🧱 휨 설계 RC vs FRP 등가응력블록, 파괴 형태, 설계휨강도, 보강근비, 근거
📚 설계 6종 비교🏠 SJ Tech 홈📧 strustar@konyang.ac.kr
📋 모두 보기, 수정 값을 바꾸면 뒤의 결과가 바로 갱신됨
⭐ 예제
📘 기준, 섬유
GFRP 유리섬유
CFRP 탄소섬유
AFRP 아라미드
✤ FRP 설계기준
RC 비교 기준 = KDS 14 20 (2021), 원문 PDF, 적용 조항은 상단 📚 적용 조항, 원문 버튼
✦ 섬유 종류, 환경조건 → 기준이 정해 주는 계수 (자동 결정)
기준과 섬유, 환경에서 자동 결정되어 회색으로 잠김
환경조건을 직접 입력으로 바꾸면 풀림
🧱 재료
콘크리트 $f_{ck}$
철근(RC) $f_y$, $E_s$
GFRP $f_{fu}^*$, $E_f$
CFRP $f_{fu}^*$, $E_f$
AFRP $f_{fu}^*$, $E_f$
✤ 재료
✦ 콘크리트
✦ 철근(RC)
✦ FRP 보강근
설계인장강도 $f_{fu} = C_E \cdot f_{fu}^*$ ($C_E$는 위 박스에서 자동)
GFRP $E_f$ = 45 GPa = KDS 14 20 68 4.1.4.2(7)② 설계값 (실험자료가 없을 때)
섬유를 바꾸면 그 섬유의 대표값이 채워짐
제품 시험값이 있으면 고쳐 쓰면 됨
▦ 단면, 피복
✤ 단면, 피복
➰ 인장 보강근
철근 D25 ⌀25.4
GFRP G25 ⌀25.4
CFRP G25 ⌀25.4
AFRP G25 ⌀25.4
✤ 인장 보강근 (RC 철근 = 같은 지름)
⚡ 휨 하중
s = 134 mm (자동)40+13+12.7= 65.7GFRP ⌀25.4 × 6본 = 3 + 3 (2단)b = 400
✤ 계수 휨모멘트
판정 = $\dfrac{M_u}{\phi M_n}$ (RC, FRP), 행 추가로 여러 하중 비교
$M_u$ [kN·m]검토
⬓ 압축철근
✤ 압축 보강근 (RC 복철근, 0 이면 단철근)
FRP 는 압축 기여를 세지 않음, 기준이 압축 보강근으로 인정하지 않기 때문임
⭐ 예제 프리셋
누르면 입력 전체가 바뀌고 결과가 바로 갱신, 노란 바탕 = 현재
🧱 휨 설계 RC vs FRP등가응력블록, 파괴 형태, 설계휨강도, 보강근비, 근거, 대안
조항 클릭 = 원문 PDF 해당 쪽. RC 는 철근 항복 기준, FRP 는 압축파괴와 인장파단 중 지배하는 쪽으로 판정함 (FRP 는 압축 보강근 기여 없음)
b = 400h = 600단면, 인장 보강근 6본RC (KDS 14 20 20)0.00330.0085c = 149a = 119✔ 철근 항복FRP (KDS 14 20 68)0.00330.0091c = 142a = 114✔ 콘크리트 압축파괴설계휨강도 검토, Mu vs ϕMnRC (KDS 14 20 20)250 ≤ 465 kN·m ✔FRP (KDS 14 20 68)250 ≤ 342 kN·m ✔
📘 기준KDS 14 20 68 (GFRP), $C_E$ = 0.85🧱 재료$f_{ck}$ = 30, $f_y$ = 400, $f_{fu}$ = 850 MPa, $E_f$ = 45 GPa▦ 단면$b$ × $h$ = 400 × 600 mm, 피복 40 + ⌀13, $d$ = 509 mm➰ 인장 보강근G25(#8) ⌀25.4 × 6본 (2단), $A_f$ = 3,040 mm²⚡ 휨 하중$M_u$ = 250 kN·m⬓ 압축철근없음 (단철근)칩 클릭 = 그 패널, 숫자키 1–6, A = 모두
빠른 조정 자주 바꾸는 8개, 드래그하면 그림이 바로 움직임

① $M_u = 250$ kN·m RC ✔ OK, FRP ✔ OK 📚 설계 6종 (이 하중)

RC (KDS 14 20 20, 이형철근)
✔ OK
0.54$\dfrac{M_u}{\phi M_n}$
여유 46% (소요가 1.86배 되어야 한계)
$\phi M_n$ 설계휨강도464.6 kN·m
파괴 형태철근 항복
인장지배, $\phi$ = 0.85
중립축 $c$, 블록 $a$149.0, 119.2 mm
순인장변형률 $\varepsilon_t$8.53‰ (최소 4.00‰)
VS
$\phi M_n\ \dfrac{\text{FRP}}{\text{RC}}$
74%
$\phi$
0.85 vs 0.65
중립축 $c$ [mm]
