탄소섬유를 이용한 강화된 손상강보의 휨거동

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10134(2022) 이 기사 인용

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본 논문은 탄소섬유강화폴리머(CFRP) 시트로 강화된 손상된 강철 빔의 휨 거동에 대한 연구의 테스트 및 유한요소해석 결과를 제시합니다. 실험결과, 인장플랜지 손실을 100% 적용한 강보의 항복하중, 극한하중, 탄성강성은 인장플랜지 손실을 100% 적용한 강보의 항복하중, 극한하중, 탄성강성에 비해 각각 68.3%, 73.8%, 13.5% 더 큰 것으로 나타났다. 정적 로딩 후 웹 손실이 28%입니다. 과재하 후 철골보의 항복하중과 탄성강성은 과적재가 없는 철골보의 항복하중과 탄성강성에 비해 각각 8.7%, 24.5% 더 높게 나타났다. 손상 수준은 강철 빔이 정하중 또는 과부하 상태에 있는지 여부에 관계없이 강철 빔의 항복 하중, 극한 지지력 및 탄성 강성에 큰 영향을 미쳤습니다. 손상된 강철 빔은 CFRP 시트로 수리할 수 있고, CFRP 시트의 층을 늘리면 강철 빔의 항복 하중, 극한 지지력 및 탄성 강성이 향상될 수 있으며, 과부하로 인해 CFRP 시트의 변형이 감소합니다. 수치해석 결과, 과적재가 없는 철골보와 비교하여 과적재 후 철재보의 처짐과 변형률이 훨씬 작은 것으로 나타났다. 과적폭이 증가함에 따라 항복하중과 탄성강성은 증가하였고, 과적갯수의 증가에 따라 항복하중과 탄성강성은 감소하는 것으로 나타났다. 과적 후 강보의 항복하중은 모두 과적재가 없는 강보의 항복하중보다 크나 최종 지지력은 더 작았다.

오늘날 토목공학계가 직면한 주요 과제 중 하나는 성능이 저하된 강철 구조물의 사용 수명을 연장하는 것입니다. 노후된 구조물을 교체하는 것은 종종 불가능하며, 기존 재료를 사용하여 수리하는 것은 비용, 사회적, 환경적 영향, 내구성 측면에서 비효율적입니다. 일부 구조는 서비스 부하가 구조의 최종 부하의 70%보다 큰 과부하 상태에서 항상 사용됩니다. 최근에는 손상된 철 구조물을 보수하는 새로운 방법으로 탄소섬유강화폴리머(CFRP) 시트를 사용하는 것이 있었습니다. CFRP 시트는 낮은 자중, 높은 강도 및 강성, 우수한 내구성 등 독특한 소재 및 기계적 특성을 가지고 있습니다. CFRP 시트는 손상된 부재의 인장면에 에폭시 접착되어 강철 부재의 최종 지지력을 복원하거나 향상시킬 수 있습니다. 지난 몇 년 동안 에폭시 결합 섬유 강화 폴리머(FRP) 재료를 사용한 강철 부재의 수리 및 개조에 대한 많은 연구가 있었습니다. Colombi와 Poggi1은 인발성형 CFRP 스트립에 의한 철골 보강재의 정적 거동을 특성화하기 위한 실험 및 수치 프로그램을 조사했습니다. 실험 프로그램의 주요 목적은 힘 전달 메커니즘, 하중 지지 능력의 증가 및 굽힘 강성을 평가하는 것이었습니다. 또한 인발성형 CFRP 스트립을 사용하면 강화 빔의 정적 해석을 위한 다양한 해석 및 수치 모델을 검증할 수 있었습니다. Bocciarelli2는 탄성-소성 체제에서 탄소 섬유 강화 폴리머 플레이트로 강화된 정적으로 결정된 강철 빔의 반응을 평가하기 위한 간단한 접근 방식을 제시했습니다. 제안된 해결방안은 철근의 갑작스러운 종료로 인한 국부효과에 의해 구조물의 반응이 영향을 받지 않는 철근 끝단으로부터 일정 거리에서만 유효하였다. Sugiura 등3은 부식된 강철 부재의 수리를 위한 CFRP 접착의 적용 가능성을 제시했습니다. CFRP가 접착된 철재 부재의 인장 및 굴곡 시험을 통해 CFRP의 박리 거동을 실험적으로 조사하였다. 