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콘크리트 재료의 동적 물성 변화를 모사하기 위한 유변학적(Rheological)모델 개발 및 평가
Rheological Models for Simulations of Concrete Under High-Speed Load 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.4, 2015년, pp.769 - 777  

황영광 (연세대학교 토목환경공학과) ,  임윤묵 (연세대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 속도 의존성을 나타내는 콘크리트의 인장거동을 모사하기 위하여 유변학적(rheological) 모델을 개발하였고 이를 평가하였다. 일반적으로 외부에서 가해지는 하중 속도가 증가할수록 콘크리트의 물성(강도, 탄성계수, 파괴에너지 등)은 그 크기가 증가한다. 콘크리트의 강도는 다른 물성에 비하여 큰 속도의존성을 나타내고, 압축 하중인 경우보다 인장 하중을 받는 경우 그 속도의존성이 크게 나타난다. 이러한 콘크리트의 속도 의존성을 모사하기 위하여, 기존 RBSN(Rigid-Body-Spring-Network) 모델의 거동을 나타내는 스프링 세트에 대쉬포트(Dashpot)와 같은 점성 요소와 Coulomb 마찰 요소를 조합하였다. 요소의 조합에 따라 세 가지 모델( 1)점탄성, 2)점소성, 3)점탄소성 손상(Damage 모델)을 고려하였고, 이에 대한 구성관계식을 유도하였다. 개발된 해석모델은 직접인장 실험의 응력-변형률 관계곡선과 비교 검증되었고, 이중 점탄소성 손상 모델은 실험결과를 잘 모사할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the rheological models were introduced and developed to reflect rate dependent tensile behaviour of concrete. In general, mechanical properties(e.g. strength, elasticity, and fracture energy) of concrete are increased under high loading rates. The strength of concrete shows high rate ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 향후 연구에서는, 개발된 점탄소성 손상 모델에 적용된 두 개의 변수를 적절히 조절하여 보다 다양한 콘크리트 재료의 속도의존성에 대한 실험 결과를 모사하고자 한다. 또한 실험을 통한 재료의 속도의존적인 파괴형상을 개발된 모델을 통하여 비교 검증해보고자 한다.
  • , 2011). 본 연구에서는 기존 개발된 점소성 손상 모델을 점탄성 요소와 결합하여, 콘크리트의 속도의존적인 두 가지 현상(Stefan effect, Inertia effect)을 효과적으로 모사할 수 있는 모델을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 동하중을 받는 콘크리트의 동적 물성 변화를 모사하기 위하여, 기존 RBSN 모델의 거동을 나타내는 스프링 세트에 속도의존적 거동을 모사할 수 있는 유변학적(Rheological)요소를 도입하였다. 개발된 모델은 점탄성 손상(VED), 점소성 손상(VPD), 점탄소성 손상(VEPD)의 세 가지 모델로서, 각 모델의 구성관계를 유도하고 이를 선행 실험결과와 비교 및 평가하였다.

가설 설정

  • 이때 가해지는 변위는 매 시간간격에서 일정량의 증분만큼 증가하여 일정한 변형률 속도를 나타내는데, 이를 통해 주어진 변형률 속도(1 / s, 10 / s)에 따른 응력 변형률의 실험결과를 모의할 수 있었다. 콘크리트의 인장연화거동은 Fig. 6와 같은 이중선형(bilinear) 연화 거동을 가정하였고, 요소의 강성 감소는 이러한 연화 곡선을 따라 발생한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
콘크리트의 동적 강도 상승비와 변형률 속도의 2구간 관계를 설명하시오 1은 실험 결과로 얻은 DIF 곡선(Malvar and Ross, 1998)이다. 그림에서 살펴볼 수 있듯이 콘크리트의 동적 강도 상승비가 변형률 속도에 따라 크게 두 구간으로 나타나며, 낮은 단계에서 중간 단계의 변형률 속도(약 101/s)까지는 완만히 증가하다가 이후 급격히 증가하는 양상을 나타낸다. 이러한 콘크리트 속도의존성의 정확한 메커니즘은 규명되지 않았지만, 이는 Stefan effect라 불리는 현상으로 설명될 수 있으며, 이 현상을 간략히 기술하면 다음과 같다(Rossi, 1991).
콘크리트는 어떤 특성을 가지고 있는가? 콘크리트는 속도의존성을 가진 재료로서, 외부에서 가해지는 하중 속도에 따라 콘크리트의 강도, 탄성계수, 파괴에너지 등의 물성은 다르게 나타나며, 하중 속도가 증가할수록 물성의 속도의존성은 더 크게 증가한다(Bischoff and Perry, 1991; Malvar and Ross, 1998). 이러한 재료 물성의 속도의존성은 DIF(Dynamic Intensity Factor)라 불리는 곡선으로 표현될 수 있는데, 이는 변형률 속도에 따른 재료의 동적 물성과 정적 물성의 비율을 도시한 곡선이다.
콘크리트가 빠른 하중속도에 대하여 더 큰 저항력을 갖게 되는 이유는? 이러한 콘크리트 속도의존성의 정확한 메커니즘은 규명되지 않았지만, 이는 Stefan effect라 불리는 현상으로 설명될 수 있으며, 이 현상을 간략히 기술하면 다음과 같다(Rossi, 1991). 얇은 판 사이에 점성유체가 존재하고 외부의 힘을 가해 두 판을 분리시킬 때, 외부 하중의 속도가 증가할수록 유체가 판을 잡아당기는 점성력은 크게 나타난다. 콘크리트 안에는 수많은 미세공극이 존재하며, 공극 속에는 점성을 가진 자유수(free water)가 존재한다. 때문에, 이러한 콘크리트에 가해지는 하중 속도에 따라서 콘크리트는 Stefan Effect와 같은 속도의존적인 저항을 나타내어 빠른 하중속도에 대하여 더 큰 저항력을 갖게 된다.
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