CFRP 케이블 압착 슬리브 최적화를 위한 해석적 연구

Abstract

Prestressed concrete structures were developed to reinforce the structural performance of general concrete structures and constructed worldwide. In addition, the demand for a 1,000 m cable-stayed bridge has been increasing recently. Strands are the primary construction material in the PSC structures and cable-stayed bridges. However, since the strands are made of steel, deterioration occurs due to the external environment for a long time, and the structural performance decreases due to aging. These deteriorated structures will increase explosively, and cases of breakage due to damage and corrosion occurred in PSC bridges, which account for about 40% of PSC bridges in Korea. For this reason, recent studies have been conducted to replace strands using fiber-reinforced polymer (FRP). FRP has high corrosion resistance and can secure higher strength than steel, so it is being studied as a construction material to replace strands. In Korea, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) material has been actively used to repair and reinforce old structures since the 1990s. Technology trends are paying attention to CFRP cables to replace strands. Existing studies were conducted assuming that the CFRP cable was fixed to the structure. This study intends to perform a finite element analysis for analyzing the behavior occurring in the sleeve that fixes the CFRP cable to the structure. The parameters are the CFRP cable diameter, inner diameter, outer diameter, and length of the sleeve. The compression section exceeding the allowable compression stress increased with the diameter of 8 mm or more when a swaging block for 10 mm was used. A swaging block for 5 mm was used when the diameter was 7 mm or less. In this study, when a diameter of 10 mm is used, the variation of the inner diameter must be maintained within 0.5 mm to satisfy. In the case of CFRP cables with a 7 mm - 5 mm diameter with a swaging block for 5 mm, all were analyzed to be within the allowable value. The CFRP cables with a diameter of 10 mm - 8 mm are compressed on a swaging block for 10 mm, the variation of outer diameter should be maintained within 0.5 mm at the maximum. In the case of the swaging block for 5 mm, it was within the allowable value even if the outer diameter decreased by up to 1.0 mm compared to the standard. In this study, a problem occurred during the compression process when the sleeve length was 200 mm. Therefore, the sleeve should be kept within 150 mm to be safe.|프리스트레스 콘크리트 구조물은 일반 콘크리트 구조물의 구조적 성능을 강화하기 위해 개발되었으며 전 세계적으로 건설되고 있습니다. 또한 최근에는 1,000m 사장교에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 스트랜드는 PSC 구조 및 사장교의 주요 건축 자재입니다. 그러나, 스트랜드는 강재이기 때문에 장기간 외부환경에 의한 열화가 발생하고, 노후화로 인해 구조적 성능이 저하된다. 이러한 노후화된 구조물은 폭발적으로 증가할 것이며, 국내 PSC 교량의 약 40%를 차지하는 PSC 교량에서 손상 및 부식으로 인한 파손 사례가 발생하게 된다. 이러한 이유로 최근에는 섬유강화폴리머(Fiber Reinforced Polymer, FRP)를 이용하여 스트랜드를 대체하는 연구가 진행되고 있다. FRP는 내식성이 높고 강재보다 높은 강도를 확보할 수 있어 스트랜드를 대체하는 건축자재로 연구되고 있다. 국내에서는 1990년대부터 노후 구조물의 보수 및 보강을 위해 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 소재가 활발히 사용되고 있습니다. 기술 트렌드는 가닥을 대체하는 CFRP 케이블에 주목하고 있습니다. 기존 연구는 CFRP 케이블을 구조물에 고정한 것으로 가정하여 진행하였다. 본 연구에서는 CFRP 케이블을 구조물에 고정하는 슬리브에서 발생하는 거동을 해석하기 위한 유한요소해석을 수행하고자 한다. 매개변수는 CFRP 케이블 직경, 내경, 외경 및 슬리브 길이입니다. 허용 압축응력을 초과하는 압축구간은 10mm용 스웨이징 블록을 사용한 경우 직경 8mm 이상에서 증가하였다. 직경이 7mm 이하인 경우 5mm용 스웨이징 블록을 사용하였다. 본 연구에서는 직경 10mm를 사용하는 경우 내경의 편차가 0.5mm 이내로 유지되어야 만족할 수 있다. 직경 7~5mm의 CFRP 케이블과 스웨이징 블록 5mm의 경우 모두 허용치 이내인 것으로 분석됐다. 직경 10mm - 8mm의 CFRP 케이블은 스웨이징 블록에서 10mm 압축되며 외경의 편차는 최대 0.5mm 이내로 유지되어야 합니다. 5mm용 스웨이징 블록의 경우 외경이 기준 대비 최대 1.0mm 감소하더라도 허용치 이내였다. 본 연구에서는 슬리브 길이가 200mm일 때 압축과정에서 문제가 발생하였다. 따라서 슬리브는 안전을 위해 150mm 이내로 유지되어야 합니다.