선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이 연구는 국내 환경에 맞는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각을 개발하기 위한 독자적인 연구로서 교각구체와 기초 사이의 연결, 교각구체와 교각구체의 연결에서 새롭게 고안한 전단저항 연결체와 프리스트레스 긴장재를 동시에 이용하여 개발된 구조시스템(5),(6)의 지진응답을 해석적으로 예측하고 내진성능을 평가하는데 그 목적이 있다.
- 겹침이음된 철근의 역학적 거동에 영향을 미치는 요인으로는 콘크리트의 압축강도와 피복두께, 횡방향철근의 직경과 간격, 그리고 겹침이음길이 등이 있다. 이 연구에서는 주철근이 겹침이음된 철근 콘크리트 교각의 거동을 예측하기 위하여 겹침이음된 철근의 슬립, 부착파괴, 그리고 반복하중을 받는 경우의 최대부착력의 감소계수 등을 고려하였다.(12)
가설 설정
- 세그먼트 접합부의 부착파괴 기준으로는 그림 5와 같은 Coulomb 파괴기준을 사용하였고 접합요소의 전단응력 모델은 접촉면 밀도함수에 근거한 전단전달모델을 수정하여 표현하였으며 그림 6과 같이 최대값 이후에는 전단전달 연화계수(Softening Parameter)로써 부착파괴까지 감소하는 것으로 가정하였다.(14) 접합요소를 사용하면 접합부에 평행한 수평방향의 전단응력과 이에 수직방향의 인장응력 또는 압축응력을 결정할 수 있다.
제안 방법
- 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 58개, 기초와 교각의 접합부에 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소 5개, 그리고 겹침이음된 철근의 역학적 거동을 고려하기 위한 2절점 겹침이음 철근요소 5개가 사용되었다. 또한 원형 철근콘크리트 교각의 2차원 해석을 위하여 그림 10(b)에서 보는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원형단면을 5개의 직사각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였다. 등가환산단면은 원형 철근콘크리트 교각의 실제거동과 유사하도록 철근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.
- 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 58개, 기초와 교각의 접합부에 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소 5개, 그리고 겹침이음된 철근의 역학적 거동을 고려하기 위한 2절점 겹침이음 철근요소 5개가 사용되었다. 또한 원형 철근콘크리트 교각의 2차원 해석을 위하여 그림 10(b)에서 보는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원형단면을 5개의 직사각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였다. 등가환산단면은 원형 철근콘크리트 교각의 실제거동과 유사하도록 철근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.
- 0이며 지반 운동은 국내에서 중규모지진에 의한 근단층지반운동 모델을 수행하여 얻어진 결과를 이용하였고 단계별로 가속도 수준을 높이면서 파괴에 이르도록 설정하였다. 근단층지반운동으로 사용한 지반운동은 중규모지진에 의해서 생성된 것으로 0.0627g, 0.0803g, 0.11g, 0.154g, 0.22g, 0.3g, 0.4g, 0.5g, 0.6g, 0.7g, 0.8g, 0.9g 까지 가진을 실시하였다.
- 따라서 텐던의 경우에는 일반 철근과는 달리 텐던 자체(Bare Bar)의 응력-변형률 관계와 부착이 고려된 텐던의 응력-변형률 관계에서 현격한 차이를 보이지 않게 된다. 따라서 이 연구에서는 저자 등에 의하여 제안된 부착이 고려된 철근의 응력-변형률 관계를 고려하여 텐던의 응력 변형률 관계를 그림 4와 같은 trilinear 모델로써 표현하였다. 제하 및 재재하에 대해서는 포락선부분은 단조증가 하중에 대한 곡선을 사용하였고 제하부분의 거동은 탄성으로, 그리고 연화부분을 함께 고려하였다.
- 설계에서 긴장재의 단면적과 프리스트레스의 크기 결정이 중요한 사항이며 반복 해석한 결과와 축방향 압축응력, 즉 축력과 프리스트레스에 의한 압축응력 합의 증가에 따라 변위연성도가 급감하는 범위가 20% 내외임을 고려하여 긴장응력의 수준을 결정하였다. 또한, 전단에 대해서는 세그먼트 사이를 연결하는 강재덕트가 저항하도록 하였다.
- 이 연구에서는 국내에서 수행된 근단층지반운동에 대한 모델링에서 도출된 지반운동중 근단층운동이 진행하는 방향에 직각인 경우를 이용하여 프리캐스트 세그먼트 교 PSC 각의 지진해석을 수행하였다.
