신뢰성해석에 기초한 FRP rebar로 보강된 콘크리트보의 휨 강도감소계수 보정

Abstract

FRP rebar를 콘크리트구조물에 적용하는 것에 대한 관심이 국내?외적으로 증가하고 있는 실정이다. FRP rebar를 철근대체 재료로서 사용하기 위하여 미국, 캐나다 및 일본 등의 선진국에서는 이미 연구단계를 넘어 실용화 단계에 있으나, 국내에서는 아직까지 매우 초보적인 단계에 머무르고 있다. FRP rebar를 사용한 콘크리트의 휨 부재의 설계는 일반철근콘크리트와 달리 FRP rebar와 콘크리트의 취성적인 재료특성으로 균형보강비 이하의 저보강 설계시 극한상태에서 FRP rebar의 파단에 따른 급작스런 취성파괴가 발생되기 때문에 균형보강비 이상으로 설계하게된다. 또한 FRP rebar룰 사용한 콘크리트 휨부재의 부족한 연성을 보완하고 충분한 예비강도를 확보하기 위하여 철근콘크리트보다 안전한 휨 강도감소계수가 요구된다. FRP rebar의 사용을 위한 미국의 설계법인 ACI 440.1R-06에서는 FRP rebar를 사용한 콘크리트 휨 부재의 파괴형태에 따라 서로 다른 휨 강도감소계수를 제안하고 있다. 동일한 단면에 균형보강비 이상으로 설계된 FRP rebar로 보강된 콘크리트 휨 부재의 휨 강성은 크게 증가하게 된다. 그러나 이처럼 휨 강성이 증가 됨에도 불구하고 ACI 440.1R-06에서는 동일한 휨 강도감소계수를 적용하고 있다. 또한 다양한 재료로 개발되어진 모든 FRP rebar에 동일한 휨 강도감소계수를 적용하고 있다. 이는 보강비 증가 효과와 FRP rebar 선정을 제한하는 것이라 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 FRP rebar의 재료특성과 보강비 변화를 고려할 수 있는 휨 강도감소계수 보정식을 신뢰성해석을 통하여 제안 하였다. 본 연구에서는 콘크리트구조물의 보수?보강을 위해 국내에서 개발되어 상용중인 FRP rebar로 보강된 콘크리트보의 정적 휨 거동시험을 수행하였으며, 그 결과를 ACI 440.1R-06에서 제안하고 있는 휨 강도식과 비교하였다. 본 연구에서의 수행된 시험체수의 한계를 극복하고자 관련문헌조사를 통해 시험데이터의 수를 보완하였으며, 한걸음 더 나아가 신뢰성해석을 수행하기 위해 콘크리트보의 휨 설계변수들에 대한 통계적 특성치를 산출하였다. 설계변수의 통계적 특성치는 측정, 실험결과 그리고 문헌자료로부터 결정하였으며, FRP rebar로 보강된 콘트리트보의 휨 강도와 통계적 특성치를 Monte-Carlo Simulation을 사용하여 결정하였다. 휨 강도에 대한 분포특성은 K-S검증방법과, -test검증방법을 사용하였다. 결정된 휨 강도의 통계적 특성치로 부터 AFOSM을 사용하여 FRP rebar로 보강된 콘트리트보의 휨 강도감소계수를 산정하였다. 신뢰성지수의 도출은 Rackwitz-Fiesler의 방법을 사용하였으며, 목표신뢰성지수에 따른 평균휨강도를 산정하였다. 산정된 평균휨강도로부터 휨 강도감소계수 및 하중계수와의 관계식의 함수를 최소화하는 휨 강도감소계수를 각 보강비에 따라 산정하였다. 이상의 시험연구와 해석연구를 통하여 GFRP rebar와 CFRP rebar로 보강된 각 콘트리트보의 휨 강도감소계수 보정식을 제안하였다. 본 연구에서는 GFRP rebar와 CFRP rebar로 보강된 콘트리트보의 휨 강도감소계수 산정식을 제안하였으며, 제안된 휨 강도감소계수 제안식은 보강비를 고려함으로써 ACI 440.1R-06 설계법에서의 휨 강도감소계수 값 보다 합리적인 휨 강도감소계수 값을 산정할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 국내 GFRP rebar와 CFRP rebar로 보강된 콘크리트 휨 부재 설계시 안전성 확보 및 경제적인 설계를 가능하게 할 것으로 예상되며, 또한 향후 연구수행 될 다양한 FRP rebar의 휨 강도감소계수의 산정과 활용에 대한 기반으로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.; The interest in applying the FRP rebar to concrete structure has been continually increased in Korea and many foreign countries. This interest has been raised focused on the possibility of using the FRP rebar as the main reinforcing bar of concrete structure, material substituting the steel reinforcement, instead of repair and reinforcement purposes or uses. The design and construction guideline focused on the use of FRP rebar has been developed and widely used in the advanced countries such as United States, Canada and Japan based on many research or study results. If the flexural member of concrete is designed using the FRP rebar, suddenly brittleness destruction resulted from the fracture of FRP rebar is generated in the extreme situation because of brittleness characteristics of FRP rebar and concrete when designed to be less than balanced reinforcement ratio, so it is recommended to design the flexural member of concrete to be more than balanced reinforcement ratio. Also, the bending strength decrease coefficient, which is more safe than the one of reinforced concrete, is required for supplementing the insufficient ductility and securing the sufficient strength. In ACI 440.1R-06, representative design standard applicable to the FRP rebar, proposes the different bending strength decrease coefficient according to destructive form of concrete flexural member using