[논문]FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도 모델

최경규; 강수민; 심우창

doi:10.4334/jkci.2011.23.2.185

[국내논문] FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도 모델
Shear Strength Model for FRP Shear-Reinforced Concrete Beams 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.23 no.2, 2011년, pp.185 - 193

최경규 (숭실대학교 건축학부) , 강수민 (대림산업(주)) , 심우창 (숭실대학교 건축학부)

초록
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이 연구에서는 FRP 전단보강 및 무보강 콘크리트 보의 전단강도를 정확하게 평가하기 위하여 통합전단설계방법을 개발하였다. 이를 위하여, FRP의 전단강도 기여분과 콘크리트의 전단강도 기여분을 각각 정의하였다. 기존의 FRP 전단강도 평가모델과 실험 결과를 비교 분석한 결과, Triantafillou의 FRP 전단강도 평가모델이 FRP의 유효변형률과 전단강도의 추정이 우수하므로 Triantafillou의 모델을 이용하여 FRP의 전단강도 기여분을 정의하였다. 콘크리트 전단강도 기여분은 선행 연구에서 제안된 변형도 기반 전단강도모델을 이용하여 정의하였다. 콘크리트 단면의 압축대에 작용하는 압축응력과 전단응력의 상관관계를 고려하기 위하여 콘크리트 재료파괴기준을 이용하여 콘크리트 전단강도 기여분을 산정하였다. 제안한 설계방법은 기존 실험 연구 결과와 비교하여 유효성을 검증하였다. 비교 결과 제안한 설계방법은 다양한 설계변수 범위에서 FRP 전단보강 및 무보강 콘크리트 보의 전단강도를 정확하게 평가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, a unified shear design method was developed to evaluate the shear strength of concrete beams with and without FRP shear reinforcement. The contributions of FRP and concrete on shear strength were defined separately. By comparing the current design method calculated results with the existing test results, it was found that Triantafillou model shows a reliable prediction of FRP effective strain and FRP shear strength contributions. The concrete shear strength contribution was defined by the strain-based shear strength model developed in the previous study. The shear strength of concrete compression zone was evaluated based on the material failure criteria of the concrete subjected to the compressive normal and shear stresses. The proposed strength model was verified by comparing its prediction results to prior test results. The comparisons showed that the proposed method accurately predicts the strengths of the test specimens for both FRP shear reinforced and unreinforced concrete beams.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

의 함수로 정의하고 있어서 유효 변형률과 전단강도를 비교적 정확하게 예측하며 계산이 편리하다. 따라서 이 연구에서는 Triantafillou⁶⁾의 FRP 전단강도식을 사용하여 FRP의 전단강도(V_F, Table 1)를 산정하고자 한다. 여기서 FRP의 유효 변형률은 Fig.
이 연구에서는 현행 FRP의 전단강도 평가 모델의 추정결과를 기존 실험 결과와의 비교를 통하여 분석하였다. 분석 결과, 부재 파괴 순간 FRP의 유효 변형률은 FRP의 부피비와 탄성계수에 반비례하는 것으로 나타났으며, 따라서 이 연구에서는 이러한 경향을 잘 모사하고 있는 Triantafillou⁶⁾의 모델을 이용하여 FRP 전단강도 기여분을 평가하였다. 콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하기 위하여 선행 연구에서 개발된 변형도 기반 전단강도 모델을 사용하였다.
이 연구에서는 FRP 전단 보강된 보에서 콘크리트의 전단강도 기여분을 간편하게 정의하기 위하여, 인장균열이 발생한 직후 위험 단면의 압축대에 작용하는 평균 수직 응력 #을 도입하였다. 선행 연구^17,18)에 의하면, 평균 수직 응력 의 산정 과정은 복잡하며 일반적으로 이다.
일반 콘크리트 보의 전단 성능 평가를 위해 변형도 기반 전단강도 모델이 개발되었으며 개발된 모델은 다른 강도 모델에 비하여 강도 예측의 정확성이 매우 뛰어난 것으로 알려지고 있다. 이 연구에서는 변형도 기반 전단강도 모델을 바탕으로 FRP 전단 보강 콘크리트 보에서 콘크리트의 전단강도 기여분을 간편하게 정의하는 설계 방법을 개발하였다.
이 연구에서는 선행 연구에서 개발된 변형도 기반 전단설계 방법의 적용성을 높일 수 있는 단순화된 전단강도 평가 방법을 제안하였으며 이를 바탕으로 FRP 전단 보강 콘크리트 보와 일반 콘크리트 보에 함께 적용될 수있는 통합 전단설계 방법을 개발하였다. 이를 위하여, 기존의 실험 결과와의 비교를 통하여 FRP 전단강도 기여 분에 대한 현행 강도 모델들을 분석하였다.

