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RC기둥의 내진성능평가를 위한 재료비선형 상사법칙
Similitude Law on Material Non-linearity for Seismic Performance Evaluation of RC Columns 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.3, 2010년, pp.409 - 417  

이도근 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) ,  조재열 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부)

초록
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지진에 의한 사회기반 구조물의 손상은 대형참사를 유발할 가능성이 크므로, 적절한 내진성능평가가 이루어져야한다. 특히 지진하중 하에서 구조물의 거동은 상부 하중을 지탱하는 기둥의 거동에 지배되므로 기둥에 대한 해석 및 실험을 통한 내진성능평가는 가장 핵심적인 요소이다. 현재 내진성능평가 실험의 일환으로 준정적실험, 유사동적실험, 진동대실험 등이 대표적으로 수행되고 있으며 이러한 실험을 수행 시 시험체의 크기, 실험장비 성능의 한계, 경제적인 이유 등으로 원형 구조물을 대신하여 축소모형을 통해 실험을 수행하고 있다. 이러한 축소모형실험을 위해서는 적절한 상사법칙을 적용해야 하는데, 현재 일반적으로 적용되고 있는 상사법칙은 탄성범위 내에서 유도가 되어 있기 때문에 지진하중하 구조물의 비탄성 거동을 예측하는데 무리가 있다. 또한 마이크로콘크리트를 사용한 축소모형에 대해서는 필연적으로 재료특성에 있어서 원형재료와 축소모형재료 사이에 왜곡이 발생하여 결과의 신뢰성에 영향을 주게된다. 따라서 이 연구에서는 재료의 왜곡과 비탄성 거동을 고려하여 새로운 상사법칙을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper discusses a series of experiments including material improvement in order to ensure quality of grouting for the post-tensioned structure. In prestressed concrete, grouting refers to the construction procedure of filling empty space of duct enclosing with strands using cementitious materia...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 4-6) 또한 이를 보완하여 변형률비를 철근의 강성기여를 포함하여 분배한 연구가 수행된 바 있지만,7) 역시 콘크리트만의 특성을 기준으로 탄성계수비를 정의함으로써 구조물의 거동에 대한 콘크리트의 영향을 과대 혹은 과소평가함에 따라 정확한 거동을 예측하기에는 다소 무리가 있다. 그러므로 이 연구에서는 콘크리트의 기준이 아닌 True Replica Model8)로 설계된 철근의 상사법칙을 전개한 후 콘크리트의 변형률 왜곡으로 인한 영향을 고려하여 재료비선형에 따른 거동특성을 파악하고자 하였으며, 재료비선형 기준의 새로운 상사법칙을 제시하였다. 또한 수치해석적 방법을 통해 푸쉬오버(pushover) 시뮬레이션과 pseudo-dynamic 시뮬레이션을 이용하여 제안된 상사법칙의 적합성을 검증하였다.
  • 기 수행된 실험7)에서 사용된 원형구조물과 축소모형의 콘크리트 변형률비 1.156에 대해, 동일 연구에서 제안한 부과질량 산정방식과, 이 연구에서 제안한 부과질량의 산정방식과 시간상사비의 적용 결과를 비교함으로써 이 연구 결과의 타당성을 검토하고자 하였다. 대상 구조물은 4.
  • 따라서 이 연구에서는 유사동적실험을 기반으로 하여 재료의 비선형성을 고려한 상사법칙을 제안하였다.
  • 3(b)에서 보는 바와 같이 콘크리트가 강성에 대해 지배적인 경우는 휨에 의한 초기균열 발생 이전 구간으로 한정되어 있으며, 균열 발생 이후 콘크리트의 강성기여도는 철근에 비해 급격히 줄어들어 철근의 항복 이후에는 무시할 정도가 됨을 알 수 있다. 따라서 탄성계수비의 산정 척도는 콘크리트가 아닌 철근이 기준이 되어야 하며, 이 연구에서는 true replica model로 가정된 철근의 상사법칙 전개 후 콘크리트의 응력-변형률 왜곡에 따른 영향을 고려하고자 하였다.
  • 01에 대하여 해석을 수행하였는데, 앞서도 기술한 바와 같이 항복이후에는 εr = 1로 고정하였다. 또한 기존의 연구 결과와 비교하여 이 연구 결과의 우수성을 확인하고자 하였다.
  • 이 연구에서는 artificial mass simulation model을 기반으로 재료의 왜곡과 비탄성 거동을 고려하여 새로운 상사법칙을 제시하였다. 이것은 기존의 상사법칙에 현실성을 더욱 반영한 것으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 이 장에서는 앞서 기술한 바와 같이 artificial mass simulation model에서 고려할 수 있는 축소모형 재료모델의 개발 필요성을 살펴보고자 한다. 상사법칙을 적용함에 있어 가장 이상적인 모델은 Fig.
  • 앞 절에서 푸쉬오버 시뮬레이션을 통하여, 제안된 변형률비와 탄성계수비를 고려한 상사법칙의 유효성을 검증하였다. 이 절에서는 pseudo-dynamic 시뮬레이션을 이용하여 이 연구에서 제안한 탄성계수비, 변형률비에 따른 부과질량과 변형률비를 포함하는 시간의 상사법칙의 유효성을 검증하고자 한다.

