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철근콘크리트 부재 저항능력의 통계적 모델 개발
Development of Statistical Models for Resistance of Reinforced Concrete Members 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.31 no.4A, 2011년, pp.323 - 329  

김지상 (서경대학교 토목공학과) ,  김종호 (비엔지컨설턴트 기술영업팀)

초록
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대부분의 콘크리트구조설계기준은 구조물의 안전에 대한 여유를 확보하기 위해 하중계수 및 저항계수의 안전계수를 고려하고 있다. 이 안전계수는 하중과 저항의 통계적 불확실성을 적절하게 고려한 구조신뢰성 이론에 근거하여 결정되어야 하는데, 구조신뢰성 이론의 적용은 하중 및 저항에 대한 통계적 모델의 정립이 선행되어야 한다. 이 논문에서는 콘크리트 압축강도, 철근 항복강도 및 부재 단면치수의 통계적 변동성을 고려한 철근콘크리트 부재의 저항모델을 개발하였다. 통계모델 개발에 적용된 자료는 국내의 실험 및 시험 자료를 기초로 하였으며, 몬테칼로 시뮬레이션(Monte Carlo Simulation)기법을 적용하였다. 이 논문의 결과는 콘크리트 구조설계 기준의 검증 및 개정작업에 유용한 자료를 제공할 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Most current design codes of concrete structures adopt the partial safety factor format to assure the proper safety margin or reliability against various limit states as a practical design tool. The safety factors, load and resistance factors and so on, are determined based on the theory of structur...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 고강도 콘크리트의 사용이 늘어가고 있는 추세를 반영하지 못하고, 국내의 현장 시공여건 역시 고려하지 못하고 있는 문제점이 있다. 따라서 이 연구에서는 국내 설계기준의 개정작업의 첫 단계로 불확실성을 갖는 철근콘크리트 구조부재의 저항모형을 결정하는데 있어 최근 국내에서 발표 및 보고된 각종 실험 자료를 이용하여 저항모형의 각 설계변수들이 갖고 있는 확률적 특성을 분석하였으며, Monte Carlo Simulation(MCS)기법을 사용하여 여러 형태의 철근콘크리트 구조부재에 대한 확률특성을 정립하고, 국내 실정에 맞는 저항의 통계적 모델을 제시하였다. 이 논문에서 제안하고 있는 철근콘크리트 부재의 저항모형은 국내의 실험 자료를 바탕으로 분석되어 신뢰성 이론을 활용한 설계기준개정작업에 필요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
  • 2007년 개정된 콘크리트구조설계기준에서는 콘크리트의 변형률이 극한변형률에 이르렀을 때 최외단 인장철근의 순인장변형률에 따라 철근콘크리트 부재의 단면을 인장지배단면(Tension-Controlled Section), 압축지배단면(CompressionControlled Section) 및 변화구간(Transition Section)으로 구분하고 각 경우에 대하여 강도감소계수, 를 변화시키도록 규정하고 있다. 이 논문에서는 강도감소계수를 인장철근의 변형률에 따라 변화시키는 경우 휨부재 저항능력의 통계적 특성이 저항계수 결정에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. Fig.
  • 이 연구에서는 국내 설계기준의 개정 작업의 첫 단계로 국내에서 발표된 연구결과를 사용하여 다양한 통계적 불확실성을 갖는 철근콘크리트 구조부재에 대하여 MCS를 이용하여 철근콘크리트 구조부재의 확률 특성을 분석하고, 휨부재 및 휨모멘트와 압축력을 동시에 받는 부재의 저항능력을 나타내는 통계적 모델을 제시하였다. 이 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

