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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.3 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.3.001

Analytical Study of the Flexural Capacity of Preflex Girders Reinforced by FRP Sheets

Ka, Hoon1, Choi, Jin-Woo2, Kim, Young-Ho3, Jong-Myen Park4
1PhD. Candidate, Department of Civil Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
2General Manager, Jiseung C&I Co., Ltd., Seoul, Korea
3Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Mokpo National University, Mokpo, Korea
4President, Jiseung C&I Co., Ltd., Seoul, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Young-Ho Department of Architectectural Engineering, 1666, Yeongsan-rp, Cheonggye-myeon, Muan-gun, Jeollanam-do 58554, Korea. Tel: +82-61-450-2454, Fax: +82-61-450-6454 E-mail: kimyoungho@mokpo.ac.kr
April 2, 2021 May 10, 2021 May 17, 2021

Abstract


Reinforcement of deteriorated bridges in Korea is constantly increasing; thus, interest in FRP reinforcement has also increased. In this paper, design formulas, which were referred from ACI Committee 440 with respect to the application of FRP reinforcements to preflex girders, were proposed. In addition, the FRP-reinforcement characteristics of preflex girders were reviewed using design examples. The design results revealed that the FRP reinforcement demonstrated excellent performance in terms of flexural-reinforcement effect against cracks that occurred in the concrete casing of preflex girders and corrosion of rebars.



FRP시트로 보강된 프리플렉스 거더의 휨성능에 대한 해석적 연구

가훈1, 최진우2, 김영호3, 박종면4
1서울시립대학교 토목공학과 박사과정
2㈜지승씨앤아이 부장, 공학박사
3국립목포대학교 조교수, 공학박사
4㈜지승씨앤아이 대표이사, 공학박사

초록


국내 노후교량에 대한 보강은 지속적으로 증가하고 있으며, FRP 보강재에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 이 논문에 서는 ACI Committee 440를 참고하여, 프리플렉스 거더의 FRP 보강재 적용을 위한 설계식을 제안하였다. 또한, 프리플렉스 거더 의 FRP 보강재 적용 특성을 설계예제를 통해 제시하였다. 설계 결과를 통해, FRP 보강재는 사용성 측면에서 우수한 휨보강 효 과를 나타내었다.



    1. 서 론

    섬유강화복합재(Fiber Reinforced Polymer Plastic: FRP) 는 강도가 크고, 단위중량이 작으며, 내부식성 및 내 화학성이 우수한 많은 장점을 가지고 있는 신소재로 서, 다양한 건설 분야에 적용하기 위한 연구들이 진 행되어 왔다. 그중, FRP 보강재를 이용한 공용중 콘 크리트 구조물의 보수보강 분야는 실제 현장의 적용 실적이 많은 분야 중 하나이며, 그에 대한 연구 또 한 활발하게 진행되고 있다(Kim and Kim, 2012;Choi et al., 2013;Jeong et al., 2020).

    Kim and Kim(2012)은 철근콘크리트(Reinforced Concrete: RC) 부재에 보강된 탄소섬유시트(carbon fiber sheet)의 단부를 계단식으로 보강한 후, 두께 변 화에 따른 보강효과를 실험적 연구를 통해 검증하였 고, Choi et al. (2013)은 단철근 직사각형 보와 복철 근 직사각형 보, T형 보에 대한 보강효과에 대한 해 석적 연구를 수행하였다. 또한, Joeng et al. (2020)은 바잘트 섬유(basalt fiber sheet)로 보강된 RC 부재의 휨보강효과에 대한 실험적 연구를 수행하였다.

