✂️ 전단 설계 RC vs FRP
RC: KDS 14 20 22 4.2, 4.3, FRP: KDS 14 20 68 4.3 ($\phi_v$ = 0.75, 축력 반영), 기준명을 누르면 원문 PDF 해당 쪽
FRP 기준KDS 14 20 68 4.3 (콘크리트구조 일반(교량 제외)), RC: KDS 14 20 22, 📚 적용 조항, 원문
단면$b \times h = 400 \times 600$ mm, $d = 509$ mm, 피복 40 + 스터럽 ⌀13
재료$f_{ck} = 30$ MPa, 철근 $f_y = 400$ MPa, GFRP $f_{fu} = C_E f_{fu}^* = 0.85 \times 1000 = $ 850 MPa, $E_f = 45$ GPa
보강근G25(#8) ⌀25.4 × 6본 (2단) → $A = 3,040$ mm² (RC는 같은 지름의 이형철근)
스터럽⌀13 × 2가닥 @ 150 mm, $A_v$ = 265 mm²
① $V_u = 150$ kN, $N_u = 0$ kN RC ✔ OK, FRP ✔ OK 📚 설계 6종 (이 하중)
RC (KDS 14 20 22, 이형철근)
✔ OK
0.59$\text{최대 이용률} = \max\!\left(\dfrac{V_u}{\phi V_n},\ \dfrac{s}{s_{allow}}\right)$
여유 41% (소요가 1.70배 되어야 한계)
$\phi V_n$ 설계전단강도409.7 kN
판정 구간③ 계산 배근
권장 스터럽 간격 $s$250 mm
현재 $s$ = 150 mm✔ 만족, $s_{allow}$ = 255
지배: 스터럽 간격 $s$
지배: 스터럽 간격 $s$
VS
$\phi V_n\ \dfrac{\text{FRP}}{\text{RC}}$
54%
54%
$V_c$ [kN]
186 vs 93
186 vs 93
스터럽 응력 [MPa]
400 vs 225
400 vs 225
권장 $s$ [mm]
250 vs 250
250 vs 250
FRP (KDS 14 20 68, GFRP)
✔ OK
0.68$\text{최대 이용률} = \max\!\left(\dfrac{V_u}{\phi V_n},\ \dfrac{s}{s_{allow}}\right)$
여유 32% (소요가 1.48배 되어야 한계)
$\phi V_n$ 설계전단강도221.8 kN
판정 구간③ 계산 배근
권장 스터럽 간격 $s$250 mm
현재 $s$ = 150 mm✔ 만족, $s_{allow}$ = 255
지배: 전단력 $V_u$
지배: 전단력 $V_u$
📊 판정 구간 도해, RC vs FRP (막대 = 세 구간, 경계 = $\phi V_c$ 의 절반, $\phi V_c$, $\phi V_n$, 빨간 바늘 = $V_u$, 굵은 테두리 = 지금 구간)
📏 값과 한계, RC vs FRP (가운데 = 검토 항목과 한계, 붉은 눈금 = 한계, 막대 = 값, 빨간 막대 = 초과)
검토 항목, 한계
전단력 $V_u$
한계RC 410 / FRP 222 kN
작용 전단력 대 설계전단강도
1.0 이하면 만족
1.0 이하면 만족
스터럽 간격 $s$
한계$s_{allow}$ = 255 mm
강도, 최소량, 상한 중 가장 작은 값
이보다 촘촘해야 함
이보다 촘촘해야 함
스터럽 기여 $V_s$, $V_f$
한계RC 744 / FRP 685 kN
스터럽이 분담하는 전단력
기준이 정한 상한을 넘을 수 없음
기준이 정한 상한을 넘을 수 없음
최소 전단보강 $A_{v,min}$
한계배치량 $A_v$ = 265 mm²
강도상 필요 없어도 넣어야 하는 최소 스터럽 양
📋 단계별 요약, RC vs FRP (① 콘크리트 → ② 스터럽 → ③ 강도 판정 → ④ 간격 → ⑤ 최소량 → ⑥ 종합)
| 단계 | 항목 | RC (KDS 14 20 22) | FRP (KDS 14 20 68) |
|---|---|---|---|
| ① 콘크리트 전단강도 | $V_c$ 콘크리트 전단강도 | 185.9 kN $V_c=\tfrac{1}{6}\left(1+\tfrac{N_u}{14A_g}\right)\lambda\sqrt{f_{ck}}\,b_w d$ | 92.9 kN $V_c=\tfrac{1}{6}(1+k_p)k_s\beta_v\sqrt{f_{ck}}\,b_w d$, $k_p = 0.000,\ k_s = 1.00,\ \beta_v = 0.5$ |
| $\phi V_c$, $\dfrac{1}{2}\phi V_c$ | 139.4, 69.7 kN | 69.7, 34.9 kN | |
| 판정 구간 | ③ 계산 배근 계산 배근 ($V_u \gt \phi V_c$) | ③ 계산 배근 계산 배근 ($V_u \gt \phi V_c$) | |
| ② 스터럽 전단강도 | 스터럽 설계응력 | $f_{yt}$ = 400 MPa | $f_{ft}=\min(0.005E_f,\ f_{fb})$ = 225 MPa $f_{fb} = (0.05\,r_b/d_b + 0.3)f_{fu}$ = 382 MPa |
