[논문]철근 모사 방법에 따른 콘크리트 관통성능 변화에 관한 수치적 연구

백승주

doi:10.9709/jkss.2016.25.3.097

[국내논문] 철근 모사 방법에 따른 콘크리트 관통성능 변화에 관한 수치적 연구
Numerical Study on Variation of Penetration Performance into Concrete with Reinforcement Modeling Methods 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.25 no.3, 2016년, pp.97 - 105

백승주 (Agency for Defense Development)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 철근 모사 방법에 따른 관통자의 콘크리트 관통성능 변화를 수치적으로 분석하였다. 관통해석은 상용 전산해석 프로그램인 AUTODYN-3D을 사용하여 수행하였고, Hanchak의 시험 데이터를 사용하여 해석 방법의 신뢰성을 입증하였으며, 철근의 강도와 지름 및 관통자의 충돌위치, 속도를 변수로 사용하여 충돌 해석을 수행하였다. 철근 모사가 관통성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해, 관통자의 잔류 속도를 계산하여 침투/관통성능을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses the effect of numerical reinforcement modeling methods on the penetration performance of a penetrator into a concrete target. AUTODYN-3D has been used to conduct the numerical penetration analyses. In order to validate the computational approach, experimental data of Hanchak have been compared to a computation result and a reasonably good agreement could be obtained. The strength and the diameter of a reinforcement have been changed to find out the effect of reinforcement modeling methods on the penetration performance. The impact locations and velocities of a penetrator are also changed to investigate the effect of reinforcement modeling methods. Residual velocities of a penetrator are quantitatively compared in detail for the evaluation of reinforcement modeling effects on the penetration performance.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 유한 요소 해석 프로그램인 AUTODYN-3D을 이용하여 관통해석을 수행하고 철근 모사 방법의 변화가 침투/관통성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이러한 해석결과는 고비용의 침투/관통시험 설계에 사용되는 설계비용의 감소 및 충돌 시나리오에 따른 적합한 표적 모사 방법을 선정하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
저속에서 잔류속도가 높게 계산된 가장 큰 이유는 개방 경계조건(Transmit Boundary Condition)을 설정하였기 때문으로 판단된다. 개방경계조건을 설정하면 침투 변형 값이 최종 계산결과에 미치는 영향이 미미하기 때문에, 본 전산해석방법이 철근 모사 방법이 충돌해석에 미치는 영향을 살펴보는데 신뢰성이 있다고 판단된다.

가설 설정

12와 달리 모사 방법에 관계없이 철근 직경이 증가할수록 잔류속도가 감소하는 결과를 볼 수 있다. 체적 강화 요소로 철근을 모사할 경우 콘크리트와 철근의 절점을 물리적으로 일치시킬 필요가 없어 모델링이 간편하지만, 관통자와 철근 사이에 직접적인 접촉이 없다고 가정한다. 그러므로 콘크리트 표적의 변형이 더 빠르게 발생하여(충돌 속도가 더 높아질 경우) 침투변형을 초과하는 콘크리트 요소(요소 탈락)가 많아지면, 관통자와 철근 사이에는 접촉 조건이 부과되어 있지 않으므로 충돌속도에 따른 잔류속도가 모사 방법 1에 비해 상대적으로 높아지는 것으로 판단된다.

