본 연구는 보강 콘크리트로 철근 대신 복합재료를 사용한 구조물의 설계에 대하여 다양한 파라미터 연구를 수행하여 철근콘크리트 대비 강점을 비교, 분석하였다. FRP 콘크리트는 ACI 440.1R-15를 적 용하였으며, 철근콘크리트 설계는 KDS 14(2021)의 최신 규정을 적용하여 다양한 파라미터 연구를 수 행하였다. 파라미터 변수로 콘크리트 밑단에서 철근의 중심까지의 거리, 보강량, FRP의 탄성계수 및 극한 변형률의 4개로 설정하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) FRP의 탄성계수와 극한 변형률이 클 수록 FRP 콘크리트의 휨성능이 우수하지만, 극한 응력이 동일할 때 극한 변형률보다 탄성계수를 크게 하는 것이 유리하며, 보강량이 작을수록 유리한 것으로 분석되었다. (2) FRP 콘크리트가 인장지배 단 면이나 변화구간 일 때 극한 변형률 증가에 휨성능이 비례해서 증가하지만 압축지배 단면일 경우에는 극한 변형률이 증가해도 휨성능은 증가하지 않는다. (3) FRP 콘크리트의 휨성능은 FRP의 탄성계수와 극한 변형률을 적절하게 조절하여 선택함으로서 최적의 성능을 나타낼 수 있다. (4) 또한, FRP 콘크리 트는 최소 피복두께가 필요하지 않아 추가적인 휨성능이 17~33% 증진 효과가 나타났다.

콘크리트 구조의 인장 보강재로 주로 사용되는 철근은 높은 인장강도와 연성이 우수한 변형 특성에 도 불구하고 부식이 발생할 수 있다는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 부식이 발 생하지 않는 다양한 재료 중 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 철근과 유사한 형태의 Rod로 제작하 여 철근을 대체하는 보강재로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 인장강도가 우수한 탄 소 및 유리섬유를 일방향으로 성형하고 Rod 표면을 굴곡 처리한 CFRP 및 GFRP 보강근을 중심으로 콘크리트 구조에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 연구에서는 FRP Rod를 보강근으 로 하는 콘크리트 부재의 부착특성과 균열폭, 처짐과 같은 사용성 평가에 중요한 역할을 하는 인장강 화효과를 포함한 균열거동 특성을 파악하기 위하여 단변의 피복두께와 FRP 보강근 지름의 비를 1.0에 서 3.5 까지 0.5배씩 증가하는 직사각형 단면을 갖는 길이 1,000mm의 인장부재를 제작하여 만능재료 시험기(Universal Testing Machine)를 이용한 직접인장실험을 수행한 후, 피복두께와 FRP 보강근의 지름 비에 따른 균열거동(Cracking Behavior) 및 인장강화효과(Tension Stiffening Effect)를 분석하고 현행 설계기준의 규정과 비교하였다. 작용하중에 따라 발생하는 균열에 대해서 횡방향균열(Transverse Crack)과 쪼갬균열(Splitting Crack)로 각각 구분하고, DAQ(Data Acquisition) 시스템을 이용하여 콘 크리트 인장부재에 매입된 CFRP 및 GFRP 보강근의 변형량 및 작용하중을 측정하였으며, 그 결과로 부터 하중-변형률 관계로 대표되는 인장강화효과를 분석하였다. 균열거동 및 인장강화효과를 분석한 결과, CFRP 또는 GFRP Rod를 보강근으로 하는 콘크리트 인장부재는 FRP 보강근과 콘크리트의 부 착강도를 감소시키는 쪼갬균열이 발생하지 않도록 피복두께를 보강근 지름의 2.5배 이상 확보하였을 때, 각 보강근별로 극한강도 fu의 60-70%에 해당하는 하중이 작용하는 단계에서 인장강화효과는 우 수한 것으로 나타났으며, 철근을 보강근으로 하는 현행 설계기준의 규정으로 예측한 결과보다 우수한 인장강화효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

Existing reinforced concrete buildings with seismically deficient details have premature failure under earthquake loads. The fiber-reinforced polymer column jacket enhances the lateral resisting capacities with additional confining pressures. This paper aims to quantify the retrofit effect varying the confinement and stiffness-related parameters under three earthquake scenarios and establish the retrofit strategy. The retrofit effects were estimated by comparing energy demands between non-retrofitted and retrofitted conditions. The retrofit design parameters are determined considering seismic hazard levels to maximize the retrofit effects. The critical parameters of the retrofit system were determined by the confinement-related parameters at moderate and high seismic levels and the stiffness-related parameters at low seismic levels.

