폭발하중을 받는 콘크리트 구조물을 섬유 복합재 등의 보강 재료를 사용하여 보강하는 경우에는 강성 증가와 함께 적절한 연성을 확보할 수 있어야 한다. 그러나, 폭발하중을 받는 구조물의 설계 및 해석에 일반적으로 사용되는 기존의 근사적이며 단순화 모델은 보강 재료에 대한 효과를 정확히 반영할 수 없을 뿐 아니라 해석 결과의 정확성 및 신뢰성에 문제가 제기되어왔다. 또한, 동적 하중에 대한 콘크리트와 철근의 응답은 정적 하중에 대한 응답과 상이하기 때문에 기존의 정적, 준정적하에서 정의된 재료물성값들을 폭발하중에 대한 응답 계산에 사용하는 것은 부적절하다. 따라서, 본 연구에서는 명시적(explicit) 해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 매우 빠른 재하속도를 갖는 폭발하중에 대하여 강도 증진 및 변형률 속도 효과가 반영된 재료 모델을 포함하고 있는 정밀 HFPB(high fidelity physics based) 유한요소해석 기법을 제시하였다. 제시된 해석적 기법을 통하여 탄소섬유 복합재와 유리섬유 복합재를 사용하여 보강된 콘크리트 벽체의 폭발하중에 대한 거동을 해석하였으며, 이를 보강하지 않은 벽체의 해석 결과와 비교함으로써 보강 성능 분석을 실시하였다. 해석 결과 보강에 따른 최대 처짐이 약 $26{\sim}28%$ 감소하는 보강 성능을 확인하였으며, 제안된 해석 기법이 보강 재료와 보강 기법의 유효성을 평가하는데 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
폭발하중을 받는 콘크리트 구조물을 섬유 복합재 등의 보강 재료를 사용하여 보강하는 경우에는 강성 증가와 함께 적절한 연성을 확보할 수 있어야 한다. 그러나, 폭발하중을 받는 구조물의 설계 및 해석에 일반적으로 사용되는 기존의 근사적이며 단순화 모델은 보강 재료에 대한 효과를 정확히 반영할 수 없을 뿐 아니라 해석 결과의 정확성 및 신뢰성에 문제가 제기되어왔다. 또한, 동적 하중에 대한 콘크리트와 철근의 응답은 정적 하중에 대한 응답과 상이하기 때문에 기존의 정적, 준정적하에서 정의된 재료물성값들을 폭발하중에 대한 응답 계산에 사용하는 것은 부적절하다. 따라서, 본 연구에서는 명시적(explicit) 해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 매우 빠른 재하속도를 갖는 폭발하중에 대하여 강도 증진 및 변형률 속도 효과가 반영된 재료 모델을 포함하고 있는 정밀 HFPB(high fidelity physics based) 유한요소해석 기법을 제시하였다. 제시된 해석적 기법을 통하여 탄소섬유 복합재와 유리섬유 복합재를 사용하여 보강된 콘크리트 벽체의 폭발하중에 대한 거동을 해석하였으며, 이를 보강하지 않은 벽체의 해석 결과와 비교함으로써 보강 성능 분석을 실시하였다. 해석 결과 보강에 따른 최대 처짐이 약 $26{\sim}28%$ 감소하는 보강 성능을 확인하였으며, 제안된 해석 기법이 보강 재료와 보강 기법의 유효성을 평가하는데 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
In case of retrofitting a concrete structure subjected to blast load by using retrofit materials such as FRP (fiber-reinforced polymer), appropriate ductility as well as raising stiffness must be obtained. But the previous approximate and simplified models, which have been generally used in the desi...
