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통계적 분산을 고려한 콘크리트의 역학적 특성
Mechanical Properties of Concrete with Statistical Variations 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.21 no.6, 2009년, pp.789 - 796  

김지상 (서경대학교 토목공학과) ,  신정호 (서경대학교 도시환경시스템공학과)

초록
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철근콘크리트 부재 저항능력의 변동성은 콘크리트 및 철근 강도의 변동성, 부재 치수 및 철근 위치의 불확실성 등과 같은 요소로부터 기인한다. 이 불확실성 중에서 콘크리트의 압축강도, 인장강도탄성계수 등과 같은 요소가 많은 영향을 주며 다른 요소에 비하여 상대적으로 통계적 분산정도도 크다. 그러나 국내의 경우 콘크리트의 재료의 변동성에 대한 실험 및 분석연구가 활발하지 못한 편이며, 현재 설계기준 등의 작성에 필요한 내용은 외국의 실험 결과 및 연구 성과를 주로 이용하고 있는 실정이다. 이 논문은 우리나라 콘크리트의 역학적 특성, 압축강도, 쪼갬인장강도 및 탄성계수에 대한 우리나라 고유의 확률모델을 개발하기 위하여 다양한 설계기준강도별로 기존의 문헌자료 및 추가적인 실험 자료를 수집, 분석하고 그 결과를 정리한 것이다. 연구결과에 따르면 콘크리트의 압축강도 및 쪼갬인장강도의 확률특성은 정규분포로 모델링하는 것이 타당한 것으로 나타났으며, 외국의 자료와 비교할 때 분산의 정도는 그리 크지 않은 것으로 판단된다. 또한, 콘크리트 구조설계기준에 규정되어 있는 압축강도와 쪼갬인장강도 및 압축강도와 탄성계수에 대한 관계식을 검증하고 새로운 관계식을 제안하였다. 이 연구 결과는 추후 새로운 설계기준의 작성 및 관련 연구에 유용한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The randomness in the strength of a RC member is caused mainly by the variability of the mechanical properties of concrete and steel, the dimensions of concrete cross sections, and the placement of reinforcing bars and so on . Among those variations, the randomness and uncertainty of mechanical prop...