- 이 연구에서는 저자 등(10-14)에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 경계면요소, 겹침이음, 철근요소, 부착 및 비부착 텐던요소 그리고 접합요소 등을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP(15)에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램인 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)에 수정을 가하여 사용하였다(그림 1).
- 균열이 분산되어 분포된 철근콘크리트 부재의 변형거동은 사용된 균열개념에 크게 영향을 받는다. 이 연구에서는 제 2 균열의 발생을 제 1 균열과 직교방향으로 발생하도록 제한하여 콘크리트의 강성이 과대평가 되는 직교 고정균열 모델과 달리, 실제 주응력의 방향과 직각으로 발생하도록 한 비직교 고정균열모델을 적용함으로써 콘크리트의 강성을 보다 사실적으로 평가하였다.
- 이 연구에서는 철근콘크리트 교각의 내진성능을 근단층 지반운동에 대해서 평가하기 위해 축소모형을 제작하고 축력효과는 프리스트레스에 의해 구현하며 질량 효과는 별도의 질량모사 프레임을 제작하여 수행한 실험과 해석결과(7),(18)를 근거로 프리캐스트 세그먼트 교각의 지진해석 PSC을 수행하였다.
- 이 연구에서는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 지진거동과 내진성능평가를 위한 해석기법과 모델을 제시하였고 제안된 해석기법과 모델을 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램을 사용하여, 준정적 실험으로 검증된 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체를 수치예제로 지진해석을 수행하였다. 비교·검토된 수치예제로부터 다음의 결론을 얻었다.
- 따라서 이 연구에서는 저자 등에 의하여 제안된 부착이 고려된 철근의 응력-변형률 관계를 고려하여 텐던의 응력 변형률 관계를 그림 4와 같은 trilinear 모델로써 표현하였다. 제하 및 재재하에 대해서는 포락선부분은 단조증가 하중에 대한 곡선을 사용하였고 제하부분의 거동은 탄성으로, 그리고 연화부분을 함께 고려하였다.
- 수치실험에 사용된 예제의 제원과 모델상세는 표 1과 그림 7에 나타내었다. 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 설계는 휨에 대한 저항과 전단에 대한 저항으로 나누어 설계하였다. 수평력에 의해 휨모멘트가 발생할 경우 인장에 대해서는 내부에 삽입된 강연선이 부담하고, 압축에 대해서는 횡방향 철근 내부에 있는 심부구속 콘크리트가 부담하는 것으로 하였다.
- 프리캐스트 세그먼트 교각의 scale factor는 5.0이며 지반 운동은 국내에서 중규모지진에 의한 근단층지반운동 모델을 수행하여 얻어진 결과를 이용하였고 단계별로 가속도 수준을 높이면서 파괴에 이르도록 설정하였다. 근단층지반운동으로 사용한 지반운동은 중규모지진에 의해서 생성된 것으로 0.
대상 데이터
- PT30AD25NS 교각의 경우 그림 11(a)에서 보는 것처럼 일체형 교각으로 총 68개의 요소로 분할하였다. 8절점 철근 콘크리트 평면응력 요소가 58개, 기초와 교각의 접합부에 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소 5개, 그리고 부착 텐던의 거동을 고려하기 위한 다절점 부착 텐던요소 5개가 사용되었다. 또한 원형 프리스트레스트 콘크리트 교각의 2차원 해석을 위하여 그림 11(b) 에서 보는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원형단면을 5개의 직사각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였다.
- 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각(AD25)의 경우 그림 12(a) 에서 보는 것처럼 기초부와 함께 교각부에 3개의 세그먼트로 구성되어 있으며 총 78개의 요소로 분할하였다. 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 58개, 교각과 기초사이 및 세그먼트 사이에 6절점 프리캐스트 접합면 요소 15개, 그리고 부착 텐던의 거동을 고려하기 위한 다절점 부착 텐던요소 5개가 사용되었다. 이때 부착 텐던요소는 강재덕트와 쉬스관 사이가 좁아 일부분에서는 그라우팅으로 접합이 완전하게 이루어지지 못할 것으로도 예상이 되나 전체적인 거동은 부착 강재에 가까울 것으로 판단하여 사용하였다.
- 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각(AD50)의 경우 그림 13(a)에서 보는 것처럼 기초부와 함께 교각부에 5개의 세그먼트로 구성되어 있으며 총 108개의 요소로 분할하였다. 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 78개, 교각과 기초사이 및 세그먼트 사이에 6절점 프리캐스트 접합면 요소 25개, 그리고 부착 텐던의 거동을 고려하기 위한 다절점 부착 텐던요소 5개가 사용되었다. 또한 원형 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 2차원 해석을 위하여 그림 13(b)에서 보는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원형단면을 5개의 직사각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였다.
