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
- 본 해석에서는 철근비, 충돌위치 변화, 철근 직경 및 충격체의 충돌속도 변화 등이 RC 슬래브의 국부충돌 효과에 미치는 영향을 분석하였다. 해석 대상 RC 슬래브는 Kojima(1991)가 수행한 충격 실험체 중에서 두께가 120 mm인 R12-Y 실험체를 기준으로 하였다.
제안 방법
- 충격체에 의해서 발생하는 국부손상은 크게 관입(penetration), 스캐빙(scabbing) 및 관통(perforation)으로 구분되며, 지금까지 많은 연구자에 의해서 철근콘크리트 구조물을 대상으로 국부손상 산정식이 제안되었다(정철헌 등, 2010). 1910년에 Petry식(Kennedy, 1976)을 시작으로 하여 ACE식(ACE, 1946; Chelapati 등, 1972; Kennedy, 1976; Li 등, 2005), NDRC식(NDRC, 1946), 수정 Petry식(Samuely 등, 1939; Kennedy, 1976; Li 등, 2005), BRL식(Gwaltney, 1968; Kennedy, 1976; Adeli 등, 1985; Bangash, 1989; Li 등, 2005), 수정 NDRC식(Kennedy, 1966; Li 등, 2005) 등 경량이면서 고속의 강성 충격체를 이용한 실험결과로부터 경험식을 개발하였다. 그 이후, 터빈 충격체 및 토네이도 충격체와 같은 중량이면서 저속인 충격체를 고려한 국부손상 평가식들이 제안되었는데, Kar식(Kar, 1978; Bangash, 1989; Li 등, 2005), Hughes식(Hughes, 1984; Li 등, 2005), Degen식(Degen, 1980; Li 등, 2005), Chang식(Chang, 1981; Li 등, 2005), Haldar & Hamieh식(Haldar 등, 1984; Li 등, 2005), Adeli & Amin식(Adeli 등, 1985; Li 등, 2005) 등이 이에 해당한다.
- 기존에 다른 연구자에 의해서 수행된 충격실험을 시뮬레이션하여 실험결과와 이에 대한 충돌해석 결과를 비교함으로서 해석방법 및 유한요소모델 방법을 검증하고, 이 충돌해석 방법을 적용하여 변수해석을 수행하였다.
- 표 5에서 보면, 해석모델에서는 철근이 배근되지 않은 RC 슬래브 모델에서 충격속도에 차이에 따른 영향, 철근비와 충돌속도는 유사하고 배근된 철근의 직경변화에 따른 영향, 배근된 철근 직경과 충돌속도는 동일하고 철근비 차이에 따른 영향, 철근비와 배근된 철근 직경은 유사하고 충돌속도 차이에 따른 영향 등이 고려되었다. 또한, 충격체의 충돌위치에 따른 영향을 평가하기 위하여 그림 5과 같이 충격체가 철근의 격자망의 중앙에 충돌하는 경우와 충격체가 철근과 철근 사이로 충돌하는 경우를 고려하였다. 이상과 같이 표 5에 나타낸 해석모델을 주요 변수별로 표 6에 분류하였다.
- 철근콘크리트 슬래브의 충돌실험은 슬래브의 네 변을 앵커 볼트와 PC 강봉으로 고정시킨 후 수행되었다. 로드셀을 슬래브와 앵커볼트 사이에 삽입하여 실험 시 발생하는 반력을 측정하였으며 충격체는 발사체에 화약을 폭발시켜 발사하는 방법을 이용하였다. 철근콘크리트 슬래브 실험체 및 충격하중과 실험결과는 표 1에 정리되었다.
- 철근콘크리트 슬래브는 충격체와 접하게 되는 중앙부분을 세밀하게 묘사하기 위해 한 요소의 크기를 8×8×8 mm로 모델링하였으며, 중앙부분을 제외한 외곽부분은 해석의 효율성을 도모하기 위해 중앙부보다 상대적으로 요소를 크게 모델링하였다. 실험에서 철근콘크리트 슬래브에 철근이 매입되어 있는데, 해석에서는 철근의 절점을 콘크리트의 절점에 구속시키는 방법으로 모델링하였다. 충격체와 콘크리트의 접촉조건은 콘크리트 요소가 충격에 의해 강성을 잃어버리면 해석상에서 해당요소가 삭제되도록 하여 해석시 과도한 계산을 피하도록 하였다.