본 논문은 FRP로 보강된 콘크리트 기둥의 압축성능에 관한 연구를 수행하였다. 압축성능을 분석하기 위해서 P-M 상 관도를 다양한 파라미터 연구를 통해서 비교, 분석하였다. FRP로 보강된 콘크리트 기둥의 P-M 상관도를 AASHTO LRFD(2018) 설계 기준과 Zadeh and Nanni(2013) 연구의 두 가지 모델로 비교, 분석하여 압축성능을 분석하였다. 균형 파괴점(Balance Point)의 위치는 철근으로 보강된 경우는 압축측에 위치하는 반면에 FRP로 보강된 기둥의 경우는 보통 인장측(아래쪽)에 위치하지만 압 축측(위쪽)에도 위치할 수도 있다. FRP로 보강된 콘크리트의 경우의 파괴형태는 콘크리트의 압축파괴로 유도하는 것이 강도 측 면이나 급작스러운 파괴 등의 측면에서 유리하기 때문에 균형 파괴점의 위치가 중요하다. 분석 결과 FRP의 보강비가 커질수록, FRP의 파괴 변형률이 일정하면 파괴 응력과 탄성계수가 커질수록, 파괴 변형률이 커질수록, 콘크리트의 강도가 작을수록 균형 파괴점은 아래쪽으로 내려간다.

Existing reinforced concrete (RC) frame buildings have seismic vulnerabilities because of seismically deficient details. In particular, since cumulative damage caused by successive earthquakes causes serious damage, repair/retrofit rehabilitation studies for successive earthquakes are needed. This study investigates the repair effect of fiber-reinforced polymer jacketing system for the seismically-vulnerable building structures under successive earthquakes. The repair modeling method developed and validated from the previous study was implemented to the building models. Additionally, the main parameters of the FRP jacketing system were selected as the number of FRP layers associated with the confinement effects and the installation location. To define the repair effects of the FRP jacketing system with the main parameters, this study conducted nonlinear time-history analyses for the building structural models with the various repairing scenarios. Based on this investigation, the repair effects of the damaged building structures were significantly affected by the damage levels induced from the mainshocks regardless of the retrofit scenarios.

본 연구는 ACI 등 규정에 없는 FRP 보강 콘크리트의 복보강에 대한 설계흐름도를 제시하였으며, 단보강과 복보강을 비교, 분석하였다. 다양한 파라미터 연구를 통해서 각각 단보강일 때의 이점과 복보강일 때의 이점을 분석하였다. 콘크리트의 단면이 작을수록 보강량이 클수록 복보강의 휨성능이 유리하며, 반대의 경우는 단보강이 유리한 것으로 나타났다. 콘크리트의 단면을 크게 하는 것이 FRP 보강량을 크게 하는 것보다 효과가 좋으며, 콘크리트 단면 중에서 콘크리트 높이를 크게 하는 것이 효과가 우수하게 나타났다. 콘크리트의 설계기준강도가 클수록, FRP의 탄성계수가 작을수록 단보강이 유리하며, 반대의 경우는 복보강이 유리한 것으로 나타났다.

본 연구는 콘크리트구조기준(KDS 14-2021)을 적용한 RC보와 ACI 440.1R-15를 적용한 FRP 콘크리트의 비교 연구를 수행하였다. 파라미터 변수로 피복두께, FRP의 탄성계수 및 극한변형률 그리고 보강량 4가지로 설정하여 비교, 분석을 수행하였 다. 파라미터 연구 분석 결과 FRP의 탄성계수와 극한 변형률이 클수록 FRP 콘크리트의 휨성능이 우수하지만, 극한 응력이 동일 할 때 극한 변형률보다 탄성계수를 크게 하는 것이 유리하다. FRP 콘크리트가 인장지배 단면이나 변화구간 일 때 극한 변형률 증가에 휨성능이 비례해서 증가하지만 압축지배 단면일 경우에는 극한 변형률이 증가해도 휨성능은 증가하지 않는다. 또한, FRP 콘크리트는 최소 피복두께가 필요하지 않아 추가적인 휨성능이 17∼33% 증진 효과가 나타났다.