149 vs 142
$\rho$ [%]
1.49 vs 1.49
FRP (KDS 14 20 68, GFRP)
✔ OK
0.73$\dfrac{M_u}{\phi M_n}$
여유 27% (소요가 1.37배 되어야 한계)
$\phi M_n$ 설계휨강도341.6 kN·m
파괴 형태콘크리트 압축파괴
압축지배, $\phi$ = 0.65
중립축 $c$, 블록 $a$142.4, 113.9 mm
보강근 응력 $f_f$382 MPa (한계 $f_{fu}$ = 850)
📐 변형률, 응력 도해, RC vs FRP (가운데 단면 = 압축 영역 음영, 왼쪽 RC, 오른쪽 FRP: 변형률 $\varepsilon_{cu}$, $\varepsilon_t$ 와 중립축 $c$, 등가응력블록 $a = \beta_1 c$, 압축력 $C$ = 인장력 $T$, 팔길이 $jd = d - a/2$)
6004009166As = Af3,040.2 mm²c = 149.00.00330.0085✔ 철근 항복0.0080c = 142.40.0033✔ 콘크리트 압축파괴0.00910.0085a = 119.2Cc = 1,216.1 kNT = 1,216.1 kNϕMn = 464.6 kN•m(ϕ = 0.850)(인장지배)[ RC 철근콘크리트 (KDS 14 20 20) ]a = 113.9Cc = 1,162.2 kNT = 1,162.2 kNϕMn = 341.6 kN•m(ϕ = 0.650)(압축지배)[ FRP 콘크리트 (KDS 14 20 68, GFRP) ]
📏 값과 한계, RC vs FRP (가운데 = 검토 항목과 한계, 붉은 눈금 = 한계, 회색 파선 = 참고선, 막대 = 값, 빨간 막대 = 초과)
RCFRP이용률이용률한계 464.6 kN·m250.00.54 ✔한계 341.6 kN·m250.00.73 ✔한계 2.420 %1.4930.62 ✔참고 0.357 %1.493참고 0.400 0.279참고 0.400 0.267최소 4.00 ‰8.530.47 ✔한계 18.89 ‰9.080.48 ✔최소 713 mm²3,0400.23 ✔참고 551 mm²3,040
검토 항목, 한계
휨강도 $M_u$
한계RC 464.6 / FRP 341.6 kN·m
계수하중이 만드는 휨을 단면이 견디는가
강도 검토의 본항목
보강근비 $\rho$
기준RC 2.420 / FRP 0.357 %
너무 많으면 콘크리트가 먼저 깨져 예고 없이 무너짐
중립축비 $c/d_t$
참고참고 0.40 (인장지배 경계 근사) = 0.400
압축을 받는 깊이
깊을수록 취성 파괴에 가까움
순인장변형률 $\varepsilon_t$
기준RC 4.00 / FRP 18.89
최외단 인장 보강근이 얼마나 늘어나는가
연성의 척도
보강근량 vs 최소량
최소RC 713 / FRP 551 mm²
균열 직후 바로 끊어지지 않게 넣는 최소량
📋 단계별 요약, RC vs FRP (① 재료 → ② 파괴 형태 → ③ 중립축 → ④ 휨강도 → ⑤ 보강근량 → ⑥ 종합)
단계항목RC (KDS 14 20 20)FRP (KDS 14 20 68)
① 재료
등가응력블록
$\eta$, $\beta_1$, $\varepsilon_{cu}$1.00, 0.80, 0.00331.00, 0.80, 0.0033
보강근 설계강도$f_y$ = 400 MPa$f_{fu} = C_E f_{fu}^*$ = 0.85 × 1,000 = 850 MPa
② 파괴 형태
보강근비
보강근비 $\rho$ vs 경계1.493 % ($\rho_b$ = 3.175, $\rho_{max}$ = 2.420 %)1.493 % ($\rho_{fb}$ = 0.357 %, $\rho_f/\rho_{fb}$ = 4.18)
판정철근 항복, 인장지배콘크리트 압축파괴 ($\rho_f > \rho_{fb}$)
③ 중립축
보강근 응력, 변형률
$c$, $a = \beta_1 c$149.0, 119.2 mm ($c/d_t$ = 0.279)142.4, 113.9 mm ($c/d_t$ = 0.267)
보강근 응력$f_s$ = 400 MPa ($\varepsilon_s$ = 7.97‰)$f_f$ = 382 MPa ≤ $f_{fu}$ 850