- 표 2에 나타낸 해석결과에서 보면, 재료모델에 따라 관입깊이가 큰 차이를 보였다. 실험에서 측정된 관입깊이가 60 mm로 CSCM Concrete 모델을 적용하는 경우가 실험결과와 가장 근접한 결과를 보여 이 연구에서는 CSCM Concrete 모델을 적용하여 국부손상을 평가하였다. 충돌체가 철근콘크리트 슬래브와 80~164 m/sec 속도로 충돌하기 때문에 충돌해석시 콘크리트에 대한 변형률 속도 증가에 따른 강성 증가 효과를 고려하였다(Murray, 2007).
- 해석 및 실험에서 산정된 충격체의 관입깊이는 전반적으로 잘 맞는 결과를 보였다. 유한요소해석 결과에서 관입깊이는 콘크리트가 최대로 관입된 지점과 콘크리트의 파괴가 발생하지 않은 상부 표면의 수직거리를 측정하였다. 해석결과에서 평가된 반력은 슬래브 네 지지점의 반력 중 가장 큰 반력을 실험시 측정된 반력과 비교하였다.
- 이 연구에서는 RC 슬래브를 대상으로 철근비, 충격체의 충돌위치, 동일 철근비에서의 철근 직경 변화, 충격체의 충돌속도 등을 변수로 충돌해석을 수행하였다. 충돌해석 결과로부터 각 변수가 RC 슬래브의 충돌로 인한 국부손상에 미치는 영향을 평가하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
- 이 연구에서는 RC 슬래브에 강성 충격체(토네이도)가 충돌하였을 경우, 철근비와 RC 슬래브에 격자로 배치되는 철근배치 형상을 고려한 충돌위치, 철근의 직경 및 충격체의 충돌속도가 국부손상에 미치는 영향을 종합적으로 비교분석하였으며, 충돌해석은 LS-DYNA에 의해서 수행되었다.
- 철근콘크리트 슬래브는 충격체와 접하게 되는 중앙부분을 세밀하게 묘사하기 위해 한 요소의 크기를 8×8×8 mm로 모델링하였으며, 중앙부분을 제외한 외곽부분은 해석의 효율성을 도모하기 위해 중앙부보다 상대적으로 요소를 크게 모델링하였다.
- 철근콘크리트 슬래브의 충돌실험은 슬래브의 네 변을 앵커 볼트와 PC 강봉으로 고정시킨 후 수행되었다. 로드셀을 슬래브와 앵커볼트 사이에 삽입하여 실험 시 발생하는 반력을 측정하였으며 충격체는 발사체에 화약을 폭발시켜 발사하는 방법을 이용하였다.
- Kojima(1991)가 기 수행한 충돌실험 실험체에 대해 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 총 5개의 실험체를 동일한 형상으로 모델링하였으며, 철근콘크리트 슬래브와 강성 충격체는 8절점 SOLID 요소, 철근은 TRUSS 요소를 적용하였으며, 유한요소모델의 형상은 그림 3과 같다.
- 실험에서 철근콘크리트 슬래브에 철근이 매입되어 있는데, 해석에서는 철근의 절점을 콘크리트의 절점에 구속시키는 방법으로 모델링하였다. 충격체와 콘크리트의 접촉조건은 콘크리트 요소가 충격에 의해 강성을 잃어버리면 해석상에서 해당요소가 삭제되도록 하여 해석시 과도한 계산을 피하도록 하였다. 또한 충격체가 콘크리트를 일정부분 관입하면 철근과 충격체가 접촉하게 된다.
- 충격체의 충돌속도(164 m/sec), 배근된 철근의 직경(D10) 및 충격체의 충돌위치 등은 동일하게 적용되고, 철근콘크리트 슬래브에 배근된 철근비(0~1.24%) 변화에 따른 국부손상을 평가하였다. 충돌해석 결과, 철근비 변화에 따른 RC 슬래브의 충돌 반대면과 충돌 단면(두께)에서의 손상정도를 그림 7~그림 8에 나타내었고, 충돌 후, RC 슬래브의 충돌 반대면에서 콘크리트가 탈락한 면적을 표 7에 정리하였다.
- 충격체의 충돌속도가 일정하고, RC 슬래브의 철근비가 동일한 조건에서 배근된 철근의 직경 증가에 따른 국부손상 거동을 평가하였다. 표 5에 제시된 것과 같이 철근비가 0.
- 충격체의 충돌속도가 일정한 조건에서 충격체가 그림 6에 나타낸 것과 같이 격자로 배근된 철근의 정 중앙에 충돌하는 경우와 철근과 철근 사이로 충돌하는 경우, 각각에 대해서 국부손상을 평가하였다. 충격체의 충돌위치를 변수로 한 해석은 표 3에서 철근비가 0.
