer body surrounding the inner core material so that the stress caused by the external load is transferred to the inner core material. (Hybrid fiber reinforced polymer reinforcing material), the yield strength of the hybrid fiber reinforced polymer body When the low inner core reaches yield state by the external load first, the strain of the inner core becomes large without additional stress, so that the hybrid FRP stiffener is ductile, and the fiber reinforced polymer body bears the external load after the inner core yielding. As the cross-sectional area of the inner core material decreases due to the internal stress generated in the fiber-reinforced polymer body, the cross-sectional area of the fiber-reinforced polymer body decreases, so that the strain of the fiber-reinforced polymer body increases without any additional stress, thereby making it ductile to external load. Hybrid Fiber Reinforced Polymer Reinforcement in Fracture Behavior And it relates to a concrete structure using the same.
Description
본 발명은 혼성 섬유보강폴리머 보강재 및 이를 이용한 콘크리트 구조물에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 항복강도에 해당하는 외부하중에 의하여 추가적인 응력변동 없이 변형률이 증가되는 내부심재의 재료적 특성 및 상기 내부심재를 둘러싸고 있는 섬유보강폴리머체로부터 전해지는 내부응력으로 인한 내부심재의 물리적 형상변경(좌굴 등에 의한 굵기, 두께 감소 등과 같은 단면적감소)에 의해 추가적인 응력변동 없이 섬유보강폴리머체의 변형율이 증가되는 특성을 이용하여 외부하중에 대하여 연성파괴 거동이 가능한 혼성 섬유보강폴리머 보강재 및 이를 이용한 콘크리트 구조물에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid fiber reinforced polymer reinforcement and concrete structures using the same. More specifically, the physical shape of the inner core material due to the material properties of the inner core material that increases the strain without additional stress variation due to the external load corresponding to the yield strength and the internal stress transmitted from the fiber reinforced polymer body surrounding the inner core material Hybrid fiber reinforced polymer reinforcement capable of ductile fracture behavior with respect to external load by using properties that increase strain of fiber reinforced polymer body without additional stress change due to change (reduction of sectional area such as thickness, thickness reduction due to buckling) To a concrete structure.
콘크리트 구조물에서 콘크리트(CONCRETE)는 압축에는 강하지만 인장에는 약하기 때문에 인장응력이 발생하는 부위에 통상 이형철근 또는 PC강재와 같이 인장응력을 부담하는 보강재를 형성시켜, 콘크리트에 작용하는 인장응력을 상기 보강재가 부담하도록 함으로서, 콘크리트와 강재 각각의 재료적 특성을 최대한 이용한 콘크리트 구조물 설계 및 제작방법이 현재 이용되고 있으며, In concrete structures, concrete (CONCRETE) is strong in compression but weak in tension, so that a reinforcement that bears tensile stress, such as deformed steel or PC steel, is usually formed at the site where tensile stress occurs, and the tensile stress acting on the concrete By designing and constructing concrete structures using the material properties of concrete and steel as much as possible,
특히 철근콘크리트에 사용되는 철근의 경우, 압축강도 및 인장강도가 크고, 가공이 비교적 용이한 물성을 가지고 있어 보강재로서 폭넓게 활용되고 있는데, 본 발명과 관련하여서 외부하중에 의해 철근이 항복강도에 도달한 이후 추가적인 응력 부담 없이 변형률이 증가하는 연성파괴 거동 특성을 콘크리트 구조물설계에 이용함으로서 구조물의 취성파괴를 방지할 수 있는 수단으로서 이용되고 있다. (외부하중에 의한 취성파괴가 발생하지 않도록 철근콘크리트 또는 PSC 콘크리트구조물에 사용되는 철근량을 조절하여 궁극적으로 콘크리트 구조물이 연성 파괴가 되도록 하고 있다.), In particular, in the case of reinforcing steel used in reinforced concrete, it is widely used as a reinforcing material because of its high compressive strength and tensile strength and relatively easy processing, and in connection with the present invention, the reinforcing bar has reached yield strength by external load. Since it is used as a means to prevent the brittle fracture of the structure by using the ductile fracture behavior of the strain increase without additional stress burden in the design of the concrete structure. (In order to prevent brittle fracture by external load, the amount of rebar used in reinforced concrete or PSC concrete structure is controlled so that the concrete structure is ductile fracture.)
