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문제 정의
- 이 연구의 목적은 이러한 손상된 철근콘크리트 구조물을 대상으로 비선형 유한요소해석을 실시하여 비탄성 거동특성을 파악하고 구조성능을 평가하는데 있다. 이 연구에서는 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 그리고 경계면요소 등(8-12)을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP(13)에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램인 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)에 손상을 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다(그림 2).
- 1. 이 연구에서는 손상이 있는 철근콘크리트 구조물을 대상으로 하여 콘크리트 구조물의 성능저하를 체계적으로 구현하는 구조성능평가 프로그램을 개발하였다.
제안 방법
- 이 연구의 목적은 이러한 손상된 철근콘크리트 구조물을 대상으로 비선형 유한요소해석을 실시하여 비탄성 거동특성을 파악하고 구조성능을 평가하는데 있다. 이 연구에서는 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 그리고 경계면요소 등(8-12)을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP(13)에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램인 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)에 손상을 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다(그림 2).
- 시간의 흐름에 따라 구조물의 외부적, 내부적 영향과 물리, 화학적 요인 등에 의해 구조물의 성능이 저하하는 현상을 고려하기 위하여 저자 등에 의하여 이미 발표된 재료모델(8-12)을 다음과 같이 수정하여 손상을 고려하였다.
- 이와 같은 균열직각방향으로의 인장강성효과를 고려하기 위해서, 철근콘크리트 부재의 일축인장실험을 기초로 한 실험식에 Okamura 등이 균열직각방향의 인장변형률의 함수로써 제안한 부착모델(14)을 기본적으로 적용한다. 이 연구에서는 부착모델의 적용을 균열직각방향에 대하여 적용하지 않고 철근의 축방향에 대하여 적용함으로써 원실험식에 충실하도록 하였다.
- 이 연구에서는 부착 매개변수를 변화시켜 손상을 나타내었다.
- 철근콘크리트 교각 등과 같은 구조물은 보, 기둥, 기초 등 서로 다른 종류의 부재들로 이루어져 있기 때문에 기둥과 기초부 등의 경계면에는 단면강성이 급변함에 따라 철근의 정착슬립(Anchorage Slip)이나 접합면의 미끄러짐, 접합면의 관입 등의 국소적인 불연속 변위가 발생하게 되는데 이를 고려하기 위해 경계면 요소(Interface Element)를 도입하였다.
- 반복하중을 받는 철근콘크리트 부재에는 높은 인장응력, 압축응력 및 전단응력을 번갈아 받는 경우가 일반적이므로 그러한 부분의 콘크리트는 손상을 입게 되며, 부착응력의 저하가 발생한다. 이 연구에서는 Shima 등의 제안모델에 부착응력의 저하구간을 설정하고 철근의 직경, 철근의 항복강도 및 콘크리트의 강도를 매개변수로 하여 많은 경우에 대한 해석결과로부터 수정 제안된 철근의 변형률-슬립(Slip)관계(그림 3)를 적용하였으며 이를 이용하여 손상에 의한 부착응력의 저하를 고려하였다.
- 에서는 비선형 유한요소해석을 전제로 유한요소해석에서 필연적으로 계산되는 가우스 적분점에서의 변형률을 이용하여 해석프로그램에서 직접 손상지수를 산정할 수 있는 방법을 개발하였다. 즉, 비탄성 해석으로 얻어지는 콘크리트와 철근의 극한변형률에 근거한 파괴 기준을 토대로 요소레벨의 손상지수를 개발하였다. 파괴기준은 크게 콘크리트의 압축파괴와 전단파괴, 그리고 철근의 인장파괴로 나누어 볼 수 있으며 이를 토대로 각 해석단계의 변형률에 해당하는 손상지수를 구한다.
- 이 연구의 해석기법에 대한 타당성을 확인하기 위하여 Toongoenthong 등의 실험체(2)를 해석하였다. 이 실험체는 손상된 주철근을 모사한 철근콘크리트 보 실험체와 기준이 되는 손상이 없는 실험체의 구조성능 등을 비교 · 검토하기 위한 것으로서 그림 11과 같다.
- 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 175개, 그리고 가력점과 지지점에 실험에서와 동일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 탄성요소 3개가 사용되었다. 손상된 주철근에 의한 영향은 부착 매개변수를 변화시켜 손상을 나타내었으며 부착 매개 변수는 무근콘크리트에 대한 2.0으로 정하였다.
- 횡방향 하중은 2,000 kN 가력기(Actuator)를 가력벽에 부착하여 실험을 실시하였으며, ±0.25%, ±0.50%, ±1.00%, ±1.50%, ±2.00%, ±2.50%, ±3.00%, ±4.00%, ±5.00%, ±6.00%, ±7.00%, ±8.00%로 드리프트 비(Drift Ratio)를 증가시키는 방법으로 2 싸이클(Cycle)씩 반복 재하하였다.