    기존 연구에서 나타난 것과 같이, 현재 국내에서 수행 중인 FRP를 이용한 콘크리트 휨보강에 관한 연구는 건축 분야에서 주로 적용하는 RC보에 대하 여 진행되고 있으며, 토목 분야 관련 연구는 주로 교각에 대한 내진보강에 관련된 연구로 국한되어 있 다(Lee et al., 2001;Chung et al., 2002;Jeon, 2018). 이와 같은 연구 경향의 원인은 대다수의 현장 적용 사례가 건축보의 휨강도보강에 국한되어 있고, 토목 분야의 적용 사례는 교각의 내진보강에 국한되어 있 기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 교량의 거더 또는 바닥판 등의 휨부재의 보수보강에 FRP 보강재를 적 용하기 위한 국내설계기준이 마련되어 있지 않기 때 문에, 보강설계 수행에 어려움이 있다. 국외설계기준 (ACI Committee 440, 2017)에서는 한계상태설계(Limit state design) 개념을 도입하여 RC 부재와 PSC 거더 에 대한 보강설계식을 제시하고, 이에 대한 이론적 근거를 제시하고 있다. 그러나 프리플렉스 거더(preflex girder)와 같은 강합성 거더(steel-concrete composite girder) 등의 특정 공법에 대하여 ACI Committee 440 설계법을 적용하기엔 실무적 한계가 존재하고 있다.

    국내 노후 교량은 지속적으로 발생하고 있고 그 에 따른 보수보강 분야의 수요가 점차 증가하고 있 는 상황을 고려할 때, 보강성능뿐만 아니라 내부식 성, 경량재료 사용으로 인한 시공성 등 다양한 장점 이 있는 FRP 보강재 공법의 적용수요는 지속적으로 증가할 것으로 판단된다.

    이 연구에서는 국외설계기준(ACI Committee 440, 2017)을 참고로 하여, 교량에 주로 적용하는 거더 형 식 중 하나인 프리플렉스 거더 보강에 대한 설계식 을 제안하고, 설계 적용 예를 제시하였다. 또한, 설 계 적용 예를 통해 FRP 보강재를 적용한 프리플렉 스 거더의 보강 효과에 대하여 검토하였다.

    2. ACI Committee 440 설계법

    이 장에서는 프리플렉스 거더 FRP 보강재 적용을 위한 보강설계식 제안을 위해 기존 ACI Committee 440 (2017)에서 규정한 RC 부재를 대상으로 한 FRP 보강설계식의 주요 내용을 정리하였다.

    2.1 가정사항

    FRP 보강재 설계의 주요 가정사항은 다음과 같으며, 이 외에는 일반적인 RC 구조의 가정사항을 반영하 여 수행한다(ACI Committee 440, 2017).

    • ① FRP 보강재와 콘크리트면 사이는 완전부착된다.

    • ② FRP 보강재의 전단변형은 무시한다.

    • ③ FRP 보강재의 응력-변형률 관계는 보강재가 파괴될 때까지 선형탄성을 유지한다.

    2.2 설계인장강도 및 최대인장변형률

    FRP 보강재 설계 시 설계인장강도와 최대인장변형률 은 시험을 통해 얻은 평균인장강도와 표준편차를 적 용하도록 규정하고 있다(ACI Committee 440, 2017).

    또한, ACI Committee 440 (2017)에서는 FRP의 장 기거동에 따른 강도 감소를 고려하기 위하여, 노출 환경을 고려한 강도감소계수(environmental reduction factor, C E)를 적용하고 있다. 강도감소계수는 구조물 의 노출 정도와 보강섬유의 종류에 따라 구분되며, 강도감소계수는 Table 1, 노출계수에 따른 설계인장 강도와 최대인장변형률은 식 (1)∼(2)에 나타내었다 (ACI Committee 440, 2017).

    f f u = C E f f u *
    (1)

    f u = C E f u *
    (2)

    식 (1)∼(2)에서, f f u * f u * 는 실험으로부터 구한 FRP 시트의 인장강도와 최대인장변형률, ffuϵfu 는 노출환경영향을 고려한 FRP 보강재의 인장강도 및 최대인장변형률을 의미한다.

    2.3 FRP 보강재의 응력과 변형률

    FRP 보강재의 부착성능을 검토하기 위하여 계수하 중에 의해 발생하는 설계변형률과 극한변형률의 0.9 를 적용하여 식 (3)과 같이 검토한다.

    f d = 0.41 f c n E f t f 0.9 f u
    (3)

    식 (3)에서, n은 FRP 보강재의 보강수, E f는 FRP 보강재의 탄성계수, tf는 보강재의 두께를 의미하며, fc는 콘크리트의 설계기준압축강도를 의미한다.