가설 설정

  • 6에서 보는 바와 같이 기둥의 수직방향에 따라 곡률을 적분하여 횡변위를 산출하였다. 이때 콘크리트와 철근의 부착은 완전합성거동을 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
콘크리트의 변형률비를 증가시키며 축소모형의 횡하중과 횡변위를 산출 후 상사법칙을 적용한 결과와 원형 구조물과 비교를 수행하였는데, 철근의 항복 전후를 구분하여 각각 변형률 몇과 몇일 때에 해석을 수행하였는가? 5범위에서 축소모형의 횡하중과 횡변위를 산출 후 상사법칙을 적용한 결과와 원형 구조물과 비교를 수행하였다. 이때 철근의 항복 전후를 구분하여 각각 변형률 0.001과 0.01에 대하여 해석을 수행하였는데, 앞서도 기술한 바와 같이 항복이후에는 εr = 1로 고정하였다. 또한 기존의 연구 결과와 비교하여 이 연구 결과의 우수성을 확인하고자 하였다.
철근콘크리트 구조물의 내진성능평가를 위한 실험이 실물크기의 구조물로 실험을 수행할 경우, 어떠한 현실적 제약이 존재하는가? 철근콘크리트 구조물의 내진성능평가를 위한 실험은 구조물의 대형화에 따라 실물크기의 구조물로 실험을 수행할 경우, 실험실의 공간제약과 실험기기의 가력성능 등의 한계로 인하여 현실적인 제약이 존재한다. 따라서 축소모형의 활용이 필연적이며, 이에 따라 정확한 상사법칙이 요구된다.
상사법칙의 전개 시에는 무엇에 따라 상사법칙을 유도해야 하는가? 축소모형의 설계 시 적용할 기하학적인 축소율과 사용될 재료의 특성에 따라 필연적으로 상사법칙이 적용된다. 상사법칙의 전개 시에는 관찰 대상, 관찰 목적 등에 따라 각기 올바른 상사를 적용하여 상사법칙을 유도하여야 한다. 내진성능평가와 같은 동역학적인 요소가 포함되는 문제에 있어서는 시간의 차원에 대하여 필수적으로 상사를 고려하여야 하며, 재료비선형의 문제에 있어서는 원형구조물과 축소모형의 탄성계수비 sE(= Em/Ep) 이외에 변형률비 εr(= εm/εp)를 고려하여 전개하여야 한다.
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참고문헌 (11)

  1. Farrar, C. R., Baker, W. E., and Dove, R. C., “Dynamic Parameter Similitude for Concrete Models,” ACI Structural Journal, Vol. 91, No. 1, 1994, pp. 90-99. 

  2. 배성용, 이한선, 신영식, “철근콘크리트구조물의 축소모델 재료의 역학적 특성에 관한 실험적 연구,” 한국콘크리트학회 가을학술발표회 논문집, 6권, 2호, 1994, pp. 249*254. 

  3. Zhang, M. Z., Guo, X., and Meng, Q., “Study on Shaking Table Tests of Building Models,” China-US Millennium Symposium on Earthquake Engineering, Beijing, China, 2000, pp. 411-414. 

  4. 김남식, 이지호, 장승필, Guo. X., “RC 축소모형의 유사 동적실험을 위한 Equivalent Multi-Phase Similitude Law,” 한국지진공학회 논문집, 7권, 6호, 2003, pp. 101-108. 

  5. Lee, J. H., “Equivalent Multi-phase Similitude Law for Pseudodynamic Tests on Small-scale RC Models,” Master's thesis, Seoul National University, Korea, 2004, 56 pp. 

  6. Yang, H. K., “Study on Similitude Law for Pseudodynamic Tests and Shaking Table Tests on Small Scale RC Models,” Master's Thesis, Seoul National University, Korea, 2006, 67 pp. 

  7. 조남소, “콘크리트 교각의 내진성능평가를 위한 재료비 선형 상사법칙,” 박사학위논문, 서울대학교, 2008, 116 pp. 

  8. Harris, H. G. and Sabnis, G. M., Structural Modeling and Experimental Techniques, CRC Press, 1999, 789 pp. 

  9. Kumar, S., Itoh, Y., Saizuka, K., and Usami, T., “Pseudodynamic Testing of Scaled Models,” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 123, No. 4, 1997, pp. 524-526. 

  10. Krawinkler, H. and Moncarz, P. D., “Similitude Requirements for Dynamic Models,” ACI SP-73, 1982, pp. 1-22. 

  11. Zia, P., White, R. N., and Vanhorn, D. A., “Principles of Model Analysis,” ACI SP-24, 1970, pp. 19-39. 

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