- 실험체의 축방향력은 교각단면 축강도의 10%에 해당하는 일정 축하중을 재하하였으며, 유압펌프에 의한 일정하중 유지장치로 실험도중 축력의 변화가 없도록 하였다(그림 15). 횡방향 하중은 2,000 kN 가력기(Actuator)를 가력벽에 부착하여 실험을 실시하였으며, ±0.
- 실험체들의 유한요소해석을 위해서 원형 철근콘크리트 교각을 등가환산단면을 이용하여 그림 16과 같이 2차원 평면요소로 해석이 가능하도록 하였다. 등가환산단면은 원형 철근콘크리트 교각의 실제거동과 유사하도록 철근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.
- 그림 17은 비선형 유한요소해석을 수행하기 위하여 요소 분할된 예이며 3점 가우스 적분을 적용한 8절점 등매개요소를 이용하였고 하중이 재하되는 부위에는 실험에서와 동일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 탄성요소를 사용하였다. 또한, 기초와 교각의 접합부에는 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소를 사용하였다.
- 그림 19는 손상된 교각 예제와 손상이 없는 교각 예제의 유한요소해석 결과를 비교하여 나타내고 있다. 이때 손상된 교각은 철근의 부식 등으로 발생하는 단면 감소를 모사하였으며 기존 연구결과(1)를 토대로 철근의 경년 열화 함수를 적용하여 횡방향 구속철근의 단면적을 25% 감소시켰다. 횡방향으로 배근된 구속철근은 콘크리트의 극한강도와 극한변형률을 크게 증가시켜주는데 이러한 철근의 손상이 구속효과의 감소를 가져온다.
- 이 연구에서는 손상된 철근콘크리트 구조물의 비선형 거동 파악과 구조성능평가를 위한 해석기법과 모델을 제시하였고 제안된 해석기법과 모델을 적용한 유한요소해석 프로그램을 사용하여, 다양한 철근콘크리트 구조물을 해석하였다. 실험결과와 비교․검토된 수치예제로부터 다음의 결론을 얻었다.
- 3. 이 연구에서 구조물의 손상정도를 판단하기 위한 척도로서 개발한 손상지수를 사용하여 손상된 철근콘크리트 구조물의 구조성능을 신뢰성 있게 평가하였다. 손상지수는 하중 재하에 따른 구조물의 손상정도를 수치적으로 표현하며 전체 구조물의 성능특성을 나타내는 지수이다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 그림 1과 같은 침해적인 환경요인에 의해 발생하는 주철근과 전단철근의 손상으로 인한 철근콘크리트 구조물의 구조성능저하를 대상으로 하고 있다.(7) 구조물은 침해적인 환경의 영향으로 인하여 초기의 성능을 유지하지 못하고 시간의 흐름에 따라 그 구조적 성능이 변화한다.
- 이 연구에서 제안한 해석기법과 모델의 타당성을 검증하기 위해서 손상된 전단철근을 갖는 철근콘크리트 보의 실험체(17),(18)와 손상된 주철근을 갖는 철근콘크리트 보의 실험체(2),(18)를 선정하여 해석하고 그 결과를 고찰하였다.
- 이 연구에서 개발한 손상을 고려한 비선형 재료모델의 타당성을 검증하기 위해서 그림 4에 나타난 것과 같은 손상된 전단철근을 모사한 철근콘크리트 보의 실험체(17)를 선정하였다. 실험체는 기준이 되는 손상이 없는 실험체와 손상된 실험체로 구성되어 있다.
- 실험체는 그림 4에 보이는 바와 같이 250 mm × 350 mm × 2400 mm의 장방형의 단순보로서 콘크리트 설계기준 압축강도는 35 MPa이고 집중하중에 의한 파괴 실험을 수행하였다. 실험체는 그림 1과 같은 전단철근의 손상을 모사하기 위하여 50 mm 길이의 비닐테이프를 사용하여 스터럽을 감싸 주변 콘크리트와의 부착을 제거하였다.
- 이 실험체들의 유한요소해석을 위해서 그림 5와 같이 총 178개의 요소로 분할하였다. 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 175개, 그리고 가력점과 지지점에 실험에서와 동일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 탄성요소 3개가 사용되었다. 손상된 전단철근에 의한 영향은 수직방향 전단스터럽의 철근비와 부착 매개변수를 변화시켜 손상을 나타내었다.
- 실험체는 그림 4에 보이는 바와 같이 250 mm × 350 mm × 2400 mm의 장방형의 단순보로서 콘크리트 설계기준 압축강도는 35 MPa이고 집중하중에 의한 파괴 실험을 수행하였다.
- 실험체는 그림 11에 보이는 바와 같이 250 mm × 350 mm × 2400 mm의 장방형의 단순보로서 콘크리트 설계기준 압축강도는 34 MPa이고 집중하중에 의한 파괴 실험을 수행하였다.
