CFRP 재킷으로 보강한 철근콘크리트 기둥의 차량 충돌 시 동적 응답 및 손상 규명

Abstract

본 연구는 차량 충돌 하중 하에서 탄소섬유 보강 폴리머(carbon fiber reinforced polymer, CFRP) 재킷으로 보강된 철근 콘크리트 기둥과 일반 기둥의 동적 응답 및 손상 상태를 수치해석을 통해 분석하였다. 수치해석 모델은 기존 충돌 실험결과와의 비교를 통해 검증되었으며, 충격력, 횡방향 변위, 에너지 소산량 등의 지표에서 높은 정확도를 보였다. 검증된 모델은 이후 실규모 교량의 교각에 확대적용하여 차량 충돌 시나리오를 모사하였다. 이어서 기둥 직경, CFRP 재킷 보강 겹수, 적층 각도 등 주요 설계 변수에 관한 매개변수 연구를 수행하였다. 손상평가는 회전각 기반의 손상단계 분류 기준을 적용하여 수행되었으며, 분석 결과 CFRP 재킷 보강은 특히 직경이 작은 기둥에서 충돌 저항 성능을 효과적으로 향상시키는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 철근콘크리트 교각의 충돌성능 향상을 위한 CFRP 재킷 보강의 적용 가능성을 뒷받침하며, 향후 교량 설계 및 보강 전략 수립에 실질적인 기초자료로 활용될 수 있다.

This study investigates the dynamic response and damage state of reinforced concrete (RC) bridge columns with and without carbon fiber reinforced polymer (CFRP) jacket subjected to vehicle collision loads through numerical analysis. The numerical models of bridge columns were validated against experimental data available in literature, showing good agreement in impact force, lateral displacement, and energy dissipation. The validated model was then applied to full-scale bridge columns to simulate realistic column-truck collision scenarios. A parametric study examined ten variables that affect the post-impact damage of the columns. Among them, the column diameter, number of CFRP jacket layers, and fiber orientation were identified as key parameters. The extent of damage was evaluated in terms of rotation angle defined as the ratio of maximum lateral displacement to collision height. The results showed that CFRP jacket was especially effective for smaller-diameter columns. The findings demonstrate the potential of CFRP jacket to improve the collision performance of the RC bridge columns and provide valuable insights for future design and retrofit efforts.