격자형 CFRP 보강재를 활용한 인장강화효과의 실험 및 해석적 연구
Experimental and Analytical Investigation of the Tension‑Stiffening Effect Using Grid‑Type CFRP Reinforcement
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초록
본 연구는 격자형 CFRP로 보강된 콘크리트 부재의 직접 인장 하중 하 인장강화 거동을 규명하고자, 콘크리트 압축강도(C30, C60) 와 횡방향 격자 간격(0 mm, 100 mm)을 변수로 설정하여 직접 인장시험을 수행하였다. CFRP와 콘크리트 계면의 부착 거동을 모사하기 위해Cohesive Zone Model(CZM)을 적용한 3차원 유한 요소 해석(ABAQUS/Explicit)을 병행하였다. 실험 결과 모든 시험체는 탄성, 균열 발달, 잔류인장의 3단계 거동을 보였으며, 횡방향 격자는 평균 균열 간격을 감소시켜 균열을 분산시키는 효과가 나타났다. 또한 고강도 콘크리트는 초기균열 발생을 지연시키는 것으로 확인되었다. Eurocode 2 제안식은 전체 응력–변형률 곡선을 비교적 정확히 재현하였으나 초기 균열 변형률을과대평가하였고, 유한 요소 해석 결과는 균열 발생, 진전 및 내부 응력 재분배를 정밀하게 모사하여 실험과 유사한 균열 패턴과 간격을 예측하였다. 본 연구는 격자형 CFRP 보강 콘크리트의 균열 제어 성능과 설계 적용성을 제시함으로써 내구성 중심의 설계 지침 마련에 기초 자료를 제공한다.
Abstract
This study aims to elucidate the tension-stiffening effect of concrete members reinforced with grid-type CFRP under direct tensile loading. For this purpose, direct tensile tests were performed on specimens with two parameters: concrete compressive strength (30 MPa, 60 MPa) and transverse grid spacing (0 mm, 100 mm). Furthermore, a three-dimensional finite element analysis model featuring a cohesive-zone formulation was developed using the ABAQUS/Explicit solver to simulate the bond response at the interface between the CFRP grid and concrete. All specimens exhibited a typical three-stage response: an elastic phase, a crack-development phase, and a residual-tension phase. The transverse grid ribs reduced the average crack spacing and produced a more dispersed crack pattern, while higher concrete strength delayed the onset of cracking. The tension-stiffening model in Eurocode 2 reproduced the overall stress-strain trend but consistently overestimated the initial cracking strain. In contrast, the finite element analysis model accurately simulated crack initiation, propagation, and internal stress redistribution, predicting crack patterns and average crack spacing in close agreement with the experimental results. These findings quantify the crack-control performance and validate the design applicability of grid-type CFRP reinforcement and provide a basis for durability-focused design guidelines for concrete structures.