In case of retrofitting a concrete structure subjected to blast load by using retrofit materials such as FRP (fiber-reinforced polymer), appropriate ductility as well as raising stiffness must be obtained. But the previous approximate and simplified models, which have been generally used in the design and analysis of structures subjected to blast load, cannot accurately consider effects on retrofit materials. Problems on the accuracy and reliability of analysis results have also been pointed out. In addition, as the response of concrete and reinforcement on dynamic load is different from that on static load, it is not appropriate to use material properties defined in the previous static or quasi-static conditions to in calculating the response on the blast load. In this study, therefore, an accurate HFPB (high fidelity physics based) finite element analysis technique, which includes material models considering strength increase, and strain rate effect on blast load with very fast loading velocity, has been suggested using LS-DYNA, an explicit analysis program. Through the suggested analysis technique, the behavior on the blast load of retrofitted concrete walls using CFRP (carbon fiber-reinforced polymer) and GFRP (glass fiber-reinforced polymer) have been analyzed, and the retrofit capacity analysis has also been carried out by comparing with the analysis results of a wall without retrofit. As a result of the analysis, the retrofit capacity showing an approximate $26{\sim}28%$ reduction of maximum deflection, according to the retrofit, was confirmed, and it is judged ate suggested analysis technique can be effectively applicable in evaluating effectiveness of retrofit materials and techniques.
In case of retrofitting a concrete structure subjected to blast load by using retrofit materials such as FRP (fiber-reinforced polymer), appropriate ductility as well as raising stiffness must be obtained. But the previous approximate and simplified models, which have been generally used in the design and analysis of structures subjected to blast load, cannot accurately consider effects on retrofit materials. Problems on the accuracy and reliability of analysis results have also been pointed out. In addition, as the response of concrete and reinforcement on dynamic load is different from that on static load, it is not appropriate to use material properties defined in the previous static or quasi-static conditions to in calculating the response on the blast load. In this study, therefore, an accurate HFPB (high fidelity physics based) finite element analysis technique, which includes material models considering strength increase, and strain rate effect on blast load with very fast loading velocity, has been suggested using LS-DYNA, an explicit analysis program. Through the suggested analysis technique, the behavior on the blast load of retrofitted concrete walls using CFRP (carbon fiber-reinforced polymer) and GFRP (glass fiber-reinforced polymer) have been analyzed, and the retrofit capacity analysis has also been carried out by comparing with the analysis results of a wall without retrofit. As a result of the analysis, the retrofit capacity showing an approximate $26{\sim}28%$ reduction of maximum deflection, according to the retrofit, was confirmed, and it is judged ate suggested analysis technique can be effectively applicable in evaluating effectiveness of retrofit materials and techniques.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 제한적으로 공개된 국내외 관련 자료 및 기존 연구 결과의 수집 분석을 바탕으로 폭발 하중을 받는 보강된 콘크리트 구조물의 거동을 정밀하게 해석할 수 있는 해석 기법 및 절차를 구축하는 것을 최종 목적으로 설정하였다. 폭발하중과 같은 순간적으로 빠르게 작용하는 동역학 문제를 해석하기 위해서 명시적 시간 적분법 (explicit time integration)을 기반으로 하는 명시적 (explicit) 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA v.
그러나, 매우높은 진동수와 함께 높은 압력으로 작용하는 폭발파에 대한 구조물의 응답이 주된 관심사인 폭발 거동 영역에서는 섬유 보강재와 콘크리트의 점탄소성 부착 거동을 정확히 반영하기 매우 어려울 뿐 아니라 부착 효과에 대한민감도가 극도로 낮아지기 때문에 섬유 보강재와 콘크리트 사이의 부착 효과를 무시하는 것이 폭발 거동 해석에서는 일반적이다“). 따라서, 본 연구에서는 콘크리트와 섬유 보강재를 완전 부착으로 가정하여 부착 효과를 무시하고, 섬유 보강재의 응력-변형률 관계를 한계변형률 도달후에 급격한 취성파괴가 발생하는 선형탄성이론을 사용하여 정의하였다. 한편, 섬유 보강재는 전단변형이 고려된 탄성성질이 직교 방향으로 상이한 직교이방성의 9개의 독립적인 탄성상수 (elastic constant)# 갖는 orthotropic elastic model (MAT_2)를 적용하였다“".
본 연구는 실제 폭파 실험 대상 구조물의 설계과정에 따라 수행된 것으로 섬유 복합재를 보강 재료로사용한 경우에 폭발하중에 대한 보강 성능을 예측하기위한 HFPB 해석 기법 및 절차를 구축하였다. 본 연구를통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
7과같이 D13 철근이 100mm 간격으로 벽체 폭과 높이 방향에 대하여 정압력 및 부압력에 모두 저항할 수 있도록 양쪽으로 배근되어 있다. 서론에서 기술한 바와 같이 본 연구에서는 향후 실험을 위하여 실제 구조물의 거동을보다 정밀하게 예측할 수 있는 해석 방법 및 절차를 제안하는 목적으로 수행되었으며, 이를 위하여 단일 벽체 모델과 지지구조물을 포함한 모델에 대하여 각각 검토를 수행하였다. 해석 목적이 단지 벽체의 거동을 파악하는 것이라면 단일 벽체 모델만으로도 충분하다.