- 수치예제는 비교·검증을 위하여 표 1과 같이 기준이 되는 철근콘크리트 교각 1기와 철근콘크리트 교각의 공칭모멘트와 동일한 수준을 가지는 프리스트레스트 콘크리트 교각 1기, 그리고 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 6기로 구성되어있다.
- 지진하중을 받는 프리캐스트 세그먼트 교각의 지진 PSC 거동을 파악하기 위한 수치예제로 기존 연구(5),(6)에서 준정적 실험으로 검증된 프리캐스트 교각 실험체를 선정하였다.
- 지진해석을 위해서 사용된 지진파는 입력지진파의 최대 가속도 크기를 조정하였으며, 시간축은 상사성의 원리에 따랐고 그림 9는 PGA 값이 0.154g인 입력지진파를 나타내고 있다.
이론/모형
- 이 연구에서는 이하의 보통강도 콘크리트 30MPa 의 경우 Mander 등(16)의 제안모델을 적용하였으며, 40MPa 이상의 고강도 콘크리트의 경우에는 Sun and Sakino(17)의 제안모델을 적용하였다. 그리고 보통강도와 고강도 콘크리트 사이의 강도에는 Mander 등(16)의 제안모델과 Sun and Sakino의 제안모델을 이용하여 개발된 천이모델(13)을 사용하였으며 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고 종방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 함께 고려할 수 있도록 하였다.
- 프리스트레스트 콘크리트는 일반적으로 콘크리트와 철근및 텐던으로 구성되는 복합재료이며, 비선형 재료모델은 이들 각 구성 재료가 중첩된 것으로 표현할 수 있는데 각각의 해석모델은 콘크리트와의 부착특성을 고려하여 개발된 것이라야 한다. 비선형 재료모델은 저자 등(10-14)에 의하여 이미 발표된 재료모델을 그대로 적용하였으며 사용된 비선형 재료모델의 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 이 연구에서는 비선형 관계로 나타나는 동적 증분 평형방정식은 Hilber-Hughes-Taylor(HHT) 법(19)에 의한 시간에 대한 수치적분과정과 수렴에 도달하기 위한 반복계산과정을 거침으로써 해를 구하였다.
- 이와 같이 증가된 콘크리트의 강도와 변형률로 인해서 지진하중 등과 같은 반복하중을 받는 경우에 콘크리트의 부재는 구속되지 않은 경우에 비해서 우수한 연성능력 및 복원력 특성을 나타낸다. 이 연구에서는 이하의 보통강도 콘크리트 30MPa 의 경우 Mander 등(16)의 제안모델을 적용하였으며, 40MPa 이상의 고강도 콘크리트의 경우에는 Sun and Sakino(17)의 제안모델을 적용하였다. 그리고 보통강도와 고강도 콘크리트 사이의 강도에는 Mander 등(16)의 제안모델과 Sun and Sakino의 제안모델을 이용하여 개발된 천이모델(13)을 사용하였으며 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고 종방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 함께 고려할 수 있도록 하였다.
- 즉 균열부분은 철근의 항복으로 인 해 응력의 증가가 없지만 내부의 철근의 응력은 증가하여 철근의 평균응력이 증가하게 되므로 철근만의 응력-변형률 관계에서 볼 수 있는 항복고원현상은 나타나지 않는다. 이 연구에서는 포락선부분에 대한 철근의 항복후 거동을 저자 등이 제안한 trilinear 모델로써 표현하였다(그림 3).
성능/효과
- 1. 제안한 해석기법과 모델은 준정적 실험의 연구결과(5),(6) 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수가 0.93과 0.09로서 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었으며, 또한 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 전반적인 동적 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었다.
- 2. 지진하중의 지속시간 및 크기, 질량의 크기, 그리고 감쇠 효과 등을 고려하여 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템의 지진응답을 비교적 정확하게 예측하였다.
- 관련 예제별로 분석해보면 Series I(RCAD25, PT30AD 25NS, PT30AD25)의 해석결과는 개발된 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각이 기존 현장타설 철근콘크리트 교각 및 프리스트레스트 콘크리트 교각과 변위와 하중의 주기 및 전체적인 응답특성이 유사함을 알 수 있다.