이러한 장점에도 불구하고, 철근은 콘크리트 피복의 손상 등의 이유로 외부에 노출되는 경우 부식이 용이하게 진행되어, 구조물의 내구성이 저하될 수 있어 구조물 안전에 심각한 영향을 끼칠 여지가 많고, 중량이 상당히 크므로 운반 및 설치에 많은 노력과 비용이 요구되며, 콘크리트에 비해 가격이 매우 고가라는 문제점이 있었다.In spite of these advantages, steel reinforces easily when exposed to the outside due to damage of concrete coating, which can reduce the durability of the structure, which has a significant impact on the safety of the structure, and the weight is quite large. It requires a lot of effort and cost to transport and install the furnace, and the price was very expensive compared to concrete.
이에 이러한 철근을 대체할 수 있는 콘크리트구조물의 보강재 개발이 요구되었으며, 이러한 요구를 충족시켜줄 수 있는 것 중의 하나가 섬유강화폴리머(Fiber Reinforced Polymer, 이하 “FRP") 재질로 제작된 보강재이다. Therefore, it was required to develop a reinforcement of the concrete structure to replace these reinforcing bars, one of the things that can satisfy this demand is a reinforcement made of fiber reinforced polymer (FRP) material.
상기 FRP는 경량이며, 부식되지 않으며, 강도가 크고, 절연성이 우수하여 현재 콘크리트 보강재로서 다양한 형태로 개발되어 실용화되고 있다. 특히 콘크리트 구조물용 보강재로 이용되는 FRP의 경우 그 이용형태 및 적용대상에 따라 다양한 공법이 개발되어 왔는데, FRP 섬유쉬트를 이용한 섬유쉬트 보강공법, 섬유보강판 보강공법, 와이어메쉬형 보강공법 및 철근과 같이 바(BAR OR ROD)형상으로 제작된 FRP 바 보강공법 등이 이에 해당한다. The FRP is lightweight, does not corrode, has high strength, and has excellent insulation, and has been developed and put into practical use as a concrete reinforcement. In particular, in the case of FRP used as a reinforcement material for concrete structures, various methods have been developed depending on the type of use and the object of application. The FRP bar reinforcement method, which is manufactured in the shape of a bar or bar, corresponds to this.
하지만 FRP를 이용한 보강재의 여러 재료적, 구조적인 장점에도 불구하고 외부하중에 의한 파괴 시까지의 역학거동(탄소섬유, 아라미드섬유 및 유리섬유의 응력-변형률 그래프)을 도시한 도1a와 같이 탄성거동 이후 취성적인 파괴거동을 보이고 있어 그 이용에 있어 최대의 걸림돌로 지적되어 왔다. However, despite the various material and structural advantages of the reinforcement using FRP, after elastic behavior as shown in Fig. 1a showing the mechanical behavior (stress-strain graph of carbon fiber, aramid fiber and glass fiber) until failure by external load Its brittle fracture behavior has been pointed out as the biggest obstacle to its use.
이에 FRP의 취성적 거동을 방지하고 도1b와 같이 연성적 거동(재료가 외부의 힘에 의해 소성변형이 충분히 진행된 후에 일어나는 파괴)을 확보할 수 있는 혼성 FRP 보강재에 관한 기술개발이 시도되고 있다.Accordingly, there is an attempt to develop a technology for a hybrid FRP reinforcing material that can prevent brittle behavior of the FRP and secure a ductile behavior (destructive after the material has sufficiently undergone plastic deformation due to external force) as shown in FIG. 1B.
상기 연성적 거동을 확보할 수 있는 혼성 FRP 보강재의 대표적인 구체예가 도2a와 같이 아리미드섬유(또는 유리섬유, 10)와 탄소섬유(20)를 다중 적층시킨 혼성 FRP 보강판(30) 또는 도2b와 같이 서로 변형률이 다른 보강섬유를 다중구조로 형성시킨 혼성 FRP 바(Bar,40)이다.Representative specific examples of the hybrid FRP reinforcing material that can ensure the ductile behavior is a hybrid FRP reinforcing plate 30 or a multi-layer laminated arimid fiber (or glass fiber, 10) and carbon fiber 20 as shown in Figure 2a A hybrid FRP bar (Bar, 40) is formed of a multi-structure reinforcing fibers with different strains as shown.
상기 혼성 FRP 보강판(30)의 경우, 콘크리트 구조물의 외부에 부착되는 형태로서 이용되며, 인장응력이 발생하는 콘크리트 구조물의 하부표면에 접착제 또는 볼트 등과 같은 고정수단에 의하여 부착되어 콘크리트 구조물과 일체로 거동하면서 외부하중에 대하여 인장응력을 부담한다. The hybrid FRP reinforcing plate 30 is used as a form that is attached to the outside of the concrete structure, is attached to the lower surface of the concrete structure where the tensile stress is generated by a fixing means such as adhesive or bolts integrally with the concrete structure It acts and bears tensile stress against external loads.