  • 구조물의 폭 및 두께는 슬래브, 보 및 기둥 모두 설계된 값보다 약간 큰 경향을 보이며, 철근의 유효깊이는 설계값에 미치지 못하는 평균값을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 이 연구에서 외부 단면의 시공오차에서 보와 기둥의 깊이에 대한 국내의 자료를 구할 수 없어서 폭의 시공오차 값과 같다는 가정으로 철근의 유효깊이를 구하였으며 Table 3은 이를 정리한 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 구조부재의 저항능력은 무엇을 반영하여 결정되어야 하는가? 철근콘크리트 구조부재의 저항능력은 사용재료의 역학적 특성과 부재단면치수의 기하학적 성질 등에 의한 불확실성을 반영하여 결정되어야 한다. 그러나 각 설계변수들의 복합적인 영향으로 인해 철근콘크리트 부재의 저항모형에 대한 확률적 특성을 해석적으로 분석하기는 어렵다.
본 연구에서 철근콘크리트 구조부재에 대하여 MCS를 이용하여 철근콘크리트 구조부재의 확률 특성을 분석하고, 휨부재 및 휨모멘트와 압축력을 동시에 받는 부재의 저항능력을 나타내는 통계적 모델을 제시한 결과는 어떠한가? 1. 휨부재인 보와 슬래브에서는 콘크리트의 설계기준압축강도의 차이보다 철근의 항복강도수준에 따라 설계기준항복강도 300 MPa의 철근을 사용했을 때보다 500 MPa의 철근을 사용했을 경우 저항력의 편중계수가 작은 범위 값으로 나타났다. 2. 보에서는 300 MPa의 철근을 사용했을 경우 저항력의 편중계수는 1.136~1.209의 범위를 보였고, 500 MPa의 철근을 사용했을 경우에는 1.015~1.100의 범위를 보였으며, 변동계수는 0.077~0.144의 범위 로 사용재료의 강도수준에 영향을 받지 않고 비슷한 값을 나타낸다. 또한, 최외단 인장철근의 변형률은 철근콘크리트 휨부재 저항능력의 통계적 특성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 분석된 값들의 대푯값으로 콘크리트구조설계기준에서 제시하고 있는 최외단 인장철근의 변형률에 대한 저항력의 특성은 300 MPa의 철근을 사용했을 경우 저항력의 편중계수가 1.121~1.157의 범위 값으로 나타났고, 500 MPa의 철근을 사용했을 경우 1.019~1.054의 범위 값을 갖고 있으며, 변동계수는 전체적으로 0.079~0.091의 범위이다. 3. 슬래브에서는 설계기준항복강도 300 MPa의 철근을 사용했을 경우 저항력의 편중계수가 1.166~1.206의 범위 값을 가지며, 변동계수는 0.106~0.115의 범위 값이다. 또, 공칭항복강도 500 MPa의 철근을 사용했을 경우에는 저항력의 편중계수가 1.035~1.071의 범위 값을 보이며, 변동계수는 0.093~0.112의 범위 값으로 나타났다. 4. 휨모멘트와 압축력을 동시에 받는 부재인 기둥에서는 휨부재 보다 상대적으로 철근의 공칭항복강도의 영향을 덜 받는 것으로 확인되었다. 보통강도 콘크리트와 300 MPa의 철근을 사용했을 경우 저항력의 편중계수는 1.128~1.215의 범위였으며, 변동계수는 0.073~0.109의 범위로 나타났다. 또한, 고강도 콘크리트와 300 MPa의 철근을 사용했을 경우에는 편중계수는 1.092~1.122의 범위를 가지며, 변동계수는 0.073~0.097의 범위였다. 보통강도 콘크리트와 500 MPa의 철근을 사용했을 경우에 저항력의 편중계수는 1.084~1.183의 범위 값을 보이고, 변동계수는 0.066~0.108의 범위 값을 갖는다. 고강도 콘크리트를 사용했을 경우에는 편중계수값이 1.072~1.107의 범위이고, 변동계수는 0.073~0.094의 범위였으며, 철근비가 높을수록 저항력의 편중계수와 변동계수가 작은 값을 보이는 것을 알 수 있다. 5. 이 연구에서 개발된 철근콘크리트 구조부재의 저항능력에 대한 통계적 모델은 국내에서 생산 및 제조된 사용재료의 강도특성과 시공오차의 자료를 이용하여 분석된 결과로 현행설계기준의 합리적인 신뢰도 검증을 위한 기초자료로서 의미가 있을 것으로 판단된다.
국내 콘크리트구조설계기준은 무엇을 기반으로 두고 있는가? 우리나라의 콘크리트구조설계기준은 구조 신뢰성 이론에 바탕을 둔 하중저항계수설계법(LRFD:Load and Resistance Factor Design)의 형식을 토대로 구조부재의 단면이 갖는 공칭강도에 적절한 안전여유(Margin of Safety)를 주는 강도설계법에 그 기반을 두고 있으며, 2007년 개정된 콘크리트 구조설계기준에서 강도설계법은 구조부재의 안전을 위해서 하중계수와 저항계수(강도감소계수)의 다양한 조합을 규정하고 있다. 한계상태방정식에서 하중과 저항의 설계변수들은 하중의 지역적 특성, 구조재료의 강도특성, 부재의 제작 및 시공의 숙련도, 정교성 등에서 많은 불확실성을 보이므로 각 설계변수들은 확률변수로 고려되어야 하며, 부분안전계수인 하중 및 저항계수는 그 설계기준을 적용하여 설계되는 대상 구조물들의 강도 및 하중과 관련된 통계적인 자료의 데이터베이스에 기초를 둔 통계적 해석과 실용적인 2차모멘트 구조신뢰성 이론에 바탕을 둔 보정기법에 의해 산정되어야 한다(조효남 등, 2008).
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참고문헌 (13)

