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문제 정의
- 따라서 구조적으로 손상을 받은 현재상태의 구조물의 구조내력을 예측하기 위해서는 이러한 균열폭과 관련한 데이터를 수치해석에 반영할 수 있어야 한다. 따라서 이 논문에서는 수치해석을 통한 손상지수와 실험으로부터 측정된 균열폭과의 관계를 도출하여 향후 구조물 탐사후 구조내력의 산정에 반영할 수 있도록 하였다. 가장 균열폭이 두드러진 상단슬래브 중앙 하단의 수치해석결과의 손상지수와 실험으로부터 측정된 균열폭과의 관계를 일정 수직하중상태를 기준으로 나타내면 Fig.
- 따라서 이 연구에서는 다양한 조건하에서 콘크리트 손상 모델을 적용하여 구조물의 구조내력 산정을 위한 유한요소해석을 수행하여 이를 실험결과와 비교, 검증하여 실제 구조물의 잔존 구조 내하력을 산정할 수 있는 수치해석모델을 개발하였다.
- 이 논문에서는 다양한 조건하에서 구조물의 구조내력 산정을 위한 해석모델을 개발하여 이를 실험결과와 비교, 검증하여 향후 실제 구조물의 구조건전성 평가시스템의 개발을 위한 일환으로 구조내력산정 수치해석모델을 개발하였다.
- 이 논문에서는 원형 양수터널 구조물의 내하력 예측을 위해 양수터널에 사용되는 강섬유보강콘크리트(SFRC)로 제작된 콘크리트구조물 모형 실험체를 대상으로 비선형 유한요소해석을 수행하였다. (한국남동발전, 2010)대상구조물로는 상재하중과 토압을 고려한 균열거동을 파악하기 위해 Fig.
제안 방법
- 현행 전력구 구조물에 대한 구조건정성 평가시스템은 현재 운행중인 구조물의 건전성을 평가하여 그 결과를 바탕으로 구조물의 변형원인 추정과 대책공법의 선정을 실시하는 진단시스템과 과거의 조사 데이터, 구조제원, 개보수 이력 등의 각종 데이터를 관리하는 데이터시스템으로 구성된다. 구조물 변형에 의한 균열 발생시 구조상의 문제에 대한 구조건전성 평가 시스템은 강섬유보강콘크리트(양수터널 구조물)와 철근 콘크리트(전력구 구조물)를 대상으로 하고 있으며 구조내력을 추정함과 동시에 변형의 진행성, 하중증대의 가능성 등을 총체적으로 고려하여 구조건전성을 평가한다. 구조내력의 평가는 운행중인 구조물에 대한 균열탐사를 통한 균열발생 패턴을 분석하고 이를 구조물의 해석결과와 비교하여 향후 균열을 고려한 잔존 구조 내하력의 평가에 기반을 두고 있다.
- 7과 같이 콘크리트는 8절점 솔리드요소를 이용하여 모델링하였고 철근의 경우 2절점 트러스요소를 사용하였다. 또한 구조물의 균열에 따른 철근과 콘크리트의 부착-슬립(bond-slip) 거동을 모사하기 위해 철근요소와 콘크리트 요소사이에 4절점 부착요소(bond element)를 모델링하였다. 전력구 모형 실험 모델은 측면하중은 상부하중이 재하되기 전 일정한 사전하중으로 입력하여 해석을 수행하였으며, 변위제어를 통해 상부하중을 재하 하였다.
- 이 논문에서는 대표적 수치해석에의 균열처리 방법으로 분산균열모델 기반의 손상모델을 체택하여 구조내력을 산정하였다. 또한 전력구 구조물의 실구조 모델링을 위해 3차원 해석방법을 택하였으며 3차원 콘크리트 구성 모델로는 현재 3차원 모델 중 콘크리트의 다축압축, 인장균열을 효과적으로 모사하는 손상모델 기반의 미소면 모델(Microplane model)을 재료모델로 사용하여 비선형 유한요소해석 프로그램을 개발하여 수치해석에 적용하였다.
- 6에서 보이는 바와 같이 상부에는 단조 증가하중이 재하되며 측면의 토압 분포를 재현하기 위해 측면에 일정한 하중을 재하하였다. 또한 전력구 모형 실험체 해석모델은 Fig. 7과 같이 콘크리트는 8절점 솔리드요소를 이용하여 모델링하였고 철근의 경우 2절점 트러스요소를 사용하였다. 또한 구조물의 균열에 따른 철근과 콘크리트의 부착-슬립(bond-slip) 거동을 모사하기 위해 철근요소와 콘크리트 요소사이에 4절점 부착요소(bond element)를 모델링하였다.
