[논문]ABAQUS를 이용한 강섬유보강 콘크리트 패널의 고속 충돌 거동 해석

손석권; 장석준; 윤현도; 김용환

doi:10.4334/jkci.2016.28.2.141

초록
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본 논문은 구형 비상체에 의한 충격하중을 받는 강섬유보강 콘크리트 패널의 거동에 대해 유한요소법을 사용하여 연구를 수행하였다. 강섬유보강 콘크리트의 재료 물성치와 비선형구간에 대한 응력-변형 관계는 압축시험과 휨시험을 통해 구하였다. 여러가지 변수 중, 강섬유 체적비와 패널의 두께에 따른 해석을 수행하였고 실험결과와 비교하였다. 강섬유를 혼입함으로써 콘크리트 패널의 방호성능이 향상됨을 확인하였다. 강섬유를 혼입하면 중량 및 면적손실률이 감소하는 효과가 있다. 또한, 유한요소법을 이용하여 파단모드에 대해 예상하였으며 그 결과는 실험과 유사한 경향을 보였다. 이 결과들은 방호 목적의 군용 건물과 기타 건축물의 고속 비상체에 대한 보호를 위한 설계에 대해 적용될 수 있음을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper employed finite element method (FEM) to study the dynamic response of Steel Fiber-Reinforced Concrete(SFRC) panels subjected to impact loading by spherical projectiles. The material properties and non-linear stress-strain curves of SFRC were obtained by compression test and flexural test....

This paper employed finite element method (FEM) to study the dynamic response of Steel Fiber-Reinforced Concrete(SFRC) panels subjected to impact loading by spherical projectiles. The material properties and non-linear stress-strain curves of SFRC were obtained by compression test and flexural test. Various parametric studies, such as the effect of fiber volume fraction and thickness of panels, are made and numerical analyses are compared with experiments conducted. It is shown that protective performance of concrete panels will be improved by adding steel fiber. Area loss rates and weight loss rates are decreased with increasing fiber volume fraction. Also, penetration modes can be expected by FEM, showing well agreement with experiment. Results can be applied for designing the protection of military structures and other facilities against high-velocity projectiles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

모델을 사용하여, ABAQUS/Explicit을 통한 SFRC 패널에 대한 충돌해석을 수행하고, 유효성을 검토하기 위해 실험결과와 비교하였다. 이를 통하여 콘크리트 패널의 충돌거동에 미치는 강섬유 체적비와 패널 두께의 영향을 검토하고, 해석적 묘사의 가능성을 평가하고자 한다.

가설 설정

해석에서 사용한 SFRC 패널의 전체 너비는 200×200 mm이고, 두께는 30 mm, 50 mm를 사용하였다. 기존의 연구와 동일하게 판을 구성하는 재료인 SFRC가 균일하다고 가정하였으며 강섬유의 형상은 고려되지 않았다. 충돌 거동에서 단면형상을 살펴보기 위해 비상체와 판에 대해 1/4 모델이 각각 적용하였다.

제안 방법

1) 본 연구에서는 압축시험으로 얻은 압축응력-변형률 곡선를 Ezeldin 모델에 적용하여 시험결과와 유사한 재료모델은 제안하였으며, 휨 인장 시험결과에 근거한 인장모델을 제안하였다.
이러한 콘크리트의 성능을 향상시키기 위해 섬유보강 콘크리트에 대한 연구가 진행 되었다. 그 중 강섬유를 이용한 강섬유보강 콘크리트 (SFRC)패널에 대한 충돌거동을 검토하기 위해 해석을 수행하였다. 강섬유보강 콘크리트의 거동을 표현하기 위해 Ezeldin이 제시한 재료모델을 이용하였으며, 물성치 시험을 통해 해당 식에 사용되는 재료상수를 구하였다.
강섬유보강 콘크리트의 거동을 표현하기 위해 Ezeldin이 제시한 재료모델을 이용하였으며, 물성치 시험을 통해 해당 식에 사용되는 재료상수를 구하였다. 그리고 유한요소해석을 수행하여 강섬유 체적비와 SFRC 패널 두께의 영향을 검토하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
유한요소해석에 적용할 콘크리트 및 SFRC의 재료모델을 위하여, 압축 및 휨 시험을 실시하였다. 설계기준 압축강도 30 MPa급 콘크리트 복합체를 계획하였으며, 강섬유의 체적비는 0, 0.
실험은 강섬유 체적비에 따라 각각 2회 실시하였다. 콘크리트 및 강섬유보강 콘크리트 패널의 내충격성능을 평가하기 위하여 중량손실률, 관입깊이, 전면 및 배면의 면적손실률을 평가하였다.