순인장변형률 $\varepsilon_t$8.53‰ ≥ $\varepsilon_{s,min}$ 4.00‰ ✔ OK$\varepsilon_{ft}$ = 9.08‰, $\varepsilon_{fu}$ = 18.89‰ ($\varepsilon_{ft}/\varepsilon_{fu}$ = 0.48)
④ 휨강도
판정
공칭 $M_n$546.6 kN·m
$M_n = A_s f_y (d - a/2)$
525.5 kN·m
$M_n = A_f f_f (d - \beta_1 c/2)$
$\phi$0.850 (인장지배)0.650 (압축지배)
$\dfrac{M_u}{\phi M_n}$0.538 (250 / 464.6) ✔ OK0.732 (250 / 341.6) ✔ OK
⑤ 보강근량 제한
상한, 최소량
상한$\rho$ 1.493 ≤ $\rho_{max}$ 2.420 % ✔ OK휨부재 상한 없음 (압축파괴가 오히려 바람직함)
최소량$A_{s,min}$ = 713 mm² (배근 3,040) ✔ OK
$\max(0.25\sqrt{f_{ck}},\,1.4)\,b_w d/f_y$, 또는 $\phi M_n \ge 1.2M_{cr}$ = 99.4 kN·m
적용 대상 아님 ($\rho_f > \rho_{fb}$, 압축파괴 구간)
참고 $A_{f,min}$ = 551 mm²
⑥ 종합 판정
이용률
$\dfrac{M_u}{\phi M_n}$, 보강근량 제한0.54 ✔ OK
보강근량 ✔ OK
0.73 ✔ OK
최소량 ✔ OK
📐 근거, 계산 과정 (조항 📄 = 원문 위치, 파란 블록 = 이 하중의 대입 계산)
항목RC (KDS 14 20 20 4.1)FRP (KDS 14 20 68)
설계 원칙
$\phi M_n \ge M_u$계수하중이 만드는 휨을 단면이 견디는가
강도 검토의 본항목
$$ M_u \le \phi M_n $$
힘의 평형조건과 변형률의 적합조건에 기초함
$$\begin{aligned}\phi M_n &= 0.850 \times 546.6 = \boxed{\mathbf{464.6}\ \text{kN}\cdot\text{m}} \\ \frac{M_u}{\phi M_n} &= \frac{250.0}{464.6} = \mathbf{0.538}\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$
4.2.1(2)① (4.2-1)
$$ \phi M_n \ge M_u $$
$M_n$ 은 평형과 적합조건으로 (4.2.1(2)②)
$$\begin{aligned}\phi M_n &= 0.650 \times 525.5 = \boxed{\mathbf{341.6}\ \text{kN}\cdot\text{m}} \\ \frac{M_u}{\phi M_n} &= \frac{250.0}{341.6} = \mathbf{0.732}\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$
등가응력블록
$\eta$, $\beta_1$, $\varepsilon_{cu}$
$$ C_c=\eta(0.85f_{ck})\,a b,\quad a=\beta_1 c $$
$f_{ck}\le40$: $\eta=1.00$
$\beta_1=0.80$
$\varepsilon_{cu}=0.0033$ (강도가 커지면 표 4.1-2 로 감소)
$$\begin{aligned}\eta &= 1.00,\quad \beta_1 = 0.80,\quad \varepsilon_{cu} = 0.0033 \\ a &= \beta_1 c = 0.80 \times 149.0 = \boxed{\mathbf{119.2}\ \text{mm}}\end{aligned}$$
$$ \varepsilon_{cu},\ \eta,\ \beta_1 \to \text{KDS 14 20 20} $$
RC 와 같은 블록 계수를 씀 (독자 규정 없음)
$$\begin{aligned}\eta &= 1.00,\quad \beta_1 = 0.80,\quad \varepsilon_{cu} = 0.0033 \\ a &= \beta_1 c = 0.80 \times 142.4 = \boxed{\mathbf{113.9}\ \text{mm}}\end{aligned}$$