- FEM 역해석에 사용된 유한요소 모델은 2020개의 절점과 1677개의 삼각형 평면응력요소로 구성하였으며, 실험체 중앙의 노치부는 균열진전 상태를 정확하게 평가하기 위해서 매우 작은 크기의 요소를 이용하여 모델링하였다. 본 연구에서 하중-CMOD 관계의 실험결과를 해석의 입력값으로 사용하는 것을 검토했으며, Fig. 4와 Fig. 5는 유한요소해석 역해석을 통해서 얻어진 인장연화곡선과 이를 SFRC의 인장모델로 사용하여 하중-CMOD 관계와 실험결과를 예측한 결과를 나타낸다. 장섬유 및 단섬유 SFRC에 대하여 모두 인장연화관계가 얻어진 범위까지 하중-CMOD관계를 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다.
- 구조내력의 평가는 운행중인 구조물에 대한 균열탐사를 통한 균열발생 패턴을 분석하고 이를 구조물의 해석결과와 비교하여 향후 균열을 고려한 잔존 구조 내하력의 평가에 기반을 두고 있다. 실제 구조물의 균열탐사로부터 측정되는 균열패턴과 균열폭, 균열길이는 구조물의 크기와 형태, 상재하중에 따라 매우 다양한 형태를 나타내므로 다양한 인자를 고려한 실험을 현행 전력구 구조물에 대한 구조건정성 평가시스템은 현재 운행중인 구조물의 건전성을 평가하여 그 결과를 바탕으로 구조물의 변형원인 추정과 대책공법의 선정을 실시하는 진단시스템과 과거의 조사 데이터, 구조제원, 개보수 이력 등의 각종 데이터를 관리하는 데이터시스템으로 구성된다. 구조물 변형에 의한 균열 발생시 구조상의 문제에 대한 구조건전성 평가 시스템은 강섬유보강콘크리트(양수터널 구조물)와 철근 콘크리트(전력구 구조물)를 대상으로 하고 있으며 구조내력을 추정함과 동시에 변형의 진행성, 하중증대의 가능성 등을 총체적으로 고려하여 구조건전성을 평가한다.
- 2와 같이 콘크리트는 8절점 솔리드요소를 이용하여 모델링하였다. 양수터널 모형 해석시 측면하중은 상부하중이 재하되기 전 일정한 사전하중으로 입력하여 해석을 수행하였으며, 변위제어를 통해 상부하중을 재하하였다.
- 이 논문에서는 대표적 수치해석에의 균열처리 방법으로 분산균열모델 기반의 손상모델을 체택하여 구조내력을 산정하였다. 또한 전력구 구조물의 실구조 모델링을 위해 3차원 해석방법을 택하였으며 3차원 콘크리트 구성 모델로는 현재 3차원 모델 중 콘크리트의 다축압축, 인장균열을 효과적으로 모사하는 손상모델 기반의 미소면 모델(Microplane model)을 재료모델로 사용하여 비선형 유한요소해석 프로그램을 개발하여 수치해석에 적용하였다.
- 이 연구에서 수행된 수치해석에서는 해석시간을 단축하기 위해 양수터널 구조물의 대칭성을 고려하여 Fig. 2와 같이 전체 구조물을 1/2 모델링하였고, 종방향 터널을 200mm로 분할하여 Z축 방향으로 200mm로 모델링하였다.
- 이 연구에서 수행된 수치해석에서는 해석시간을 단축하기 위해 전력구 구조물의 대칭성을 고려하여 Fig. 7과 같이 전체 구조물을 1/2 모델링하였고, 전력구 실험체의 종방향 철근간격이 200mm인 점을 고려하여 종방향 터널을 200mm로 분할하여 Z축 방향으로 200mm로 모델링하여, KAIST 콘크리트 연구실에서 개발한 콘크리트 전용해석프로그램 CONSA V1.1을 사용하여 비선형 해석을 수행하였다.
- 또한 구조물의 균열에 따른 철근과 콘크리트의 부착-슬립(bond-slip) 거동을 모사하기 위해 철근요소와 콘크리트 요소사이에 4절점 부착요소(bond element)를 모델링하였다. 전력구 모형 실험 모델은 측면하중은 상부하중이 재하되기 전 일정한 사전하중으로 입력하여 해석을 수행하였으며, 변위제어를 통해 상부하중을 재하 하였다. (한국전력공사, 2009)
- 하중-균열폭 관계를 입력값으로 사용한 역해석 결과와 하중-CMOD 관계를 사용한 역해석 결과는 서로 잘 일치하는 경향을 나타냈다. 최종적으로 이 논문에서는 섬유혼입률과 임계균열폭의 함수로서 SFRC의 인장연화모델을 제안하고 이를 해석에 적용하였다.
