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문제 정의
- 본 논문에서는 성능기반설계를 위한 기초자료로서, 철근콘크리트 기둥 부재에 대한 합리적인 거동특성 및 극한 강도 평가를 위하여, 저자 등에 의하여 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST를 신뢰성 있는 철근콘크리트 기둥 실험체에 적용하였고, 통계 및 신뢰성 이론을 적용하여 그 타당성을 검증하였다. 연구 결과의 비교.
- 검증하였다. 이는 향후, 철근콘크리트 기둥 부재의 비선형유한요소해석 프로그램 RCAHEST를통한 강도 예측에 있어 편의성과 경제성을 확보할 수 있도록 하였다.
- 분석을 통하여 그 적용성과 타당성을 검증하고, 신뢰성 이론을 바탕으로 파괴에 대한 목표 신뢰지수를 확보할 수 있도록 하는, 비선형 유한요소해석으로부터의 해석 결과에 적용할 안전계수를 산정한다. 이를 통해 철근콘크리트 부재에 대하여 성능기반 설계기준의 개발에 필요한 전반적인 기초 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 1) 유한요소해석에 있어 Monotonic 하중재하와 Mander 등(1988)등이 제안한 구속효과 모델을 적용한 경우에 대한 적용성과 타당성을 통계학적인 방법으로부터 검증하였다. 이는 향후, 철근콘크리트 기둥 부재의 비선형유한요소해석 프로그램 RCAHEST를통한 강도 예측에 있어 편의성과 경제성을 확보할 수 있도록 하였다.
- 3) 철근콘크리트 기둥 부재의 파괴에 대한 목표 신뢰도 지수를 Euro Code을 바탕으로 설정한 후, 이를 만족 하도록 하는 새로운 감소계수 0.76을 신뢰성 해석을 통하여 산정하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 구조물 및 부재의 파괴를 포함한 모든 거동 단계에 대한 신뢰도 지수 확보와 함께 이의 성능기반설계에의 직접적인 적용을 방안 마련을 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이에 반해, 해석과 실험에 의한 극한강도비(比)에 대한 신뢰도 지수는, 해석과 실험에 의한 결과와 거의 유사함에 따라 비교적 낮은 신뢰도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 철근콘크리트 기둥 부재의 파괴에 대한 목표 신뢰도 지수를 확보하기 위하여, 해석 결과에 적용할 추가적인 감소계수가 필요함을 알 수 있으며, 현행의 콘크리트 구조설계기준에서의 강도감소계수 개념을 바탕으로, 이 연구에서 적용할 추가적인 감소계수를 다양하게 변화시켜 적용하였다. 그 결과, Table 2에서와 같이, 비선형 유한요소해석으로부터의 결과에 0.
- 이를 위하여, 이 연구에서는 그 동안 저자 등에 의하여 개발된 비선형 유한요소 해석 프로그램(RCAHEST)을 신뢰성 있는 철근콘크리트 기둥 실험체 적용하여 해석 및 실험결과와의 비교.분석을 통하여 그 적용성과 타당성을 검증하고, 신뢰성 이론을 바탕으로 파괴에 대한 목표 신뢰지수를 확보할 수 있도록 하는, 비선형 유한요소해석으로부터의 해석 결과에 적용할 안전계수를 산정한다. 이를 통해 철근콘크리트 부재에 대하여 성능기반 설계기준의 개발에 필요한 전반적인 기초 자료를 제시하고자 한다.
- 성능기반설계의 기초자료로서 앞 절의 연구결과를 바탕으로, 이 연구에서 적용한 비선형 유한요소해석으로부터의 결과에 적용할 추가적인 감소계수를 신뢰성 이론을 바탕으로 산정한다. 신뢰도 지수 산정에는 식 (3)과 같은 일계이차모멘트법 (First-Order Second- Moment method)을 적용하였다.
- 여기에, 두께가 서로 다른 부재간의 접합부에서의 단면 강성의 급변에 따른 철근의 정착슬립(Fig. 1)과 접합면에서의 미끄러짐, 및 접합면의 관입(Fig. 2)등의 국부적인 불연속 변위를 고려하기 위한 경계면 요소(Interface element)등을 적용하였다.
- 한편, 구조물의 강도뿐아니라 변형 능력의 정보를 포함한 신뢰도 높은 비선형 해석기술의 확보와 함께 이를 직접 설계에 적용하기 위한 방안으로서, 해석결과에 대한 안전율을 확보하기 위한 연구가 필요하다. 이를 위하여, 이 연구에서는 그 동안 저자 등에 의하여 개발된 비선형 유한요소 해석 프로그램(RCAHEST)을 신뢰성 있는 철근콘크리트 기둥 실험체 적용하여 해석 및 실험결과와의 비교.분석을 통하여 그 적용성과 타당성을 검증하고, 신뢰성 이론을 바탕으로 파괴에 대한 목표 신뢰지수를 확보할 수 있도록 하는, 비선형 유한요소해석으로부터의 해석 결과에 적용할 안전계수를 산정한다.