- 실험체는 그림 11에 보이는 바와 같이 250 mm × 350 mm × 2400 mm의 장방형의 단순보로서 콘크리트 설계기준 압축강도는 34 MPa이고 집중하중에 의한 파괴 실험을 수행하였다. 실험체는 주철근 정착부의 손상 등을 모사하기 위하여 1 mm 두께의 종이판를 사용하여 주변 콘크리트와 분리시켰다.
- 반복하중을 받는 손상된 철근콘크리트 교각구조의 내진성능을 평가하기 위한 수치예제로 기존 연구(11)에서 준정적실험으로 검증된 철근콘크리트 교각 실험체를 선정하였다.
이론/모형
- 콘크리트는 균열이 발생한 후에도 철근과 콘크리트의 부착작용에 의해서 균열면의 직각방향으로 응력의 일부분을 부담한다. 이와 같은 균열직각방향으로의 인장강성효과를 고려하기 위해서, 철근콘크리트 부재의 일축인장실험을 기초로 한 실험식에 Okamura 등이 균열직각방향의 인장변형률의 함수로써 제안한 부착모델(14)을 기본적으로 적용한다. 이 연구에서는 부착모델의 적용을 균열직각방향에 대하여 적용하지 않고 철근의 축방향에 대하여 적용함으로써 원실험식에 충실하도록 하였다.
- 이 연구에서는 기초로부터의 철근의 정착슬립에 관한 해석모델은 Shima 등이 제안하고 있는 정착길이가 긴 경우의 철근의 변형률-슬립(Slip) 관계식(16)을 기본적으로 사용하였다.
성능/효과
- 0 kN이다. 손상 유무에 따라 철근콘크리트 보 실험체의 전단내력이 전단파괴에 의해 실험에서는 37% 감소하고, 해석에서는 36% 감소함을 확인할 수 있었다.
- 그림 10은 이 실험의 변수로 사용한 전단철근의 손상유무에 따른 실험체의 거동특성을 비교한 것으로 손상된 실험체가 하중 증가에 따라 손상이 진전되는 실험결과를 해석결과가 잘 모사하고 있다. 해석결과의 재하 단계별 손상지수값을 확인해보면 처짐 4 mm에서 손상이 없는 실험체는 0.29이고 손상된 실험체는 0.44이다. 그리고 처짐 8 mm에서 손상이 없는 실험체는 0.
- 0이다. 즉 전단철근에 손상이 없는 실험체보다 손상이 있는 실험체가 동일한 하중단계에서 손상이 진전되고 있음을 확인할 수 있다.
- 8 kN이다. 손상 유무에 따라 철근콘크리트 보 실험체의 전단내력이 실험에서는 60% 감소하고, 해석에서는 57% 감소함을 확인할 수 있었다.
- 일련의 해석결과와 실험결과의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 손상된 철근콘크리트 보의 비탄성 거동특성을 적절히 평가하고 있음을 알 수 있다.
- 그림 20은 손상유무에 따른 교각 예제의 거동특성을 비교한 것으로 손상된 교각이 하중 증가에 따라 손상이 없는 교각보다 손상이 진전되는 결과를 보여주고 있다. 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값을 확인해보면 drift 2.5%에서 손상이 없는 교각 예제는 0.26이고 손상된 교각 예제는 0.40이다. 그리고 drift 5.
- 2. 제안한 해석기법과 모델이 손상된 철근콘크리트 구조물의 전체적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었다. 또한 제안된 비선형 유한요소해석은 손상된 철근콘크리트 구조물의 응력 분포 및 변형에 대한 구체적인 정보를 제공할 수 있다.
후속연구
- 와 실험결과를 비교한 예로서 구조물의 중요한 비선형 거동특성인 균열진전 및 파괴양상을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 가시화된 요소레벨의 손상지수도를 통하여 철근콘크리트 보 실험체의 손상정도를 쉽게 검색할 수 있으며 성능평가 등에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림에서 확인되는 바와 같이 손상된 교각 예제는 손상이 없는 교각 예제와 다른 응답거동, 즉 극한강도, 연성도, 그리고 소산에너지 감소 발생 등이 나타난다. 따라서 이러한 손상된 철근콘크리트 교각의 내진성능평가에 있어서는 이 연구에서 제안한 손상을 고려한 비선형 유한요소해석 기법이 필요할 것으로 판단된다.
- 일련의 해석결과와 실험결과의 비교로부터 개발된 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 이용함으로써, 기존 철근콘크리트 교각의 손상을 고려한 구조성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
- 제안한 해석기법과 모델이 손상된 철근콘크리트 구조물의 전체적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었다. 또한 제안된 비선형 유한요소해석은 손상된 철근콘크리트 구조물의 응력 분포 및 변형에 대한 구체적인 정보를 제공할 수 있다.
- 4. 지진하중을 받는 손상된 철근콘크리트 교각의 응답특성 및 지진손상을 제대로 평가함으로써 기존 철근콘크리트 교각구조의 내진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것이다.
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