가설 설정

두 조합 응력에 대한 콘크리트 재료 파괴 기준으로서 Rankine²⁶⁾의 파괴 기준을 사용하였다. 이 파괴 기준에서는 주응력이 콘크리트의 재료 강도에 도달하면 재료 파괴가 발생하는 것으로 가정하였다. 즉 압축대의 각 지점에 작용하는 주 압축응력이 압축강도 에 도달하면 압축 지배 전단 파괴가 발생하며, 인장강도 에 도달하면 인장 지배 전단 파괴가 발생한다(Fig.

제안 방법

3). 이 모델에서는 콘크리트 압축대의 전단강도를 정확하게 산정하기 위하여 압축대의 콘크리트에 작용하는 압축응력과 전단응력의 조합 응력을 고려하였다. 두 조합 응력에 대한 콘크리트 재료 파괴 기준으로서 Rankine²⁶⁾의 파괴 기준을 사용하였다.
콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하기 위하여 선행 연구에서 개발된 변형도 기반 전단강도 모델을 사용하였다. 이 모델은 콘크리트 보 단면의 압축대에서 전단응력과 압축응력의 상호관계를 고려하기 위하여 콘크리트 재료 파괴 기준을 사용하였으며, 이를 바탕으로 콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하였다. 제안된 평가 방법은 기존 실험 연구 결과와 현행 ACI 설계기준과의 비교를 통하여 유효성을 검증하였다.
FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도를 정확하게 평가를 위해서는 FRP의 전단강도 기여분과 콘크리트의 전단강도 기여분 각각의 정확한 평가가 우선되어야 한다. 이 연구에서는 현행 FRP의 전단강도 평가 모델의 추정결과를 기존 실험 결과와의 비교를 통하여 분석하였다. 분석 결과, 부재 파괴 순간 FRP의 유효 변형률은 FRP의 부피비와 탄성계수에 반비례하는 것으로 나타났으며, 따라서 이 연구에서는 이러한 경향을 잘 모사하고 있는 Triantafillou⁶⁾의 모델을 이용하여 FRP 전단강도 기여분을 평가하였다.
이 장에서는 FRP 전단강도 기여분에 대한 현행 전단 강도 모델의 유효성을 평가하기 위하여 기존 실험 연구 결과와 예측 강도를 비교 분석하였다. Table 3에는 비교에 사용된 FRP 전단 보강 콘크리트 실험체의 재료 특성, 부재 형상 및 치수가 제시되어 있다.
에서는 콘크리트 재료 파괴 기준을 이용 하여 전단 보강 및 무보강 콘크리트 보의 전단 메커니즘을 구명하였다. 이를 바탕으로 콘크리트 보 단면의 휨 변형(휨 손상)의 정도를 고려하여 콘크리트 보의 전단강도를 정의하는 변형도 기반 전단설계 방법을 개발하였다.
이 연구에서는 선행 연구에서 개발된 변형도 기반 전단설계 방법의 적용성을 높일 수 있는 단순화된 전단강도 평가 방법을 제안하였으며 이를 바탕으로 FRP 전단 보강 콘크리트 보와 일반 콘크리트 보에 함께 적용될 수있는 통합 전단설계 방법을 개발하였다. 이를 위하여, 기존의 실험 결과와의 비교를 통하여 FRP 전단강도 기여 분에 대한 현행 강도 모델들을 분석하였다. 또한 제안된 설계 방법을 기존 실험 연구 결과와 현행 ACI 440 설계 기준과 비교하여 그 유효성을 검증하였다.

대상 데이터

Table 3에는 비교에 사용된 FRP 전단 보강 콘크리트 실험체의 재료 특성, 부재 형상 및 치수가 제시되어 있다. 대부분의 시험체에는 탄소섬유보강폴리머(CFRP)가 사용되었으며 Iannnituberto¹⁹⁾ 는 유리섬유보강폴리머(GFRP), Adhikary 등²⁾은 일부 시험체에 아라미드섬유보강폴리머(AFRP)를 사용하였다. 또한 대부분의 시험체에서 FRP 보강재는 보를 감싸는 랩핑 방식으로(wrapping) 설치되었으나 Pellegrino^20,21)는 FRP 보강재를 측면 부착하였고(side bonding), Adhikary 등²⁾은 일부 시험체에서 FRP를 U형으로 부착 보강하였다(U-jacking).
또한 대부분의 시험체에서 FRP 보강재는 보를 감싸는 랩핑 방식으로(wrapping) 설치되었으나 Pellegrino^20,21)는 FRP 보강재를 측면 부착하였고(side bonding), Adhikary 등²⁾은 일부 시험체에서 FRP를 U형으로 부착 보강하였다(U-jacking). 비교에 사용된 시험체는 대체로 콘크리트 부재축에 직교방향으로 FRP를 설치하였으며 Alagusundaramoorthy¹¹⁾의 일부 시험체에서는 45도 각도로 FRP를 설치하였다.
이 연구에서 제안한 전단강도 모델의 유효성을 평가하기 위하여 기존 실험 연구에서 보고된 508개의 전단 무 보강 콘크리트 보와 510개의 전단 철근 보강 콘크리트 보에 대한 전단강도 실험 결과를 이용하였다. 검증에 사용된 실험체의 주요 변수와 실험 조건은 참고문헌^17,18)에 자세히 제시되어 있다.