저항함수 검토 결과 해석 대상 벽체와 지지 구조물과의 상호 작용 효과가 매우 중요하며, 단순한 몇 가지 경계조건의 가정만으로 지지 구조물이 구조물의 거동에 미치는 영향을 고려하는 것은 신뢰성이 떨어지는 결과를 나타낼 수도 있다는 것을 확인하였다知'. 이러한 저항함수 검토 결과를 바탕으로 본 연구에서는 향후폭파실험에 적용할 실험체 형상과 동일하게 지지 구조물을 포함하여 모델링하였다. 폭발하중은 지지 구조물 외부에서 7.
가설 설정
여기서, 섬유 복합재는 선형 탄성 거동을 한다고 가정한 반면, 콘크리트와 철근은 변형률 속도 효과가 반영된 복잡한 구성 방정식을 적용하여 매우 높은 진동수를 갖는 폭발하중에 대한 구조적인 응답을 고려하였다. 한편, 콘크리트와 섬유 복합재의 부착 효과는 완전부착으로 가정하였다.
제안 방법
1) 폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 변형률 속도와 손상을 고려한 적절한 재료 모델을 사용함으로써 동적 재료 특성이 반영된 정밀 해석 기법을 구축하였다. 여기서, 섬유 복합재는 선형 탄성 거동을 한다고 가정한 반면, 콘크리트와 철근은 변형률 속도 효과가 반영된 복잡한 구성 방정식을 적용하여 매우 높은 진동수를 갖는 폭발하중에 대한 구조적인 응답을 고려하였다.
대부분의 기존 연구에서는 일반적으로 폭발압력의 물리적전달현상(wave propagation)을 정확히 고려하지 못하고, 위치별 동일한 시간이력을 갖는 하중을 적용하고 있다. 그러나, 본 연구에서는 지표면 폭발 조건과 벽체의 형상을고려하여 Fig. 3(b)와 같이 300여개의 시간의존적 폭발하중을 벽체 위치별로 동일한 시간영역대에서 상이한 하중분포를 적용함으로서 실제 폭발하중을 정밀하게 고려하였다.
해석 목적이 단지 벽체의 거동을 파악하는 것이라면 단일 벽체 모델만으로도 충분하다. 그러나, 실제 구조물의 거동 예측을 위해서는 해석 대상 벽체 뿐 아니라 실험체에 적용된 지지 구조물간의 상호 작용의 검토가 요구되었으며, 이를 해석 모델에 따른 저항함수 비교를 통해신중하게 검토하였다. 저항함수 검토 결과 해석 대상 벽체와 지지 구조물과의 상호 작용 효과가 매우 중요하며, 단순한 몇 가지 경계조건의 가정만으로 지지 구조물이 구조물의 거동에 미치는 영향을 고려하는 것은 신뢰성이 떨어지는 결과를 나타낼 수도 있다는 것을 확인하였다知'.
폭발하중의 경우에는 아주 짧은 기간에 걸쳐서 구조물에 커다란 변형률 변화를 야기시키고, 이러한 높은 변형률 속도는 재료의 강도를 증가 시켜 국부적인 파괴와 동적 전단파괴에 대한 저항을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 매우 빠른 재하속도를 갖는 동적하중에 대한 콘크리트와 철근의 변형률 증대 효과를 반영한 재료 모델을 적용하였다. 적용된 재료 모델은 기존 연구의 문헌분석과 미정부 산하의 전문 방호 설계 및 해석 기관인 Karagozian & Case와 기술교류를 통한 검증 작업을 거쳐 최적의 재료 모델을 채택하였다.
