Probability-Based Punching Shear Model of Concrete Slabs Reinforced with FRP Rebars

Abstract

최근 철근부식에 의한 RC 구조물의 내하력 및 내구성 저하를 해결하고자 FRP를 사용한 유지관리공법이 적용되어 왔다. 그러나, 이는 막대한 유지관리 비용이 소모될 뿐 만 아니라, 향후 신설구조물에 대한 유지관리 비용의 증가를 가져올 수 있다. 이와 같은 이유로, FRP 보강근을 사용한 신설 콘크리트 구조물의 연구가 국내외적으로 활발히 진행되어 왔으나, 많은 연구에도 불구하고, 주로 일방향 휨 구조물에 국한하여 연구가 진행되었다. 따라서, 장수명 콘크리트 구조물을 위한 FRP 보강근의 활용도를 극대화 하기 위해서는 이방향 콘크리트 구조물에 대한 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 연구는 FRP 보강근으로 보강된 콘크리트 이방향 슬래브의 펀칭전단강도 모델을 제안하고자 한다. 대상구조물로는 빌딩구조물에 주로 적용되는 이방향 콘크리트 슬래브와 교량구조물에 대해서는 바닥판을 선정하였다. 펀칭전단모델의 제안하기 위한 평가법으로는, 기존 연구방법인 실험값과 모델값에 의한 펀칭전당강도의 비에 대한평가와 본 연구에서 새로 적용된 재료, 기하 및 모델링 오차가 갖는 확률불확실성을 적용한 확률분포특성 분석방법이다. 기존 평가법에 대해서는, 제안된 펀칭전단모델이 실험에 의한 펀칭전단강도의 보수적 평가유무에 대한 기본적인 해석을 수행하였다. 확률분포특성 분석의 경우, 펀칭전단모델에 의한 공칭값이 불확실성이 적용된 확률분포상에서 95%의 신뢰수준을 갖는 펀칭전단 강도값과 가장 근접성이 큰 값을 기준으로 펀칭전단모델의 신뢰성을 평가하였다. 본 연구에서는 펀칭전단모델을 제안하기 위해, 기존에 연구자들에 의해 제안된 11가지 펀칭전단모델을 우선적으로 평가하였다. 11개 모델들에 대해 61개의 이방향 콘크리트 슬래브 실험체들과의 실험값/모델값의 비와 확률분포특성 평가를 수행하였다. 그 결과, 실험값/모델값의 비가 1과 가장 가까운, 공칭값이 확률분포상에서 95%의 신뢰수준을 갖는 펀칭전단 강도값과 가장 근접성이 큰 모델을 선정하여 본 연구에서의 펀칭전단모델 제안을 위한 경험식을 선정하였다. 이후, 본 해석에서 도출된 경험식에 대해, 실험값과의 수치해석을 통한 크기효과, 세장비효과 및 RC거더의 휨강성 저하효과에 대한 경험식을 적용함으로써, 이방향 콘크리트 슬래브와 바닥판의 펀칭전단모델을 새롭게 제안하였다. 제안된 펀칭전단모델은 기존 모델들에 비해 실험값에 대한 안정적인 보수평가가 가능하며, 확률불확실성에 의한 확률분포의 평가도 기존 모델들에 비해 우수한 특성을 보이는 것으로 분석되었다.; To solve the degradation of structural capacity of RC structures from steel corrosion, maintaining techniques using FRP material have been applied to the construction field. These efforts, however, make large amount of maintaining cost during the service life of concrete structures. To fundamentally improve this problem, FRP rebars have been remarkably interested as substituting material to conventional steel rebars for concrete structures. Even though many researches for FRP rebars have been investigated, they have usually been focused on the one-way concrete structures such as beams. Thus, for more effective application of FRP rebars, it needs to extend to the two-way concrete structures reinforced with FRP rebars. The objective of this study is to propose the new punching shear model for two-way concrete slabs of building structures and bridge decks structures reinforced with FRP or steel rebars. To do this, two evaluating methods are applied here. One is the ratio of test to model and the other is probability analysis with probabilistic uncertainties. The purpose of evaluating the ratio of test to model is to investigate that the proposed punching shear model can predict the punching shear strength as conservative. In the case of probability analysis, it is to investigate reliability of the proposed punching shear model with probabilistic uncertainties such material, geometry and modeling error. The reliability of the proposed punching shear model is evaluated by investigating the compatibility between the nominal punching shear load and punching shear load according to the targeted confidence level of 95%. For comparative study of the proposed punching shear model, eleven existing punching shear models are investigated. For these models, the ratio of test to the result and probability analysis with uncertainties comparing 61 selected experimental data is conducted. In the result of the analysis, the main empirical function to propose the new punching shear model is found. From this, the new punching shear model for two-way concrete slabs and bridge decks reinforced with FRP rebars is proposed by adapting the empirical function for size effect, slenderness effect and flexural stiffness of RC girders, respectively. In conclusion, it shows that the proposed punching shear model evaluates the tested punching shear strength as conservative with stability and it exhibits better probabilistic characteristics than existing punching shear models.