주제어

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제안 방법

  • Table 1에서 알 수 있듯이 레미콘 공장에서 얻을 수 있는 시험값이 설계기준강도 30 MPa 이하의 콘크리트에 대한 것으로 한정되어 있으므로, 고강도 콘크리트의 사용이 늘어가고 있는 추세를 반영하지 못하는 어려움이 있는 것으로 판단되어 설계기준강도 40 MPa, 50 MPa 및 60 MPa의 콘크리트에 대하여 실내배합을 수행하고 총 1, 3기회의 추가적인 압축강도 실험을 수행하였다. Table 2는 실내 실험을 통하여 얻은 압축강도의 시험자료를 설계기준 강도에 대한 비(편중계수, bias factor)로 정리하여 놓은 것이다.
  • 공학적으로 널리 쓰이는 매개변수의 결정방법은 점 추정과 구간추정방법이 있으며 점추정에는 모멘트법 및 최우도 법을 들 수 있는데, 이 논문에서는 적용이 간편한 모멘트 법을 이용하여 표본평균 및 표본분산 등의 매개변수 값을 결정하였다. 또한 확률모델의 결정은 실제 자료의 히스토그램을 도시하고 이를 추정한 확률모델의 PDF 와 비교하는 방법과 추정한 확률모델에 해당하는 확률지에 실제자료를 도시하고 그 선형성을 판단하여 확률 모델을 결정하는 방법 등이 있는데, 이 논문에는 두 가지 방법 모두를 적용하여 추정한 확률모델의 적합성을 확인하였다.
  • 가지 경우만 보면 설계기준강도가 증가함에 따라 분산의 정도 및 강도편중의 정도가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 설계 기준강도의 증가에 따라 보다 엄격한 품질관리를 한결 과로 추정되며, 추후 보다 높은 설계기준강도의 콘크리트에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 사료된다. 또한 실내 실험 자료는 24 MPa, 40 MPa, 50 MPa 및 60 MPa로 구분하여 분석하였고, 설계기준강도로 정규화한 평균값과 표준편차를 Table 2에 정리하여 놓았다. 표에서 알 수 있듯이 설계기준강도값이 증가함에 따라 편중계수(평균압축강도/설계기준강도) 및 분산계수(표준편차/평균)가 모두 감소하는 경향을 보이는데, 이는 레미콘 자료와 동일한 경향으로 고강도 콘크리트의 배합 및 제작에 주의를 한 결과로 판단된다.
  • 값을 결정하였다. 또한 확률모델의 결정은 실제 자료의 히스토그램을 도시하고 이를 추정한 확률모델의 PDF 와 비교하는 방법과 추정한 확률모델에 해당하는 확률지에 실제자료를 도시하고 그 선형성을 판단하여 확률 모델을 결정하는 방법 등이 있는데, 이 논문에는 두 가지 방법 모두를 적용하여 추정한 확률모델의 적합성을 확인하였다. 그리고 적합도 검정 (goodness-of-fit test)방법은 Chisquare test, Kolmogorov-Smirnov test 및 Anderson-Darling test 등이 있는데, 이 논문에서는 간편성 및 적용의 용이성을 고려하여 A-D test를 적용하였으며 Chi-square test 로 이를 확인하였다.
  • 도출하였다. 또한, 국내외 설계기준의 인장강도-압축강도 관계식 및 탄성계수-압축강도 관계식을 검토하고, 실험 자료에 근거하여 새로운 관계식을 제안하였으며, 이 결과들로부터 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
  • 이를 개선하기 위한 첫 단계로 이 논문에서는 국내에서 발표 및 보고된 각종 실험 자료와 국내 레미콘 공장의 현장 시험자료를 수집, 분석하고 추가적인 실험을 수행하여 콘크리트의 압축강도 및 인장강도에 대한 확률모델을 제시하였다. 또한, 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도, 압축강도와 탄성계수의 관계를 규정하고 있는 국내외 관련 기준의 모델식을 검토하고, 국내 자료를 이용하여 새로운 관계식을 제안하였다. 이 논문에서 제안하고 있는 콘크리트 강도에 대한 확률모델, 압축강도-쪼갬인장강도 관계식 및 압축강도-탄성계수 관계식이 실험조건의 다양성 및 자료의 수가 제한된 국내자료를 바탕으로 하고 있어 설계기준의 개정에 직접 적용하는 것은 한계가 있을 수 있다.
  • 신뢰도 해석을 수행하기 위하여 사용된 콘크리트 압축강도의 확률모델은 국내외 대부분의 연구자들이 정규분포를 사용하였으며, 일부 연구자의 경우 대수 정규분포를 적용하였다.3, 9-12) 국내 연구의 경우 대부분 외국의 자료를 이용하였으며 분산계수는 10.
  • 4)그러나 하중 및 저항의 통계적 특성을 결정하는데 필요한 국내의 실험 및 연구 자료는 매우 부족하여 현재 우리나라 설계기준의 개정 작업은 대부분 외국의 연구 자료를 바탕으로 이루어지고 있는 실정이다. 이를 개선하기 위한 첫 단계로 이 논문에서는 국내에서 발표 및 보고된 각종 실험 자료와 국내 레미콘 공장의 현장 시험자료를 수집, 분석하고 추가적인 실험을 수행하여 콘크리트의 압축강도 및 인장강도에 대한 확률모델을 제시하였다. 또한, 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도, 압축강도와 탄성계수의 관계를 규정하고 있는 국내외 관련 기준의 모델식을 검토하고, 국내 자료를 이용하여 새로운 관계식을 제안하였다.
  • 철근콘크리트 부재의 강도에 불확실성을 주는 중요한 요인 중의 하나인 콘크리트 역학적 특성의 분산에 대한 통계적 해석을 수행하고 우리나라의 실험 자료에 근거하여 압축강도 및 쪼갬 인장강도의 확률모델을 도출하였다. 또한, 국내외 설계기준의 인장강도-압축강도 관계식 및 탄성계수-압축강도 관계식을 검토하고, 실험 자료에 근거하여 새로운 관계식을 제안하였으며, 이 결과들로부터 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

대상 데이터

  • 콘크리트의 압축강도 및 인장강도의 확률모델을 작성하고, 역학적 특성 사이의 관계식을 도출하기 위한 자료의 수집은 국내 레미콘 공장의 시험실 자료를 중심으로 이루어졌는데, 사용된 골재의 변동성 및 다양성을 확보하고, 기후 및 기온이 미치는 영향을 반영할 수 있도록 레미콘 공장의 소재지 및 자료의 시험시기를 고려하여 2007년 및 2008년 2년간에 진행되었다. 또한 레미콘 공장의 품질관리 수준을 반영할 수 있도록 자료 수집 대상 공장의 규모를 조절하였으며, 공사 현장의 품질 평가 수준을 고려하여 시공사 또는 발주처의 규모 및 성격도 다양화하였다.