있다。따라서, 본 연구에서는 재료 모델 16를 수정 보완하여 개발된 concrete damage model (MAT_72)을 콘크리트에적용하였다. 이 콘크리트 재료 모델은 표준 1축, 2축 및 3축 콘크리트 압축과 인장 거동을 신뢰성 있게 예측할수 있다는 것이 실험적으로 입증된 바 있으며, 본 연구에서 적용한 폭발하중에 대해서도 효과적으로 거동 예측이 가능한 선형등방성의 hypoelastic-plastic 모델이다2 한편, 콘크리트 요소는 일축 응력-변형률 특성을 사용한 모델로는 거동을 정확히 예측할 수 없는 것이 일반적이기때문에 삼축 응력 상태를 고려할 필요가 있다.
970 을 사용하였으며, 폭발하중은 ConWep을 사용하여 산정하였다. 또한, 본 연구에서 구축한 해석 기법을 적용하여 보강 유무를 변수로 폭발하중에 대한 콘크리트 벽체의 동적 거동과 보강 재료에 따른 보강 성능의 평가를 시도하였다.
(*element_beam)7)를 사용하여 모델링하였다. 또한, 섬유 보강재는 Belytschko'®의 쉘요소 (*element_shell)'을 사용하였으며, 탄소섬유 복합재와 유리섬유 복합재의 특성을 각각 적용하여 모델링하였다. 해석 대상 벽체의 제원 및 재료 물성값은 Table 2와 같고, 섬유 복합재의 물성값은 Table 3과 같다.
본 연구에서는 고속 충돌 및 폭발 해석을 위한 명시적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA v.970을 사용하여 폭발 하중에 대한 콘크리트 구조물의 동적 응답을 정밀해석하였다. LS-DYNA는 Lagrangian 방식의 균일 변형률 요소를 사용하며 폭발하중에 대한 콘크리트의 국부적인 파괴 및 파쇄를 묘사하기 위한 효과적인 소진 (eroding) 알고리즘을 포함한다顷.
의해 정의되된다. 본 연구에서는 사용된 철근의 실험자료에 근거 하여 유효소성 변형 률과 항복강도과의 관계 를 Fig. 6과 같이 정의하여 변형률 속도 효과를 고려하였다.
2와 같이 폭풍파, 파편, 지표면 충격 및 탄공 등의 효과를 고려한 폭발하중의 산정이 가능하며, 그 중폭풍파의 경우 폭발 각도를 고려하여 자유공간, 지표면근접 및 지표면 폭발시의 폭발하중을 산정할 수 있다. 본 연구에서는 폭발물 중심으로부터의 거리가 7.6이이며, 4.5 kN 무게의 TNT가 지표면에서 반구형 형태로 폭발했을 경우의 폭발하중을 ConWep을 이용하여 산정하였으며, 시간에 따른 최대압력과 충격량에 대한 시간이력곡선은 Fig. 3(a)과 같다.
여기서, 섬유 복합재는 선형 탄성 거동을 한다고 가정한 반면, 콘크리트와 철근은 변형률 속도 효과가 반영된 복잡한 구성 방정식을 적용하여 매우 높은 진동수를 갖는 폭발하중에 대한 구조적인 응답을 고려하였다. 한편, 콘크리트와 섬유 복합재의 부착 효과는 완전부착으로 가정하였다.
따라서, 본 연구에서는 매우 빠른 재하속도를 갖는 동적하중에 대한 콘크리트와 철근의 변형률 증대 효과를 반영한 재료 모델을 적용하였다. 적용된 재료 모델은 기존 연구의 문헌분석과 미정부 산하의 전문 방호 설계 및 해석 기관인 Karagozian & Case와 기술교류를 통한 검증 작업을 거쳐 최적의 재료 모델을 채택하였다.
콘크리트 내의 철근의 재료 모델에는 동적증가계수 DIF (dynamic increasing factor) 및 강도증진계수 SIF (strength increasing factor)를 단순히 항복강도에 곱하여 동적 재료 특성을 반영하는 방법을 보완하여 빔 요소 (beam element) 에변형률 속도 효과를 효율적으로 고려할 수 있는 piecewise linear plasticity model (MAT_24)를 적용하였다. Vbn Mises 파괴 기준에 기초한 철근의 항복응력 함수는 식 (5)와 같다.