  1. 김상효 등(1989) 구조물의 신뢰성에 관한 연구 - 고정하중.적재하중 및 풍하중하에서의 R.C. 건물, 한국건설기술연구원 결과보고서, 한국건설기술연구원. 

  2. 성능중심의 건설기준 표준화 연구단(2010) 시공오차 자료집. 한국 콘크리트학회. 

  3. 손승효, 이종헌(1987) 신뢰성 이론에 의한 하중 및 저항계수 설계, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제7권 제4호, pp. 1-12. 

  4. 신정호(2010) 콘크리트와 철근의 역학적 특성의 통계적 분석, 석사학위논문, 서경대학교, pp. 15-31, 45-56. 

  5. 조태송, 조효남, 전재명(1983) 신뢰성 이론에 의한 R.C. 옹벽의 안정해석 및 설계규준, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제3권 제3호, pp. 71-86. 

  6. 조효남, 지광습, 윤정현, 김이현, 최현호, 이광민, 이상윤, 선종완 (2008) 구조신뢰성공학. 구미서관. 

  7. 한국콘크리트학회(2007) 콘크리트 구조설계기준해설, 기문당. 

  8. Ellingwood, B. (1977) Statistical analysis of RC Beam-Column interaction. ASCE, Vol. 103, No. ST7, pp. 1377-1387. 

  9. Grant, L.H., Mirza, S.A., and MacGregor, J.G. (1978) Monte carlo study of strength of concrete columns. ACI Journal, Vol. 75, pp. 348-358. 

  10. Mirza, S.A., Hatzinikolas, M., and MacGregor, J.G. (1979) Statistical descriptions of the strength of concrete. ASCE, Vol. 105, pp. 1021-1037. 

  11. McGregor, J.G., Mirza, S.A., and Ellingwood, B. (1983) Statistical analysis of resistance of reinforced and prestressed concrete member. ACI, pp. 167-176. 

  12. Mirza, S.A. and MacGregor, J.G. (1979) Variability of mechanical properties of reinforcing bars. Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 105, No. ST5, pp. 751-766. 

  13. Nowak, A.S. and Szerszen, M.M. (2003) Calibration of design code for buildings(ACI 318): Part 1-Statistical models for resistance. ACI Structural Journal, Vol. 100, No. 3, pp. 377-382. 

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