데이터처리

  • 또한 확률모델의 결정은 실제 자료의 히스토그램을 도시하고 이를 추정한 확률모델의 PDF 와 비교하는 방법과 추정한 확률모델에 해당하는 확률지에 실제자료를 도시하고 그 선형성을 판단하여 확률 모델을 결정하는 방법 등이 있는데, 이 논문에는 두 가지 방법 모두를 적용하여 추정한 확률모델의 적합성을 확인하였다. 그리고 적합도 검정 (goodness-of-fit test)방법은 Chisquare test, Kolmogorov-Smirnov test 및 Anderson-Darling test 등이 있는데, 이 논문에서는 간편성 및 적용의 용이성을 고려하여 A-D test를 적용하였으며 Chi-square test 로 이를 확인하였다.
  • 따라서 우리나라 설계기준에서 제시하고 있는 설계기준강도와 평균 강도의 관계식에 대하여는 추가적인 연구 및 검증이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 압축강도-쪼갬인장강도 및 압축강도-탄성계수의 관계식을 구하기 위하여 총 366회의 실험을 별도로 수행하였으며, 6) 수집한 자료의 통계분석은 상용 통계 해석소프트웨어 7)를 이용하였다.
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참고문헌 (19)

  1. 한국콘크리트학회, 콘크리트구조설계기준 해설, 기문당, 2007, pp. 67-68, 154 

  2. 대한토목학회, 교량설계핵심기술연구단, 도로교설계기준해설, 기문당, 2008, pp. 71-74 

  3. Nowak, Andrzej S. and Szerszen, Maria M., “Calibration of Design Code for Buildings(ACI 318): Part 1-Statistical Models for Resistance,” ACI Structural Journal, Vol. 100, No. 3, 2003, pp. 377-382 

  4. Nowak, A. S. and Collins, K. R., Reliability of Structures, McGraw-Hill, New York, 2000, pp. 215-228 

  5. CEN (European Committee for Standardization), Eurocode 2: Design of Concrete Structures, prEN 1992-1, 2002, pp. 27-29 

  6. 김지상, 신정호, 최연왕, 문재흠, “콘크리트 역학적 성질의 통계적 특성,” 한국콘크리트학회 가을학술대회 논문집, 20권, 2호, 2008, pp. 657-660 

  7. Minitab 2005, AcademicMinitab, Seoul, Minitab Inc, pp.245-255 

  8. Ang, Alfredo H-S and Tang, Wilson H., Probability Concepts in Engineering, John Wiley & Sons, NJ, 2007 

  9. 김상효, 배규웅, 박흥석, “철근콘크리트 부재강도의 확률적 특성 분석,” 콘크리트학회 논문집, 3권, 4호, 1991, pp. 117-123 

  10. Mikhail B. Krakovski, 박순규, “콘크리트 품질이 RC구조물의 신뢰성에 미치는 영향,” 한국콘크리트학회 봄 학술발표회 논문집, 7권, 1호, 1995, pp. 366-371 

  11. 시상광, 박문호, 김상진, “철근콘크리트 슬래브교의 설계 규정 평가,” 대한토목학회 논문집, 20권, 2-A호, 2000, pp. 321-332 

  12. Mirza, S. A., Hatzinikolas, M., and MacGregor, J. G., “Statistical Descriptions of Strength of Concrete,” Journal of the Structural Division, Proceedings of ASCE, Vol. 105, No. ST6, 1979, pp. 1021-1037 

  13. 김우철 등, 현대통계학, 영지문화사, 1993, pp. 181-214 

  14. Eibl, J.(ed.), Concrete Structure Euro-Design-Handbook, Ernest & Sohn, Karlsruhe, 1994, pp. 27-39 

  15. Arioglu, N., Girgin, Z. C., and Arioglu, E., “Evaluation of Ratio between Splitting Tensile Strength and Compressive Strength for Concrete up to 120 MPa and its Application in Strength Criterion,” ACI Materials Journal, Vol. 103, No. 1, 2006, pp. 18-24 

  16. Ueda, T., Standard Specifications for Concrete Structures-2002, JSCE, Hokosha Co., Ltd, Japan, 2004, pp.24-32 

  17. Comite Euro-International du Beton, CEB-FIP Model Code 1990, Thomas Telford, London, 1993, pp. 33-39 

  18. ACI, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-05) and Commentary (ACI318R-05), Framington Hills, American Concrete Institute, 2005, 107 pp 

  19. Noguchi, T. and Nemati, K. M., “Relationship between Compressive Strength and Modulus of Elasticity of Highstrength Concrete,” Fracture Mechanics of Concrete and Conrete Structures-High-Performance Concrete, Brick-Masonry and Environmental Aspects, Carpenteri, et al.(eds), Taylor & Francis Group, London, 2007, pp. 1305-1311 

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