[논문]고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성거동에 관한 해석적 연구

신현목; 이헌민; 성대정; 김태훈

doi:10.5000/eesk.2006.10.2.073

고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성거동에 관한 해석적 연구
Analytical Study on the Inelastic Behavior of Reinforced High-Strength Concrete Bridge Columns 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.10 no.2 = no.48, 2006년, pp.73 - 81

신현목 (성균관대학교 토목환경공학과) , 이헌민 (성균관대학교 토목환경공학과) , 성대정 (성균관대학교 토목환경공학과) , 김태훈 (대우건설 기술연구원)

초록
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이 연구의 목적은 고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동을 파악하는데 있다. 사용된 프로그램은 철근콘크리트 구조물의 해석을 위한 PCAHEST이다. 재료적 비선형성에 대해서는 균열콘크리트에 대한 인장, 압축, 전단모델과 콘크리트 속에 있는 철근모델을 조합하여 고려하였다. 이에 대한 콘크리트의 균열모델로서는 분산 균열모델을 사용하였다. 횡방향 구속철근으로 구속된 고강도 콘크리트의 강도 증가 효과를 고려하였다. 이 연구에서는 고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동의 파악을 위해 제안한 해석기법을 신뢰성 있는 연구자의 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the inelastic behavior of reinforced high-strength concrete bridge columns. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model ol reinforcing steel. The smeared rack approach is incorporated. The increase of concrete strength due to the lateral confining reinforcement has been also taken into account to model the confined high-strength concrete. The proposed numerical method for the inelastic behavior of reinforced high-strength concrete bridge columns is verified by comparison with reliable experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST 에 이식되어 있는 기존의 Mander 등의 제안모델助이 구속된 고강도 콘크리트의 역학적 거동을 정확하게 예측할 수 있는지를 판단하기 위하여 표 1~표 3의 일축 압축 하중을 받는 실험결과3)와 비교.분석하였으며 그 결과를 그림 4~그림 6에 나타내었다.
이 연구에서는 지진하중과 같은 반복하중을 받고 있는 고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동특성을 파악하기 위한 해석기법과 모델을 제시하였고 제안된 해석기법과 모델을 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램을 사용하여, 고강도 철근콘크리트 교각을 해석하였다. 실험결과와 비교.
이 연구에서는 최근 들어 관심과 활용이 증가하고 있는 고강도 철근콘크리트 교각구조를 대상으로 비선형 유한요소해석을 실시하여 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악하고 그 내진성능을 평가하는데 그 목적이 있다. 철근콘크리트 부재의 거동은 콘크리트의 균열, 철근의 항복, 철근과 콘크리트의 부착작용 및 균열 면에서의 전단전달 효과 등과 같은 재료적인 특성에 크게 지배되기 때문에, 이를 해석적으로 예측하기 위해서는 각각의 재료적인 특성을 정확하고 신뢰성 있게 표현할 수 있는 재료모델의구축이 선행되어야 한다.