데이터처리

Fig. 1에는 기존 FRP 전단강도 기여분 평가 모델(Table 1)을 이용한 예측 강도(V_F,pred)와 실험 결과(V_F,exp)를 비교하였다. V_F,exp는 FRP 보강 시험체의 전단강도에서 FRP 무보강 시험체의 전단강도를 감하여 산정하였다.
이를 위하여, 기존의 실험 결과와의 비교를 통하여 FRP 전단강도 기여 분에 대한 현행 강도 모델들을 분석하였다. 또한 제안된 설계 방법을 기존 실험 연구 결과와 현행 ACI 440 설계 기준과 비교하여 그 유효성을 검증하였다.
이 모델은 콘크리트 보 단면의 압축대에서 전단응력과 압축응력의 상호관계를 고려하기 위하여 콘크리트 재료 파괴 기준을 사용하였으며, 이를 바탕으로 콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하였다. 제안된 평가 방법은 기존 실험 연구 결과와 현행 ACI 설계기준과의 비교를 통하여 유효성을 검증하였다. 검증 결과 이 연구에서 제안한 평가 방법은 다양한 설계 변수 조건에서 일반 콘크리트 보 뿐 아니라 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도를 정확하게 평가하는 것으로 나타났다.

이론/모형

이 모델에서는 콘크리트 압축대의 전단강도를 정확하게 산정하기 위하여 압축대의 콘크리트에 작용하는 압축응력과 전단응력의 조합 응력을 고려하였다. 두 조합 응력에 대한 콘크리트 재료 파괴 기준으로서 Rankine²⁶⁾의 파괴 기준을 사용하였다. 이 파괴 기준에서는 주응력이 콘크리트의 재료 강도에 도달하면 재료 파괴가 발생하는 것으로 가정하였다.
분석 결과, 부재 파괴 순간 FRP의 유효 변형률은 FRP의 부피비와 탄성계수에 반비례하는 것으로 나타났으며, 따라서 이 연구에서는 이러한 경향을 잘 모사하고 있는 Triantafillou⁶⁾의 모델을 이용하여 FRP 전단강도 기여분을 평가하였다. 콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하기 위하여 선행 연구에서 개발된 변형도 기반 전단강도 모델을 사용하였다. 이 모델은 콘크리트 보 단면의 압축대에서 전단응력과 압축응력의 상호관계를 고려하기 위하여 콘크리트 재료 파괴 기준을 사용하였으며, 이를 바탕으로 콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하였다.