제안 방법

본 계산에 앞서 Hanchak et al(1992)의 실험 결과를 이용하여 침투/관통해석의 신뢰성을 검토하고, 본 연구에 사용되어질 모델의 적합성을 검증하였다. 참고문헌의 실험에서 관통자의 외형 치수는 직경 25.
이때 콘크리트 표적은 56 ☓ 64 ☓ 64(x ☓ y ☓ z)로 나누어 격자의 한 변이 0.3175 cm가 되도록 하였으며, 콘크리트 내부의 철근은 y축과 z축을 따라 각각 62개의 빔요소로 나누어 모사된 콘크리트 표적과 철근의 절점이 일치할 수 있도록 하였다. 철근은 체적 요소 강화 (Volume Element Reinforcement)로 취급하고 콘크리트 표적의 절점과 연결하여 전체 모델링을 완성하였다.
앞서 수행하였던 전산해석결과를 통해 검증된 해석모델을 이용하여, 철근 모사 방법에 따라 침투/관통성능이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 다음과 같은 3가지의 철근 모사 방법을 고려하였다. 첫째는 철근을 체적 요소 강화로 취급하지 않고 콘크리트의 절점과 공유시켰을 경우이고, 둘째는 철근을 체적 요소 강화로 취급하고 콘크리트의 절점과 결합시켰을 경우이며, 마지막으로 철근을 체적 요소 강화로 취급한 경우를 고려하였다.
앞서 수행하였던 전산해석결과를 통해 검증된 해석모델을 이용하여, 철근 모사 방법에 따라 침투/관통성능이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 다음과 같은 3가지의 철근 모사 방법을 고려하였다. 첫째는 철근을 체적 요소 강화로 취급하지 않고 콘크리트의 절점과 공유시켰을 경우이고, 둘째는 철근을 체적 요소 강화로 취급하고 콘크리트의 절점과 결합시켰을 경우이며, 마지막으로 철근을 체적 요소 강화로 취급한 경우를 고려하였다. 철근 모사 방법의 구분은 Table 5에 정리하였다.
각각의 방법에 대하여 관통 후 잔류속도를 분석하고, 충돌 위치, 충돌 속도, 철근의 강도, 철근의 굵기를 변수로 채택하여 관통 후 잔류속도를 비교함으로써 철근 모사 방법이 관통특성에 미치는 영향을 분석하였다. 철근의 두께와 강도는 KS D 3504에 제시되어 있는 철근의 호칭에 따른 공칭 지름과 항복강도를 기준으로 사용하였으며, 각 변수의 정의 및 형태는 Table 6에 정리하였다
첫째로, 해석 결과의 신뢰도 확보를 위해 시험결과와 해석결과의 잔류속도를 비교하여 해석의 신뢰도를 확보하였다.

대상 데이터

본 계산에 앞서 Hanchak et al(1992)의 실험 결과를 이용하여 침투/관통해석의 신뢰성을 검토하고, 본 연구에 사용되어질 모델의 적합성을 검증하였다. 참고문헌의 실험에서 관통자의 외형 치수는 직경 25.4 mm, 전체길이 143.7 mm, 전방 아치부(Ogive-nose)의 길이 42.1 mm 이며, 중량은 0.5 kg 이다. 관통자의 재질은 T-250 마레이징 강(Maraging Steel)이고, Fig.
5 kg 이다. 관통자의 재질은 T-250 마레이징 강(Maraging Steel)이고, Fig. 1에 외형을 도시하였다.
실험에 사용된 철근강화 콘크리트 표적은 610 x 610 x 178 mm(가로 x 세로 x 두께)의 직사각형이며, 5.69 mm 직경의 철근이 76.2 mm 간격으로 균등하게 배열되어 있고, 배열의 세부내역을 Fig 2에 나타내었다.
)을 정리하였다. Table 1에 정리된 결과는 시험결과 중에서 압축강도가 48 MPa인 콘크리트 표적을 대상으로 시험한 결과로서, 침투시험 해석 방법의 신뢰성을 평가하기 위한 자료로서 활용되었다.
철근은 체적 요소 강화 (Volume Element Reinforcement)로 취급하고 콘크리트 표적의 절점과 연결하여 전체 모델링을 완성하였다. 전체 모델링된 요소의 수는 콘크리트 표적 229376개, 탄체 1080개, 철근 1116개로 구성되어 있고, 해석모델의 형상 및 경계조건을 Fig. 6에 도시하였다. 철근의 모사 방법이 관통성능에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적이기 때문에 콘크리트 모델의 침투 변형(Erosion Strain)값은 3.

