Lumped Plasticity Model of Reinforced Concrete Columns Retrofitted with FRP Jackets and Its Application to Seismic Performance Assessment of Structural Systems

Abstract

Fiber-reinforced polymer (FRP) composite jackets have been widely used to retrofit reinforced concrete (RC) columns within structural systems because of their high ductility and corrosion resistance, ease of application, and minimal geometric alternations. This study proposes a lumped plasticity model to simulate the nonlinear load-deformation response of FRP-jacketed RC columns under seismic loading. An experimental database of 99 FRP-jacketed RC columns was assembled, including those with partial- or full-height jackets, circular or rectangular cross-sections, continuous or lap-spliced longitudinal reinforcement, and various FRP materials. The database is used to calibrate the parameters of the hysteretic material model. Regression analysis was conducted to develop model predictive equations. The most suitable combination of input parameters for each predictive equation was selected using leave-one-out cross-validation from the ten candidate design variables representing diverse columns. Among the candidate FRP-related design variables, the FRP quantitative ratio and its ultimate strength were selected for inclusion in the empirical model parameter equations. The proposed model demonstrates better accuracy than the existing model in reproducing the experimental load-deformation responses. Finally, the proposed modeling approach was applied to an FRP-retrofitted RC building frame with lap-spliced rebars to examine the seismic performance of the FRP retrofit in comparison with existing approaches. Overall, the proposed lumped plasticity approach for FRP-jacketed RC columns offers improved versatility, accommodating a broad spectrum of column geometries, and computational efficiency with reasonable accuracy in predicting the load-deformation response.|섬유강화폴리머(Fiber-reinforced Polymer, FRP)는 구조시스템의 철근콘크리트 기둥 보강 재킷으로 널리 사용되어 왔다. FRP 재킷은 적용시 구조물의 연성 능력 증가 효과가 뛰어날 뿐만 아니라 시공성이 편리하고 녹슬지 않는다는 장점으로 인해 내진 보강에 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 다양한 FRP 재킷 보강 철근콘크리트 기둥의 비선형 하중-변위 응답을 예측할 수 있는 집중소성모델을 제시한다. 먼저 99개의 FRP 재킷 보강 철근콘크리트 기둥 시편 데이터베이스가 구축되었다. 이 데이터베이스는 부분 보강과 전체 보강 기둥, 원형 단면과 사각 단면 기둥, 주철근이 겹침이음된 기둥과 연속적으로 연결된 기둥 등 다양한 종류의 FRP 재킷 보강 철근콘크리트 기둥으로 구성되어 있다. 시편의 하중-변위 실험 응답을 토대로 이력 재료 모델(hysteretic material model)의 모델 매개변수들을 보정하였다. 보정된 모델 매개변수를 출력변수로 사용하고, 설계 매개변수를 입력변수로 사용하여 회귀분석을 수행하고 모델 매개변수 예측방정식을 도출하였다. 각 모델 매개변수 별 최적의 입력변수 조합은 leave-one-out 교차검증을 활용하여 다양한 종류의 FRP 재킷 보강 철근콘크리트 기둥을 대표할 수 있는 10개의 설계 매개변수 후보군으로부터 선택되었다. FRP 재킷 관련 설계 매개변수 중에서는 FRP 재킷 강도와 사용된 FRP의 양과 관련된 매개변수가 모델 매개변수 예측방정식에 선택되어 포함되었다. 제안된 집중소성모델은 비교를 위해 선택된 기존의 분산소성모델보다 FRP 재킷보강 철근콘크리트 기둥의 하중-변위 실험 응답을 더 높은 정확도로 모사하였다. 마지막으로 제안된 모델링 접근법을 FRP 재킷으로 보강된 철근콘크리트 건물 골조에 적용해 봄으로써 FRP 재킷 보강의 내진 성능을 구조시스템 레벨에서 평가하였다. 전반적으로, FRP 재킷 보강 철근콘크리트 기둥의 거동을 예측하기 위해 제안된 집중소성모델은 넓은 범위의 기둥 종류를 포괄하여 향상된 범용성과 계산 효율성을 하중-변위 응답을 예측함에 있어 합리적인 정확도와 함께 제공한다.