이러한 저항함수 검토 결과를 바탕으로 본 연구에서는 향후폭파실험에 적용할 실험체 형상과 동일하게 지지 구조물을 포함하여 모델링하였다. 폭발하중은 지지 구조물 외부에서 7.6 m 떨어진 곳에서 4.5 kN 무게의 TNT를 적용하였으며, 앞 서 산정한 Fig. 3의 압력이 벽면 전면에 시간이력에 따른 단면하중으로 가해지도록 모델링하였다. 지지구조물을 포함한 벽체 모델의 경우에는 지지 구조물의 하부를 지면과 완전 구속시키고 지지 구조물과의 연결되는벽체의 4면은 Contact 함수 (surfhce_to_surf雨ce)를 사용하여실제와 유사하게 접합시킨 경계조건을 적용하였다.
대상 데이터
지지 구조물을 포함한 해석 대상 벽체의 콘크리트는 솔리드 요소 (*element_solid)"를 사용하였으며, 철근은 빔 요소 (*element_beam)7)를 사용하여 모델링하였다. 또한, 섬유 보강재는 Belytschko'®의 쉘요소 (*element_shell)'을 사용하였으며, 탄소섬유 복합재와 유리섬유 복합재의 특성을 각각 적용하여 모델링하였다.
본 연구에서는 식 (1)~(4)와 같은 3 개의 독립된 파괴면과 함께 빠른 동적 폭발하중에 대한콘크리트 재료 강도 증진이 추가적인 파괴면과 변형률속도를 고려하였다. 본 연구에서 적용한 콘크리트 모델은 Fig. 4와 같이 작용된 압력에 의하여 변화하는 3개의독립적인 파괴면을 갖는 소성이론을 기반으로 하고 있으며, Fig. 4의 압축인장 파괴면 곡선에서 폭발하중에 대한콘크리트 내 압력을 나타내는 y축3축)의 상하부는 각각압축과 인장 영역을 나타낸다. 3개의 콘크리트 파괴면은식 (1)~(4)와 같고, 변형률 속도에 따른 증가된 콘크리트파괴면은 식 (4)와 같다9).
해석 대상 벽체의 제원 및 재료 물성값은 Table 2와 같고, 섬유 복합재의 물성값은 Table 3과 같다. 섬유 복합재는 F사의 유리섬유와 탄소섬유 복합재를 각각 적용하였으며, 복합재를 10겹으로 겹쳐 1겹의 보강재로 사용하였다.
해석 대상 구조물은 폭 3 m, 높이 3.6 m, 두께 150 mm 의 콘크리트 벽체이다. 벽체 콘크리트 내부에는 Fig.
데이터처리
9(c), (d)와 같고, 상대적으로 낮은 인장강도의 유리섬유복 합재가 탄소 섬유 복합재에 비하여 에너지 흡수가 뛰어난 것을 알 수 있으며, 특히 강성이 높아 취성적인 탄소섬유 복합재는 이미 약 60 msec에서 파단변형률을 초과하여 파괴되었지만, 유리섬유 복합재의 경우 약 100 msec 에서 파단변형률에 도달하는 것으로 해석되었다. 이상의해석 결과를 종합하여 나타내면 Table 4와 같고, Fig. 10 에서는 섬유 복합재의 시공 겹 수를 증가시킨 후의 섬유 복합재에 발생한 변형률을 파단변형률과 비교하였다. Fig.
이론/모형
따라서, 본 연구에서는 콘크리트와 섬유 보강재를 완전 부착으로 가정하여 부착 효과를 무시하고, 섬유 보강재의 응력-변형률 관계를 한계변형률 도달후에 급격한 취성파괴가 발생하는 선형탄성이론을 사용하여 정의하였다. 한편, 섬유 보강재는 전단변형이 고려된 탄성성질이 직교 방향으로 상이한 직교이방성의 9개의 독립적인 탄성상수 (elastic constant)# 갖는 orthotropic elastic model (MAT_2)를 적용하였다“". 직교이방성 섬유 복합재의 응력-변형률의 관계는 식 (8)과 같다3).