- 수평력에 의해 휨모멘트가 발생할 경우 인장에 대해서는 내부에 삽입된 강연선이 부담하고, 압축에 대해서는 횡방향 철근 내부에 있는 심부구속 콘크리트가 부담하는 것으로 하였다. 설계에서 긴장재의 단면적과 프리스트레스의 크기 결정이 중요한 사항이며 반복 해석한 결과와 축방향 압축응력, 즉 축력과 프리스트레스에 의한 압축응력 합의 증가에 따라 변위연성도가 급감하는 범위가 20% 내외임을 고려하여 긴장응력의 수준을 결정하였다. 또한, 전단에 대해서는 세그먼트 사이를 연결하는 강재덕트가 저항하도록 하였다.
- 이 연구에서 사용된 유한요소망과 등가환산단면은 일반 탄성해석과의 수렴성 시험(Convergence Test) 결과 형상비(aspect ratio) 1.0% 에 의한 영향은 미만이었으며 이는 콘크리트구조의 비선형해석에서 예상되는 오차에 비하여 매우 작은 것으로 나타나 그 타당성이 검증되었다.
- 기존 연구의 준정적 실험에 대한 세부적인 실험결과와 해석결과는 참고문헌(5),(6)에 자세히 설명되어있으며 지진해석 결과와 비교·검토할 수 있는 대표적인 연구결과를 그림 8에 나타내었다. 이때 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 0.93과 0.09로서, 최대하중의 평균값은 전반적으로 실험결과를 정확하게 평가하고 있으며 변동계수가 0.09에 불과하여 비탄성 거동특성을 전반적으로 잘 평가하고 있다.
- 고유진동수는 비교·검증을 위한 철근콘크리트 교각, 프리스트레스트 콘크리트 교각, 그리고 형상비와 초기프리스트레스를 달리하는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 동적거동 특성을 잘 나타내고 있다. 이를 통해 개발된 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각은 기존 현장타설 철근콘크리트 교각 및 프리스트레스트 콘크리트 교각과 강도, 연성, 에너지 소산능력 등의 면에서 동등한 성능을 보임(5),(6)과 동시에 유사한 동적거동 특성을 갖고 있음이 확인되었다.
- 그림 23~ 그림 31은 각 예제의 복원력 해석결과를 나타내고 있으며 철근콘크리트 교각의 경우에는 주철근의 항복 이후에 잔류변형이 크게 발생하였으나 프리스트레스트 콘크리트 교각과 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 경우에는 변위가 증가하더라도 잔류변형의 크기가 철근콘크리트 교각의 경우에 비해 작게 나타나고 있다. 이를 통해 개발된 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 지진하중에 대한 복원능력 이 상당히 유용할 수 있음을 알 수 있다. 0.
후속연구
- 3. 지진하중을 받는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 초기프리스트레스와 형상비에 따른 응답특성 및 지진손상을 제대로 평가함으로써 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각구조의 내진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것이다.
- 4. 교각 구조물의 동적 특성과 지진동의 동적 특성을 고려하여 내진설계에 반영시킴으로서, 유사시 피해를 최소화시킬 수 있을 것으로 기대되며 성능기반 내진설계개념에 접목하여 비선형 유한요소해석을 이용한 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계법의 개발 등에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이와 같이 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템에서 포스트텐션 방식을 사용함으로써 잔류변위가 감소하는 효과를 이용하면 내진성능 향상에 이용할 수 있을 것이다. 다만 동일한 drift ratio에서 철근콘크리트 교각에 비해 구조물의 에너지 소산능력을 감소시키는 거동특성을 보이고 있어 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 프리캐스트 세그먼트 교각의 경우에는 국내에 있는 진동대 용량의 한계 PSC로 인해서 소형 축소모형의 경우에도 진동대 실험이 쉽게 이루어지기 힘든 여건이다. 따라서 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템의 진동대 실험에 관한 적절한 해석기법의 개발이 이루어진다면, 다양한 형태의 교각에 대한 비선형 지진해석을 실시하여 미처 다루지 못한 여러 형태의 교각들의 내진성능평가가 가능할 것이다.(7)
- 017mm를 나타내고 있다. 이와 같이 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템에서 포스트텐션 방식을 사용함으로써 잔류변위가 감소하는 효과를 이용하면 내진성능 향상에 이용할 수 있을 것이다. 다만 동일한 drift ratio에서 철근콘크리트 교각에 비해 구조물의 에너지 소산능력을 감소시키는 거동특성을 보이고 있어 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.