탄소섬유보강 플라스틱시트로 외부보강된 RC 슬래브의p-Version 비선형 유한요소 해석
p-Version Nonlinear Finite Element Analysis of RC Slabs Strengthened with Externally Bonded CFRP Sheets
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초록
본 연구의 목적은 CFRP시트로 보강된 4변 단순지지 철근콘크리트 슬래브의 역학적 거동 특성을 규명하기 위한 것으로, 이를 위하여 p-version 비선형 유한요소 모델이 사용되었고 형상함수로는 적분형 르장드르 다항식이 채용되었다. 슬래브는 두께 방향으로 층상화기법이 이용되었고, 이때 철근과 탄소섬유보강판은 등가의 내부 철근층 및 외부 보강층으로 환산되었다. CFRP시트로 보강된 철근 콘크리트 슬래브의 역학적 거동 특성을 알아보기 위하여 몇 가지의 수치 예를 제시하였다. 수치 예에서 고려된 철근비는 슬래브 단면적의 0.0%∼1.0%, CFRP의 보강두께는 슬래브 두께의 0.0%∼0.2% 그리고 CFRP 보강 면적은 전체 슬래브 면적의 0%∼100%로 하였다.이러한 수치 예를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.1. CFRP시트로 슬래브의 중앙부분을 25% 이상 보강하면 슬래브 전 면적을 보강한 경우와 처짐 및 파괴하중은 거의 같은 것으로 나타났다.2. CFRP의 보강두께에 따라 슬래브 중앙 처짐의 감소는 철근이 없는 경우 34.8%, 철근비 0.5%인 경우 27%, 그리고 철근비가 1.0%인 경우 17%의 감소를 나타냈다. 즉 철근비가 작을수록 CFRP의 보강효과는 큰 것으로 나타났다. 3. CFRP 보강두께에 따른 파괴강도는 철근이 없는 경우 12.5%, 철근비 0.5%의 경우 10%, 그리고 철근비 1.0%의 경우에는 8.3%의 증가를 나타냈다. 즉 철근비가 작을수록 FRP의 보강두께가 파괴하중의 크기에 미치는 영향은 더 크게 나타났다. 4. 철근 및 CFRP 보강각도는 45/-45/0/90 및 45/-45/45/-45일 때 처짐이 가장 작게, 그리고 0/90/0/90 및 0/90/45/-45일 때 처짐은 가장 크게 나타났다. 보강각도에 따른 파괴하중은 철근비 0.5%일 때 10.0%, 철근비 1.0%일 때 7.7%의 차이를 나타냈다. 즉 철근비가 작은 경우 철근 및 CFRP의 보강각도의 영향이 더 크게 나타났다.
Abstract
The p-version nonlinear finite element model has been developed to analyze the nonlinear behavior of simply supported RC slabs strengthened with carbon fiber reinforced plastic sheets. The shape function is adopted with integral of Legendre polynomials. The compression model of concrete is based on the Kupfer's yield criterion, hardening rule, and crushing condition. The cracking behavior is modeled by a smeared crack model. In this study, the fixed crack approach is adopted as being geometrically fixed in direction once generated. Each steel layer has a uniaxial behavior resisting only the axial force in the bar direction. Identical behavior is assumed for tension and compression of steel according to the elastic modulus. The carbon fiber reinforced plastic sheets are considered as reinforced layers of equivalent thickness with uniaxial strength and rigidity properties in the present model. It is shown that the proposed model is able to adequately predicte the displacement and ultimate load of nonlinear simply supported RC slabs by a patch with respect to reinforcement ratio, thickness and angles of CFRP sheets.
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