- 철근콘크리트 기둥 부재의 파괴에 대한 목표 신뢰도지수를 Euro Code에서 정의하고 있는 구조물의 중요도에 기준을 바탕으로, 구조물의 중요도 Very Large 에 해당하는 신뢰도 지수 3.72이상을 확보할 수 있도록 하였다. 아래의 Table 2에서와 같이, 실험 및 콘크리트 구조설계기준에 의한 극한강도 비(比)에 대한 신뢰도 지수는 4.
대상 데이터
- 본 연구에서 제시한 해석기법과 재료적 비선형성을 고려한 해석모델의 타당성을 검증하기 위해 아래의 Fig. 4에서 Fig. 9에 나타난 것과 같은 다양한 단면상세, 압축강도, 배근상세 및 파괴형태를 갖는 철근콘크리트 기둥 실험체를 선정하였다. 아래에서와 같이 각각의 실험체들은 형상비와 주철근 비를 변화시키면서 전단 파괴를 유도한 실험체(Fig.
- 이 연구에서 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램 (RCAHEST)의 신뢰성 평가를 위하여, 앞 절의 신뢰성 있는 연구자들이 실험한 총 115개의 철근콘크리트 기둥 시험체에, Fig. 10에서와 같은 실험체의 모델링과 요소를 적용한 후, 실험과 해석 및 현행의 콘크리트 구조설계기준으로부터의 극한강도에 대한 결과를 아래의 Table 1에 나타내었다. 아래의 결과에서 보는 바와 같이 총 115개의 대상 실험체에 대한 해석과 실험으로부터의 극한강도 비(比)에 대한 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.
- 9)등으로 나누어진다. 이상 총 118개의 대상 실험체 가운데, 실험 및 측정오차로 인한 실험체를 제외한, 나머지 총 115개의 실험체에 대한 검증을 수행하였다.
데이터처리
- 반면, 해석 결과의 경우 압축파괴, 휨파괴, 전단파괴에 대한 강도예측이 상당한 수준의 정밀도와 정확도를 갖는 것이 통계학적인 방법으로 검증하였다.
- 이 연구에서 적용한, 비선형 유한요소해석프로그램 (RCAHEST)의 결과에 대한 신뢰도를 평가하기 위하여, Cyclic과 Monotonic 하중 재하 방법에 따른 변동성 및 횡방향 구속효과 등을 고려하기 위한, Mander 등(1998)과 CEB/FIB 제안 모델을 각각 적용한 경우의 극한강도에 대하여, 통계 소프트웨어 SAS를 이용하여 검증하였다. 그 결과, 두 가지 하중 경우에 대한, hapiro-Wilk 검정 통계량이 95% 신뢰수준에서 모두 정규분포를 따르며, 그 결과 또한 매우 유사한 것으로 나타났다.
이론/모형
- 성능기반설계를 위한 철근콘크리트 기둥 부재의 거동특성 및 극한강도 평가를 위한 이 연구에서, 저자 (Kim 등, 2003; 김태훈, 2003)등에 의하여 그 동안 개발된 철근과 콘크리트의 비선형성을 고려하기 재료 모델과 횡방향 구속효과를 고려하기 위한 Mander (1998) 등이 재안한 모델 및 Darwin(1995)등이 제안한 겹침 이음된 철근 모델을 사용하였다. 여기에, 두께가 서로 다른 부재간의 접합부에서의 단면 강성의 급변에 따른 철근의 정착슬립(Fig.
- 바탕으로 산정한다. 신뢰도 지수 산정에는 식 (3)과 같은 일계이차모멘트법 (First-Order Second- Moment method)을 적용하였다. 이는 정규분포 확률변수 xi의 평균과 표준편차가 각각 内 와 叫 일 때, 확률변수 X의 선형 합으로 정의되는 한계상태식으로 나타낼 수 있다.
- 이 연구에서는, 아래의 Fig. 3에서와 같이 저자 등 (Kim 등, 2003; 김태훈, 2003)에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소 그리고 탄성 요소 등을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology) (Kim 등, 2003; 김태훈, 2003)를 사용하였다.