하지만 이러한 혼성 FRP 보강판의 응력 거동을 살펴보면, 도3a에 도시된 응력-변형률 그래프와 같이, 외부하중에 의한 인장응력이 작용하면 변형률 적합조건에 따라 판단신율이 작은 탄소섬유(20)가 먼저 파단되고, 그 이후에 유리섬유(또는 아라미드섬유,10)가 파단되는 특성에 의해, 도1b와 같이 본 발명에서 목표로 하고 있는 혼성 FRP 보강재의 최적의 응력-변형률 곡선을 가지는 혼성 FRP 보강재로서 이용하기에는 적절하지 않다는 문제점이 지적되어 왔으며,However, when looking at the stress behavior of the hybrid FRP reinforcing plate, as shown in the stress-strain graph shown in Figure 3a, when the tensile stress due to the external load is applied, the small-fiber carbon fiber 20 is first broken according to the strain suitable conditions After that, the glass fiber (or aramid fiber, 10) is broken, so that it can be used as a hybrid FRP reinforcing material having an optimal stress-strain curve of the hybrid FRP reinforcing material targeted in the present invention as shown in FIG. 1B. Problems have been pointed out that are not appropriate,
상기 혼성 FRP 바의 경우도, 도2b와 같이 변형률이 작은 보강섬유1(41)을 안쪽에 배치시키고, 변형률이 크고 격자형상으로 형성된 보강섬유2(42)를 외부에 배치시키며, 각 보강섬유들은 수지층에 의하여 구분되는 다중구조(대한민국 실용신안등록 제 299699호, 고안의 명칭:콘크리트 구조보강용 섬유강화폴리머)로 형성되고 있는데, 이러한 혼성 FRP 바에 외부하중에 의한 인장응력이 작용하면, 변형률이 작은 보강섬유1이 먼저 파괴되고, 이어 변형률이 큰 보강섬유2가 파괴됨으로서, 도3b에 도시된 응력-변형율 그래프와 같은 특성을 보임으로써 본 발명에서 목표로 하고 있는 연성파괴를 유도하기 위한 혼성 FRP 보강재로 이용하기에는 적정하지 않은 문제점이 지적되고 있다.In the case of the hybrid FRP bar, as shown in Figure 2b, the reinforcing fiber 1 (41) having a small strain is disposed inside, and the reinforcing fiber 2 (42) having a large strain and lattice shape is disposed outside, and each reinforcing fiber is It is formed of a multi-structure (Korean Utility Model Registration No. 299699, Name of Design: Fiber-Reinforced Polymer for Concrete Structural Reinforcement), which is divided by a resin layer. When a tensile stress is applied to the hybrid FRP bar by an external load, strain is The small reinforcing fiber 1 is broken first, followed by the breaking of the reinforcing fiber 2 having a large strain, thereby exhibiting the characteristics as shown in the stress-strain graph shown in FIG. 3B, and a hybrid FRP for inducing ductile fracture aimed at by the present invention. There is a problem that is not appropriate to use as a reinforcement.
또한 도2c와 같이 내부에는 탄소보강섬유와 같은 내부보강섬유(interior yarn: 꼰 실 형태의 내부보강섬유,50)배치하고, 그 둘레에 파단신율이 큰 아라미드섬유(또는 유리섬유, 60)와 같은 외부보강섬유(exterior yarn)를 나선형으로 감싸도록 형성시킨 혼성 FRP 바의 경우에는, 내부보강섬유가 먼저 파단된 후, 나선형으로 꼬여진 외부 보강섬유가 반복적으로 부분적인 파단 및 슬립이 발생되면서 추후 응력을 부담하는 형태의 메카니즘을 따르기 때문에, 도3a와 같이 상기 소성변형 단계가 다소 불완전한 양상을 나타내는 응력-변형률 그래프 형상을 따르므로 역시 본 발명에서 목표로 하고 있는 최적의 응력-변형률 곡선(도1b의 혼성 FRP 보강재)을 가질 수 있는 혼성 FRP 보강재로서 이용하기에는 적절하지 못하다는 문제점이 있다.Also, as shown in FIG. 2C, internal reinforcing fibers such as carbon reinforcing fibers (interior reinforcing fibers (braided yarn-like internal reinforcing fibers) 50) are disposed, and aramid fibers (or glass fibers, 60) having a high elongation at break around them In the case of a hybrid FRP bar formed to spirally wrap an external reinforcing fiber, the internal reinforcing fiber is broken first, and then the spirally reinforcing external reinforcing fiber is repeatedly broken and slipped, causing subsequent stress. Since it follows the mechanism of the form that bears the strain, the plastic strain step follows the stress-strain graph shape showing a somewhat incomplete aspect as shown in FIG. There is a problem that it is not suitable to use as a hybrid FRP reinforcing material which may have a hybrid FRP reinforcing material).