대상 데이터

Fig. 1(a)는 콘크리트 및 SFRC의 압축시험 결과를 나타낸 것으로, KS F 2405¹⁴⁾에 준하여 ∅100×200 mm의 원주형 공시체를 사용하여 시험을 실시하였다. 시험은 2,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하여 0.
사용된 콘크리트의 배합은 Table 1에 나타내었으며, SFRC 의 경우 콘크리트 배합 이후 강섬유를 추가적으로 혼입하였다. 강섬유는 Table 2에 나타낸 바와 같이 국내 K사의 인장강도 1,100MPa, 형상비 60의 양단 후크형 강섬유를 사용하였다.
판을 구성하는 요소는 8절점 육면체요소로, 요소의 크기는 1 mm이며 정육면체의 형태로 각꼭지점에서 해당하는 절점으로 구성되어 있다. 사용된 요소 수는 두께에 따라 각각 300,000개와 500,000개이다.
88 g의 구형 강체를 사용하였으며, 충격속도는 300 m/s범위에서 실험을 실시하였다. 패널 실험체는 챔버 (Chamber)내에 고정된 철물을 사용하여 4면 구속된 상태로 실험을 진행하였다. 실험은 강섬유 체적비에 따라 각각 2회 실시하였다.
비상체는 강체이고 지름은 20 mm 인 구 형상이며 초기 관통 속도는 300 m/s이다. 해석에서 사용한 SFRC 패널의 전체 너비는 200×200 mm이고, 두께는 30 mm, 50 mm를 사용하였다. 기존의 연구와 동일하게 판을 구성하는 재료인 SFRC가 균일하다고 가정하였으며 강섬유의 형상은 고려되지 않았다.

데이터처리

따라서, 본 연구에서는 여러 재료모델 중 Ezeldin¹³⁾모델을 사용하여, ABAQUS/Explicit을 통한 SFRC 패널에 대한 충돌해석을 수행하고, 유효성을 검토하기 위해 실험결과와 비교하였다. 이를 통하여 콘크리트 패널의 충돌거동에 미치는 강섬유 체적비와 패널 두께의 영향을 검토하고, 해석적 묘사의 가능성을 평가하고자 한다.
해석 수행 후, 중심점과 파단이 발생한 부분에 대해 파단 반경을 측정하였다. 실험의 경우 충돌 후 SFRC 판에 생성되는 면적이 불규칙적이므로 이를 CAD프로그램을 사용하여 평균파단반경으로 환산하였다. 또한, 고속 비상체에 의해 받는 하중이 SFRC의 최대압축응력보다 큰 요소들은 파편으로 취급하여 삭제하였다.

이론/모형

그 중 강섬유를 이용한 강섬유보강 콘크리트 (SFRC)패널에 대한 충돌거동을 검토하기 위해 해석을 수행하였다. 강섬유보강 콘크리트의 거동을 표현하기 위해 Ezeldin이 제시한 재료모델을 이용하였으며, 물성치 시험을 통해 해당 식에 사용되는 재료상수를 구하였다. 그리고 유한요소해석을 수행하여 강섬유 체적비와 SFRC 패널 두께의 영향을 검토하였다.
최대 하중이 걸린 이후로 강섬유 체적비에 따라 다소 차이는 발생하였지만 경향은 유사하였다. 그러나 Ezeldin은 압축거동에 대한 재료식만 제시하였으므로, 인장거동에 대해서는 콘크리트 및 SFRC 에서의 유사변형연화와 유사변형경화 특성에 따라 Montaignac¹⁶⁾이 제시한 모델을 적용하였고, Fig. 4와 같은 그래프를 사용하였다.
충돌해석은 상용 프로그램인 ABAQUS/Explicit을 사용하여 해석을 수행하였다. 비상체는 강체이고 지름은 20 mm 인 구 형상이며 초기 관통 속도는 300 m/s이다.
01 mm/s의 속도로 변위제어 방식으로 실시하였다. 휨 성능 평가를 위하여 KS F 2408¹⁵⁾에 준하여 100×100×400 mm의 각주형 공시 체를 제작하였으며, 200 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 4점 가력방식으로 실험을 실시하였다. Fig.