- 충격체의 충돌속도를 164 m/sec, 100 m/sec, 80 m/sec로 변화시키고, 각 충돌속도에서 철근비를 증가시키는 경우의 충돌해석을 수행하여 충돌속도 및 철근비가 국부손상에 미치는 영향을 평가하여 충돌해석결과를 표 11에 정리하였다. 충돌속도가 80 m/sec, 100 m/sec인 경우에는 대부분 관입이 발생하였으며, 164 m/sec일때는 모두 관통이 발생되었다.
- 충격체의 충돌속도가 일정한 조건에서 충격체가 그림 6에 나타낸 것과 같이 격자로 배근된 철근의 정 중앙에 충돌하는 경우와 철근과 철근 사이로 충돌하는 경우, 각각에 대해서 국부손상을 평가하였다. 충격체의 충돌위치를 변수로 한 해석은 표 3에서 철근비가 0.77%인 모델(R077V164D10, R077V164D10-P)과 1.24% 모델(R124V164D10, R124V164D10-P)에 대해서 수행되었다. R077V164D10 모델은 철근 배근간격이 85.
- 이 연구에서는 RC 슬래브를 대상으로 철근비, 충격체의 충돌위치, 동일 철근비에서의 철근 직경 변화, 충격체의 충돌속도 등을 변수로 충돌해석을 수행하였다. 충돌해석 결과로부터 각 변수가 RC 슬래브의 충돌로 인한 국부손상에 미치는 영향을 평가하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
- 해석 대상 RC 슬래브는 Kojima(1991)가 수행한 충격 실험체 중에서 두께가 120 mm인 R12-Y 실험체를 기준으로 하였다. 충돌해석시 RC 슬래브의 철근비 및 충격체의 충돌위치, 철근 직경, 충돌속도의 변화 등에 따른 차이를 비교하고자 각각의 변수를 고려하여 유한요소모델을 작성하였으며, 해석모델의 주요 특징은 표 5와 같다. 표 5에서 보면, 해석모델에서는 철근이 배근되지 않은 RC 슬래브 모델에서 충격속도에 차이에 따른 영향, 철근비와 충돌속도는 유사하고 배근된 철근의 직경변화에 따른 영향, 배근된 철근 직경과 충돌속도는 동일하고 철근비 차이에 따른 영향, 철근비와 배근된 철근 직경은 유사하고 충돌속도 차이에 따른 영향 등이 고려되었다.
- 3 모델 등이 있는데, 콘크리트 압축강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비 등의 입력자료로 적용이 가능하다. 표 1에 나타낸 R-24-X 실험체를 대상으로 3 가지 콘크리트 모델을 각각 적용한 예비 충돌해석을 수행하여 재료모델에 따른 관입깊이의 실험 및 해석결과를 비교하였다. 표 2에 나타낸 해석결과에서 보면, 재료모델에 따라 관입깊이가 큰 차이를 보였다.
- 충격체의 충돌속도가 일정하고, RC 슬래브의 철근비가 동일한 조건에서 배근된 철근의 직경 증가에 따른 국부손상 거동을 평가하였다. 표 5에 제시된 것과 같이 철근비가 0.53%, 0.77%, 1.01%인 각 RC 슬래브에 배근된 철근의 직경을 D10, D13, D16으로 변화시켜 총 9개 모델(표 9 참조)에 대한 국부 충돌해석을 수행하였다. 배근된 철근의 직경 증가에 따른 충돌해석 결과를 표 9에 정리하였다.
- 해석방법을 검증하기 위해 기존에 철근콘크리트 슬래브에 대해 수행된 충돌실험(Kojima, 1991)의 실험체를 대상으로 LS-DYNA(LSTC, 2007)를 이용한 충돌해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 24% 모델(R124V164D10, R124V164D10-P)에 대해서 수행되었다. R077V164D10 모델은 철근 배근간격이 85.714 mm이며, R124V164D10 모델의 배근간격은 54.545 mm로 충격체는 그림 6의 (a)에서와 같이 철근 격자위치 중앙에 충돌시켰다. R077V164D10-P와 R124V164D10-P 모델에서는 충격체가 그림 10에서와 같이 철근과 철근 사이에 충돌시켰다.
- 실험에 사용된 강성 충격체의 형상은 그림 2로서 충격체의 중량은 2 kgf, 노즈의 형상은 반구형, 충격체의 길이는 100 mm로써 내부가 완전히 채워진 강재이다.