본 발명의 목적은 콘크리트 구조물의 보강재로서 FRP로 제작하되 보다 바람직한 연성파괴거동을 확보할 수 있는 혼성 FRP 보강재를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a hybrid FRP reinforcement that can be made of FRP as a reinforcement of the concrete structure, which can secure a more preferable ductile fracture behavior.
본 발명의 다른 목적은 상기 혼성 FRP 보강재를 콘크리트 구조물에 적용하여 보다 안전하고, 내구성이 증진된 경제적인 콘크리트 구조물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an economical concrete structure with improved safety and durability by applying the hybrid FRP reinforcement to the concrete structure.
본 발명은 FRP 재질의 콘크리트구조물용 보강재로서, 콘크리트 구조물의 외부하중에 의한 파괴거동이 연성파괴로 거동하도록, 전달되는 응력에 의해 단면적이 감소되는 내부심재; 및 외부하중에 의한 응력이 내부심재에 전달되도록 상기 내부심재를 둘러싸고 있는 섬유보강폴리머체;를 포함하는 혼성 섬유보강폴리머 보강재(Hybrid fiber reinforcing polymer reinforcing material, 이하 “혼성 FRP 보강재 ”)로서,The present invention is a reinforcing material for concrete structures made of FRP material, the inner core material is reduced in cross-sectional area by the stress transmitted so that the failure behavior due to the external load of the concrete structure behaves as ductile fracture; As a hybrid fiber reinforcing polymer reinforcing material (hereinafter referred to as "hybrid FRP reinforcement material"), and a fiber reinforced polymer body surrounding the inner core material so that the stress caused by the external load is transferred to the inner core material,
상기 섬유보강폴리머체보다 항복강도가 낮은 내부심재가 먼저 외부하중에 의하여 항복상태에 도달하면, 추가적인 응력부담없이 내부심재의 변형률이 커지게 되어 혼성 FRP 보강재가 연성 거동하도록 하고, 나아가 내부심재 항복 후 섬유보강폴리머체가 외부하중을 부담하게 되면서 섬유보강폴리머체에 발생하는 내부응력에 의해 내부심재의 단면적이 감소함에 따라 섬유보강폴리머체의 단면적도 감소하게 되어, 섬유보강폴리머체가 추가적인 응력부담 없이 변형률이 커지게 됨으로서, 결국 내부심재 자체의 항복 및 내부심재의 단면적감소에 의한 섬유보강폴리머의 변형률 증가에 의해 혼성 FRP 보강재가 외부하중에 대하여 연성파괴형태로 거동하도록 하고, 이러한 혼성 FRP 보강재를 콘크리트 부재에 형성시켜, 콘크리트 부재를 포함하는 구조물이 최종적으로 외부하중에 대하여 연성파괴거동 하도록 하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.When the inner core material having a lower yield strength than the fiber reinforced polymer body reaches the yield state by the external load first, the strain of the inner core material increases without additional stress, so that the hybrid FRP stiffener is ductile, and further, after yielding the inner core material As the cross-sectional area of the inner core material decreases due to the internal stress generated in the fiber-reinforced polymer body as the fiber-reinforced polymer bears the external load, the cross-sectional area of the fiber-reinforced polymer body is also reduced. As a result, the hybrid FRP reinforcement behaves in the form of ductile failure with respect to external loads by increasing the strain of the fiber reinforcement polymer by yielding the inner core itself and decreasing the cross-sectional area of the inner core material. To form a structure comprising a concrete member And that the longitudinal to ductile fracture behavior against the external force in its technical characteristics.
이하 본 발명의 최선의 실시예를 도4 및 도5를 기준으로 상세히 설명한다.Best Mode for Carrying Out the Invention The best embodiment of the present invention will be described in detail with reference to Figs.
본 발명의 혼성 FRP 보강재(300a,300b)는 전달되는 응력에 의해 단면적이 감소되는 내부심재(100); 및 외부하중에 의한 내부응력이 내부심재에 전달되도록 상기 내부심재를 둘러싸고 있는 섬유보강폴리머체(200);를 포함하며, 전체적인 형상이 바(BAR) 또는 판(PLATE)형상으로 형성될 수 있어 혼성 FRP 바 또는 혼성 FRP 플레이트의 형태로서 이용될 수 있다. Hybrid FRP stiffeners (300a, 300b) of the present invention is the inner core material 100 is reduced in cross-section by the stress transmitted; And a fiber-reinforced polymer body 200 surrounding the inner core material so that the internal stress caused by the external load is transferred to the inner core material, and the overall shape may be formed in a bar or plate shape. It can be used in the form of FRP bars or hybrid FRP plates.