    FRP 보강재를 부착한 RC 부재 단면의 변형률 분 포 및 평형 관계는 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에 나타 낸 것과 같이 FRP 보강재의 유효변형률은 활하중에 의한 변형률이며, 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 또 한, FRP 보강재는 선형탄성거동을 가정하여 설계하 기 때문에 유효응력은 구성관계에 따라 식 (5)와 같 이 나타낼 수 있다(ACI Committee 440, 2017).

    f e = c u ( d f c c ) b i f d
    (4)

    f f e = E f f e
    (5)

    식 (4), (5)에서, ffeϵfe는 FRP 보강재의 유효 인장강도 및 유효인장변형률, ϵcu는 콘크리트 최대 압축변형률, ϵbi는 콘크리트 자중에 의한 하연의 인 장변형률, ϵfd는 FRP 보강재 기준인장변형률을 의미 한다.

    2.4 강도감소계수

    RC 단면은 FRP 보강재 적용 시 충분한 연성을 확보 하여야 한다. ACI Committee 440 (2017)에서는 RC 부재의 휨거동에 대하여, 철근의 변형률을 최소 0.005 이상 확보해야 한다고 명시하고 있으며, 이에 대한 영향을 고려하기 위하여 강도감소계수는 철근 의 변형률에 따라 식 (6)과 같이 제안하고 있다. (ACI Committee 440, 2017).

    ϕ = { 0.93 for t 0.005 0.65 + 0.25 ( t s y ) 0.005 s y for s y < t 0.005 0.65 for t s y
    (6)

    식 (6)에서, ϕ는 강도감소계수, ϵt는 철근의 인장 변형률, ϵsy는 철근의 항복변형률을 의미한다.

    2.5 설계휨강도

    설계휨강도는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 단면을 구 성하는 콘크리트와 철근, FRP 보강재의 변형률 적합 조건과 하중평형조건을 만족하여야 하며, 철근에 발 생하는 변형률은 식 (7)로 구하고, 식 (8)을 만족하여 야 한다(ACI Committee 440, 2017).

    s = ( f e + b i ) ( d c d f c )
    (7)

    f s = E s s f y
    (8)

    식 (7), (8)에서, ϵs는 철근의 발생변형률, d는 철 근의 유효깊이, df는 FRP 보강재의 유효깊이, c는 콘 크리트 상연에서 중립축까지의 거리, fs는 철근의 발 생응력, E s는 철근의 탄성계수, fy는 철근의 항복강 도를 각각 의미한다.

    FRP 보강재로 보강한 RC 부재의 설계휨강도는 식 (9)를 통해 구한 중립축을 이용하여 식 (10)과 같 이 구한다(ACI Committee 440, 2017).

    M n = A s f s ( d β 1 c 2 ) + ψ f A f f f e ( d f β 1 c 2 )
    (9)

    M d = ϕ M n M u = 1.2 M D + 0.85 M L
    (10)

    식 (9)∼(10)에서, α1은 콘크리트 등가직사각형응 력분포의 크기 계수, β1은 콘크리트 등가직사각형응 력분포의 깊이 계수, b는 콘크리트 단면의 폭, A s는 철근의 단면적, A f는 FRP 보강재의 단면적, ψf는 FRP의 강도감소계수, M DM L은 고정하중과 활하 중에 대한 휨모멘트를 각각 의미한다.