목적으로 설정하였다. 폭발하중과 같은 순간적으로 빠르게 작용하는 동역학 문제를 해석하기 위해서 명시적 시간 적분법 (explicit time integration)을 기반으로 하는 명시적 (explicit) 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA v.970 을 사용하였으며, 폭발하중은 ConWep을 사용하여 산정하였다. 또한, 본 연구에서 구축한 해석 기법을 적용하여 보강 유무를 변수로 폭발하중에 대한 콘크리트 벽체의 동적 거동과 보강 재료에 따른 보강 성능의 평가를 시도하였다.
성능/효과
(d)와 같고, 상대적으로 낮은 인장강도의 유리섬유복 합재가 탄소 섬유 복합재에 비하여 에너지 흡수가 뛰어난 것을 알 수 있으며, 특히 강성이 높아 취성적인 탄소섬유 복합재는 이미 약 60 msec에서 파단변형률을 초과하여 파괴되었지만, 유리섬유 복합재의 경우 약 100 msec 에서 파단변형률에 도달하는 것으로 해석되었다. 이상의해석 결과를 종합하여 나타내면 Table 4와 같고, Fig.
2) 탄소 섬유 복합재와 유리 섬유 복합재를 사용하여 보강한 벽체의 거동을 각각 해석하여 보강하지 않은 벽체의 해석 결과와 비교하였으며, 섬유 복합재로 보강한 경우 약 26~28%의 최대처짐량이 감소하여 보강 효과를 직접적으로 확인할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 손상지수, 변위 분포, 보강 재료의 응력 및 변형률의 해석 결과를 분석하여 유리섬유 복합재가 콘크리트 구조물에 강성과 연성을 적절히 제공함으로써 상대적으로 효율적인 폭발 하중에 대한 보강이 가능한 것으로 평가되었다.
3) 한편, 섬유 복합재의 보강 두께를 변화시켜 추가적인 해석을 수행한 결과, 섬유 복합재의 두께가 증가할수록 섬유 복합재가 부담하는 응력 및 변형률이감소하는 것을 확인하였다. 특히, 탄소섬유 복합재의 경우에는 3겹 이상, 유리섬유 복합재는 2겹 이상보강해야 1겹 보강한 경우보다 변형률이 약 65%, 41% 감소하여 섬유 복합재의 파단 없이 보강 유효성을 높일 수 있을 것으로 해석되었다.
4) 본 연구에서 수행한 HFPB 유한요소해석 방법을 통해 보강 재료에 따른 구조물의 거동 차이를 확인하였으며, 제안된 해석 기법 및 절차에 따라 폭발 하중에 대한 콘크리트 구조물의 보강 재료와 보강 기법의 유효성을 효과적으로 평가할 수 있다고 판단된다.
10 에서는 섬유 복합재의 시공 겹 수를 증가시킨 후의 섬유 복합재에 발생한 변형률을 파단변형률과 비교하였다. Fig. 10에서와 같이 탄소 섬유 복합재의 경우에는 3겹 이상, 유리섬유 복합재는 2겹 이상 보강해야 1겹 보강한 경우보다 변형률이 약 65%, 41% 감소하여 섬유 복합재의 파단 없이 보강 유효성을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 한편, Fig.
그러나, 보강 재료에 따른 보강 성능은 보강 재료의 응력, 변형률을 통해 평가 가능하며, 파단 변형률을 기준으로, 탄소 섬유 시트의 경우에는 파단변형률의 약 200% 이상의 변형률이 발생한 반면, 유리섬유 시트를 사용한 경우에는 파단변형률과 유사한 변형률이 발생하였다. 따라서, 선형 상태에서 탄소섬유 시트를 사용하는 경우에는 최소 3겹이상, 유리섬유 시트를 사용하는 경우에는 최소 2겹 이상의 보강이 요구되는 것으로 평가되었다.
따라서, 선형 상태에서 탄소섬유 시트를 사용하는 경우에는 최소 3겹이상, 유리섬유 시트를 사용하는 경우에는 최소 2겹 이상의 보강이 요구되는 것으로 평가되었다.
따라서, 탄소섬유 시트에 비하여 상대적으로 연성이 뛰어나며 두꺼운 단면 특성으로 인하여 에너지 흡수성이 우수한 유리섬유 시트가 보강 재료로서의 효율성과 보강 성능이 보다 우수한 것으로 판단된다. 이러한 해석 결과는 기존의 보강 재료를 변수로 한 Patoary와 Tan")의 실험 결과와 같이 상대적으로 우수한 재료물성값을 갖는 CFRP보다 GFRP로 보강된 경우의 보강 효과가 우수하게 평가된 결과와 유사한 경향이라 판단된다.