전 세계 각국은 탄소 배출량을 줄이기 위한 다양한 노력을 하고 있다. 지난 수십 년간 몇몇 연구자들은 탄소배출량 을 줄이기 위해서 철근콘크리트 구조에서 철근을 FRP로 대체하기 위한 연구를 수행해 왔다. FRP보강근을 휨부재로 사용하기 위한 연구는 많이 수행되어 왔으나, FRP 보강근 기둥의 성능을 평가하고 설계하기 위한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연 구는 FRP보강근 콘크리트 구조 기둥과 철근콘크리트 기둥의 P-M 상관도를 비교하고, 철근콘크리트 기둥에서 철근의 대체재로 서 FRP보강근의 활용 가능성을 제시하였고, 변수는 콘크리트의 압축강도, FRP보강근의 종류, 보강근비이다.철근을 GFRP로 대체 할 경우, 요구 GFRP 보강근의 양은 철근의 4배이며, 철근비가 4% 이상이면 동일한 단면으로는 설계할 수 없다. 편심거리비가 1.0보다 크거나 철근비가 4%보다 작은 철근콘크리트 기둥의 철근을 CFRP로 대체할 경우, 보강근의양을 1/2수준으로 줄이거나 단면 크기를 줄일 수 있다.

In this paper, the flexural capacity equation of FRP-bar reinforced concrete beams was verified by comparing the experimental results and flexural capacity obtained according to the ACI procedure. And, also the economic feasibility of FRP-bar reinforced concrete beams was analyzed by comparing nominal moment capacity of beams. The results of analysis were as follows, 1) GFRP concrete beams have lower flexural performance than reinforced concrete beams, whereas CFRP concrete beams have similar flexural performance to reinforced concrete beams under the same reinforcement ratio 2) Although the design moment increased as the compressive strength of concrete increased, the flexural performance of GFRP reinforced concrete beams was found to be lower than the reinforced concrete beams for all reinforcement ratios.

본 논문은 FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 예측하기 위한 해석적 연구결과를 제시한다. FRP 그리드 로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능 예측을 위해 상용구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석이 수행되었다. 유 한요소해석 시 콘크리트와 FRP 그리드 간의 본드-슬립을 고려하였으며, 콘크리트와 FRP 그리드의 구속조건은 BEAM_IN_SOLID 모델이 적용되었다. 이후, 국내 여러 연구자들에 의해 수행된 실험 결과의 재현해석을 통해 제안된 유한요소해석 모델의 정확성 이 검증되었다. 최대하중, 최대하중 시의 변위 실험값에 대한 해석값의 비는 각각 0.990, 0.924, 표준편차 각각 0.056, 0.087로 제 안된 해석모델은 FRP 그리드로 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 제안된 유한해석모델을 이용하여 콘크리트 보의 인장재로 철근이 아닌 CFRP그리드를 적용하기 위한 매개변수해석이 수행되었으며, 콘크리트 압축강도, FRP그리드의 겹 수, FRP그리드의 유효깊이는 CFRP그리드로 보강된 콘크리트 부재의 휨성능에 중요한 인자임을 확인하였다.

손상된 콘크리트 구조물은 적절한 보수 및 보강을 통해 성능과 기능을 회복시켜야 한다. 장기간 공기 중에 노출된 콘크리트는 동결융화 작용으로 균열 및 박리를 일으켜 내부 철근의 부식을 유발하게 되는 주요 요인이 된다. 본 연구에서는 동 결융해 손상을 입은 콘크리트 교각의 FRP 보강의 연성에너지 증가 효과를 분석하였다. 보강 FRP 재료와 보강 높이, 보강 겹수 에 따라 동결융해 손상 콘크리트의 푸쉬오버 매개변수 해석을 수행하여 모멘트 곡률의 연성에너지를 비교 분석하였다. FRP 보 강 높이는 소성 힌지 이상의 높이 보강은 비효율적이며, 동결융해 손상이 커질수록 FRP 보강으로 인한 연성에너지 증가량은 커 지는 것을 확인하였다. 보강으로 인한 연성에너지 증가를 위해서는 고강도 FRP 재료보다는 높은 탄성계수를 갖는 FRP 재료가 효율적으로 나타났다. 또한 각 FRP 재료의 특성에 따라 일정 보강 겹수 이상에서 보강 효과가 나타나는 것을 확인하여 FRP 보 강으로 인한 손상된 콘크리트 교각의 연성에너지를 비교 분석하였다.

