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)
📘 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
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%
74%
$\phi$
0.85 vs 0.65
0.85 vs 0.65
중립축 $c$ [mm]
149 vs 142
149 vs 142
$\rho$ [%]
1.49 vs 1.49
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
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 $jd = d - a/2$)
📏 값과 한계, RC vs FRP (가운데 = 검토 항목과 한계, 붉은 눈금 = 한계, 회색 파선 = 참고선, 막대 = 값, 빨간 막대 = 초과)
검토 항목, 한계
휨강도 $M_u$
한계RC 464.6 / FRP 341.6 kN·m
계수하중이 만드는 휨을 단면이 견디는가
강도 검토의 본항목
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
깊을수록 취성 파괴에 가까움
순인장변형률 $\varepsilon_t$
기준RC 4.00 / FRP 18.89 ‰
최외단 인장 보강근이 얼마나 늘어나는가
연성의 척도
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)
| 단계 | 항목 | RC (KDS 14 20 20) | FRP (KDS 14 20 68) |
|---|---|---|---|
| ① 재료 등가응력블록 | $\eta$, $\beta_1$, $\varepsilon_{cu}$ | 1.00, 0.80, 0.0033 | 1.00, 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 경계 | 1.493 % ($\rho_b$ = 3.175, $\rho_{max}$ = 2.420 %) | 1.493 % ($\rho_{fb}$ = 0.357 %, $\rho_f/\rho_{fb}$ = 4.18) |
| 판정 | 철근 항복, 인장지배 | 콘크리트 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) ✔ OK | 0.732 (250 / 341.6) ✔ OK | |
| ⑤ 보강근량 제한 상한, 최소량 | 상한 | $\rho$ 1.493 ≤ $\rho_{max}$ 2.420 % ✔ OK | 휨부재 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 제한 | 0.54 ✔ OK 보강근량 ✔ OK | 0.73 ✔ OK 최소량 ✔ OK |
📐 근거, 계산 과정 (조항 📄 = 원문 위치, 파란 블록 = 이 하중의 대입 계산)
| 항목 | RC (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)
| 하중 | RC (KDS 14 20 20) | FRP (KDS 14 20 68) |
|---|---|---|
| ① $M_u = 250$ kN·m | 현재 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)
$C_E = \mathbf{0.85}$ ← KDS 14 20 68 3.2(6) 섬유, 환경과 무관하게 0.85 고정 (GFRP 전용 기준)
$f_{fu} = C_E\, f_{fu}^* = 0.85 \times 1{,}000 = \mathbf{850}\ \text{MPa}$
크리프파괴 응력한계 $f_{f,s} \le 0.30\, f_{fu} = \mathbf{255}\ \text{MPa}$ ← 4.4.3 (사용성 앱에서 사용)
이 앱(휨)에서의 영향: $C_E \to f_{fu} = \mathbf{850}\ \text{MPa}$ → 균형보강비 $\rho_{fb}$, 인장파단 구간의 $f_f = f_{fu}$, 최소 보강근량에 영향
자동: $d_t = h - c - d_{bv} - d_b/2 = 600 - 40 - 13 - 12.7 = 534.3$, $d = d_t - (d_b + 25)/2 = 509.1$ (2단: 두 층의 도심, 층간 순간격 25 mm)
0.54 / 0.73