데이터처리

본 연구에서 철근 모사 방법이 관통자의 철근강화콘크리트 침투/관통성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 범용 유한요소 해석 프로그램 AUTODYN -3D을 사용하여 전산해석을 수행하였다. 관통거동을 전산해석으로 구현하여 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

(1999;2009)에 의해 제안된 RHT 콘크리트 재료모델을 사용하여 해석을 진행하였으며, 재료의 상태방정식은 아래의 식(1)에 공극률 α를 도입한 p-α 상태방정식을 사용하였다.
철근과 관통자는 고속변형을 표현하기 좋은 Johnson Cook 강도모델을 사용하였으며, Table 4에 관통자 및 철근의 물성 값을 정리하여 나타내었다.
각각의 방법에 대하여 관통 후 잔류속도를 분석하고, 충돌 위치, 충돌 속도, 철근의 강도, 철근의 굵기를 변수로 채택하여 관통 후 잔류속도를 비교함으로써 철근 모사 방법이 관통특성에 미치는 영향을 분석하였다. 철근의 두께와 강도는 KS D 3504에 제시되어 있는 철근의 호칭에 따른 공칭 지름과 항복강도를 기준으로 사용하였으며, 각 변수의 정의 및 형태는 Table 6에 정리하였다

성능/효과

해석결과 얻어진 잔류속도는 실험결과와 비교했을 때 충돌속도 381m/s 에서 약 50%의 차이를 보이나, 충돌속도 606 m/s 이상부터는 실험결과의 차이가 8% 이하이다. 저속에서 잔류속도가 높게 계산된 가장 큰 이유는 개방 경계조건(Transmit Boundary Condition)을 설정하였기 때문으로 판단된다.
11은 충돌 위치가 철근과 철근의 교차점일 때, 철근(철근의 직경 D6)의 항복강도(σ_y)를 증가시키면서 철근 모사 방법에 따른 잔류속도(V_r)의 감소를 충돌속도 434 m/s와 749 m/s에 대하여 나타낸 그림이다. 모사 방법 1과 3에서 공통적으로 항복강도가 증가할수록 관통속도가 감소한다는 해석결과를 얻을 수 있었으나, 모사 방법 2의 경우에는 철근 강도에 따른 잔류속도의 변화가 거의 없다는 경향이 나타났다. 모사 방법 2의 경우 빔 요소를 철근 체적 요소로 취급하고 빔 요소의 절점을 콘크리트 표적의 절점과 공유시켰다.
Fig. 12에서, 관통자의 잔류속도 감소는 모사 방법 1의 경우 철근의 직경 4.23, 6.35, 5.69, 9.53, 15.9mm에 대하여 잔류속도가 각각 303.38, 285.86, 270.15, 163.19 m/s 이며, 충돌속도에 대비 속도감소량이 30.1, 34.1, 37.8, 62.4 %로 직경이 커질수록 속도가 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다. 반면에, 모사 방법 2, 3의 경우는 철근의 직경 9.
셋째로, 충돌위치가 철근과 철근의 교차점일 때, 충돌 속도가 증가할수록 철근 모사 방법에 따른 잔류속도의 차이가 증가하며, 잔류속도의 감소는 모사 방법 1(M.M.1) > 모사 방법 2(M.M.2) > 모사 방법 3(M.M.3)의 순서로 나타났다.
둘째로, 관통자의 표적 충돌위치에 따른 관통 후 잔류 속도를 비교하였으며, 철근과 철근 사이를 관통하는 경우 철근 모사 방법에 관계없이 철근 잔류속도가 초기 충돌 속도에 따라 일정하게 수렴되는 것으로 계산되었다. 관통자가 철근과 철근 사이의 빈 공간을 수직으로 타격하는 경우, 철근강화효과를 발휘하지 못하는 것으로 판단된다.
넷째로, 기존 해석 모델의 철근을 더 강한 항복강도를 가지는 재질로 대체한 모델의 경우 철근을 체적 강화 요소로 모사하고, 절점을 콘크리트 표적과 공유하면(모사방법 2) 강도가 강해져도, 잔류속도 감소에 미치는 영향은 미미하다는 계산결과를 얻었다.