- 30 MPa이다. 철근은 D10과 D13 철근을 사용하였으며, 철근비는 약 0.6%가 되도록 배근하였으며 전단철근은 배근되지 않았다. 철근의 항복강도는 D10 철근이 419.
- 본 해석에서는 철근비, 충돌위치 변화, 철근 직경 및 충격체의 충돌속도 변화 등이 RC 슬래브의 국부충돌 효과에 미치는 영향을 분석하였다. 해석 대상 RC 슬래브는 Kojima(1991)가 수행한 충격 실험체 중에서 두께가 120 mm인 R12-Y 실험체를 기준으로 하였다. 충돌해석시 RC 슬래브의 철근비 및 충격체의 충돌위치, 철근 직경, 충돌속도의 변화 등에 따른 차이를 비교하고자 각각의 변수를 고려하여 유한요소모델을 작성하였으며, 해석모델의 주요 특징은 표 5와 같다.
- 변수 해석을 수행한 철근콘크리트 슬래브의 유한요소모델 형상은 그림 3으로서 격자로 구성된 철근이 슬래브 상·하단에 배근되며, 그림 3의 (c)와 같은 강성 충격체가 철근콘크리트 슬래브에 충돌하게 된다. 해석에 사용한 유한요소모델은 철근콘크리트 슬래브와 강성 충격체에 8절점 SOLID요소, 철근은 TRUSS요소를 적용하였다. 자세한 유한요소모델은 2.
데이터처리
- 표 1에 나타낸 철근콘크리트 슬래브의 충돌실험 결과(Kojima, 1991)와 LS-DYNA에 의한 충돌해석에서 평가된 충격체의 관입깊이와 최대 반력을 표 4에 비교하였다. 해석 및 실험에서 산정된 충격체의 관입깊이는 전반적으로 잘 맞는 결과를 보였다.
- 유한요소해석 결과에서 관입깊이는 콘크리트가 최대로 관입된 지점과 콘크리트의 파괴가 발생하지 않은 상부 표면의 수직거리를 측정하였다. 해석결과에서 평가된 반력은 슬래브 네 지지점의 반력 중 가장 큰 반력을 실험시 측정된 반력과 비교하였다.
이론/모형
- Kojima(1991)가 기 수행한 충돌실험 실험체에 대해 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 총 5개의 실험체를 동일한 형상으로 모델링하였으며, 철근콘크리트 슬래브와 강성 충격체는 8절점 SOLID 요소, 철근은 TRUSS 요소를 적용하였으며, 유한요소모델의 형상은 그림 3과 같다.
- 철근과 충격체는 PLASTIC KINEMATIC 재료모델로 모델링하였으며, Cowper-Symonds(Su 등, 1995)가 제안한 식 (3)에 의해 변형률 속도 증가에 따른 강도증가 효과를 반영하였다. 식 (3)에서 C와 p는 실험을 통해 결정해야 하지만 일반 구조강재에 대해서 제안된 C는 40s−1, p는 5를 적용하였다(Su 등, 1995).
성능/효과
- RC 슬래브의 철근비가 일정수준이상 확보되면 관입 및 관통 등의 국부손상에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 철근비의 증가로 배근간격이 조밀해지면 충돌로 인한 슬래브 후면 콘크리트의 탈락면적이 감소하는 결과를 보였으며, 이는 철근비가 증가하면 철근과 콘크리트의 부착면적이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- 동일한 충격속도하에서 일정 수준의 철근비가 확보되면 전반적으로 철근비와 관입깊이는 큰 연관성을 보이지 않으며, 동일한 철근비가 배근된 조건에서 충돌속도의 증가는 국부손상을 더욱 증가시키는 결과를 보였다. 또한, 충격체의 충돌속도가 감소할수록 철근비가 슬래브의 국부손상에 미치는 영향은 작아지는데, 이는 충격속도가 고속이면 철근은 충격체의 운동을 감소 혹은 정지 시키는 역할을 수행하지만 충격체의 속도가 저속이라면 RC 슬래브의 콘크리트만으로도 충격체의 운동 저지 효과가 충분하기 때문인 것으로 판단된다.
- 89% 이상인 4개의 모델(그림 7의 (e)~(h), 그림 8의 (e)~(h) 참조)에서는 관통은 발생하였지만, 후면의 철근은 파단되지 않았다. 따라서 철근비 증가에 따라 손상의 정도는 증가하지만, RC 슬래브의 국부손상의 차이를 관입 및 관통 깊이를 기준으로 평가하면 일정수준 이상의 철근비를 보유하면 큰 차이를 보이지 않았다(표 7 참조).