the FRP rebar. The concrete flexural member using the FRP rebar must be designed to exceed the balanced reinforcement ratio for guaranteeing the characteristics and safe use of FRP rebar. If the concrete flexural member is designed as above, bending rigidity will be considerably increased. However, ACI 440.1R-06 applies the same bending strength decrease coefficient regardless of increased bending rigidity. Also, ACI 440.1R-06 applies the same strength decrease coefficient to all FRP rebars made of diverse materials. If the same strength decrease coefficient is applied to all FRP rebars, effect of increasing the reinforcement ratio and selection of FRP rebar will be considerably limited. In this regard, we are to propose the formula to calculate the bending strength decrease coefficient in consideration of change in characteristics of FRP rebar and L/D through the reliability analysis in this paper. First, we perform the static bending behavior test against the concrete beam, reinforced by the FRP rebar developed and commercialized by the Korean technical staffs, in relation with the bending strength formula proposed by ACI 440.1R-06 for the purpose of performing this study and then verify the design and theory formula against the test results through the documentary survey. We decide the statistical characteristic value of flexural design variables of concrete beam reinforced by FRP rebar for the performance of reliability analysis. The statistical characteristic value of flexural design variables is decided based on the measurement and test results and surveyed documents and data. Also, the bending strength and statistical characteristic value of concrete beam reinforced with FRP rebar are decided through the Monte-Carlo Simulation. At this time, the distribution characteristics of flexural strength are verified through the K-S Verification method and χ2-test verification method. The bending strength decrease coefficient of concrete beam, reinforced by FRP rebar, is calculated based on the statistical characteristic value of decided bending strength through AFOSM. The reliability index is calculated using the method proposed by the Rackwitz-Fiesler. Also, the bending strength decrease coefficient value showing the minimum error against the target reliability index is calculated. the proposed formula is to calculate the bending strength decrease coefficient of concrete beam reinforced with GFRP rebar and CFRP rebar through above experimental and analysis studies and multiple regression analysis. In this study, the proposed formula is to calculate the bending strength decrease coefficient of concrete beam reinforced with GFRP rebar and CFRP rebar and to calculate the bending strength decrease coefficient is decided in consideration of change in reinforcement ratio and L/D, so this formula guarantees the calculation of strength decrease coefficient, which is more reasonable coefficient than strength decrease coefficient calculated using ACI 440.1R-06 design method, and effective design of concrete beam reinforced with FRP rebar. In addition, this result guarantees the safe and economical design of flexural member of concrete reinforced by the GFRP rebar and CFRP rebar. Also, this result is expected to be widely used as the foundation for calculating and utilizing the bending strength coefficient of FRP rebar to be studied in the future.