실험결과를 바탕으로 CFRP의 요구부피와 접합길이를 결정하고 CFRP가 강재로부터 박리되는 현상을 확인하기 위한 설계방법을 제시하였다. Wu 등4은 등가 인장 강성 하에서 테스트된 네 가지 유형의 재료로 강화된 인위적으로 노치가 있는 강철 빔의 피로 거동을 조사했습니다. 시험 결과, 섬유보강 복합판의 적용은 균열 발생을 지연시키고, 균열 성장 속도를 감소시키며, 피로 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 강성 붕괴 및 잔류 처짐도 감소시키는 것으로 나타났습니다. Yu 등5은 강철 구조물의 피로 수명 연장에 있어 CFRP 판의 효과를 조사했습니다. 실험 결과는 CFRP 패치가 균열 성장을 효과적으로 지연시켜 피로 수명을 연장하고 더 큰 손상 수준에서 후기 강화가 잔여 피로 수명을 더 크게 연장시키는 경향이 있음을 보여주었습니다. Bocciarelli와 Colombi6은 CFRP 층으로 강화된 강철 빔의 탄소성 반응을 계산하는 간단한 접근 방식을 제시했습니다. 주요 결론은 강화된 단면이 궁극적인 굽힘 모멘트 저항을 개발하기 위해 큰 곡률에 도달해야 했으며 이러한 이유로 웹과 플랜지 모두에서 국부적 불안정 문제를 피하기 위해 보강재를 사용해야 한다는 것입니다. Hmidan et al.7은 CFRP 시트로 강화된 넓은 플랜지 W4×13 강철 보의 균열 끝 거동을 보고했습니다. 결과는 층 수 및 모듈러스와 같은 CFRP 특성이 강화된 빔의 균열 팁 소성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. Colombi et al.8은 한쪽 면에 접착된 스트립으로 강화된 균열된 강판(단일 모서리 시편)에 대한 피로 테스트를 실행했습니다. 결과는 팁 영역 주위에 결합된 CFRP 재료가 손상된 강철 요소의 피로 수명을 약 3배 연장시키는 것으로 나타났습니다. Ghafoori와 Motavalli9는 수직 계수로 강화된 강철 빔의 측면 비틀림 좌굴(LTB)을 실험적으로 수치적으로 연구했습니다. NM) CFRP 라미네이트. CFRP 적층판의 프리스트레스 증가는 새로 장착된 가는 강철 빔의 좌굴 강도를 항상 증가시키는 것은 아닌 것으로 나타났습니다. Wang et al.10은 강철-콘크리트 복합 거더를 수리하기 위해 CFRP 시트와 프리스트레스 CFRP 시트를 사용했습니다. 그 결과, CFRP 시트는 강화 합성거더의 항복하중에는 큰 영향을 미치지 않으나 극한하중에는 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Colombi와 Fava11은 피로 하중을 받는 CFRP 강화 균열 강철 빔 9개를 조사했습니다. 실험 결과 균열 위치에서 철근과 강철 기판 사이에 분리된 영역이 존재하는 것으로 나타났습니다. 분리는 분명히 강화 효과에 해로운 영향을 미쳤습니다. Gholami et al.12는 자연 열대 기후, 습윤/건식 사이클, 일반 물, 염수 및 산성 용액을 포함한 다양한 조건에 노출된 후 바닥 플랜지에 인발성형 CFRP 플레이트로 강화된 I형 강철 빔의 성능을 평가했습니다. 이 연구에서는 접착층이 중요한 부분이며 노출 후 모든 강화된 빔의 연성과 거동과 직접적으로 관련된 시스템 성능이 증가한다는 사실을 발견했습니다. Aljabar et al.13은 인장 피로 하중에서 강철 요소의 CFRP 강화에 대한 현재 지식을 혼합 인장 및 전단 하중의 경우로 확장했습니다. 