성능/효과

2) 일반콘크리트 대비 강섬유를 혼입한 SFRC의 경우 파단영역을 감소시키는 효과가 있어 방호 성능에 유리할 것으로 판단된다.
3) 강섬유 체적비가 증가할수록 충돌 후의 SFRC판에 생성되는 면적손실률과 중량손실률이 감소되는 경향이 있으며 해석결과는 실험결과는 유사한 경향을 나타나었다. 관입깊이와 파괴양상은 강섬유 체적비 보다 두께의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
4) 체적비 1.5% 및 2.0%의 SFRC 패널의 면적손실률, 중량손실률, 관입깊이 등을 평가한 결과 체적비 1.5% 대비 2.0%의 내충격성능 향상은 미소한 것으로 판단된다. 따라서 내충격성능 향상을 위한 효율적인 체적비는 1.
해석결과는 실험과 마찬가지로 강섬유 체적비가 증가할수록 중량 손실률이 감소하는 것을 알 수 있었다. 강섬유의 혼입함으로써 일반콘크리트에 비해 면적과 중량손실에 현저히 적어지며, 강섬유의 체적비의 영향은 비교적 크지 않은 것으로 나타났다. 패널 두께 30 mm의 실험체의 경우 Fig.
해석결과와 실험결과에서 정면과 배면 모두 강섬유 체적비가 증가할수록 면적 손실률이 감소하는 경향을 나타내었다. 두께가 증가하였을 경우 해석결과와 실험결과의 차이는 발생하였으나, 감소하는 경향은 동일하게 나타났다.

후속연구

5) 두께 50 mm 패널에 1.5% 이상의 섬유가 혼입될 경우 동일한 파괴양상 묘사를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 아울러 DIF 등 급격한 변형에 의한 변화의 해석적 묘사를 위한 추가 실험및 해석기법의 제안이 필요할 것으로 판단된다.
이는 실제 실험에서는 관통이 발생하지 않는 반면, 해석결과에서는 실험체의 관통이 발생하기 때문으로 판단된다. 따라서 추후 동일한 파괴양상을 묘사할 수 있는 추가적인 해석기법의 연구가 요구된다.
5% 이상의 섬유가 혼입될 경우 동일한 파괴양상 묘사를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 아울러 DIF 등 급격한 변형에 의한 변화의 해석적 묘사를 위한 추가 실험및 해석기법의 제안이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 파단의 발생 이유?	콘크리트는 다목적 건설재료로 충격과 폭발하중을 저항하기 위해 오랜 시간동안 광범위하게 사용하였다. 충돌과 같이 재료에 고변형율이 발생되는 경우, 구조물에 가해지는 동에너지를 충분히 흡수하지 못하여 파단이 크게 발생된다. 이러한 취성적 성질을 감소시키기 위해 섬유보강재를 혼합한 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행 되었다.
	충격 해석에서 사용되는 콘크리트에 대한 재료모델은 대표적으로 무엇이 있는가	시멘트계 재료는 고유한 취성으로 압축하중과 인장하 중에서의 변형률 거동이 다르게 나타나므로 그 특성을 반영한 여러가지 모델9,10) 들이 제안되었다. 충격 해석에서 사용되는 콘크리트에 대한 재료모델은 대표적으로 Riedel-Thoma-Hiermaier (RHT), Holmquist-Johnson-Cook (HJC), Taylor-Chen-Kuszmaul (TCK) 등이 있으나 이러한 재료모델들은 손상 축적과 변형률 경화, 변형률 속도 등이 필요하며, 다항식으로 근사하기 위한 물리적인 의미가 없는 변수를 포함하고 있다. 또한 Ross et al.
	콘크리트 파단을 줄이기 위해 진행중인 연구는?	충돌과 같이 재료에 고변형율이 발생되는 경우, 구조물에 가해지는 동에너지를 충분히 흡수하지 못하여 파단이 크게 발생된다. 이러한 취성적 성질을 감소시키기 위해 섬유보강재를 혼합한 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행 되었다.1)요구되는 성능에 따라 개발된 여러 섬유보강재가 존재하지만, 경제적이고 재료 수급이 쉬운 강섬유가 혼입된 강섬유보강 콘크리트(steel fiber reinforced concrete, SFRC)를 대상으로 연구하였다.

참고문헌 (17)

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Kim, S. H., Hong, S. G., Yun, H. D., Kim, G. Y., and Kang, H. K., "High-velocity impact experiment on impact resistance of steel fiber-reinforced concrete panels with wire mesh", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.27, No.2. 2015, pp.103-113.

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Murthy, A. R. C., Palani, G. S., and Iver, N. R., "Impact analysis of concrete structural components", Defence Science Journal, Vol.60, No.3, 2010, pp.307-319.

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