도4a는 본 발명의 혼성 FRP 바(300a)의 단면도이고, 도4b는 본 발명의 혼성 FRP 플레이트(300b)의 단면도이며, 도4c는 다른 혼성 FRP 플레이트(300b)의 구체예의 단면도이다.4A is a cross-sectional view of the hybrid FRP bar 300a of the present invention, FIG. 4B is a cross-sectional view of the hybrid FRP plate 300b of the present invention, and FIG. 4C is a cross-sectional view of an embodiment of another hybrid FRP plate 300b.
상기 내부심재(100)는 도4a 및 도4b와 같이 혼성 FRP 보강재(300a,300b)의 중앙에 배치되며, 그 둘레에 형성된 섬유보강폴리머체(200)보다 항복강도가 낮아 외부하중에 대하여 섬유보강폴리머체보다 먼저 항복되어 추가적인 응력부담없이 변형률이 증가되는 구조용 강재의 재료적 특성을 가지며, 전체적인 형상은 혼성 FRP 보강재의 이용형태에 따라 관(PIPE) 또는 판(PLATE)형상으로 형성될 수 있다.The inner core 100 is disposed in the center of the hybrid FRP stiffeners (300a, 300b) as shown in Figures 4a and 4b, the yield strength is lower than the fiber reinforced polymer body 200 formed around the fiber reinforcement against the external load It has a material property of structural steel that yields strain before polymer body and increases strain without additional stress, and the overall shape may be formed in a pipe or plate shape according to the use type of hybrid FRP reinforcement.
내부심재(100)는 섬유보강폴리머체(200)가 외부하중을 부담하면서 발생하여 전해지는 내부응력에 의하여 국부적인 좌굴 등과 같이 그 단면적이 작아지는 물리적 변형(직경 또는 두께의 감소 등과 같은 단면적 감소)이 가능하다면 FRP, 금속, 비금속 강재를 모두 포함하며, 원형, 사각형 그 형상에 있어 달리 제한이 없다.The inner core material 100 is a physical deformation (reduction of the cross-sectional area such as a decrease in diameter or thickness) such that the cross-sectional area is reduced by local buckling due to internal stress that is generated while the fiber reinforced polymer body 200 bears the external load. This includes all possible FRP, metal and non-metallic steels, and there is no other limitation in the shape of round, square.
바람직하게는 이러한 내부심재로서 속이 빈 원형 강관 또는 가로방향이 더 긴 타원형 강관을 사용하면, 강재의 재료적 특성 및 국부좌굴과 같은 물리적 변형을 용이하게 확보할 수 있다는 장점이 있다.Preferably, the use of a hollow circular steel pipe or an elliptical steel pipe having a longer transverse direction as the inner core material has an advantage of easily securing physical properties such as material properties and local buckling of the steel material.
본 발명에서 내부심재는 작용하는 외부하중이 내부심재의 항복강도에 도달하면서 발생되는 항복단계 이후 추가적인 응력부담 없이 변형률이 증가됨으로서 외부하중에 대해 연성거동을 하는 역할을 하며,In the present invention, the inner core serves to act as a ductile behavior against the external load by increasing the strain rate without additional stress after the yielding step generated when the external load acting reaches the yield strength of the inner core,
나아가, 그 항복이 완료된 후, 작용하는 외부하중을 내부심재를 둘러싸고 있는 섬유보강폴리머체가 부담하는 단계에서, 상기 섬유보강폴리머체에 발생되는 내부응력이 전달됨으로서 그 두께 또는 직경이 감소되는 물리적 변형 즉, 단면적감소에 의하여 내부심재를 둘러싸고 있는 섬유보강폴리머체의 단면적이 자연스럽게 감소되도록 함으로서, 섬유보강폴리머체가 외부하중에 의한 응력을 추가로 부담하지 않고서도 변형률이 증가되도록 하는 역할을 가진다.Furthermore, after the yielding is completed, in the step in which the fiber reinforced polymer body surrounding the inner core material bears the external load acting, the internal deformation generated in the fiber reinforced polymer body is transmitted so that its thickness or diameter is reduced. By reducing the cross-sectional area, the cross-sectional area of the fiber reinforced polymer body surrounding the inner core material is naturally reduced, so that the fiber reinforced polymer body has a role of increasing the strain without additionally stressing the external load.
즉, 본 발명의 내부심재는 그 자체의 재료적특성(항복 후 응력부담없이 변형률 증가) 및 물리적형상 변형(전달되는 응력에 의한 단면적감소)에 의하여 혼성 FRP 보강재가 외부하중에 대한 파괴거동이 연성파괴거동으로 유도되도록 하는 기능을 가진다.That is, the inner core material of the present invention has a flexible FRP stiffener failure behavior against external load due to its material properties (strain increase without stress burden after yielding) and physical shape deformation (reduction of cross-sectional area due to the stress delivered). It has a function to lead to breakdown behavior.