대상 데이터
- 이 논문에서는 원형 양수터널 구조물의 내하력 예측을 위해 양수터널에 사용되는 강섬유보강콘크리트(SFRC)로 제작된 콘크리트구조물 모형 실험체를 대상으로 비선형 유한요소해석을 수행하였다. (한국남동발전, 2010)대상구조물로는 상재하중과 토압을 고려한 균열거동을 파악하기 위해 Fig. 1과 같이 3방향 하중을 받는 양수터널 모형 실험체를 대상으로 하였다. 하중재하 위치는 상부에는 단조 증가하중이 재하되며 측면의 토압 분포를 재현하기 위해 측면에 일정한 하중을 재하하였다.
- (1995), Kitsutaka (1997)가 제안한 역해석 방법을 사용하였다. FEM 역해석에 사용된 유한요소 모델은 2020개의 절점과 1677개의 삼각형 평면응력요소로 구성하였으며, 실험체 중앙의 노치부는 균열진전 상태를 정확하게 평가하기 위해서 매우 작은 크기의 요소를 이용하여 모델링하였다. 본 연구에서 하중-CMOD 관계의 실험결과를 해석의 입력값으로 사용하는 것을 검토했으며, Fig.
- 박스형 전력구 구조물의 내하력 예측을 위해 대상구조물로는 상재하중과 토압을 고려한 균열거동을 파악하기 위해 Fig. 6과 같이 권용길 등(2008)에 의해 수행된 3방향 하중을 받는 전력구 모형 실험체를 대상으로 하였다. 하중재하 위치는 Fig.
- 하중재하 위치는 상부에는 단조 증가하중이 재하되며 측면의 토압 분포를 재현하기 위해 측면에 일정한 하중을 재하하였다. 해석에 사용된 재료특성은 Table 1과 같으며 양수터널 모형 실험체 해석모델은 Fig. 2와 같이 콘크리트는 8절점 솔리드요소를 이용하여 모델링하였다. 양수터널 모형 해석시 측면하중은 상부하중이 재하되기 전 일정한 사전하중으로 입력하여 해석을 수행하였으며, 변위제어를 통해 상부하중을 재하하였다.
데이터처리
- Fig. 17에 수치해석에서 얻은 수직하중-변위관계를 권용길 등(2008)에 의해 수행된 실험결과와 비교하였다. 실험으로부터 측정된 최대하중은 270kN이며, 해석으로부터 얻은 최대하중은 277kN으로 나타났으며, 수치해석으로부터 계산된 초기균열시점 및 전체 구조물의 손상도 발현에 따른 변위의 증가를 적절히 예측하고 있는 것을 알 수 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 SFRC의 인장연화곡선을 얻기 위해 Uchida et al.(1995), Kitsutaka (1997)가 제안한 역해석 방법을 사용하였다. FEM 역해석에 사용된 유한요소 모델은 2020개의 절점과 1677개의 삼각형 평면응력요소로 구성하였으며, 실험체 중앙의 노치부는 균열진전 상태를 정확하게 평가하기 위해서 매우 작은 크기의 요소를 이용하여 모델링하였다.
- SFRC의 인장연화곡선을 얻기 위해 Uchida et al.(1995)이 제안한 역해석법을 사용하였으며, 역해석으로 구한 인장연화곡선이 실험결과와 아주 잘 일치함을 보였다. 하중-균열폭 관계를 입력값으로 사용한 역해석 결과와 하중-CMOD 관계를 사용한 역해석 결과는 서로 잘 일치하는 경향을 나타냈다.
- 3차원 콘크리트 구성모델로는 현재 3차원 모델중 콘크리트의 다축압축, 인장균열을 효과적으로 모사하는 손상 균열모델 기반의 미소면 모델(Microplane model)을 재료모델로 사용하였으며, 철근의 경우는 Fig. 8과 같은 이선형 응력-변형률 관계를 사용하였다. 부착-슬립거동을 구현하기 위해 철근과 콘크리트 사이의 부착-슬립 관계는 식 (5) 및 Fig.
성능/효과
- SFRC는 강섬유의 혼입률에 관계없이 거의 일정한 값의 초기강성을 나타내었다. 또한 강섬유 혼입률이 증가할수록 SFRC의 휨강도는 향상된 반면, 실험값의 편차가 증가하고, 연화거동은 보다 취성적인 것으로 나타났다. SFRC의 인장연화곡선을 얻기 위해 Uchida et al.
- 그림에서 알 수 있듯이, 양수터널 슬래브 하단 중앙부에서 재료의 손상이 매우 크며 특히 인장철근이 지나지 않는 단면에서 최대 손상지수가 검출되는 것으로 나타났다. 또한 슬래브와 벽체의 접합부 상단과 벽체의 상단부에서 큰 손상지수값을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 손상지수의 분포로부터 구조물의 균열 및 파괴양샹을 알 수 있으며, 파괴실험으로부터 관측된 균열양상과 해석으로부터 예측된 균열양상이 매우 유사한 것으로 나타났다.