제안 방법

철근콘크리트 부재의 거동은 콘크리트의 균열, 철근의 항복, 철근과 콘크리트의 부착작용 및 균열 면에서의 전단전달 효과 등과 같은 재료적인 특성에 크게 지배되기 때문에, 이를 해석적으로 예측하기 위해서는 각각의 재료적인 특성을 정확하고 신뢰성 있게 표현할 수 있는 재료모델의구축이 선행되어야 한다. 따라서 이 연구에서는 2축 응력 상태에 대한 직교 이방성 재료모델에 의해서 균열이 발생한 철근콘크리트 요소의 거동특성을 표현하고, 이를 유한요소법을 사용하여 확장한 기존의 검증된 프로그램⑹에고 강도 콘크리트의 거동특성을 모사할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다.
위하여 pantograph system를 도입하였다. 실험체 의 단면은 중실 사각형 단면이며 전단거동을 파악하기 위해 전단 형상비 (shear aspect ratio)를 2.0으로 하였다. 재하는 교각기초부에서 주철근이 항복할 때, 하중작용 위치에 생기는 변위를 항복변위 6y로 정의하고, 이 변위의 정수 배 nX(為(71 = 1, L5, 2, 3, 4” j 로 순차적으로 변위진폭을 증가시켰으며 동일한 재하변위진폭에 있어서 반복 회수를 3회로 하였다.
실험체의 제원은 표 4와 같으며 이들 실험체에 대한 재하방법은 그림 12, 13에 나타난 것과 같으며 일정한 하중재하를 위하여 pantograph system를 도입하였다. 실험체 의 단면은 중실 사각형 단면이며 전단거동을 파악하기 위해 전단 형상비 (shear aspect ratio)를 2.
이 연구에서 사용된 유한요소의 크기는 일반 탄성 해석과의 convergence test릍 통하여 타당성을 검증하여 결정하였다.
사용된 균열개념에 크게 영향을 받는다. 이 연구에서는 제 2 균열의 발생을 제 1 균열과 직교방향으로 발생하도록 제한하여 콘크리트의 강성이 과대평가 되는 직교 고정균열모델과 달리, 실제 주응력의 방향과 직각으로 발생하도록 한 비직교 고정균열모델을 적용함으로써 콘크리트의 강성을 보다 사실적으로 평가하였다.
충분한 고려가 필요하다. 이 연구에서는 철근과 콘크리트의 해석모델에 하중재하 회수의 누적에 따른 강도 및 강성 저하의 영향을 적용함으로써 피로손상을 고려하였다. 철근의 피로모델은 Coffin-Manson의 제안 식을 적용하였으며 콘크리의 피로모델은 Kakuta 등의 제안식 (噸을 수정하여 사용하였다.
연구자들에 의해서 규명된 바가 있다. 이 연구에서는 콘크리트 압축파괴 이후의 효과를 Kent 등에 의해 제안된 해석모델을 수정하여 고려하였다. 또한, 압축파괴가 발생한 콘크리트의 안에 있는 철근의 좌굴거동은 최종적 인내력 저하의 원인이 된다.
이 연구에서는 후자의 방법을 택하여 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 그리고 경계면 요소 등⑺购을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAPU)에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램인 RCAHEST(Rein- forced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)角)을 고강도 콘크리트의 거동특성을 모사할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다(그림 3).
0으로 하였다. 재하는 교각기초부에서 주철근이 항복할 때, 하중작용 위치에 생기는 변위를 항복변위 6y로 정의하고, 이 변위의 정수 배 nX(為(71 = 1, L5, 2, 3, 4” j 로 순차적으로 변위진폭을 증가시켰으며 동일한 재하변위진폭에 있어서 반복 회수를 3회로 하였다.
이 연구에서는 철근과 콘크리트의 해석모델에 하중재하 회수의 누적에 따른 강도 및 강성 저하의 영향을 적용함으로써 피로손상을 고려하였다. 철근의 피로모델은 Coffin-Manson의 제안 식을 적용하였으며 콘크리의 피로모델은 Kakuta 등의 제안식 (噸을 수정하여 사용하였다.

대상 데이터

이 연구에서 제안한 해석기법과 모델의 타당성을 검증하기 위해서 그림 11에 나타난 것과 같은 고강도 철근콘크리트 교각의 실험체(19), (2。)를 선정하였다. 이 실험체를 해석 예로 채택한 이유는 지진하중과 같은 반복하중을 받는 고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동특성을 정량화시킨 실험이기 때문이다.

데이터처리

구속된 고강도 콘크리트에 대한 Sakino-Sun 모델의 신뢰성을 확인하기 위해 위와 같이 표 1~표 3의 일축 압축 하중을 받는 실험결과와 비교.분석하였으며 그 결과를 그림 8~그림 10에 나타내었다.