- 그림 12와 표 8에서 보면, 충격체가 철근과 철근사이로 충돌 하는 경우에도 충격체가 그림 6의 (a)에서와 같이 격자철근 중앙에 충돌하는 경우와 마찬가지로 철근비가 많은 슬래브의 후면 손상면적이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 동일한 철근비에서 충격체가 격자 철근의 중앙에 충돌하는 것이 철근과 철근 사이에 충돌하는 경우보다 슬래브 후면의 콘크리트 탈락 면적이 증가하는 것으로 나타났다.
- 철근비의 증가로 배근간격이 충격체의 직경보다 작은 경우에는 충격체의 충돌 위치가 타깃의 국부손상에 큰 영향을 미치지 않지만, 배근간격이 충격체의 직경보다 큰 경우는 충격체의 충돌위치에 따라 손상정도에 차이가 존재한다. 배근간격이 충격체의 직경보다 큰 경우, 충격체가 철근에 직접 접촉하는 위치에 충돌하는 경우보다 충격체가 철근과 철근 사이에 충돌하는 경우가 국부손상이 더욱 심각하게 발생하는 것으로 나타났다.
- 이상의 결과에서 보면, 철근의 배근간격이 충격체의 직경보다 작다면 충격체의 충돌위치에 상관없이 유사한 손상이 발생하지만 배근 간격이 충격체의 직경보다 클 경우는 충격체의 충돌위치에 따라 손상정도에서 차이가 발생하는 것으로 판단된다.
- 각 모델에 대한 충돌해석 결과에서 평가된 충돌면의 반대면(후면)에서의 콘크리트 탈락 면적을 표 7에 정리하였고, 철근비 증가에 따른 콘크리트 탈락면적을 그림 9에 나타내었다. 이상의 결과에서 철근비가 증가 할수록 충돌 후면에서 콘크리트의 손상면적(탈락면적)이 감소하는 경향을 보였다.
- 이상의 충돌해석 결과에서 보면, 충돌실험에서 적용된 충격체의 충돌속도, 슬래브의 두께, 강성 충격체 등에 따른 국부손상효과가 충돌해석을 통해서도 실험결과에 근접하는 수준으로 평가가 가능함을 확인하였다.
- 철근비가 약 0.53%인 RC 슬래브의 해석결과(그림 13 참조)에서는 D10 철근을 사용한 모델은 완전 관통이 발생하지만, D13과 D16 철근을 배근한 모델은 충격체가 슬래브 후면으로 빠져나가는 완전관통 현상이 방지되었다. 철근비가 약 0.
- 53%인 RC 슬래브의 해석결과(그림 13 참조)에서는 D10 철근을 사용한 모델은 완전 관통이 발생하지만, D13과 D16 철근을 배근한 모델은 충격체가 슬래브 후면으로 빠져나가는 완전관통 현상이 방지되었다. 철근비가 약 0.77%인 RC 슬래브(그림 14 참조)와 약 1.01%인 RC 슬래브(그림 15 참조)에서는 모두 유사한 수준의 관통이 발생하여 철근 직경의 증가가 관통 등의 국부손상에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 표 1에 나타낸 철근콘크리트 슬래브의 충돌실험 결과(Kojima, 1991)와 LS-DYNA에 의한 충돌해석에서 평가된 충격체의 관입깊이와 최대 반력을 표 4에 비교하였다. 해석 및 실험에서 산정된 충격체의 관입깊이는 전반적으로 잘 맞는 결과를 보였다. 유한요소해석 결과에서 관입깊이는 콘크리트가 최대로 관입된 지점과 콘크리트의 파괴가 발생하지 않은 상부 표면의 수직거리를 측정하였다.
- R12-Y 실험체의 경우에는 실험에서 관입으로 측정되었지만, 해석에서는 철근이 완전히 파괴되지 않아 충격체가 실험체를 빠져나가지 않은 상태에서(그림 4의 d 참조) 콘크리트는 관통되는 것으로 나타나 손상이 과다하게 평가되었다. 해석결과에서 평가된 각 실험체의 측면 두께부에서의 파괴형상은 그림 5로서 전반적으로 충돌로 인한 국부손상효과를 잘 나타내는데, 슬래브의 두께가 동일한 조건에서 충격체의 충돌속도(215, 164, 95 m/sec)에 따른 국부손상에 대한 해석결과(그림 5의 c, d, e)에서 충돌속도에 따른 영향이 잘 반영되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.