Seismic Performance of Concrete Columns Reinforced with Hybrid GFRP-Steel Bars and Spirals = GFRP 보강근과 철근을 사용한 나선보강 콘크리트 기둥의 내진성능

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the global demand for carbon reduction and sustainability increases, the construction industry is also seeking durable and eco-friendly materials. Conventional reinforced concrete (RC) structures are challenged by durability issues due to steel corrosion, and the price volatility of steel reinforcement makes uncertainty into construction cost estimation. In this context, Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) reinforcement is being studied as an alternative, offering advantages such as corrosion resistance, light weight, high strength, and self-centering performance. However, current design codes restrict the use of GFRP reinforcement in seismic force-resisting systems due to the brittle behavior and low elastic modulus.
This study aimed to evaluate the seismic performance of concrete columns with GFRP and steel-GFRP hybrid reinforcement systems. The research encompassed from the material level to full-scale member level tests. First, to ensure the reliability of the tensile properties of GFRP bars, current testing standards were analyzed and tensile tests were performed. Cyclic lateral loading tests were then conducted on column specimens to analyze their seismic performance. The test parameters included the type and ratio of longitudinal reinforcement (GFRP, steel-GFRP hybrid, steel), the type of transverse reinforcement (GFRP spiral, steel spiral), and the spacing of the transverse reinforcement.
At the material level, using an epoxy-sand mixture as an anchor filler material was effective for preventing premature failure and inducing tensile rupture of the GFRP bars. It was also found that the current code's method for calculating tensile strength can underestimate the actual tensile performance. At the member level, contrary to the restrictions in the codes, columns with GFRP longitudinal bars showed excellent ductile behavior, with low residual deformation and good self-centering performance. The hybrid-RC columns showed excellent deformation and energy dissipation capacity while showing smaller residual deformation compared to steel columns, thus achieving a balanced seismic performance in terms of strength, ductility, and self-centering. Furthermore, GFRP spirals, despite their lower elastic modulus, can provide an effective concrete confinement equivalent to that of steel spirals due to their high ultimate strength.
Based on these results, this study proposed a model for the strength and deformation capacity of columns with GFRP reinforcement, considering the concrete confinement effect and characteristics of GFRP bars. The proposed model improves upon the underestimation problem of current design codes and predicts the experimental strength more accurately.
In conclusion, this study validates that GFRP-reinforced columns can be an alternative to conventional reinforced concrete columns for structures where post-damage repair and reusability are important, and that the hybrid reinforcement system is a practical detail that satisfies both high seismic performance and serviceability. The proposed performance prediction models are expected to be used as reference data for performance-based seismic design for concrete columns using GFRP reinforcement.

국문 초록 (Abstract)