균열 전파 측면에서 혼합 모드의 영향을 설명하기 위해 이동 현상이 확인되었습니다. 경사진 초기균열을 갖는 CFRP 강화강판의 피로수명을 추정하기 위해 혼합모드 수정계수를 개발하였다. Hu 등14은 CFRP 강화 강철 구조물에 대한 피로 설계 지침과 프로그램을 제안했습니다. CFRP는 피로 상태에서 강철 구조물을 강화하는 데 효과적인 것으로 나타났습니다. CFRP는 특정 하중 조건에서 피로 수명을 연장하거나 특정 피로 수명이 필요할 때 허용 응력 범위를 늘릴 수 있습니다. Yousefi et al.15는 정하중 하에서 결합된 CFRP 플레이트로 보강된 노치 강철 I-빔의 파손 분석 및 구조적 거동에 대한 실험적 및 수치적 조사 결과를 제시했습니다. 결과는 결함이 있는 강철 I-빔 강화 시 CFRP 실패 모드에는 끝단 분리, 지점 이하 하중 분리, 분할 및 박리가 포함되어 있음을 보여주었습니다. Bocciarelli et al.16은 주어진 균열 길이에서 보강재의 응력 및 변형률 분포를 평가하기 위해 탄성 취성 접착제의 분석 및 수치 모델을 제안했습니다. 실험 결과는 제안된 수치 및 분석 기법을 검증하기 위해 고려되었습니다. 계산된 결과는 실험 결과와 잘 일치했습니다. Martinelli 등17은 실험 및 수치 시뮬레이션을 통해 강철 기판에 접착된 섬유 강화 폴리머(FRP) 복합재의 결합 거동을 연구했습니다. 결과는 제안된 수치 모델에 통합된 결합-슬립 관계가 수치 결과에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 따라서 다양한 접착제 유형 및 경화 조건에 따른 현실적인 본드-슬립 관계를 식별하는 것이 중요했습니다(실험적 테스트 수행을 통해). Zhang et al.18은 CFRP 플레이트로 강화된 부식된 강철 빔의 굴곡 거동을 조사했습니다. 굽힘 능력, 파손 모드 및 계면 응력에 대한 부식 및 사전 응력 수준의 영향을 조사했습니다. 그 결과, 부식된 보의 파괴 형태는 중앙 경간 경계면의 전단 파괴 후 CFRP 판의 파단이었으며, CFRP 판의 파단 위치는 대부분 하중점에서 나타났다. 부식된 강철의 거친 표면은 계면에서의 응력 전달 효율을 향상시켜 계면의 유효 결합 길이를 향상시킬 수 있습니다. 전단응력은 주로 CFRP 판 단부에 집중되었으며, 하중점에서 피크값이 나타났다. 기준보와 비교하여 15% 프리스트레스 수준의 CFRP 판으로 강화된 부식보의 극한 휨능력은 21% 증가하였으며, CFRP 판의 활용률은 최대 71.59%로 나타났다. Hu와 Feng19는 CFRP로 보강된 손상된 철 구조물에 대한 설계 방법을 제시하고 설계 프로그램을 개발했습니다. 결과는 CFRP 보강이 목표 사용 수명 달성을 전제로 특정 응력 범위 및 허용 응력 범위에서 사용 수명을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. Deng et al.20은 탄소 섬유 강화 플라스틱-광섬유 브래그 격자(CFRP-OFBG) 플레이트로 강화된 손상된 강철 빔의 굴곡 피로 성능을 연구했습니다. 시험 결과, CFRP-OFBG 판재 보강은 손상된 강보의 피로균열 성장속도를 효과적으로 감소시키고, 손상된 강보의 피로수명을 22.46% 증가시키는 것으로 나타났다. 분석 및 테스트 결과, 수명예측모델의 계산값과 테스트값의 최소오차는 -24.13%, 최대오차는 -5.61%로 나타났다.