콘크리트 손상 소성모델을 이용한 FRP-콘크리트 합성보의 비선형 유한요소해석에서 여러 변수들의 영향 Influence of Various Parameter for Nonlinear Finite Element Analysis of FRP-Concrete Composite Beam Using Concrete Damaged Plasticity Model원문보기
본 연구는 기존의 철근 콘크리트 구조형식을 대신할 FRP-콘크리트 합성구조의 휨거동에 관한 것이다. 구조적 성능 및 거동 특성을 수치 해석적으로 규명하고자 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 비선형 유한요소해석을 실시하였으며, 이때 사용하게 되는 여러 변수들의 영향을 실험 결과와 비교, 분석하여 본 합성구조에 최적화된 변수 값을 제시하고자 하였다. 합성구조의 구조재료모델은 콘크리트 손상소성모델(concrete damage plasticity model)을 사용하였고 콘크리트 압축응력관계식은 유로규준(Euro code)를 이용하였다. 내연적 유한요소해석의 경우 기하학적, 재료적 비선형성이 큰 경우 수렴에 많은 문제가 있으므로 본 연구의 경우 외연적 유한요소해석법이 적절한 것으로 판단된다. 콘크리트 손상 소성 모델의 여러 변수들에 대해 실험값과 비교한 결과 본 연구의 경우, 요소 크기는 20mm, 팽창각은 $30^{\circ}$, 파괴에너지 값은 $100Nm/m^2$, 변수 Kc는 0.667, 손상계수는 고려하는 것이 적절한 것으로 판단된다. 제시된 수치모델의 경우 신소재 합성보의 극한하중 및 균열패턴을 실험과 비교적 유사하게 표현할 수 있으므로 앞으로 다양한 합성구조의 수치해석에 적용 가능하리라 판단된다.
본 연구는 기존의 철근 콘크리트 구조형식을 대신할 FRP-콘크리트 합성구조의 휨거동에 관한 것이다. 구조적 성능 및 거동 특성을 수치 해석적으로 규명하고자 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 비선형 유한요소해석을 실시하였으며, 이때 사용하게 되는 여러 변수들의 영향을 실험 결과와 비교, 분석하여 본 합성구조에 최적화된 변수 값을 제시하고자 하였다. 합성구조의 구조재료모델은 콘크리트 손상소성모델(concrete damage plasticity model)을 사용하였고 콘크리트 압축응력관계식은 유로규준(Euro code)를 이용하였다. 내연적 유한요소해석의 경우 기하학적, 재료적 비선형성이 큰 경우 수렴에 많은 문제가 있으므로 본 연구의 경우 외연적 유한요소해석법이 적절한 것으로 판단된다. 콘크리트 손상 소성 모델의 여러 변수들에 대해 실험값과 비교한 결과 본 연구의 경우, 요소 크기는 20mm, 팽창각은 $30^{\circ}$, 파괴에너지 값은 $100Nm/m^2$, 변수 Kc는 0.667, 손상계수는 고려하는 것이 적절한 것으로 판단된다. 제시된 수치모델의 경우 신소재 합성보의 극한하중 및 균열패턴을 실험과 비교적 유사하게 표현할 수 있으므로 앞으로 다양한 합성구조의 수치해석에 적용 가능하리라 판단된다.
This paper examines the flexure behavior of FRP-concrete composite structure that can replace conventional reinforced concrete structure types. In order to investigate the structural performance and behavioral characteristics in numerical analysis means, ABAQUS, a general purpose finite element anal...
