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문제 정의
- 본 연구는 철근 콘크리트 바닥판 구조형식을 대신할 FRP 합성 콘크리트 구조에 관한 것으로, 이에 대한 구조적 성능 및 거동 특성을 규명하고자 수직하중에 대한 휨저항성능에 대해 수치해석을 수행하고 본 연구자들이 수행한 실험결과와 비교분석하였다. 본 연구는 FRP 판을 보강재로 활용한 콘크리트 보 실험체를 대상으로 재하 실험결과를 모사할 수 있는 유한요소모델을 결정하고, 콘크리트 합성보의 보강효과를 검토하였다. 주요사항은 다음과 같다.
- 본 연구는 철근 콘크리트 바닥판 구조형식을 대신할 FRP 합성 콘크리트 구조에 관한 것으로, 이에 대한 구조적 성능 및 거동 특성을 규명하고자 수직하중에 대한 휨저항성능에 대해 수치해석을 수행하고 본 연구자들이 수행한 실험결과[3]와 비교분석을 하고자 한다. 비선형 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS[13]를 이용하여 3차원 해석 모델을 구성, 비선형해석을 수행하였다.
- 본 연구는 철근 콘크리트 바닥판 구조형식을 대신할 FRP 합성 콘크리트 구조에 관한 것으로, 이에 대한 구조적 성능 및 거동 특성을 규명하고자 수직하중에 대한 휨저항성능에 대해 수치해석을 수행하고 본 연구자들이 수행한 실험결과와 비교분석하였다. 본 연구는 FRP 판을 보강재로 활용한 콘크리트 보 실험체를 대상으로 재하 실험결과를 모사할 수 있는 유한요소모델을 결정하고, 콘크리트 합성보의 보강효과를 검토하였다.
가설 설정
- 실험결과를 모사하기 위한 유한요소 해석은 FRP 판이 보강된 실험체 F1-1,2, F1-3,4 경우, FRP 판으로 보강된 실험체의 경우, FRP 판을 보강한 콘크리트 보 내에 매립된 형태의 경계조건을 표현하기 위하여 ABAQUS의 접촉조건(contact condition) 중 거친 마찰조건(rough con dition) 모델을 적용하였으며, 이 경우에는 FRP 보강재와 콘크리트 경계면에서의 파괴보다 인접한 콘크리트의 파괴가 선행하는 것으로 가정한 것으로서 본 실험 경험과 유사하여 적용하였다. 경계면에서 전단마찰은 발생하지만 완전부착에 가까운 거동을 하는 경우 판단하여 마찰 계수를 1000으로 가정하였다[13]. 실험체 F1-5는 인장철근이 보강된 철근 콘크리트 보로서 콘크리트 내의 철근을 모사하기 위하여 매립구속(em bedded constraint) 조건을 적용하였으며, 철근을 모사한 트러스 요소가 콘크리트 솔리드 요소 내에 매립되는 것으로 가정하였다.
- 상기의 관계식을 이용하여 콘크리트 재료의 응력-변형률 관계를 유도한 결과를 그림 2에 나타내었으며, 여기서 0.4f′c 까지를 선형탄성한계로 가정하였고, 그 이상의 응력상태에 대해서 소성 변형률을 적용하였다.
- 실험결과를 모사하기 위한 유한요소 해석은 FRP 판이 보강된 실험체 F1-1,2, F1-3,4 경우, FRP 판으로 보강된 실험체의 경우, FRP 판을 보강한 콘크리트 보 내에 매립된 형태의 경계조건을 표현하기 위하여 ABAQUS의 접촉조건(contact condition) 중 거친 마찰조건(rough con dition) 모델을 적용하였으며, 이 경우에는 FRP 보강재와 콘크리트 경계면에서의 파괴보다 인접한 콘크리트의 파괴가 선행하는 것으로 가정한 것으로서 본 실험 경험과 유사하여 적용하였다. 경계면에서 전단마찰은 발생하지만 완전부착에 가까운 거동을 하는 경우 판단하여 마찰 계수를 1000으로 가정하였다[13].
- 경계면에서 전단마찰은 발생하지만 완전부착에 가까운 거동을 하는 경우 판단하여 마찰 계수를 1000으로 가정하였다[13]. 실험체 F1-5는 인장철근이 보강된 철근 콘크리트 보로서 콘크리트 내의 철근을 모사하기 위하여 매립구속(em bedded constraint) 조건을 적용하였으며, 철근을 모사한 트러스 요소가 콘크리트 솔리드 요소 내에 매립되는 것으로 가정하였다. 해석모델은 대칭성과 해석 효율성을 고려하여 그림 4a, b에 보인 것과 같은 1/4 대칭 모델로 하였고, 콘크리트와 FRP 보강재는 감차적분(reduced integration)을 적용한 8절점 3차원 솔리드요소(C3D8R)로 모델링하였고, 철근은 2절점 선형 3차원 트러스(2-node linear 3D truss, T3D2) 요소로 하였다.
- 해석모델은 대칭성과 해석 효율성을 고려하여 그림 4a, b에 보인 것과 같은 1/4 대칭 모델로 하였고, 콘크리트와 FRP 보강재는 감차적분(reduced integration)을 적용한 8절점 3차원 솔리드요소(C3D8R)로 모델링하였고, 철근은 2절점 선형 3차원 트러스(2-node linear 3D truss, T3D2) 요소로 하였다. 재하조건은 강성이 큰 강재 블럭을 사용하여 재하판을 모사하고, 비선형해석을 위하여 재하시간 2000sec, 재하속도 0.01mm/sec으로 변위제어를 하는 것으로 가정하였다.
- 4f′c 까지를 선형탄성한계로 가정하였고, 그 이상의 응력상태에 대해서 소성 변형률을 적용하였다. 콘크리트의 탄성계수(EC)는 # 를 적용하였고, 콘크리트의 인장응력-변형률 관계는 일축 압축응력에 대한 일축 인장응력의 비를 0.0836으로 가정하였다.
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