성능/효과
- 2) 현행 설계기준이 극한강도 예측에 있어 상당히 보수적이며, 이는 하중의 조합에 따른 부재의 실제 거동을 효과적으로 고려하지 못하고 있는 것으로 판단된다. 반면, 해석 결과의 경우 압축파괴, 휨파괴, 전단파괴에 대한 강도예측이 상당한 수준의 정밀도와 정확도를 갖는 것이 통계학적인 방법으로 검증하였다.
- 따라서, 철근콘크리트 기둥 부재의 파괴에 대한 목표 신뢰도 지수를 확보하기 위하여, 해석 결과에 적용할 추가적인 감소계수가 필요함을 알 수 있으며, 현행의 콘크리트 구조설계기준에서의 강도감소계수 개념을 바탕으로, 이 연구에서 적용할 추가적인 감소계수를 다양하게 변화시켜 적용하였다. 그 결과, Table 2에서와 같이, 비선형 유한요소해석으로부터의 결과에 0.76을 적용시켜, 파괴에 대한 목표 신뢰도 지수 및 그 결과에 대한 신뢰도를 확보 할 수 있었다. 이는, 이 연구에서 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST를 통한, 철근콘크리트 기둥 부재의 극한 강도에 0.
- 이용하여 검증하였다. 그 결과, 두 가지 하중 경우에 대한, hapiro-Wilk 검정 통계량이 95% 신뢰수준에서 모두 정규분포를 따르며, 그 결과 또한 매우 유사한 것으로 나타났다. Fig.
- 10에서와 같은 실험체의 모델링과 요소를 적용한 후, 실험과 해석 및 현행의 콘크리트 구조설계기준으로부터의 극한강도에 대한 결과를 아래의 Table 1에 나타내었다. 아래의 결과에서 보는 바와 같이 총 115개의 대상 실험체에 대한 해석과 실험으로부터의 극한강도 비(比)에 대한 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.01, 6% 및 0.08정도로 산정되었다. 이는 이 연구에서 적용한, 재료적 비선형성을 고려한 비선형 유한요소해석 프로그램이 비교적 큰 신뢰도를 나타냄을 알 수 있다.
- 08정도로 산정되었다. 이는 이 연구에서 적용한, 재료적 비선형성을 고려한 비선형 유한요소해석 프로그램이 비교적 큰 신뢰도를 나타냄을 알 수 있다. 이에 반해, 현행의 콘크리트 구조설계기준과 실험에 의한 극한강도 비(比)는 평균이 0.
후속연구
- 11에 이러한 결과에 대한 도수분포표를 나타내었으며, 아래의 식(1)에서와같이 종형(Bell Shape)의 확률밀도함수로 근사화 시킬 수 있으며, 식(2)에서와 같은 신뢰수준을 가짐을 알 수 있다. 이러한 결과는, 향후 성능기반 설계에의 적용을 위하여, 이 연구에서 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램을 통한 비선형 유한요소해석시의 편의성과 경제성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
- 76을 신뢰성 해석을 통하여 산정하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 구조물 및 부재의 파괴를 포함한 모든 거동 단계에 대한 신뢰도 지수 확보와 함께 이의 성능기반설계에의 직접적인 적용을 방안 마련을 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이는 현행의 콘크리트 구조설계기준이, 철근콘크리트 기둥 부재의 다양한 파괴 양상에 따른 극한 강도 평가를 비교적 잘 반영하고 있지 못하는 것으로 판단된다. 이와 같은 결과를 종합해 볼 때, 철근콘크리트 기둥 부재에 대하여, 이 연구에서 적용한 비선형 유한요소 해석 프로그램은 그 거동특성 및 극한 강도를 비교적 정확히 예측하고 있으며, 향후 성능기반설계를 위한 기초자료로서 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 13 에 각각 나타내었다. 추후 구조물의 파괴를 포함한 모든 거동특성에 대한 신뢰도 지수 확보와 함께 성능기반설계에의 적용을 위한 방안 마련이 필요할 것으로 판단된다.
- 이 분야에 관한 연구는 Ang, Shinozuka, Moses, MacGregor, Gallambos, Cornell, Ellingwood, Lind, Corotis, Wen, Turkstra, Benjamin 등과 같은 많은 연구자들에 의해 이루어지고 있다. 한편, 구조물의 강도뿐아니라 변형 능력의 정보를 포함한 신뢰도 높은 비선형 해석기술의 확보와 함께 이를 직접 설계에 적용하기 위한 방안으로서, 해석결과에 대한 안전율을 확보하기 위한 연구가 필요하다. 이를 위하여, 이 연구에서는 그 동안 저자 등에 의하여 개발된 비선형 유한요소 해석 프로그램(RCAHEST)을 신뢰성 있는 철근콘크리트 기둥 실험체 적용하여 해석 및 실험결과와의 비교.
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