한편, 최대 변위인 275 mm 는 ASCE”에서 제시하는 휨 변형에 대한 파괴 기준에서 보통의 손상을 나타내는 &Le 약 8%에 해당하는 값이지만, 내력벽 및 전단벽의 기준에서는 매우 심각한 손상인 4% 이상의 값이다. 또한, 보강하지 않은 벽체는 양단의 처짐각이 크게 발생하여 스터럽 보강이 요구되며, 섬유 보강재를 사용한 방폭 보강이 필요한 것으로 해석되었다.
나타났다. 또한, 손상지수, 변위 분포, 보강 재료의 응력 및 변형률의 해석 결과를 분석하여 유리섬유 복합재가 콘크리트 구조물에 강성과 연성을 적절히 제공함으로써 상대적으로 효율적인 폭발 하중에 대한 보강이 가능한 것으로 평가되었다.
그러나, 실제 구조물의 거동 예측을 위해서는 해석 대상 벽체 뿐 아니라 실험체에 적용된 지지 구조물간의 상호 작용의 검토가 요구되었으며, 이를 해석 모델에 따른 저항함수 비교를 통해신중하게 검토하였다. 저항함수 검토 결과 해석 대상 벽체와 지지 구조물과의 상호 작용 효과가 매우 중요하며, 단순한 몇 가지 경계조건의 가정만으로 지지 구조물이 구조물의 거동에 미치는 영향을 고려하는 것은 신뢰성이 떨어지는 결과를 나타낼 수도 있다는 것을 확인하였다知'. 이러한 저항함수 검토 결과를 바탕으로 본 연구에서는 향후폭파실험에 적용할 실험체 형상과 동일하게 지지 구조물을 포함하여 모델링하였다.
이러한 해석 결과는 기존의 보강 재료를 변수로 한 Patoary와 Tan")의 실험 결과와 같이 상대적으로 우수한 재료물성값을 갖는 CFRP보다 GFRP로 보강된 경우의 보강 효과가 우수하게 평가된 결과와 유사한 경향이라 판단된다. 즉, 탄소 섬유에 비하여 상대적으로 항복강도와 탄성계수가 낮은 유리섬유로 보강한 경우가 보강 효율성이 더 우수하다는 것에 주목할만하며, 이러한 해석 및 실험 결과는 폭발하중에 대한 저항 성능을 증가시키기 위해서는 강성증가 뿐 아니라 적절한 연성 확보가 요구된다는 이론을 입증하고 있다.
것을 확인하였다. 특히, 탄소섬유 복합재의 경우에는 3겹 이상, 유리섬유 복합재는 2겹 이상보강해야 1겹 보강한 경우보다 변형률이 약 65%, 41% 감소하여 섬유 복합재의 파단 없이 보강 유효성을 높일 수 있을 것으로 해석되었다.
후속연구
HFPB 유한요소해석 결과와 실제 폭발 실험 결과와 비교 분석을 통하여 해석 기법의 타당성을 검토하는 연구는 많은 비용이 소모되는 폭발 실험을 대신하면서, 기존의 단순 해석 기법보다 높은 정확도를 확보할 수 있는 효율적인 연구 분야이다. 또한, HFPB 유한요소해석 기법은 폭발하중과 구조물의 동적 거동과 같은 물리적 현상을 신뢰성 있게 묘사할 수 있으며, 실제 실험을 수행하기가 거의 불가능한 경우에는 유일한 가상의 실험 도구로 활용할 수 있기 때문에 실제 폭발 시험 수행에 많은 제약이 존재하는 국내 실정을 감안할 때 폭발하중에 대한 콘크리트 구조물 및 보강된 콘크리트 구조물의 거동을 예측할 수 있는 해석 기법을 구축하는 것은 효율적인 최적의 보강 기법을 선택하기 위한 필수적인 연구라 할 수 있다.
참고문헌 (21)
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TM5-1300/AFR 88-2/NAVFAC P-39, Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions, Joint Departments of the Army, Air Force and Navy Washington, DC, November, 1990, TMCD Version
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