✂️ 전단 설계 RC vs FRP 콘크리트와 스터럽의 전단강도, 3단계 판정, 권장 간격, 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)
⚡ 전단 하중
사인장 균열, 스터럽이 가로질러 막음 (Vu 검토)
✤ 전단 검토 하중
판정 = 최대 이용률 ($V_u/\phi V_n$, $s/s_{allow}$ 중 큰 값), 행을 추가하면 하중별로 비교
$V_u$ [kN]$N_u$ [kN] 압축+검토
➿ 스터럽
2가닥, ⌀13 폐합 스터럽b = 400, h = 600, 피복 40s = 150 mm스터럽 배치 (옆면)허용 s ≤ 255 mm
가닥 수 (클릭 = 선택)
2가닥
4가닥
6가닥
✤ 스터럽 (RC, FRP 같은 배치, 지름 = 단면 패널의 $d_{bv}$)
RC 스터럽 $f_{yt} = f_y$ (≤ 500 MPa)
FRP $f_{fv} = 0.004E_f$ (KDS 14 20 68, ACI 440.11 은 $0.005E_f$), $f_{fv} \le f_{fb}$
⭐ 예제 프리셋
누르면 입력 전체가 바뀌고 결과가 바로 갱신, 노란 바탕 = 현재
✂️ 전단 설계 RC vs FRP콘크리트 $V_c$ + 스터럽 $V_s$, $V_f$, 3단계 판정, 권장 간격, 근거, 계산 과정
조항 클릭 = 원문 PDF 해당 쪽. $\phi_v$ = 0.75, 축력 $N_u$ 반영, FRP 스터럽 응력은 굽힘부 강도 $f_{fb}$ 로 제한
b = 400h = 6002가닥, ⌀13 폐합 스터럽 (단면)s = 150 mm스터럽 배치 (옆면), 간격 s허용 간격 sallow vs 현재 s = 150 mmRC (KDS 14 20 22)150 ≤ 255 mm ✔FRP (KDS 14 20 68)150 ≤ 255 mm ✔
📘 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⚡ 전단 하중$V_u$ = 150 kN➿ 스터럽⌀13 × 2가닥 @ 150 mm, $r_b/d_b$ = 3칩 클릭 = 그 패널, 숫자키 1–6, A = 모두
빠른 조정 자주 바꾸는 8개, 드래그하면 그림이 바로 움직임

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 $s$
VS
$\phi V_n\ \dfrac{\text{FRP}}{\text{RC}}$
54%
$V_c$ [kN]
186 vs 93
스터럽 응력 [MPa]
400 vs 225
권장 $s$ [mm]
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 $V_u$
📊 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)
RC초과 = NGFRP초과 = NG① 불필요② 최소 배근③ 계산 배근12ϕVc = 70ϕVc = 139ϕVn = 410③ 계산 배근12ϕVc = 35ϕVc = 70ϕVn = 222Vu = 150 kN
📏 값과 한계, RC vs FRP (가운데 = 검토 항목과 한계, 붉은 눈금 = 한계, 막대 = 값, 빨간 막대 = 초과)
RCFRP이용률이용률한계 410 kN1500.37 ✔한계 222 kN1500.68 ✔한계 255 mm1500.59 ✔한계 255 mm1500.59 ✔한계 744 kN3600.48 ✔한계 685 kN2030.30 ✔한계 265 mm²520.20 ✔한계 265 mm²930.35 ✔
검토 항목, 한계
전단력 $V_u$
한계RC 410 / FRP 222 kN
작용 전단력 대 설계전단강도
1.0 이하면 만족
스터럽 간격 $s$
한계$s_{allow}$ = 255 mm
강도, 최소량, 상한 중 가장 작은 값
이보다 촘촘해야 함
스터럽 기여 $V_s$, $V_f$
한계RC 744 / FRP 685 kN
스터럽이 분담하는 전단력
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)
단계항목RC (KDS 14 20 22)FRP (KDS 14 20 68)
① 콘크리트
전단강도
$V_c$ 콘크리트 전단강도185.9 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$139.4, 69.7 kN69.7, 34.9 kN
판정 구간③ 계산 배근
계산 배근 ($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 전단강도360.4 kN (상한 $\dfrac{2}{3}\lambda\sqrt{f_{ck}}b_w d$ = 743.6) ✔ OK202.7 kN (상한 $V_f\le0.25\xi_v f_{ck} b_w z$ = 685.5) ✔ OK
③ 설계전단강도
판정
$\phi V_n = \phi(V_c + V_s)$ 설계전단강도409.7 kN221.8 kN
$\dfrac{V_u}{\phi V_n}$0.366 ✔ OK0.676 ✔ 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/mm0.935 mm²/mm
간격 제한
강도, 최소량, 상한
3,833, 758, 255 mm284, 427, 255 mm
$s_{allow}$ 허용 간격 vs 현재 $s$255 mm vs 150 ✔ OK255 mm vs 150 ✔ OK
⑤ 최소 전단보강
$A_{v,min}$
$A_{v,min}$ vs 배치량52 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)
항목RC (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
$$ V_s=\frac{A_v f_{yt} d}{s}\le\frac{2}{3}\lambda\sqrt{f_{ck}}\,b_w d $$
$$\begin{aligned}A_v &= 2\times\pi\times13^2/4 = 265\ \text{mm}^2 \\ V_s &= \frac{A_v f_{yt} d}{s} = \frac{265\times400\times509.1}{150} = \boxed{\mathbf{360.4}\ \text{kN}} \\ V_{s,max} &= \tfrac{2}{3}\sqrt{30}\times400\times509.1 = 743.6\ \ge V_s\ \ \color{#0a8a2a}{\checkmark\ \textbf{OK}}\end{aligned}$$
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)

하중RC 판정RC 권장 $s$FRP 판정FRP 권장 $s$현재 배치
① $V_u = 150$ kN계산 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)
최대 이용률 Vu/ϕVn- - 점선: 1.0 = 한계작용 전단력 대 설계전단강도1.0 이하면 만족0.37RC0.68KDS 140.80KDS 240.79ACI 150.67ACI 220.86AASHTO설계전단강도 ϕVn [kN]- - 점선: 현재 Vu = 150콘크리트 기여 + 스터럽 기여에 강도감소계수를 곱한 값410RC222KDS 14188KDS 24190ACI 15224ACI 22174AASHTO막대가 점선 위면 OK콘크리트 기여 Vc [kN]스터럽 없이 콘크리트만으로 버티는 전단력186RC93KDS 1488KDS 2491ACI 1595ACI 2286AASHTO스터럽 설계응력 [MPa]스터럽이 낼 수 있는 설계응력FRP는 굽힘부 강도에 걸림400RC225KDS 14180KDS 24180ACI 15225ACI 22180AASHTORC는 fyt , FRP는 fft (굽힘부 강도 제한)허용 스터럽 간격 sallow [mm]- - 점선: 현재 s = 150강도, 최소량, 상한 중 가장 작은 값이보다 촘촘해야 함255RC255KDS 14218KDS 24223ACI 15255ACI 22192AASHTO막대가 점선 위면 OK최소 전단보강 [mm²]붉은 짧은 선 = 그 기준의 한계강도상 필요 없어도 넣어야 하는 최소 스터럽 양52265RC93265KDS 14117265KDS 24117265ACI 1593265ACI 22117265AASHTO붉은 짧은 선 = 실제 배치량