    2.6 사용성 검토

    FRP 보강재로 보강한 RC 부재의 처짐 및 균열은 ACI Committee 318 (2019) 규정을 만족하여야 하 며, 철근과 FRP 보강재의 발생응력을 검토하여야 한다. 철근과 FRP 보강재의 발생응력은 사용하중 재하 시의 균열환산단면으로 검토하며, 철근 및 FRP 보강재에 발생하는 응력은 식 (11), (12), 사용 하중 재하 시 RC 부재의 변형률 분포 및 평형 관 계는 Fig. 2에 각각 나타내었다. 또한, FRP 보강재 의 허용응력은 Tabe 2에 정리하였다(ACI Committee 440, 2017).

    f s , s = [ M s + b i A f E f ( d f k d 3 ) ] ( d k d ) E s A s E s ( d k d 3 ) ( d k d ) + A f E f ( d f k d 3 ) ( d f k d )
    (11)

    f f , s = f s , s ( E f E s ) d f k d d k d b i E f
    (12)

    식 (11), (12)에서, fs,sff,s는 사용하중 재하 시 철근과 FRP 보강재의 응력, M s는 사용하중에 대한 휨모멘트의 합을 각각 나타낸다.

    3. 프리플렉스 거더 보강 FRP 보강재의 보강설계식 제안

    ACI Committee 440 (2017)에서는 FRP 보강재가 파 괴시까지 선형탄성거동한다는 가정하에 구성재료의 적합 관계과 평형 관계를 통한 이론식을 대부분의 설계식으로 적용하고 있으며, 환경영향계수, 강도감 소계수, FRP 보강재의 허용응력 등의 기준은 기존 연구결과들을 토대로 규정하고 있다. 따라서 ACI Committee 440 (2017)에서는 프리플렉스 거더 등의 합성 부재에 대한 보강식을 제시하고 있지 않지만, 이론적 근거를 통해 검토가 가능하도록 구성되어 있다. 이 장에서는 프리플렉스 거더 FRP 보강재 적용 검토를 위한 이론적 근거와 설계식을 제시하 였다.

    3.1 설계휨강도

    설계휨강도는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 상부슬래브 와 중립축 상단의 I형 강재가 저항하는 압축력, 중립 축 하단의 I형 강재와 보강철근, FRP 보강재가 저항 하는 인장력의 평형 관계를 통해 중립축을 구하여야 하며, 이때의 평형 관계는 식 (13)과 같다. 또한, 이 평형 관계에 대한 휨강도는 식 (14)와 같다.

    α 1 f c β 1 b c + P s f c 1 + P s f 1 + P s w c = P s w t + P s f 2 + P s f c 2 + A r f r + A f f f e
    (13)

    M n = P s w t y s w t + P s f 2 y s f 2 + P s f c 2 y s f c 2 + P r y r + ψ P f y f
    (14)

    식 (13), (14)에서, P iyii에 대한 작용하중과 중립축에서의 거리를 각각 의미하며, 아래첨자 sfc1, sf1, swc, swt, sf2, sfc2, r은 강형의 상부플랜지 보 강판, 상부플랜지, 압축측 복부, 인장측 복부, 하부플 랜지, 하부플랜지 보강판 및 철근을 각각 의미한다. 또한, 식 (14)는 중립축이 복부에 있다고 가정하여 나타낸 식으로 슬래브의 유효폭이 큰 경우에는 중립 축의 위치에 따라 인장측에 대하여 별도 고려 후 적 용하여야 한다.

    3.2 사용성 검토

    사용성 검토 중 처짐 및 균열에 대한 검토는 기존 ACI Committee 440 (2017)의 규정에 따라 검토하며, 철근 및 FRP 보강재에 작용하는 응력은 강형의 영 향을 고려하여 Fig. 4와 같이 적용하여야 한다.

    사용하중 모멘트는 인장측의 저항모멘트에 대하 여 식 (15)와 같이 나타낼 수 있으며, Fig. 4에 나타낸 변형률 분포에 따라 철근과 FRP 보강재에 발생하는 변형률의 관계는 식 (16)과 같이 나타낼 수 있다.

