[논문]FRP로 전단 보강된 철근콘크리트 보의 전단강도 예측 (I) - 전단강도 예측 모델제안 및 검증 -

심종성; 오홍섭; 문도영; 박경동

doi:10.4334/jkci.2005.17.3.343

[국내논문] FRP로 전단 보강된 철근콘크리트 보의 전단강도 예측 (I) - 전단강도 예측 모델제안 및 검증 -
Prediction of the Shear Strength of FRP Strengthened RC Beams (I) - Development and Evaluation of Shear strength model - 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.17 no.3, 2005년, pp.343 - 351

심종성 (한양대학교 토목) , 오홍섭 (진주산업대학교 토목공학과) , 문도영 (한양대학교 토목) , 박경동 (롯데건설 토목사업 본부)

초록
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본 논문에서는 FRP 외부 부착공법으로 전단 보강된 철근콘크리트 보의 전단강도 예측 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 전단 균열각과 전단 경간비와 같은 주요한 설계인자를 고려할 수 있도록 하였다. 제안된 모델의 주요고려사항은 ]nP로 전단 보강된 보의 일반적 파괴 형태인 부착파괴에 대한 전단력 산정이다. 또한 제안된 모델은 기존의 수정 소성이론에 근거한 crack sliding model을 이용하였으며, 아치작용계수를 도입함으로써, 전단 경간비의 영향을 최소화하였다. 최종적으로 본 전단강도 예측 모델을 적용한 해석결과를 실험결과와 비교$\cdot$검증하였으며, 본 제안된 예측 모델이 실험결과와 상당히 일치하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study developed a shear strength prediction model of FRP strengthened reinforced concrete beams in shear. The primary design parameters were shear crack angle and shear span to depth ratio of FRP reinforcement. Of primary concern In the suggested model was the FRP debonding failure, which Is a typical fracture mode of RC beams strengthened with FRP, The proposed model used a crack sliding model based on modified plasticity theory. To address the effect of the shear span to depth ratio, the arch action was considered in the proposed model. The proposed model was applied to RC beams strengthened with FRP. The results showed that the proposed model agree with test results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 FRP 외부 부착 공법으로 전단 보강된 철근 콘크리트 보의 전단 강도 예측 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 전단균열각과 전단 경간 비와 같은 주요한 설계인자를 고려할 수 있도록 하였다.
변수별 해석 결과를 보면, 해 석 결과가 실험 결과와 상당히 일치하는 것을 볼 수 있으며, 특히 전단 경간 비가 다른 경우에도 예측치와 실험치가 매우 유사한 결과를 보였다. 이는 전단 경간 비에 따른 범용성을 확보하고자 하는 본 연구의 목적과 부합되는 결과이다.