파괴 형태 판정최외단 인장 보강근이 얼마나 늘어나는가
연성의 척도
$$ \varepsilon_t \le \varepsilon_y:\ \text{압축지배},\quad \varepsilon_t \ge \varepsilon_{t,tcl}:\ \text{인장지배} $$
인장지배 한계 = 0.005 ($f_y\le400$)
$f_y>400$ 이면 $2.5\varepsilon_y$
그 사이는 변화구간
$$\begin{aligned}\varepsilon_t &= 8.53\text{‰},\quad \varepsilon_y = 2.00\text{‰},\quad \varepsilon_{t,tcl} = 5.00\text{‰} \\ &\to\ \text{Tension Controlled},\quad \text{철근 항복}\end{aligned}$$
$$ \varepsilon_{ft} > \varepsilon_{fu}:\ \text{인장파단},\quad \varepsilon_{ft}\le\varepsilon_{fu}:\ \text{콘크리트 압축파괴} $$
동시에 일어나면 균형파괴
판정은 $\rho_f$ 와 $\rho_{fb}$ 의 비교로도 같음
$$\begin{aligned}\rho_f &= \frac{3{,}040}{400 \times 509.1} = 1.493\%,\quad \rho_{fb} = 0.357\% \\ \rho_f &> \rho_{fb}\ \to\ \text{콘크리트 압축파괴}\end{aligned}$$
균형(보강)근비
$\rho_b$, $\rho_{fb}$너무 많으면 콘크리트가 먼저 깨져 예고 없이 무너짐
$$ \rho_b=\beta_1\eta\frac{0.85f_{ck}}{f_y}\cdot\frac{\varepsilon_{cu}}{\varepsilon_{cu}+\varepsilon_y} $$
인장철근이 항복하는 동시에 콘크리트가 극한변형률에 도달하는 상태
$$\begin{aligned}\rho &= 1.493\%,\quad \rho_b = \boxed{\mathbf{3.175}\ \text{\%}},\quad \rho_{max} = 2.420\%\end{aligned}$$
4.2.1(2)④ (4.2-5)(4.2-6)
$$ \rho_f=\frac{A_f}{bd},\qquad \rho_{fb}=\eta\,0.85\beta_1\frac{f_{ck}}{f_{fu}}\cdot\frac{E_f\varepsilon_{cu}}{E_f\varepsilon_{cu}+f_{fu}} $$
항복이 없어 $f_{fu}$ 로 정의함
$$\begin{aligned}\rho_{fb} &= 1.00 \times 0.85 \times 0.80 \times \frac{30}{850} \cdot \frac{E_f\varepsilon_{cu}}{E_f\varepsilon_{cu}+f_{fu}} = \boxed{\mathbf{0.357}\ \text{\%}} \\ \rho_f &= 1.493\%\quad (\rho_f/\rho_{fb} = 4.18)\end{aligned}$$
보강근 응력
$f_s$, $f_f$
$$ f_s=E_s\varepsilon_s \le f_y $$
항복 뒤에는 변형률과 무관하게 $f_y$
$$\begin{aligned}\varepsilon_s &= 7.97\text{‰}\ \to\ f_s = \min(E_s\varepsilon_s,\ f_y) = \boxed{\mathbf{400}\ \text{MPa}}\end{aligned}$$
4.2.1(2)④ (4.2-4)
$$ f_f=\sqrt{\frac{(E_f\varepsilon_{cu})^2}{4}+\frac{\eta\,0.85\beta_1 f_{ck}}{\rho_f}E_f\varepsilon_{cu}}-0.5E_f\varepsilon_{cu}\ \le f_{fu} $$
압축파괴 구간
인장파단이면 $f_f = f_{fu}$
$$\begin{aligned}f_{fu} &= C_E f^*_{fu} = 0.85 \times 1{,}000 = 850\ \text{MPa} \\ f_f &= \boxed{\mathbf{382}\ \text{MPa}}\quad (f_f/f_{fu} = 0.45)\end{aligned}$$