    M s = M f , s + M r , s + M s t , s = A f E f f , s ( d f ψ k d ) + A r f r , s ( d ψ k d ) + M s t , s
    (15)

    f , s = d f k d d k d r , s b i
    (16)

    식 (15), (16)에서, M f,s, M r,s, M st,s는 사용하중 작 용시 FRP 보강재, 철근, 인장측 강형에 작용하는 휨 모멘트를 각각 의미하며, ψ는 콘크리트 압축측 연단 에서 압축측 작용하중의 합력 작용점까지의 거리에 대한 계수이다. 또한, ϵf,sϵr,s는 사용하중 작용 시 FRP 보강재와 철근에 작용하는 변형률을 각각 의미 한다.

    식 (16)을 식 (15)에 대입하고, 양변에 E r(d-kd) 를 곱하면 식 (17)과 같이 나타낼 수 있다.

    [ M s M s t , s + b i A f E f ( d ψ k d ) ] ( d k d ) E r = A r f r , s E r ( d ψ k d ) ( d k d ) + A f E f f r , s ( d f ψ k d ) ( d f k d )
    (17)

    식 (17)에서, fr,s는 사용하중 작용 시 철근에 작용 하는 응력, E r은 철근의 탄성계수를 각각 의미한다.

    따라서, 식 (17)을 사용하중 작용 시 철근에 발생 하는 응력(fr,s)에 대하여 정리하면, 식 (18)과 같이 철근의 발생응력을 구할 수 있으며, 식 (16)에 FRP 보강재의 탄성계수를 양변에 곱하면 식 (19)와 같이 FRP 보강재의 응력을 구할 수 있다.

    f s , s = [ M s M s t , s + b i A f E f ( d f k d 3 ) ] ( d k d ) E r A r E r ( d k d 3 ) ( d k d ) + A f E f ( d f k d 3 ) ( d f k d )
    (18)

    f f , s = f s , s ( E f E r ) d f k d d k d b i E f
    (19)

    식 (18)은 ACI Committee 440 (2017)에서 제시하 고 있는 식 (11)에서 사용하중에 의한 휨모멘트에 강 형이 저항하는 휨모멘트를 제외한 결과와 같다. 따 라서 다수의 보강재가 배치된 콘크리트 부재의 FRP 보강 검토 시, 철근에 발생하는 응력은 사용하중에 대한 설계휨모멘트에 기타 보강재가 적용하는 휨모 멘트의 영향을 제외한 것과 같다. 또한, 식 (19)는 변 형률의 적합 관계를 통해 구한 식으로 식 (12)와 동 일하다.

    식 (18), (19)는 사용하중 작용 시에 작용하는 각 구조요소의 하중 평형 관계에 따라 콘크리트 연단에 서 중립축까지의 거리(x = kd)를 구하여야 하며, 콘크 리트 압축측 연단에서 압축측 작용하중의 합력 작용 점까지의 거리(ψ)를 선행하여 구하여야 한다.

    4. FRP 시트로 보강된 프리플렉스 거더의 휨보강 특성

    이 장에서는 3장에서 제시한 보강설계식을 적용하여 프리플렉스 거더에 대한 FRP 보강재 적용 설계 예 제를 작성하였으며, 이를 통해 FRP로 보강된 프리플 렉스 거더의 휨보강 특성을 검토하였다.

    4.1 설계조건

    설계 예제는 경간 45m, 단면높이 1.8m의 프리플렉스 거더를 대상으로 작성하였으며, 상부슬래브에 배근 하는 철근의 영향은 무시하였다. 설계 예제의 단면 형상은 Fig. 5에 나타내었다.

    보강재료인 하이브리드 보강재는 탄소섬유와 유 리섬유를 혼합하여 제작한 보강시트로서, 강도 등의 재료적 특성은 탄소섬유와 유사하고, 연성은 보다 우 수한 것으로 알려져 있다. 그러나, ACI Committee 440 (2017)에는 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드섬유 외의 섬유로 제작된 FRP 보강재 대한 설계변수를 제 시하고 있지 않다. 따라서, 보강재의 설계변수는 탄 소섬유의 변수를 적용하였다. 보강재 및 기타 구조 재료에 대한 설계변수는 Table 37에 나타내었다.