다섯째로, 관통자가 철근과 철근의 교차점을 관통하는 경우, 철근의 직경이 4.23 mm에서 15.9 mm까지 증가할수록 동일 충돌속도에서 관통자의 잔류속도가 감소한다. 또한 철근을 체적 강화 요소로 모사한 경우, 관통자와 철근 사이에는 접촉 조건이 부과되지 않기 때문에 철근 모사 방법 1에 비해 잔류속도 감소가 크지 않다는 해석결과를 얻었다.
결론적으로, 철근 모사 방법 2의 경우, 모사 방법 1과 3에 비해 관통자의 속도 및 충돌위치와 철근의 직경 및 강도 변화에 따른 잔류속도의 변화가 적은 것으로 나타났다. 이로부터 모사 방법 2는 변수들의 변화에 대한 영향을 제대로 반영하지 못하는 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서는 유한 요소 해석 프로그램인 AUTODYN-3D을 이용하여 관통해석을 수행하고 철근 모사 방법의 변화가 침투/관통성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이러한 해석결과는 고비용의 침투/관통시험 설계에 사용되는 설계비용의 감소 및 충돌 시나리오에 따른 적합한 표적 모사 방법을 선정하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄성완전소성 모델은 어디에 주로 사용되는가?	콘크리트의 거동 분석에는 탄성-완전소성 모델(elastic-perfectly plastic), Drucker-Prager 모델, RHT 콘크리트 모델 등 다양한 재료모델을 사용할 수 있다. 탄성완전소성 모델은 항복응력이 일정한 재료모델로서 정적하중을 받는 콘크리트의 모사에 주로 사용되고, DruckerPrager 모델은 항복응력을 압력의 함수로 표현하는 재료 모델로서 흙의 소성변형을 모사하는데 주로 사용하지만 콘크리트나 암반 등의 압력 종속 항복모델에도 널리 사용된다. 마지막으로 RHT 콘크리트 모델은 압력, 변형률, 손상에 따른 영향이 조합된 모델로서, 콘크리트, 암석, 세라믹과 같은 취성 재료에 사용되는 소성 모델이며, 특히 동적하중을 받는 콘크리트의 거동 모사에 유용하다.
	철근 모사 방법에 따라 침투/관통성능이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 고려한 3가지 방법은?	앞서 수행하였던 전산해석결과를 통해 검증된 해석모델을 이용하여, 철근 모사 방법에 따라 침투/관통성능이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 다음과 같은 3가지의 철근 모사 방법을 고려하였다. 첫째는 철근을 체적 요소 강화로 취급하지 않고 콘크리트의 절점과 공유시켰을 경우이고, 둘째는 철근을 체적 요소 강화로 취급하고 콘크리트의 절점과 결합시켰을 경우이며, 마지막으로 철근을 체적 요소 강화로 취급한 경우를 고려하였다. 철근 모사 방법의 구분은 Table 5에 정리하였다.
	RHT 콘크리트 모델은 어디에 유용한가?	탄성완전소성 모델은 항복응력이 일정한 재료모델로서 정적하중을 받는 콘크리트의 모사에 주로 사용되고, DruckerPrager 모델은 항복응력을 압력의 함수로 표현하는 재료 모델로서 흙의 소성변형을 모사하는데 주로 사용하지만 콘크리트나 암반 등의 압력 종속 항복모델에도 널리 사용된다. 마지막으로 RHT 콘크리트 모델은 압력, 변형률, 손상에 따른 영향이 조합된 모델로서, 콘크리트, 암석, 세라믹과 같은 취성 재료에 사용되는 소성 모델이며, 특히 동적하중을 받는 콘크리트의 거동 모사에 유용하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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