본 연구는 콘크리트구조기준(2012)을 적용한 RC보와 ACI 440.1R-15 (2015)를 적용한 FRP 콘크리트를 비교, 분석하였다. 파라미터 변수로 콘크리트의 폭과 높이, FRP의 탄성계수 그리고 보강량 4가지로 설정하여 연구를 수행하였다. 파라미터 연구 결과 보강량비가 상대적으로 적을수록, FRP의 탄성계수가 클수록 RC 대비 FRP 콘크리트의 휨성능이 우수하게 나타났다. 탄성계수가 40GPa이하인 유리섬유는 보강으로 효과가 없으며, 120GPa이상인 탄소섬유는 보강으로 효과가 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 보강량이 상대적으로 적을 경우에 탄소 보강재(CFRP) 콘크리트는 RC 대비 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 재래 철근콘크리트공법의 거푸집 및 철근보강재를 FRP 판으로 대체한 개념이다. FRP판에 리브를 갖게 하여 FRP 판과 콘크리트 합성을 개선하고 거푸집의 강성증가를 유도하여 영구거푸집 및 철근보강재로 활용하는 방안이다. 본 연구는 전단경간비가 짧고 리브가 있는 FRP 판과 콘크리트 합성보의 휨/전단 파괴거동과 균열형태를 비교 분석하였다. 콘크리트의 경우 CDP 모델을 사용하였고, 외연적 비선형 유한요소해석 결과와 기존 실험결과를 정점 하중 및 균열형태에 대해 비교 분석하였다. 유효균열방향 개념을 사용하여 콘크리트 균열패턴을 시각적으로 표현하였다. 인장 등가소성변형률이 0 보다 큰 곳에서 균열이 시작된다고 가정하고, 균열평면에 수직인 벡터의 방향은 최대 주소성변형률의 방향과 평행한 것으로 가정하였다. 이 방향을 콘 크리트의 균열으로 생각하여 실험에서 확보한 균열형태와 비교 분석하였다. ABAQUS/Explicit 의 CDP 모델은 FRP 합성구조체의 비선형 거동 및 균열형태 모사가 가능한 것으로 판단된다. 초기강성의 불일치는 리브가 있는 FRP 판과 콘크리트 사이의 미세균열 및 접착력 등의 문제로 인해 발생한 것으로 사료되며 1차 정점 하중 및 균열형태를 적절히 추적할 수 있으므로 앞으로 다양 한 FRP 합성구조시스템의 거동 및 균열해석에 이용 가능할 것으로 판단되나 보다 다양한 파괴 매카니즘에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 사료된다.

This paper aims to develop numerical models for seismically-deficient reinforced concrete columns retrofitted using a fiber-reinforced polymer jacketing system under blast loading scenarios. To accomplish the research goal, a coupling model reproducing blast loads was developed and implemented to the column model. The column model was validated with a past experimental study, and the blast responses were compared to the numerical responses produced by past researchers. The validated modeling method was implemented to the non-retrofitted and retrofitted column models to estimate the effectiveness of the retrofit system. Based on the numerical responses, the retrofit system can significantly reduce the peak dynamic responses under a given blast loading scenario.

This study develops finite element models for seismically-deficient reinforced concrete building frame retrofitted using fiber-reinforced polymer jacketing system and validates the finite element models with full-scale dynamic test for as-built and retrofitted conditions. The bond-slip effects measured from a past experimental study were modeled using one-dimensional slide line model, and the bond-slip models were implemented to the finite element models. The finite element model can predict story displacement and inter-story drift ratio with slight simulation variation compared to the measured responses from the full-scale dynamic tests.

FRP 보강이 RC 기둥의 내진성능에 미치는 효과를 평가하고자 다양한 실험 연구가 수행되어 왔다. 그 중 많은 연구가 휨지배를 받는 원형 단면 RC 기둥의 거동에 초점을 맞추었다. 단면 형태가 FRP 보강에 의한 구속효과에 영향을 주기 때문에, 단면 형태에 따라 보강효과 및 최종손상 양상이 다를 수 있다. 또한, 기존 RC 기둥 중 일부는 현재의 구조기준을 만족하지 못하는 설계로 인하여 취성적인 파괴 모드인 전단 파괴가 발생할 것으로 여겨진다. 이 두 가지 조건을 고려하여, 현무암 섬유를 함유한 FRP 시트와 복합섬유 패널로 보강한 정사각형 단면을 가진 짧은 RC 기둥의 전단 거동을 살펴보기 위하여 반복하중 실험을 수행하였다. 실험 결과에서 전체적인 전단 거동의 개선을 확인하였으며, 이러한 경향은 모서리 부분에서 심각한 손상이 발생할 때까지 유효하였다.