Abstract
An analytical method capable of predicting various stress-strain responses in axially loaded concrete confined with FRP (fiber reinforced polymers) composites in a rational manner is presented. Its underlying idea is that the volumetric expansion due to progressive microcracking in mechanically loaded concrete is an important measure of the extent of damage in the material microstructure, and can be utilized to estimate the load-carrying capacity of concrete by considering the corresponding accumulated damage. Following from this, an elastic modulus expressed as a function of area strain and concrete porosity, the energy-balance equation relating the dilating concrete to the confining device interactively, the varying confining pressure, and an incremental calculation algorithm are included in the solution procedure. The proposed method enables the evaluation of lateral strains consecutively according to the related mechanical model and the energy-balance equation, rather than using an empirically derived equation for Poisson's ratio or dilation rate as in other analytical methods. Several existing analytical methods that can predict the overall response were also examined and discussed, particularly focusing on the way of considering the volumetric expansion. The results predicted by the proposed and Samaan's bilinear equation models correlated with observed results with a reasonable degree, however it can be judged that the latter is not capable of predicting the response of lateral strains correctly due to incorporating the initial Poisson's ratio and the final converged dilation rate only. Further, the proposed method seems to have greater benefits in other applications by the use of the fundamental principles of mechanics.
FRP 합성재료로 구속된 콘크리트의 응력-변형률 응답을 합리적으로 예측할 수 있는 해석 모델이 제시되었다. 제안된 모델은 하중이 증가함에 따라 점진적으로 발생하는 미세균열에 의한 부피팽창이 미세 재료 구조의 손상을 나타내는 중요한 척도이며, 이에 손상 정도에 따라 하중 지지 능력을 일관되게 산정할 수 있다는 기본 개념에 근거한다. 이를 위하여 제안 모델은 면적 변형률 및 공극의 함수로 표시된 탄성계수, 팽창 콘크리트와 구속 매체의 상호작용을 나타내는 에너지 평형식, 변화하는 구속력 및 점증 계산 논리를 포함한다. 따라서 실험으로부터 유도된 팽창비 관계식으로부터 횡방향 혹은 부피팽창변형률을 산정하는 기존의 해석 모델과는 달리 역학적 거동 및 에너지 평형식으로부터 연속적으로 변화하는 횡방향 변형률을 산정한다. 구속된 콘크리트의 전체 응답을 예측할 수 있는 기존의 여러 해석 모델에 대하여 검토하였으며, 특히 부피 팽창을 고려하는 방법에 초점을 맞추어 토의하였다. 제안된 모델 및 기존 Samaan의 2선식 모델을 사용하여 실험 결과를 예측한 결과, 만족할 만한 범위 내에서 일치를 나타냈으나, Samaan의 2선식 모델은 부피 팽창 거동을 위하여 단지 초기 포아송비와 최종 수렴 팽창변화율 만을 고려하기 때문에 횡방향 변형률 응답을 예측하는 데는 한계가 있는 것으로 판단된다. 제안된 모델은 역학적 거동에 근거하여 다양한 관련 응답을 산정하므로 다른 분야에도 쉽게 적용할 수 있다.