이론/모형

즉 균열 부분은 철근의 항복으로 인해 응력의 증가가 없지만 내부의 철근의 응력은 증가하여 철근의 평균응력이 증가하게 되므로 철근만의 응력-변형률 관계에서 볼 수 있는 항복 고원현상은 나타나지 않는다. 이 연구에서는 포락선 부분에 대한 철근의 항복후 거동을 저자 등이 제안한 trilinear 모델로써 표현하였다(그림 2).
해석값과 실험값의 비교 결과로부터 기존의 응력-변형률 모델인 Mander 등의 제안모델은 구속된 고강도 콘크리트에 대하여 응력 최대점에서의 변형률과 구속된 콘크리트의 최대응력 九을 과대평가하는 경향을 보이고 있어 그 대안으로 구속된 고강도 콘크리트에 대한 응력-변형률 모델인 Sakino-Sun 모델㈣을 적용하였다(그림 7). Saki- no-Sun 모델은 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 종방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있다.

성능/효과

1) 재료적 비선형성을 고려하기 위해서 균열 발생후의 콘크리트의 인장강성 및 압축강성, 균열면에서의 전단전달 강성, 철근의 부착 등에 대한 각각의 구성방정식을 조합하고 구속된 고강도 콘크리트에 대한 신뢰성 있는 응력-변형률 모델을 이식함으로써 고강도 철근콘크리트 교각구조의 균열발생에서부터 철근의 항복 및 파괴에 이르는 모든 응력상태에 대한 비선형 거동특성을 비교적 충실히 예측할 수 있었다.
2) 고강도 철근콘크리트 교각의 손상메커니즘은 실험과 해석 결과 모두 수평균열의 진전후, 콘크리트 피복이 박리.이탈되고 종방향 철근의 좌굴이 일어났다.
3) 이 연구에서 제안된 비선형 유한요소해석은 고강도 철근콘크리트 교각구조의 응력 분포 및 변형에 대한 구체적인 정보를 제공할 수 있다.
신뢰성을 확인할 때 기준이 된 사항은 응력 최대 점에서의 변형률 오차, 구속된 고강도 콘크리트의 일축 압축강도 오차, 그리고 최대점 이후의 0.85xfcc에서의 변형률 오차이다. 이를 종합하여 본 결과 Skino-Sun 모델의 응력- 변형률 곡선은 실험결과와 전반적으로 잘 일치하고 있으며 안전측의 해석결과를 도출하는 것을 확인할 수 있었다.
비교하여 표 5에 정리하였다. 유한요소해석 결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수가 각각 0.95와 0.04로서, 최대하중의 평균값은 전반적으로 실험 결과를 정확하게 평가하고 있으며 변동계수가 0.04에 불과하여 고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동특성을 전반적으로 잘 평가하고 있는 것으로 판단된다.
그림 21~그림 23에 나타내었다. 이러한 비교 결과로부터 축압축력이 커질수록 그리고 종방향 철근비가 커질수록 최대하중은 증가하지만, 횡방향 철근비는 최대하중에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
85xfcc에서의 변형률 오차이다. 이를 종합하여 본 결과 Skino-Sun 모델의 응력- 변형률 곡선은 실험결과와 전반적으로 잘 일치하고 있으며 안전측의 해석결과를 도출하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

4) 지진하중을 받는 고강도 철근콘크리트 교각의 응답 특성 및 지진손상을 제대로 평가함으로써 고강도 철근콘크리트 교각구조의 내진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것이다.
일련의 실험결과와 해석결과의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 고강도 철근콘크리트 교각의 비탄성 이력거동을 적절히 평가하고 있으며, 개발된 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램 (RCAHEST)을 이용함으로써, 해석적 방법에 의한 신설 또는 기존 고강도 철근콘크리트 교각의 내진성능평가가 가능할 것으로 판단된다.

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Xiao, Y., and Martirossyan, A., PEER Structural Performance Database, Available from http:// nisee.berkeley.edu/ spd/

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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