성능/효과

제안된 평가 방법은 기존 실험 연구 결과와 현행 ACI 설계기준과의 비교를 통하여 유효성을 검증하였다. 검증 결과 이 연구에서 제안한 평가 방법은 다양한 설계 변수 조건에서 일반 콘크리트 보 뿐 아니라 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도를 정확하게 평가하는 것으로 나타났다. 반면 ACI 설계기준은 예측 오차가 비교적 크며 많은 실험체에 대하여 강도 추정이 안전하지 못하다는 것이 밝혀졌다.
7은 주요 설계 변수(콘크리트 강도, 전단 경간비, FRP 부피비)에 대하여 제안 설계 방법의 강도 추정 결과를 보여주고 있다. 그림에 나타나듯이 제안 설계 방법은 설계 변수의 변화에 따라서 강도 추정이 민감하게 변화하지 않으며, 따라서 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도를 안정적이고 정확하게 추정할 수 있다.
또한 현행 전단 강도 모델(Tables 1, 2)에서 FRP 전단 보강재의 전단강도 기여분이 과대평가되고 있으며 반면 콘크리트의 전단 강도 기여분이 과소평가되고 있음을 밝혀냈다. 따라서 이러한 연구 결과를 종합해 보면 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도를 합리적으로 산정하기 위해서는 콘크리트, FRP, 전단 철근의 전단강도 기여분을 각각 정확하게 평가하여야 한다.
또한 FRP의 ρFEF가 증가함에 따라 실험 결과를 과대평가하여 안전측의 설계를 보장하지 못하는 것으로 나타났다.
는 현행 전단강도 모델은 FRP의 파괴 변형률, FRP의 배치 방향 등 주요 변수의 영향을 정의하는데 있어서 많은 차이를 나타내고 있으며, FRP 전단 보강 콘크리트 보의 강도를 정확하게 추정하지 못하며 안전측이 아님을 밝혀내었다. 또한 현행 전단 강도 모델(Tables 1, 2)에서 FRP 전단 보강재의 전단강도 기여분이 과대평가되고 있으며 반면 콘크리트의 전단 강도 기여분이 과소평가되고 있음을 밝혀냈다. 따라서 이러한 연구 결과를 종합해 보면 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 전단강도를 합리적으로 산정하기 위해서는 콘크리트, FRP, 전단 철근의 전단강도 기여분을 각각 정확하게 평가하여야 한다.
그림에서 제안한 설계 방법은 현행 ACI 440 설계 방법에 비하여 각 전단강도 기여분을 비교적 정확하게 평가하고 있다. 제안한 설계 방법은 실험 강도 대비 산정 강도의 평균이 1.405, COV는 0.150으로써 실험 결과를큰 편차없이 정확하게 추정하고 있음을 알 수 있다.
반면 Zsutty¹⁶⁾와 Choi 등^17,18)의 전단강도 모델은 ACI318,¹⁴⁾ Eurocode 2¹⁵⁾ 등 현행 설계기준 보다 실험 결과를 정확하게 추정하고 있다. 특히 이 연구에서 제안한 전단 강도 모델은 다른 평가 모델에 비하여 강도 예측의 편차가 가장 적어서 실험 결과를 가장 안정적으로 예측하는 것으로 나타났다.

후속연구

그러나 이 연구에서 검증에 사용한 실험 결과는ρFEF ≤ 2 MPa이므로, 추후 FRP의 전단 보강비가 높은 실험 연구 결과를 사용하여 추가 검증 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 전단 보강 콘크리트 구조물은 무엇에 영향을 받는가?	Qu 등3)은 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 경사 균열 모델4)을 이용하는 비선형 유한 요소 해석 연구를 통하여 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 크기 효과를 구명하였다. 이러한 이론 및 실험 연구에 의하면, FRP 전단 보강 콘크리트 구조물은 FRP 재료(유리, 탄소, 아라미드), FRP 부착강도, 보강 형태(쉬트/바, wrap/jacketing), 전단 스팬비, 부재 파괴 모드, 전단 철근 사용 여부 등 여러가지 재료 및 기하학적 변수에 영향을 받으므로, FRP 파단, 콘크리트 압괴, 콘크리트-FRP 접착면 파괴 등 매우 복합적 방식으로 구조물이 파괴된다.5-9)따라서 다양한 설계 변수와 조건에 대하여 구조물의 전단 강도를 일관되게 평가하기가 매우 어려운 실정이다.
	Adhikary 등이 FRP 부착 앵커를 이용한 전단 보강 공법을 개발하기 위하여 연구한 것은?	이재훈 등1)은 FRP 휨 보강근을 사용하는 콘크리트 보의 파괴 특성과 구조 성능을 구명하기 위하여 실험 연구를 수행하였으며 그 결과를 바탕으로 현행 설계식의 정확성을 분석하고 보다 개선된 회귀 모델을 제안하였다. Adhikary 등2)은 FRP 부착 앵커를 이용한 전단 보강 공법을 개발하기 위하여 FRP 재료(AFRP: armid fiber finforced polymer, GFRP: glass fiber reinforced polymer), FRP 전단 보강 쉬트 배치 형태, 부착 앵커의 연장 길이에 따른 부착 파괴 메커니즘의 변화를 연구하였고, FRP 쉬트의 전단 보강 기여분을 산정하는 모델을 개발하였다. Qu 등3)은 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 경사 균열 모델4)을 이용하는 비선형 유한 요소 해석 연구를 통하여 FRP 전단 보강 콘크리트 보의 크기 효과를 구명하였다.
	FRP의 전단강도 평가 모델의 추정결과를 기존 실험 결과와 비교한 결과는?	이 연구에서는 현행 FRP의 전단강도 평가 모델의 추정결과를 기존 실험 결과와의 비교를 통하여 분석하였다. 분석 결과, 부재 파괴 순간 FRP의 유효 변형률은 FRP의 부피비와 탄성계수에 반비례하는 것으로 나타났으며, 따라서 이 연구에서는 이러한 경향을 잘 모사하고 있는 Triantafillou6)의 모델을 이용하여 FRP 전단강도 기여분을 평가하였다. 콘크리트의 전단강도 기여분을 정의하기 위하여 선행 연구에서 개발된 변형도 기반 전단강도 모델을 사용하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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