상기 섬유보강폴리머체(200)는 도4a 및 도4b와 같이 FRP 재질의 보강섬유로서 탄소섬유, 아라미드섬유 또는 유리섬유 등이 꼬아진 실 형태(YARN)로 강재 둘레를 전체적으로 나선형으로 둘러싸도록 형성된 것이다. 나아가 상기 3가지 이상의 보강섬유는 하나 또는 둘 이상의 조합으로 형성될 수 있다.The fiber reinforced polymer body 200 is formed as a reinforcing fiber made of FRP material as shown in FIGS. 4A and 4B to spirally surround the steel circumference in a yarn shape (YARN) in which carbon fiber, aramid fiber or glass fiber are twisted. . Furthermore, the three or more reinforcing fibers may be formed in one or a combination of two or more.
이러한 꼬아진 실(yarn) 형태의 보강섬유는 단순히 길이방향으로 직선형태로 배치되는 것과 비교하여 본 발명의 혼성 FRP 보강재에 가해지는 전단력에 보다 효율적으로 대응할 수 있으며, 동일한 양을 기준으로 보다 큰 인장강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다. This twisted yarn reinforcement fiber can cope more efficiently with the shear force applied to the hybrid FRP reinforcement of the present invention as compared to simply being arranged in a straight line in the longitudinal direction, and greater tension based on the same amount There is an advantage that strength can be secured.
또한 도4c와 같이 섬유보강폴리머체(200)는 판형상의 내부심재(100) 둘레에 적층된 구조로도 형성될 수 있는데, 이 경우는 일종의 혼성 FRP 보강판의 형태로 본 발명을 이용하는 경우로서, 내부심재(100)는 사각관 형상으로 배치하고, 섬유보강폴리머체(200)을 상기 내부심재 상부 및 하부면에 적층시키게 된다. In addition, as shown in Figure 4c, the fiber reinforced polymer body 200 may be formed in a stacked structure around the inner core material 100 of the plate shape, in this case, as a case of using the present invention in the form of a hybrid FRP reinforcement plate, The inner core 100 is arranged in a square tube shape, and the fiber reinforced polymer body 200 is laminated on the upper and lower surfaces of the inner core.
즉, 본 발명의 혼성 FRP 보강재는 플레이트 형태 및 바 형태(300a,300b,300c)이외의 여러 형태로 제작, 이용될 수 있다.That is, the hybrid FRP reinforcement of the present invention can be manufactured and used in various forms other than the plate form and the bar form (300a, 300b, 300c).
섬유보강폴리머체(200)를 통상의 수지층 내부에 다수의 보강섬유가 포함되도록 형성시킬 수도 있으며, 어떠한 형태를 적용하든지 강재보다는 큰 항복강도를 가지는 것을 선택하면 된다.The fiber-reinforced polymer body 200 may be formed to include a plurality of reinforcing fibers in a conventional resin layer, and may be selected to have a higher yield strength than steel in any form.
도4a 내지 도4c에는 내부심재(100) 둘레에 섬유보강폴리머체(200) 하나가 형성되는 경우를 도시하였으나, 보강재로서 그 취급 및 외부환경 노출에 따른 영향을 적게 하기 위하여 추가적인 수지층과 같은 외피를 섬유보강폴리머체 둘레에 더 형성시킬 수 있으며, 하나의 내부심재 둘레에 섬유보강폴리머체를 형성시키고 다시 섬유보강폴리머체를 이중 또는 그 이상으로 다중구조 형식으로 형성시킬 수도 있다.4A to 4C illustrate a case in which one fiber reinforced polymer body 200 is formed around the inner core 100, but as a reinforcing material, in order to reduce the influence of its handling and exposure to the external environment, an outer layer such as an additional resin layer is shown. May be further formed around the fiber-reinforced polymer body, the fiber-reinforced polymer body may be formed around one inner core material, and the fiber-reinforced polymer body may be formed in a double or more multi-structured form.
도5는 내부심재와 섬유보강폴리머체로 구성된 본 발명의 혼성 FRP 보강재가 외부하중을 받는 경우의 역학적 거동을 도시한 응력-변형율 그래프이다. 5 is a stress-strain graph showing the mechanical behavior when the hybrid FRP reinforcement of the present invention composed of an inner core material and a fiber reinforced polymer body is subjected to an external load.