| $V_s$, $V_f = \dfrac{A_v f\, d}{s}$ 스터럽 전단강도 | 360.4 kN (상한 $\dfrac{2}{3}\lambda\sqrt{f_{ck}}b_w d$ = 743.6) ✔ OK | 202.7 kN (상한 $V_f\le0.25\xi_v f_{ck} b_w z$ = 685.5) ✔ OK | |
| ③ 설계전단강도 판정 | $\phi V_n = \phi(V_c + V_s)$ 설계전단강도 | 409.7 kN | 221.8 kN |
| $\dfrac{V_u}{\phi V_n}$ | 0.366 ✔ OK | 0.676 ✔ OK | |
| ④ 스터럽 간격 소요량, 제한 | $\left(\dfrac{A_v}{s}\right)_{req} = \dfrac{V_u - \phi V_c}{\phi f d}$ | 0.069 mm²/mm | 0.935 mm²/mm |
| 간격 제한 강도, 최소량, 상한 | 3,833, 758, 255 mm | 284, 427, 255 mm | |
| $s_{allow}$ 허용 간격 vs 현재 $s$ | 255 mm vs 150 ✔ OK | 255 mm vs 150 ✔ OK | |
| ⑤ 최소 전단보강 $A_{v,min}$ | $A_{v,min}$ vs 배치량 | 52 mm² (배치 265) ✔ OK $\max(0.0625\sqrt{f_{ck}},\,0.35)\,b_w s/f_{yt}$ | 93 mm² (배치 265) ✔ OK $\max(0.0625\sqrt{f_{ck}},\,0.35)\,b_w s/f_{ft}$ |
| ⑥ 종합 판정 최대 이용률 | $\max\!\left(\dfrac{V_u}{\phi V_n},\ \dfrac{s}{s_{allow}}\right)$ | 0.59 ✔ OK 지배: 스터럽 간격 $s$ | 0.68 ✔ OK 지배: 전단력 $V_u$ |
📐 근거, 계산 과정 (조항 📄 = 원문 위치, 파란 블록 = 이 하중의 대입 계산)
| 항목 | RC (KDS 14 20 22) | FRP (KDS 14 20 68) |
|---|---|---|
| 설계 원칙, $\phi$전단은 강도 검토 계수하중에 견디는가 | 4.1.1 (4.1-1) $$ V_u \le \phi V_n,\quad V_n = V_c + V_s $$ $\phi_v=0.75$ $$\begin{aligned}\phi V_n &= 0.75\,(V_c + V_s) = 0.75\,(185.9 + 360.4) = \boxed{\mathbf{409.7}\ \text{kN}} \\ \frac{V_u}{\phi V_n} &= \frac{150}{409.7} = \mathbf{0.37}\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ | $$ \phi V_n \ge V_u,\quad V_n = V_c + V_f $$ $\phi_v=0.75$ $$\begin{aligned}\phi V_n &= 0.75\,(V_c + V_f) = 0.75\,(92.9 + 202.7) = \boxed{\mathbf{221.8}\ \text{kN}} \\ \frac{V_u}{\phi V_n} &= \frac{150}{221.8} = \mathbf{0.68}\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ |
| 콘크리트 전단강도 $V_c$스터럽 없이 콘크리트만으로 버티는 몫 | 4.2.1 (4.2-1)(4.2-2) $$ V_c=\frac{1}{6}\left(1+\frac{N_u}{14A_g}\right)\lambda\sqrt{f_{ck}}\,b_w d $$ 축력 없으면 $(4.2\text{-}1)$ $$\begin{aligned}V_c &= \tfrac{1}{6}\Big(1+\tfrac{N_u}{14A_g}\Big)\lambda\sqrt{f_{ck}}\,b_w d \\ &= \tfrac{1}{6}\Big(1+\tfrac{0}{14\times240{,}000}\Big)(1.0)\sqrt{30}\times400\times509.1 \\ &= \boxed{\mathbf{185.9}\ \text{kN}}\end{aligned}$$ | 4.3.2 (4.3-1)–(4.3-3) $$ V_c=\frac{1}{6}(1+k_p)\,k_s\,\beta_v\sqrt{f_{ck}}\,b_w d $$ $k_p=N_u/14A_g$ $k_s=(0.3/d)^{0.25}$ (0.75–1.1 최소보강 만족 시 1) $\beta_v=0.5$ 독자식 $$\begin{aligned}k_p &= N_u/(14A_g) = 0/(14\times240{,}000) = 0.000 \\ k_s &= (0.3/d)^{0.25} = (0.3/0.509)^{0.25} = 0.88 \\ &\to [0.75,\,1.1] \to 0.88\ \to\ 1.00\ (\text{최소보강 만족}) \\ V_c &= \tfrac{1}{6}(1+0.000)(1.00)(\beta_v\,0.5)\sqrt{30}\times400\times509.1 = \boxed{\mathbf{92.9}\ \text{kN}}\end{aligned}$$ |