공칭휨강도
$M_n$계수하중이 만드는 휨을 단면이 견디는가
강도 검토의 본항목
$$ M_n=A_s f_y\!\left(d-\frac{a}{2}\right)+A'_s f'_s (d-d') $$
복철근이면 압축철근 항이 더해짐 (단철근은 $A'_s=0$)
$$\begin{aligned}M_n &= A_s f_y\left(d-\frac{a}{2}\right) = 3{,}040 \times 400 \times \left(509.1-\frac{119.2}{2}\right) = \boxed{\mathbf{546.6}\ \text{kN}\cdot\text{m}}\end{aligned}$$
4.2.1(2)④ (4.2-2)(4.2-3)(4.2-7)
$$ M_n=A_f f_f\!\left(d-\frac{\beta_1 c}{2}\right),\qquad c=\frac{\varepsilon_{cu}}{\varepsilon_{cu}+f_f/E_f}\,d $$
인장지배면 (4.2-7) 로 근사
$c_{bal}$ 은 (4.2-8)
$$\begin{aligned}c &= 142.4\ \text{mm},\quad a = \beta_1 c = 113.9\ \text{mm} \\ M_n &= A_f f_f\left(d-\frac{\beta_1 c}{2}\right) = 3{,}040 \times 382 \times \left(509.1-\frac{113.9}{2}\right) = \boxed{\mathbf{525.5}\ \text{kN}\cdot\text{m}}\end{aligned}$$
강도감소계수
$\phi$재료, 시공의 불확실성을 덮는 계수
FRP 는 연성이 없어 더 작음
$$ \phi=0.65\ (\varepsilon_t\le\varepsilon_y)\ \to\ 0.85\ (\varepsilon_t\ge\varepsilon_{t,tcl}) $$
그 사이는 직선 보간
$$\begin{aligned}\varepsilon_t &= 8.53\text{‰}\ \to\ \phi = \boxed{\mathbf{0.850}\ \text{}}\quad (\text{Tension Controlled})\end{aligned}$$
$$ \phi=\begin{cases}0.55 & \varepsilon_{ft}\ge\varepsilon_{fu}\\ 1.05-0.5\dfrac{\varepsilon_{ft}}{\varepsilon_{fu}} & \\ 0.65 & \varepsilon_{ft}\le0.8\varepsilon_{fu}\end{cases} $$
인장파단 쪽이 더 작음 (RC 와 반대)
$$\begin{aligned}\varepsilon_{ft} &= 9.08\text{‰},\quad \varepsilon_{fu} = 18.89\text{‰},\quad \frac{\varepsilon_{ft}}{\varepsilon_{fu}} = 0.481 \\ \phi &= \boxed{\mathbf{0.650}\ \text{}}\quad (\text{Compression Controlled})\end{aligned}$$
보강근량 상한너무 많으면 콘크리트가 먼저 깨져 예고 없이 무너짐
$$ \varepsilon_t \ge \varepsilon_{s,min}\ \Rightarrow\ \rho \le \rho_{max} $$
최소 허용변형률 = 0.004 ($f_y\le400$)
초과하면 $2\varepsilon_y$
취성 파괴 방지
$$\begin{aligned}\rho &= 1.493\% \le \rho_{max} = 2.420\%\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$
$$ \text{휨부재는 상한 없음} $$
프리스트레스를 가하지 않은 휨부재의 보강근 변형률 제한은 적용하지 않음 (압축파괴가 오히려 바람직함)
$$\begin{aligned}\text{상한 없음}\quad (\rho_f &= 1.493\%,\ \rho_{fb} = 0.357\%)\end{aligned}$$
최소 보강근량균열 직후 바로 끊어지지 않게 넣는 최소량