- 그림에서 알 수 있듯이, 양수터널 슬래브 하단 중앙부에서 재료의 손상이 매우 크며 특히 인장철근이 지나지 않는 단면에서 최대 손상지수가 검출되는 것으로 나타났다. 또한 슬래브와 벽체의 접합부 상단과 벽체의 상단부에서 큰 손상지수값을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 손상지수의 분포로부터 구조물의 균열 및 파괴양샹을 알 수 있으며, 파괴실험으로부터 관측된 균열양상과 해석으로부터 예측된 균열양상이 매우 유사한 것으로 나타났다.
- 301 MPa을 나타내었다. 섬유혼입률이 증가할수록 초기균열 발생 강도 및 휨인장강도가 대체로 증가하는 경향을 보였다. SFRC의 휨강도는 식 (1)로부터 구할 수 있다.
- 17에 수치해석에서 얻은 수직하중-변위관계를 권용길 등(2008)에 의해 수행된 실험결과와 비교하였다. 실험으로부터 측정된 최대하중은 270kN이며, 해석으로부터 얻은 최대하중은 277kN으로 나타났으며, 수치해석으로부터 계산된 초기균열시점 및 전체 구조물의 손상도 발현에 따른 변위의 증가를 적절히 예측하고 있는 것을 알 수 있다.
- 또한 슬래브와 벽체의 접합부 상단과 벽체의 상단부에서 큰 손상지수값을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 손상지수의 분포로부터 구조물의 균열 및 파괴양샹을 알 수 있으며, 파괴실험으로부터 관측된 균열양상과 해석으로부터 예측된 균열양상이 매우 유사한 것으로 나타났다.
- 전력구 실험체에 대한 수치해석결과 균열양상, 최대하중, 변위, 하중-변위 관계에 있어서 해석결과가 실험결과를 전반적으로 효과적으로 모사하고 있음을 확인하였으며, 향후 구조적 손상을 입은 전력구 구조물의 구조내력 산정을 위해 수치해석결과와 실험결과를 비교하여 해석 프로그램의 신뢰성을 확보하였다. 또한 실험으로부터 측정된 균열폭 데이터와 수치해석시의 손상지수와의 관계를 도출하여으며, 이와 같은 결과는 향후 균열탐사를 통한 구조물의 잔존 구조내력 산정에 적용할 수 있으리라 판단된다.
- 또한 슬래브와 벽체의 접합부 상단과 벽체의 상단부에서 큰 손상지수값을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 손상지수의 분포로부터 구조물의 균열 및 파괴양샹을 알 수 있으며, 파괴실험으로부터 관측된 균열양상과 해석으로부터 예측된 균열양상이 매우 유사한 것으로 나타났다.
- (1995)이 제안한 역해석법을 사용하였으며, 역해석으로 구한 인장연화곡선이 실험결과와 아주 잘 일치함을 보였다. 하중-균열폭 관계를 입력값으로 사용한 역해석 결과와 하중-CMOD 관계를 사용한 역해석 결과는 서로 잘 일치하는 경향을 나타냈다. 최종적으로 이 논문에서는 섬유혼입률과 임계균열폭의 함수로서 SFRC의 인장연화모델을 제안하고 이를 해석에 적용하였다.
후속연구
- 전력구 실험체에 대한 수치해석결과 균열양상, 최대하중, 변위, 하중-변위 관계에 있어서 해석결과가 실험결과를 전반적으로 효과적으로 모사하고 있음을 확인하였으며, 향후 구조적 손상을 입은 전력구 구조물의 구조내력 산정을 위해 수치해석결과와 실험결과를 비교하여 해석 프로그램의 신뢰성을 확보하였다. 또한 실험으로부터 측정된 균열폭 데이터와 수치해석시의 손상지수와의 관계를 도출하여으며, 이와 같은 결과는 향후 균열탐사를 통한 구조물의 잔존 구조내력 산정에 적용할 수 있으리라 판단된다.
- 전력구 구조물의 균열탐사를 통한 구조건전성 지수의 산출을 위해서는 구조물의 현재상태에서의 손상도를 기반으로 하여 최종적으로 구조물의 구조내력을 예측하는 것이 중요하다. 이 논문에서 수행된 비선형 수치해석은 실험결과의 최대하중과 변위, 균열양상을 효과적으로 모사하고 있으며, 이에 따라 향후 전력구 구조물의 구조내력 산정에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 수행된 수치해석은 최초에 구조물이 구조적으로 100% 건전한 상태를 가정하여 수행되었으므로, 이미 구조적으로 손상을 입은 구조물에 직접 적용하기에는 무리가 있다.
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