제1단계는 내부심재의 항복강도보다 작은 외부하중이 가해짐에 따라 내부심재 및 섬유보강폴리머체가 선형으로 거동(일정한 탄성계수를 가진다.)하는 직선형태의 선형구간이다. 최종 꼭지점(A)에 해당하는 응력이 내부심재의 항복강도에 해당한다.The first stage is a linear linear section in which the inner core and the fiber reinforced polymer behave linearly (with a constant modulus of elasticity) as the external load is less than the yield strength of the inner core. The stress corresponding to the final vertex (A) corresponds to the yield strength of the inner core.
제2단계는 내부심재가 항복하는 단계로서 내부심재의 항복구간이다. 추가적인 내부심재의 응력부담없이 내부심재의 변형률이 증가되는 구간이다, 최종 꼭지점(B)에 해당하는 응력은 내부심재가 좌굴하는 시점이 된다.The second step is the yielding of the inner core, which is the yield section of the inner core. It is a section in which the strain of the inner core is increased without the stress burden of the inner core, and the stress corresponding to the final vertex B is the time point at which the inner core is buckled.
제3단계는 내부심재의 좌굴 등과 같은 물리적 변형에 의하여 추가적으로 섬유보강폴리머체가 별도의 응력부담 없이 변형이 증가되는 구간이다. 즉, 내부심재를 나선형태로 감싸고 있는 섬유보강폴리머체가 외부하중을 부담함에 따라 내부적으로 내부심재에 응력이 전달되고, 이로서 내부심재가 국부적 또는 전면적으로 내부좌굴 등이 발생되며, 이에 따라 섬유보강폴리머체의 단면적도 감소되어 섬유보강폴리머체의 추가적인 응력부담 없이 변형이 증가되는 구간이다. 이에 따라 본 발명의 혼성 FRP 보강재는 외부하중에 대하여 연속적인 (곡)선형태가 되어 도1b와 같은 혼성 FRP 보강재와 같이 외부하중에 대한 충분한 연성파괴 거동을 확보할 수 있게 된다. 최종 꼭지점(C)에 해당하는 응력은 내부심재의 좌굴이 종료하는 종점이 되며, 이 구간 이후에는 섬유보강폴리머체 자체가 외부하중에 의한 응력을 부담하게 된다.The third step is a section in which the fiber reinforced polymer body is additionally increased without additional stress by physical deformation such as buckling of the inner core material. That is, as the fiber reinforced polymer body that wraps the inner core in a spiral shape bears the external load, the stress is transferred to the inner core internally, which causes the inner core to be locally or fully buckled, and thus the fiber reinforced polymer The cross-sectional area of the sieve is also reduced to increase the strain without the additional stress burden of the fiber reinforced polymer body. Accordingly, the hybrid FRP stiffener of the present invention becomes a continuous (curved) shape with respect to the external load, so as to ensure sufficient ductile fracture behavior against the external load, such as the hybrid FRP stiffener as shown in FIG. The stress corresponding to the final vertex (C) is the end point of the buckling of the inner core material, and after this period, the fiber-reinforced polymer itself bears the stress caused by the external load.
제4단계는 내부심재의 좌굴등과 같은 물리적 변형이 종료 된 이후에, 섬유보강폴리머체가 외부하중에 대하여 응력을 부담하면서 최종적으로 파단에 이르게 되는 구간이다.In the fourth step, after the physical deformation such as buckling of the inner core is finished, the fiber-reinforced polymer is ultimately broken while stressing the external load.
즉, 본 발명에서는 종래의 FRP 보강재와는 달리 강재의 물리적 변형에 의해 섬유보강폴리머체의 응력부담 없이 변형이 증가되는 구간을 거치게 됨으로서, 전체적으로 도1b에 유사한 응력-변형률 곡선을 얻을 수 있으며, 결과적으로 외부하중에 대하여 연성파괴거동으로 작용하게 된다.That is, in the present invention, unlike the conventional FRP stiffener, the strain is increased without the stress burden of the fiber reinforced polymer body by the physical deformation of the steel, thereby obtaining a stress-strain curve similar to that of Figure 1b as a whole, and as a result This acts as a ductile failure behavior against external loads.