This paper examines the flexure behavior of FRP-concrete composite structure that can replace conventional reinforced concrete structure types. In order to investigate the structural performance and behavioral characteristics in numerical analysis means, ABAQUS, a general purpose finite element analysis program, was utilized for nonlinear finite element analysis, and the various variables and their influences were analyzed and compared with experimental results to suggest values optimized to this composite structure. The concrete damage plasticity model and Euro code for concrete were used. In the implicit finite element analysis, the convergence was ambiguous when geometrical and material nonlinearity were large, so the explicit finite element analysis used in this study was deemed to be appropriate. From the comparison with the experiment about concrete damaged plasticity model, 20mm for the mesh size, $30^{\circ}$ for the dilation angle, $100Nmm/mm^2$ for the value of fracture energy, 0.667 for Kc value, and the consideration of damage parameter were suggested believed to be appropriate. The numerical model suggested in this study was able to imitate the ultimate load and cracking pattern very well; therefore, it is expected to be utilized in research of various new material composite structures.
This paper examines the flexure behavior of FRP-concrete composite structure that can replace conventional reinforced concrete structure types. In order to investigate the structural performance and behavioral characteristics in numerical analysis means, ABAQUS, a general purpose finite element analysis program, was utilized for nonlinear finite element analysis, and the various variables and their influences were analyzed and compared with experimental results to suggest values optimized to this composite structure. The concrete damage plasticity model and Euro code for concrete were used. In the implicit finite element analysis, the convergence was ambiguous when geometrical and material nonlinearity were large, so the explicit finite element analysis used in this study was deemed to be appropriate. From the comparison with the experiment about concrete damaged plasticity model, 20mm for the mesh size, $30^{\circ}$ for the dilation angle, $100Nmm/mm^2$ for the value of fracture energy, 0.667 for Kc value, and the consideration of damage parameter were suggested believed to be appropriate. The numerical model suggested in this study was able to imitate the ultimate load and cracking pattern very well; therefore, it is expected to be utilized in research of various new material composite structures.
본 연구에서는 FRP 판을 거푸집 및 인장보강재로 활용한 FRP-콘크리트 합성보의 휨파괴 거동을 해석적인 접근방법을 사용하여 그 거동 특성을 분석하고자 한다. 해석적 접근방법으로 현재 비선형 유한요소법을 주로 사용하고 있으며, 크게 두 가지 방법으로 분류할 수 있다.
제안 방법
본 연구는 기존 철근 콘크리트 구조형식을 대신할 FRP-콘크리트 합성구조의 휨거동에 관한 것으로, 구조적 성능 및 거동 특성을 해석적으로 규명하고자 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS[6]를 사용하여 비선형 유한요소해석을 실시하며, 이때 사용하게 되는 여러 변수들의 영향을 실험 결과와 비교, 분석하여 본 합성구조에 최적화된 변수들의 추천 값을 제시하고자 한다.
대상 데이터
1과 같다. 본 실험에서는 인장 보강재 및 영구거푸집으로 리브(rib)를 갖는 FRP 판을 사용하였고 그 외 추가적인 보강재는 사용하지 않았으며, 리브가 2개가 포함되게 180mm로 절단하여 합성보의 단위 폭으로 사용하였다. 시험체 콘크리트 평균 압축강도는 43MPa이며, FRP의 물성은 Table 2와 같다[7].
콘크리트의 재료모델은 ABAQUS에서 몇 가지 종류를 제공하고 있으나 그 중 일반적으로 많이 사용하는 콘크리트 손상 소성(concrete damaged plasticity) 모델을 사용한다. 이 모델은 Lublinear 등[8]이 처음 제시하였고, Lee 등[9]이 수정하였으며, ABAQUS에서 이를 개선시켜 도입한 것이다.
데이터처리
외연적 비선형해석법은 3차원 고체 및 구조 문제에 효과적으로 적용할 수 있으며, 일반적으로 내연적 비선형해석법에 비해 기하학적 비선형성이 매우 큰 경우와 재료의 연화 현상이 심한 경우에 해를 안정적으로 구할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서 내연적 유한요소해석은 ABAQUS/Std, 외연적 유한요소해석은 외연적 해석 코드인 ABAQUS/Explicit를 사용하여 3차원 비선형 유한요소 해석을 수행하였다. 기하학적 및 재료적 비선형을 고려하였으며, 재료 물성치는 재료실험을 통하여 얻어진 값을 해석에 반영하였다.