    4.2 보강 적정성 검토 결과

    보강 적정성에 대한 검토는 극한한계상태의 FRP 보 강재의 변형률 검토(식 (3)) 및 부착검토(식 (4))로 이 루어지며, 4장의 FRP 보강재를 사용한 경우에 대한 검토 결과는 Table 8에 요약하였다. FRP 보강재의 변형률 검토에서 인장측의 FRP 보강재에 대한 변형 률 검토는 변형률 적합 관계로 인한 식이므로, 프리 플렉스 거더 보강에 적용하여도 적합할 것으로 판단 된다. 그러나 부착 검토는 전단면을 구성하는 콘크 리트가 동일한 RC 부재에 대한 실험식으로 판단되 며, 강형에 케이싱 콘크리트를 타설한 후, 현장에서 케이싱 콘크리트보다 낮은 설계기준압축강도로 제작 하는 슬래브 콘크리트로 구성된 프리플렉스 거더에 대한 적용성은 검증되지 않은 상태이다. 따라서, 정 확한 보강 검토를 위해서는 이에 대한 추가적인 실 험적 근거가 필요할 것으로 판단된다.

    4.3 휨보강 성능 검토 결과

    휨강도 검토는 중립축 산정(식 (13)) 및 설계휨강도 검토(식 (14), 식 (10))로 이루어진다. 보강재의 보강 수 1∼4장에 대하여 검토한 결과, 보강재의 수가 증 가할수록 콘크리트 연단에서 중립축까지의 거리(c)가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 모든 경우에서 설계휨강도는 계수하중에 의한 휨모멘트보다 크게 나타나 안전성을 확인하였다.

    그러나 설계휨강도는 보강수가 증가할수록 감소 하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 현상은 식 (6)에 나타낸 강도감소계수(ϕ)와 식 (14)에 나타낸 FRP 보 강재의 강도감소계수(ψ)의 영향인 것으로 판단된다. 즉, 보강수가 증가할수록 철근의 인장변형률은 감소 하고 식 (6)에 나타낸 것과 같이 강도감소계수(ϕ) 또 한 감소하게 되며, 이는 설계휨강도 감소의 원인이 된다.

    또한, 보강수가 증가할수록 강형의 인장부와 철 근의 휨강도는 중립축과의 거리 감소로 인해 감소하 고, 전체 휨강도 중 FRP 보강재가 부담하는 휨강도 는 증가하게 된다. 그러나 FRP 보강재의 강도감소계 수(ψ)의 영향으로 FRP 보강재의 휨강도 증가효과는 설계휨강도에 반영되는 영향이 감소한다.

    설계 강도감소계수(ϕ)와 FRP 보강재의 강도감소 계수(ψ)의 영향을 배제할 경우, 휨강도는 FRP 보강 재의 수가 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나, 휨강도 증가는 보강재가 1장에서 4장으로 증가하는 동안 약 0.56%의 증가를 나타내었다. 이와 같은 현상은 프리플렉스 거더 자체의 휨강도가 매우 크기 때문에 상대적으로 휨강도에 대한 보강효과가 비율적으로 작은 것으로 판단된다. 따라서, FRP 보 강재를 이용한 보강설계 시 이와 같은 휨강도 보강 효과를 인지하여야 할 것으로 판단된다. 강도감소계 수 적용 유무에 따른 FRP 보강재 적용 프리플렉스 거더의 보강재 수 증가에 따른 철근 변형률과 강도 감소계수, 휨강도 및 설계 휨강도는 Table 9에 정리 하였으며, 휨강도와 계수하중에 의한 휨모멘트 비교 는 Fig. 6에 나타내었다.

    4.4 철근 및 FRP 보강재의 응력 검토 결과

    철근 및 FRP 보강재의 응력 검토 결과, 보강재의 수 가 증가할수록 철근의 응력은 1장 보강 시보다 46.6%, 66.4%, 76.2% 감소하였으며, FRP 보강재의 응력은 32.4%, 58.0%, 70.4% 감소하였다. 또한, 보강 재의 수가 증가할수록 발생응력의 감소폭은 점차 감 소하는 것으로 나타났다.