가설 설정

6(b) 와 같이 콘크리트 압축 대와 인장철근이 각각 직선의 상. 하현재로 작용하고 스더럽과 콘크리트 압축 장은 각각 수직재와 경사 재로 가정할 수 있다. 그러나 이와 같은 트러스 모델은 휨과 전단이 복합적으로 작용하여 Fig.
7의 A)이 이루는 각을 고려하였다. 즉, FRP의 전단균열 각은 콘크리트 압축 스트럿의 사재 부재력의 방향과 일치한다고 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 FRP 외부 부착 공법으로 전단 보강된 철근 콘크리트 보의 전단 강도 예측 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 전단균열각과 전단 경간 비와 같은 주요한 설계인자를 고려할 수 있도록 하였다. 제안된 모델의 주요 고려사항은 FRP로 전단 보강된 보의 일반적 파괴 형태인 부착 파괴에 대한 전단력 산정이다.
본 연구에서는 FRP로 전단 보강된 철근콘크리트 보의 전단 강도 해석을 위하여 Zhang7) 등에 의해 제안된 수정 소성 이론(modified plasticity theory) 인 crack sliding model에 FRP로 인한 전단 강도 기여도를 추가 시켜 예측모델을 수정 제시하였으며, 상한계 소성 이론(upper bound theory of plasticity) 을 기본으로 하는 crack sliding model의 전단 경간비 (shear span to depth ratio)에 따른 범용성을 확보하기 위하여 Kim 등이 실험 및 해석을 통하여 제안한 아치작용계수(arch action factor)를 적용하였다湘).
FRP의 전단 강도 기여분은 최근 발표된 Chen과 Teng©의 모델을 기초로 하였으며, 이 경우 그들이 제시한 설계개념에서의 45° 균열 각과는 달리 전단 경간 비(a/d)에 따라 각 기 다른 전단균열 각을 해석적으로 도출하여 적용하였다. 또한 제안된 모델을 이용하여 전단 강도해석 알고리즘을 제 안 하고 실험값과의 대비를 통하여 이를 비교, 검증하였다.
따라서 본 연구에서는 이러한 경우에 있어 아치작용계 수(arch action factor)를 도입하였다. 따라서 이 경우, 본 연구에서는 콘크리트와 FRP가 합성으로 작용될 때의 균열 수평투영 위치에서 아치 곡선의 궤적과 맞닿게 되는 직 선(Fig.
따라서 본 연구에서는 이러한 경우에 있어 아치작용계 수(arch action factor)를 도입하였다. 따라서 이 경우, 본 연구에서는 콘크리트와 FRP가 합성으로 작용될 때의 균열 수평투영 위치에서 아치 곡선의 궤적과 맞닿게 되는 직 선(Fig. 7의 B)과 수평축(Fig. 7의 A)이 이루는 각을 고려하였다. 즉, FRP의 전단균열 각은 콘크리트 압축 스트럿의 사재 부재력의 방향과 일치한다고 가정하였다.
철근콘크리트 보의 전단 경간비(Mi)와 예상되는 파괴 형태에 따라 아치효과를 고려하였으며, 儿와 匸『가 동일한 값을 갖도록 균열각。를 변화시키면서 수평균열 투영 거리 z 및 균열각。를 산정하였다. 산정된。값을 임계 균열 각으로 정의하고 식 (6) 또는 (23) 을 이용하여 전단 균열 각을 계산하여 초기 가정을 만족하는 전단 강도를 산정하였다.
다양한 전단 보강 방법에 대하여 고려하였는바, 실험결과 와의 검증을 위하여 wing 형태, U형 jacket, strip 형태 보강 등에 대하여 고찰하였으며 보강 방법에 대한 상세는 다 음의 Fig. 13에 나타내었다.
실험변수는 보강재료, 전단 경간 비와 측면 보강 방법이며 측면 보강 방법으로는 strip, wing, u-jacketing type을 선정하였으며, strip일 경우 보강 간격과 보강 방향 등 총 5가지의 변수를 선정하였다. 이를 토대로 총 18개의 시험체를 제작하였다.
1) 기존의 FRP로 보강된 보의 전단 강도 해석 시 별도의 개념으로 고려하여 해석을 수행하였던 FRP의 전단 강 도 기여도와 전단 경간의 영향을 통합하여 고려할 수 있는 범용적인 모델을 제안하였다. 또한 제안된 모델의 해석치를 실험 결과와 비교하였으며, 해석 결과의 정확도 평균 및 표준편차가 L00必±0.
2) 본 연구에서는 FRP로 전단 보강된 보의 전단균열 각을 산정함에 있어 전단 경간 별로 아치 작용계수의 개념과 Chen과 Teng7) 등이 제안한 FRP 전단 강도 모델을 채용함으로써, 전단 경간에 대한 범용성을 확보하였다. 또한 Chen과 Teng7) 등이 전단균열 각을 45°로 적용함으로 발생되는 정확도의 문제를 개선하였다.
제안된 모델은 전단균열각과 전단 경간 비와 같은 주요한 설계인자를 고려할 수 있도록 하였다. 제안된 모델의 주요 고려사항은 FRP로 전단 보강된 보의 일반적 파괴 형태인 부착 파괴에 대한 전단력 산정이다. 또한 제안된 모델은 기존의 수정 소성 이론에 근거한 crack sHding model을 이용하였으며, 아치작용 계수를 도입함으로써, 전단경간비의 영향을 최소화하였다.
제안된 모델의 주요 고려사항은 FRP로 전단 보강된 보의 일반적 파괴 형태인 부착 파괴에 대한 전단력 산정이다. 또한 제안된 모델은 기존의 수정 소성 이론에 근거한 crack sHding model을 이용하였으며, 아치작용 계수를 도입함으로써, 전단경간비의 영향을 최소화하였다. 최종적으로 본 전 단강도 예측 모델을 적용한 해석 결과를 실험결과와 비교 .

대상 데이터

7 MPa, 슬럼프는 180 mm로 나타났다. 사용된 FRP는 탄소섬유시 트(CFS), 유리 섬유판(GFRP) 및 탄소섬유 판(CFRP)로서 전단시험 체에 보강을 하였으며, 사용된 FRP의 역학적 성질은 Table 1과 같다.
실험변수는 보강재료, 전단 경간 비와 측면 보강 방법이며 측면 보강 방법으로는 strip, wing, u-jacketing type을 선정하였으며, strip일 경우 보강 간격과 보강 방향 등 총 5가지의 변수를 선정하였다. 이를 토대로 총 18개의 시험체를 제작하였다. 실험변수 및 실험 결과 각각의 실험체에 대한 파괴 하중 및 기본 시험체에 대한 보강 효과와 FRP의 전단 보강 기여도를 다음의 Table 2에 나타내었다.