이러한 본 발명의 섬유보강폴리머체 및 내부심재를 혼성시킨 FRP 보강재는 콘크리트 구조물의 보강재로서 이용될 수 있는데, 콘크리트 구조물(빔, 거더, 보강판 등)에 인장응력이 발생하는 부위에 일정한 수용홈을 형성시키고, 수용홈 내부에 본 발명의 FRP 보강재를 매립 한 후 에폭시 수지 등과 같은 충진재로 마감시키거나, 콘크리트 구조물의 하부면에 본 발명의 혼성 FRP 보강재를 부착시키는 방식을 이용하면, 콘크리트 구조물에 외부하중이 작용하여 특정부위에 인장응력이 발생하는 경우, 상기 혼성 FRP 보강재가 인장응력을 부담하게 되고, 그 파괴거동은 도5와 같은 연성파괴거동으로 유도된다. 나아가 본 발명의 섬유보강폴리머체 및 내부심재를 혼성시킨 FRP 보강재는 새로이 제작, 제도되는 콘크리트 구조물에도 기존의 철근과 같은 보강재를 대체하여 사용할 수 있다. The FRP reinforcement mixed with the fiber reinforced polymer body and the inner core material of the present invention can be used as a reinforcement of the concrete structure, a constant receiving groove in the site where the tensile stress occurs in the concrete structure (beam, girder, reinforcement plate, etc.). Forming and filling the FRP reinforcement of the present invention in the receiving groove and then finished with a filler such as epoxy resin, or using the method of attaching the hybrid FRP reinforcement of the present invention to the lower surface of the concrete structure, the exterior to the concrete structure When a load acts and a tensile stress occurs at a specific site, the hybrid FRP reinforcement bears the tensile stress, and the fracture behavior is induced by the ductile fracture behavior as shown in FIG. Furthermore, the FRP reinforcing material mixed with the fiber reinforced polymer body and the inner core material of the present invention can be used to replace the reinforcing material such as the existing reinforcement in the concrete structure newly manufactured and drafted.
본 발명은 자체의 항복 및 단면적감소가 가능한 내부심재와 섬유보강폴리머체의 혼성구조인 FRP 보강재를 제공함으로서, 기존의 FRP로 제작된 바(BAR), 섬유보강판 및 보강섬유쉬트 와는 달리 충분한 연성파괴거동을 확보할 수 있음에 따라 보다 역학적으로 안전하고, 효율적인 FRP 보강재를 제공할 수 있으며, 나아가 이러한 보강재를 이용한 콘크리트구조물을 제작하는 경우 기존의 철근과 같은 콘크리트 보강재 사용에 의한 여러 문제점을 극복할 수 있게 된다. The present invention provides a FRP reinforcing material which is a hybrid structure of the inner core material and the fiber reinforced polymer body capable of yielding itself and reducing the cross-sectional area, and has sufficient ductility unlike bars, fiber reinforced plates, and reinforcing fiber sheets made of conventional FRP. As the failure behavior can be secured, it is possible to provide more mechanically safe and efficient FRP reinforcement. Furthermore, when manufacturing concrete structures using such reinforcement, it is possible to overcome various problems caused by the use of concrete reinforcement such as existing reinforcing bars. It becomes possible.
도1a는 종래의 보강섬유의 응력-변형률 그래프이며, Figure 1a is a stress-strain graph of a conventional reinforcing fiber,
도1b는 FRP의 취성파괴를 방지하기 위하여 개발하고자 하는 혼성 FRP 보강재의 응력-변형률 그래프이다.1B is a stress-strain graph of a hybrid FRP stiffener to be developed to prevent brittle fracture of FRP.
도2a는 종래의 혼성 FRP 보강판의 단면도이며,Figure 2a is a cross-sectional view of a conventional hybrid FRP reinforcement plate,
도2b는 종래의 다중구조로 제작된 혼성 FRP 바를 도시한 것이고, Figure 2b shows a hybrid FRP bar made of a conventional multi-structure,
도2c는 종래의 다른 혼성 FRP 바의 단면도이다.2C is a cross-sectional view of another conventional hybrid FRP bar.
도3a는 도2a 및 도2c의 혼성 FRP 보강재의 응력-변형률 그래프이며,3A is a stress-strain graph of the hybrid FRP stiffeners of FIGS. 2A and 2C;
도3b는 도2b의 혼성 FRP 바의 응력-변형률 그래프이다.3B is a stress-strain graph of the hybrid FRP bar of FIG. 2B.
도4a,도4b 및 도4c는 본 발명의 혼성 FRP 보강재의 구체예를 도시한 것이다.4A, 4B and 4C illustrate embodiments of the hybrid FRP reinforcement of the present invention.
도5는 본 발명의 단계별 혼성 FRP 보강재의 역학거동이 도시된 응력-변형률 그래프이다.Figure 5 is a stress-strain graph showing the mechanical behavior of the hybrid FRP stiffener step by step of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100:내부심재 200:섬유보강폴리머체100: inner core material 200: fiber reinforced polymer body
300a: 바 형상의 혼성 FRP 보강재300a: bar-shaped hybrid FRP stiffener
300b,300c: 플레이트(판) 형상의 혼성 FRP 보강재300b, 300c: Plate-shaped hybrid FRP reinforcement
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