    따라서, FRP 보강재는 프리플렉스 거더에 대한 휨보강 시, 하부 케이싱 연단에 발생하는 인장응력 을 FRP 보강재가 모두 저항한다고 가정할 경우, 교 량 노후화로 인한 하부 콘크리트 케이싱의 균열, 인 장재의 부식 등 사용성 측면의 결함에 대한 보강 효 과가 매우 우수한 것으로 판단된다.

    해당 설계 예제에서 보강재는 4장을 적용할 경우 철근과 FRP 보강재의 응력이 허용응력 기준을 만족 하는 것으로 나타났다. 보강재의 수에 따른 보강효 과는 Table 10, Fig. 7, 8에 각각 나타내었다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 ACI Committee 440 (2017)에서 제 시하고 있는 콘크리트 부재의 FRP 보강 설계법을 참고하여 프리플렉스 거더 FRP 보강 설계식을 제안 하고, 설계 예제를 통해 설계 결과 및 보강 적정성 에 대하여 제시하였다. 이 연구를 통해 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.

    • (1) 기존 ACI Committee 440 (2017)은 RC 및 PSC 부재에 대한 검토식을 제안하고 있으며, 보강 적정성 검토 중 부착 검토는 RC 부재에 대한 실험식을 제시하고 있기 때문에 이에 대한 추 가적인 실험적 근거가 필요할 것으로 판단된다.

    • (2) 최근 다양한 보강 섬유를 사용한 FRP 등 다 양한 기술이 개발되고 있는 것에 비해, 강도 감소계수 등 설계변수에 대한 연구는 미진한 실정이다. 따라서, 설계에 이에 대한 영향을 반영하기 위해서는 이러한 실험적 연구가 추 가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

    • (3) 휨강도 검토 결과, 공칭휨강도는 보강재의 수 가 1∼4장으로 증가할 때 약 0.56% 증가하였 으나, 설계 강도감소계수(ϕ) 및 FRP 보강재의 강도감소계수(ψ)를 적용한 설계휨강도는 감소 하는 경향을 나타내었다. 따라서, 프리플렉스 거더의 FRP 보강 설계 시 설계휨강도의 증가 영향은 매우 작은 것으로 나타났다.

    • (4) 철근 및 FRP 보강재의 응력 검토 결과, 보강 재의 수가 증가할수록 철근의 응력은 1장 보 강시보다 46.6%, 66.4%, 76.2% 감소하였으며, FRP 보강재의 응력은 32.4%, 58.0%, 70.4% 감 소하였다. 따라서, FRP 보강재는 프리플렉스 거더의 휨보강 시, 사용성 측면의 결함에 대한 보강 효과가 매우 우수할 것으로 판단된다.

    Figure

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    Strain and Stress Distribution for a RC Section under Flexure at Ultimate Limit State (ACI Committee 440, 2017)
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    Elastic Strain and Stress Distribution (ACI Committee 440, 2017)
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    Strain and Stress Distribution for a Preflex Girder Section under Flexure at Ultimate Limit State
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    Elastic Strain and Stress Distribution for a Preflex Girder Section
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    Cross-Section of Preflex Girder
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    Relationship between Flexural Strength and No. of FRP Reinforcement
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    Relationship between the Stress of Rebar and No. of FRP Reinforcement
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    Relationship between the Stress No. of FRP Reinforcement

    Table

    Environmental Reduction Factor (ACI Committee 440, 2017)
    Service Load Stress Limits in FRP Reinforcement (ACI Ommittee 440, 2017)
    Variables of FRP Reinforcement
    Variables of Casing Concrete
    Variables of Slab Concrete
    Variables of Built-up I-Section
    Variables of Rebar
    Reinforcement Adequacy Results
    Strain of Rebar, Strength Reduction Factor, Nominal Flexural Strength and Design Stregnth According to the No. of FRP Reinforcement
    The Stress of Rebar and FRP Reinforcement According to the No. of FRP Reinforcement

    Reference

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