| 스터럽 전단강도, 상한 $V_s$, $V_f$스터럽이 분담하는 몫 상한을 넘을 수 없음 | 4.3.4(2), (8) (4.3-3) $$ V_s=\frac{A_v f_{yt} d}{s}\le\frac{2}{3}\lambda\sqrt{f_{ck}}\,b_w d $$ $$\begin{aligned}A_v &= 2\times\pi\times13^2/4 = 265\ \text{mm}^2 \\ V_s &= \frac{A_v f_{yt} d}{s} = \frac{265\times400\times509.1}{150} = \boxed{\mathbf{360.4}\ \text{kN}} \\ V_{s,max} &= \tfrac{2}{3}\sqrt{30}\times400\times509.1 = 743.6\ \ge V_s\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ | 4.3.3.4(1), (4) (4.3-7)(4.3-10) $$ V_f=\frac{A_{fv} f_{ft} d}{s}\le 0.25\,\xi_v f_{ck} b_w z,\quad \xi_v=0.6(1-f_{ck}/250),\ z=0.85d $$ $$\begin{aligned}A_v &= 2\times\pi\times13^2/4 = 265\ \text{mm}^2 \\ V_f &= \frac{A_{fv} f_{ft} d}{s} = \frac{265\times225\times509}{150} = \boxed{\mathbf{202.7}\ \text{kN}} \\ V_{f,max} &= 0.25\,\xi_v f_{ck} b_w z = 0.25\times0.528\times30\times400\times433 = 685.5\ \ge V_f\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ |
| 스터럽 설계응력FRP는 굽힘부 강도에 걸림 | $$ f_{yt}\le 500\ \text{MPa} $$ $$\begin{aligned}f_{yt} &= 400\ \text{MPa} \le 500\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ | 4.3.3.4(2) (4.3-8) $$ f_{ft}=0.005E_f\le f_{fb} $$ $f_{fb}$ = 굽힘부 설계기준인장강도 (앱: $(0.05r_b/d_b+0.3)f_{fu}$ 근사 직접 입력 가능) $$\begin{aligned}f_{fb} &= (0.05\,r_b/d_b + 0.3)\,f_{fu} \\ &= (0.05\times3+0.3)\times850 = 382\ \text{MPa} \\ 0.005E_f &= 0.005\times45{,}000 = 225\ \text{MPa} \\ f_{ft} &= \min(225,\ 382) = \boxed{\mathbf{225}\ \text{MPa}}\end{aligned}$$ |
| 소요 스터럽량강도가 모자란 만큼 채워야 하는 양 | 4.3.4 (4.3-3) 역산 $$ \frac{A_v}{s}=\frac{V_u-\phi V_c}{\phi f_{yt} d} $$ $$\begin{aligned}\phi V_c &= 0.75\times185.9 = 139.4 < V_u = 150\ \to\ \text{스터럽 필요} \\ \frac{A_v}{s} &= \frac{V_u-\phi V_c}{\phi f d} = \frac{(150-139.4)\times10^3}{0.75\times400\times509} \\ &= \boxed{\mathbf{0.069}\ \text{mm²/mm}} \\ s_{req} &= A_v\big/\tfrac{A_v}{s} = 265/0.069 = 3{,}833\ \text{mm}\end{aligned}$$ | 4.3.3.4(3) (4.3-9) $$ \frac{A_{fv}}{s}=\frac{V_u-\phi V_c}{\phi f_{ft} d} $$ $$\begin{aligned}\phi V_c &= 0.75\times92.9 = 69.7 < V_u = 150\ \to\ \text{스터럽 필요} \\ \frac{A_v}{s} &= \frac{V_u-\phi V_c}{\phi f d} = \frac{(150-69.7)\times10^3}{0.75\times225\times509} \\ &= \boxed{\mathbf{0.935}\ \text{mm²/mm}} \\ s_{req} &= A_v\big/\tfrac{A_v}{s} = 265/0.935 = 284\ \text{mm}\end{aligned}$$ |