최근 전 세계적으로 탄소 저감 및 지속가능성에 대한 요구가 증대됨에 따라, 건설 분야에서도 내구성이 뛰어나고 친환경적인 재료의 필요성이 대두되고 있다. 기존 철근콘크리트 구조물은 철근 부식에 따른 내구성 저하 문제를 안고 있으며, 철근의 원자재 가격의 변동성은 건설 비용 산정을 어렵게 만드는 요인이다. 이러한 배경에서 최근 구조물의 보강재로서 연구가 진행되고 있는 유리섬유 강화 폴리머(GFRP) 보강근은 내부식성 및 경량성, 고강도 및 셀프센터링 성능 등의 이점이 있다. 그러나 현행 구조기준에서는 GFRP 보강근의 취성적 거동 및 낮은 탄성계수를 근거로 내진구조로 사용하는 데에 제한을 두고 있다.
본 연구에서는 GFRP 보강근 및 철근-GFRP 하이브리드 보강 시스템을 적용한 콘크리트 기둥의 내진 성능을 평가하고자 하였다. 이를 위해 재료 수준의 실험부터 부재 수준의 실험에 이르는 연구를 수행하였다. 먼저, GFRP 보강근의 인장성능의 신뢰성을 확보하기 위해 현행 시험 기준을 분석하고 인장시험을 수행하였다. 이후, 이를 적용한 기둥 실험체의 반복횡가력실험을 수행하여 내진 성능을 분석하였다. 주요 실험 변수는 주근의 종류 및 보강비(GFRP, 철근-GFRP 하이브리드, 철근), 횡보강근의 종류(GFRP 나선근, 강재 나선근), 횡보강근의 간격 등이었다.
재료 실험에서는, 에폭시-모래 혼합재를 정착부 채움재로 사용할 경우 인장시험 중 GFRP 보강근의 인장파단을 유도하는 데 효과적임을 확인하였다. 또한 현행 기준의 인장강도 산정법이 실제 성능을 과소평가할 수 있음을 확인하였다. 부재 실험에서는, GFRP 보강근을 주근으로 사용한 기둥은 기준에서 제한하는 것과는 달리 우수한 연성 거동을 보였으며, 낮은 잔류변형 및 셀프센터링 성능을 보였다. 철근과 GFRP 보강근을 하이브리드로 사용한 기둥은 우수한 변형능력 및 에너지 소산 능력을 확보하면서도, 철근 기둥에 비해 잔류변형은 작아 강도와 연성, 셀프센터링 측면에서 균형 있는 내진성능을 보였다. 또한, GFRP 나선보강근은 낮은 탄성계수에도 불구하고 높은 파단강도를 통해 강재 나선근과 동등한 수준의 콘크리트 횡구속 성능을 발휘함을 확인하였다.
실험 결과를 바탕으로 본 연구에서는 콘크리트 구속효과를 고려하여 GFRP 보강근의 강도 및 변형 능력을 예측하는 모델을 제시하였다. 예측 모델은 현행 설계기준에서 제시하는 GFRP 보강 기둥의 과소평가 문제를 개선하고, 실험 강도를 보다 정확하게 예측하였다.
결론적으로 본 연구에서 평가한 GFRP 보강 기둥은 손상 후 복구 및 재사용이 중요한 구조물에 대하여 기존 철근콘크리트 기둥의 대안이 될 수 있으며, 하이브리드 보강 시스템은 높은 내진성능과 사용성을 동시에 만족시키는 실용적인 상세임을 입증하였다. 본 연구에서 제안된 GFRP 보강 기둥의 성능 예측 모델은 향후 성능기반 내진설계를 수행함에 있어 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Scope and objectives 4
• 1.3 Outline of the master’s thesis 6
• Chapter 2. Literature Review 8
• 2.1 Current design codes 8
• 2.1.1 ACI 440.11 8
• 2.1.2 KDS 14 20 68 12
• 2.1.3 ACI 318 15
• 2.2 Current standards of GFRP tensile testing 17
• 2.2.1 ASTM D7205 17
• 2.2.2 ISO 10406-1 19
• 2.3 Review of previous experimental research 20
• 2.3.1 Steel-reinforced columns 20
• 2.3.2 GFRP-reinforced columns 21
• 2.3.3 Steel-GFRP hybrid-reinforced columns 24
• Chapter 3. Uni-Axial Tensile Tests of GFRP Bars 28
• 3.1 Introduction 28
• 3.2 Test plan 29
• 3.2.1 Test parameters 29
• 3.2.2 Test specimens 31
• 3.2.3 Test setup 33
• 3.3 Pilot test result 37
• 3.3.1 Failure mode 37
• 3.3.2 Tensile strength 40
• 3.3.3 Elastic modulus 41
• 3.4 Main test result 45
• 3.4.1 Failure mode 45
• 3.4.2 Tensile strength 46
• 3.4.3 Elastic modulus 48
• 3.5 Discussion and summary 57
• Chapter 4. Cyclic Lateral Loading Tests for GFRP-RC Columns 59
• 4.1 Introduction 59
• 4.2 Material test 60
• 4.2.1 Concrete 60
• 4.2.2 Steel reinforcement 62
• 4.2.3 GFRP reinforcement 65
• 4.3 Test plan 68
• 4.3.1 Test parameters and design of test specimens 68
• 4.3.2 Details of test specimens 72
• 4.3.3 Test setup and loading plan 78
• 4.4 Test result of cyclic lateral loading 82
• 4.4.1 Damage mode 82
• 4.4.2 Load-displacement relationship 88
• 4.4.3 Ductility 96
• 4.4.4 Energy dissipation 96
• 4.4.5 Residual deformation 99
• 4.4.6 Effective stiffness 101
• 4.4.7 Strains in longitudinal reinforcement 104
• 4.4.8 Strains in transverse reinforcement 110
• 4.5 Effect of test parameter 113
• 4.5.1 Spacing of transverse reinforcement 113
• 4.5.2 Material of transverse reinforcement 114
• 4.5.3 Type and reinforcement ratio of longitudinal reinforcement 115
• 4.5.4 Cross-sectional size and shape 117
• Chapter 5. Flexural Strength and Deformation Capacity 118
• 5.1 Prediction of flexural strength 118
• 5.2 Proposal of load-displacement relationship 122
• Chapter 6. Conclusion 129
• References 132
• 초 록 135