4.2.2(1)(2) (4.2-1)(4.2-2)
$$ \phi M_n \ge 1.2 M_{cr}\quad\text{또는}\quad A_s \ge \tfrac{4}{3}A_{s,req} $$
$M_{cr}$ 은 KDS 14 20 30 (4.2-2) 로
$$\begin{aligned}1.2 M_{cr} &= 1.2 \times 82.8 = 99.4\ \text{kN}\cdot\text{m} \\ \phi M_n &= 464.6 \ge 1.2M_{cr}\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$
4.2.2.3 (4.2-11)
$$ A_{f,min}=\frac{0.41\sqrt{f_{ck}}}{f_{fu}}b_w d \ \ge\ \frac{2.3}{f_{fu}}b_w d $$
$\rho_f\le\rho_{fb}$ (인장파단 구간)일 때만
배근이 소요의 4/3 이상이면 면제
$$\begin{aligned}A_{f,min} &= \max\left(\frac{0.41\sqrt{30}}{850},\ \frac{2.3}{850}\right) b_w d = \boxed{\mathbf{551}\ \text{mm²}} \\ \rho_f &> \rho_{fb}\ \to\ \text{적용 대상 아님 (압축파괴 구간)}\end{aligned}$$
환경감소계수
$C_E$ (참고)
해당 없음
RC 해당 없음
$$ C_E=0.85 $$
노출환경 무관 (GFRP)

🛡️ 만족하는 설계 대안 (본수, 규격, 단면 높이, 콘크리트 강도, 각각 단독 적용)

하중RC (KDS 14 20 20)FRP (KDS 14 20 68)
① $M_u = 250$ kN·m현재 배치로 만족
이용률 0.54
현재 배치로 만족
이용률 0.73

📊 기준 6종 비교 (같은 단면, 하중에서 기준별 값)

노란 테두리 = 지금 고른 FRP 기준붉은 점선 = 모든 기준에 같은 한계붉은 짧은 선 + 숫자 = 그 기준만의 한계
약칭 KDS 14 = KDS 14 20 68 (건축, 일반), KDS 24 = KDS 24 50 05 (교량), ACI 15 = ACI 440.1R-15, ACI 22 = ACI 440.11-22, AASHTO = AASHTO GFRP 보강 콘크리트교 설계지침 2판 (2018)
이용률 Mu/ϕMn- - 점선: 1.0 = 한계계수하중이 만드는 휨을 단면이 견디는가강도 검토의 본항목0.55KDS 14 20 200.76KDS 140.67KDS 240.77ACI 150.77ACI 220.67AASHTO설계휨강도 ϕMn [kN·m]- - 점선: 현재 Mu = 250계수하중을 견디는 설계휨강도막대가 점선 위면 만족451.2KDS 14 20 20327.4KDS 14373.0KDS 24323.3ACI 15323.3ACI 22373.0AASHTO강도감소계수 ϕ재료, 시공의 불확실성을 덮는 계수FRP 는 연성이 없어 더 작음0.850KDS 14 20 200.650KDS 140.750KDS 240.650ACI 150.650ACI 220.750AASHTORC 는 클수록(0.85) 연성, FRP 는 인장파단 쪽이 0.55 로 작음중립축비 c/d압축을 받는 깊이깊을수록 취성 파괴에 가까움0.300KDS 14 20 200.283KDS 140.267KDS 240.267ACI 150.267ACI 220.267AASHTO깊을수록 압축파괴에 가까움보강근비 ρ [%]붉은 짧은 선 = 그 기준의 한계너무 많으면 콘크리트가 먼저 깨져 예고 없이 무너짐0.0150.024KDS 14 20 200.0150.004KDS 140.0150.004KDS 240.0150.004ACI 150.0150.003ACI 220.0150.004AASHTO붉은 짧은 선 = RC ρmax / FRP ρfb (파괴 형태의 경계)최소 보강근량 [mm²]붉은 짧은 선 = 그 기준의 한계균열 직후 바로 끊어지지 않게 넣는 최소량6953,040KDS 14 20 205373,040KDS 145713,040KDS 245713,040ACI 155373,040ACI 225713,040AASHTO붉은 짧은 선 = 실제 배근량