데이터처리

FRP의 전단 강도 기여분은 최근 발표된 Chen과 Teng©의 모델을 기초로 하였으며, 이 경우 그들이 제시한 설계개념에서의 45° 균열 각과는 달리 전단 경간 비(a/d)에 따라 각 기 다른 전단균열 각을 해석적으로 도출하여 적용하였다. 또한 제안된 모델을 이용하여 전단 강도해석 알고리즘을 제 안 하고 실험값과의 대비를 통하여 이를 비교, 검증하였다.
본 연구에서 제안한 전단 강도 예측모델의 검증을 위해 FRP로 전단 보강된 보의 실험 결과와 비교하였다.
또한 제안된 모델은 기존의 수정 소성 이론에 근거한 crack sHding model을 이용하였으며, 아치작용 계수를 도입함으로써, 전단경간비의 영향을 최소화하였다. 최종적으로 본 전 단강도 예측 모델을 적용한 해석 결과를 실험결과와 비교 . 검증하였으며, 본 제안된 예측 모델이 실험 결과와 상당히 일치하는 것을 확인 하였다.
실험 결과와 본 연구에서 제안된 전단 강도 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 14와 Table 3 에 나타내었다. 전단 강도 예측 모델의 정확도를 나타내기 위하여 실험치 대 예측치의 비를 계산하였으며, 모든 실험체의 정확도 값의 평균은 1.

이론/모형

전단 경간비 (shear span to depth ratio)가 2.0 이상인 경우에는 실험 결과와 적합하다고 알려진 Nielsen11' 의 유 효 강도 계수 식 (4) 를 사용한다.

성능/효과

1) 콘크리트는 평면응력상태이며, 콘크리트의 항복강도 는 최대 주응력 파괴기준에 따라 파괴되는 것으로 정의한다. 이때 콘크리트의 인장강도는 영으로 간주되며, "는 유효강도계수이고 丄, 느 콘크리트의 압축강도이다.
2) 철근은 완전-소성 거동을 하며, 단지 축 방향으로만 하중에 저항한다.
4) 스더럽은 스더럽이 부담할 수 있는 전단저항력을 제공하며, 스더럽의 응력 九은 항복 시 九에 도달한다.
14와 Table 3 에 나타내었다. 전단 강도 예측 모델의 정확도를 나타내기 위하여 실험치 대 예측치의 비를 계산하였으며, 모든 실험체의 정확도 값의 평균은 1.01, 표준편차는 0.1086으로 나타나, 전반적으로 상당히 실험 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 탄소섬유 U형 보강의 경우 정확도가 크게 저하되는 것으로 나타났다.
탄소 섬유 U형 보강, 즉 CS1VU, CS2VU 실험체를 제외한 나머지 실험체의 실험변수별 정확도의 평균값 및 표 준 편 차는 다음의 Table 4와 같다. 변수별 해석 결과를 보면, 해 석 결과가 실험 결과와 상당히 일치하는 것을 볼 수 있으며, 특히 전단 경간 비가 다른 경우에도 예측치와 실험치가 매우 유사한 결과를 보였다. 이는 전단 경간 비에 따른 범용성을 확보하고자 하는 본 연구의 목적과 부합되는 결과이다.
1) 기존의 FRP로 보강된 보의 전단 강도 해석 시 별도의 개념으로 고려하여 해석을 수행하였던 FRP의 전단 강 도 기여도와 전단 경간의 영향을 통합하여 고려할 수 있는 범용적인 모델을 제안하였다. 또한 제안된 모델의 해석치를 실험 결과와 비교하였으며, 해석 결과의 정확도 평균 및 표준편차가 L00必±0.1086으로 나타남으로써 예측모델의 정확성을 검증하였다.
최종적으로 본 전 단강도 예측 모델을 적용한 해석 결과를 실험결과와 비교 . 검증하였으며, 본 제안된 예측 모델이 실험 결과와 상당히 일치하는 것을 확인 하였다.

후속연구

그러나 탄소섬유 U형 보강의 경우 정확도가 크게 저하되는 것으로 나타났다. 즉 실험값이 예측치보다 크게 못 미치는 것으로 나타났는데, 이는 U형 보강의 경우 콘크리트를 감쌈으로써 발생하는 구속 효과가 충분히 발휘되기 이전에 모서리 부분의 응력 집중에 의하여 보강재가 찢김으로써, 발생하는 조기 파괴로 탄소섬유 보강재의 U형 시공 시 이에 대한 보완이 필요하다.
3) 일반적으로 사용되는 전단 보강 방법인 U형 보강의 경우 본 예측모델의 적용에 한계를 확인하였으며, 이에 대한 보완이 필요하다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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심종성, 연규석, 한만엽, 프리믹스형 보수재료를 적용한 R/C 구조물의 보수 및 섬유보강공법 개발, 건설교통부, 1999
심종성, 오홍섭, 유재명, '섬유보강재로 전단 보강된 RC보의 전단강도예측을 위한 해석모델에 대한 연구', 콘크리트학회 논문집, 12권, 5호, 2000, pp.35-46
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Kim, W. and White, R. N., 'Shear-Critical Cracking in Slender Reinforced Concrete Beams', ACI Structural Journal, Vol.96, No.5, 1999, pp.757-765
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상세보기
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상세보기
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ACI Committee 318, 'Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-05) and Commentary (318RM-05)', American Concrete Institute, Sep. 2005, pp.147-150

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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