| 최소 전단보강 $A_{v,min}$강도상 필요 없어도 넣는 최소량 | 4.3.3(3) (4.3-1) $$ A_{v,min}=0.0625\sqrt{f_{ck}}\frac{b_w s}{f_{yt}}\ \ge\ 0.35\frac{b_w s}{f_{yt}} $$ $V_u > \tfrac{1}{2}\phi V_c$ 구간 $$\begin{aligned}A_{v,min} &= \max(0.0625\sqrt{30},\,0.35)\,\frac{b_w s}{f_{yt}} \\ &= \max(0.342,\,0.35)\times\frac{400\times150}{400} = \boxed{\mathbf{52}\ \text{mm²}} \\ A_v &= 265 \ge 52\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ | 4.3.3.3 (4.3-4)(4.3-5) $$ A_{fv,min}=\max\!\left(0.0625\sqrt{f_{ck}},\ 0.35\right)\frac{b_w s}{f_{ft}} $$ $V_u \ge 0.5\phi V_c$ 구간 $$\begin{aligned}A_{fv,min} &= \max(0.0625\sqrt{30},\,0.35)\,\frac{b_w s}{f_{ft}} \\ &= 0.350\times\frac{400\times150}{225} = \boxed{\mathbf{93}\ \text{mm²}} \\ A_{fv} &= 265 \ge 93\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ |
| 간격 제한 $s_{max}$균열이 스터럽을 비껴가지 않게 하는 상한 | $$ s\le d/2,\ 600\ \text{mm} $$ $V_s>\tfrac{1}{3}\lambda\sqrt{f_{ck}}b_w\,d$ 이면 절반 $$\begin{aligned}s_{max} &= \min(d/2,\,600) = \min(255,\,600) = 255\ \text{mm} \\ V_s &= 360.4 \le \tfrac{1}{3}\sqrt{f_{ck}}\,b_w d = 371.8\ \to\ \text{절반 규정 미적용} \\ s_{allow} &= \min(s_{req},\,s_{min},\,s_{max}) = \min(3{,}833,\,758,\,255) \\ &= \boxed{\mathbf{255}\ \text{mm}} \ \ge s = 150\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ | $$ s\le d/2,\ 600\ \text{mm} $$ KDS 14 20 22 4.3.2 준용 (단 4.3.2(2) 제외) $$\begin{aligned}s_{max} &= \min(d/2,\,600) = \min(255,\,600) = 255\ \text{mm} \\ V_f &= 202.7 \le \tfrac{1}{3}\sqrt{f_{ck}}\,b_w d = 371.8\ \to\ \text{절반 규정 미적용} \\ s_{allow} &= \min(s_{req},\,s_{min},\,s_{max}) = \min(284,\,427,\,255) \\ &= \boxed{\mathbf{255}\ \text{mm}} \ \ge s = 150\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$ |
| 환경감소계수 $C_E$노출 환경에 따른 강도 저감 | 해당 없음 RC 해당 없음 | $$ C_E=0.85 $$ 노출환경 무관 (GFRP) $$\begin{aligned}f_{fu} &= C_E\,f_{fu}^* = 0.85\times1000 = \boxed{\mathbf{850}\ \text{MPa}}\end{aligned}$$ |
🛡️ 만족하는 설계 대안 (하중별 판정 구간과 권장 스터럽 간격, 적용하면 현재 배치가 바뀜)
| 하중 | RC 판정 | RC 권장 $s$ | FRP 판정 | FRP 권장 $s$ | 현재 배치 |
|---|---|---|---|---|---|
| ① $V_u = 150$ kN | 계산 배근 ($V_u \gt \phi V_c$) | 250 mm | 계산 배근 ($V_u \gt \phi V_c$) | 250 mm | RC OK FRP OK |
📊 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)
0.59 / 0.68$C_E = \mathbf{0.85}$ ← 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(전단)에서의 영향: $C_E \to f_{fu} \to f_{fb} = (0.05 r_b/d_b + 0.3) f_{fu}$ (스터럽 응력 상한) 뿐
$V_c$, $f_{ft} = 0.005E_f$ 는 섬유 종류와 무관
$V_c$, $f_{ft} = 0.005E_f$ 는 섬유 종류와 무관
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)