성능/효과
내연적 유한요소해석의 경우 기하학적, 재료적 비선형성이 큰 경우 수렴에 많은 문제가 있으므로 본 연구의 경우 외연적 유한요소해석법이 적절한 것으로 판단된다. 콘크리트 손상 소성 모델의 여러 변수들에 대해 실험값과 비교, 분석한 결과 본 연구의 경우 요소크기는 20mm, 팽창각(dilation angle)은 30o, 파괴에너지 값은 100Nm/m2, 변수 Kc는 0.667, 손상계수는 포함하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
내연적 유한요소해석의 경우 기하학적, 재료적 비선형성이 큰 경우 수렴에 많은 문제가 있으므로 본 연구의 경우 외연적 유한요소해석법이 적절한 것으로 판단된다. 콘크리트 손상 소성 모델의 여러 변수들에 대해 실험값과 비교, 분석한 결과 본 연구의 경우 요소크기는 20mm, 팽창각(dilation angle)은 30o, 파괴에너지 값은 100Nm/m2, 변수 Kc는 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
외연적 해석 방법의 특징은?
외연적 해석 방법은 강성행렬의 구성, 평형조건을 만족하기 위한 반복계산 과정 등이 필요 없기 때문에 현재 단계의 연산 정보만으로 다음 단계의 해를 항상 구할 수 있다. 외연적 비선형해석법은 3차원 고체 및 구조 문제에 효과적으로 적용할 수 있으며, 일반적으로 내연적 비선형해석법에 비해 기하학적 비선형성이 매우 큰 경우와 재료의 연화 현상이 심한 경우에 해를 안정적으로 구할 수 있는 장점이 있다.
콘크리트의 특징은?
콘크리트는 경제성 및 내구성 등이 우수하여 건설재료로 지금까지 반영구적인 구조물 건설에 널리 이용되고 있으나, 인장보강재로 철근의 사용 및 거푸집, 동바리 설치 등의 많은 문제점을 내포하고 있다. 이러한 점을 보완하고자 섬유보강폴리머(fiber reinforced polymer: FRP)를 인장보강재 및 거푸집으로 활용하고자 세계적으로 많은 연구자들에 의해 시도되고 있다[1-3].
비선형 유한요소법은 어떻게 분류할 수 있나?
해석적 접근방법으로 현재 비선형 유한요소법을 주로 사용하고 있으며, 크게 두 가지 방법으로 분류할 수 있다. 첫째로 내연적 유한요소법(implicit finite element method)은 매 계산 단계마다 반복계산을 통해 내력과 외력 사이의 힘 평형을 만족시키는 방법으로 많은 시간과 노력이 소요되고, 기하학적 형상이 복잡하거나 대 변형을 일으키는 경우 수렴성이 확보되지 않는 경우가 있다. 둘째로 작은 시간 간격을 가지고 각 단계에서 반복계산을 하지 않고 동적 평형방정식을 만족시키는 해를 구하는 외연적 유한요소법(explicit finite element method)은 강성행렬을 구성할 필요가 없고 현재 단계의 해만으로 다음 단계의 해를 구할 수 있어 항상 정량적인 해를 구할 수 있다[4,5].
참고문헌 (12)
L. C. Bank, Composites for Construction: Structural Design with FRP Materials, John Wiley & Sons, NJ, USA, 2006. DOI: https://doi.org/10.1002/9780470121429
L. C. Bank, M. G. Oliva, H. U. Bae, J. W. Barker, S. W. Yoo, "Pultruded FRP Plank as Formwork and Reinforcement for Concrete Members", Advances in Structural Engineering, vol. 10, no. 5, pp. 525-536, 2007. DOI: https://doi.org/10.1260/136943307782417681
L. C. Bank, M. G. Oliva, H. U. Bae, B. V. Bindrich, "Hybrid Concrete and Pultruded-Plank Slabs for Hightway and Pedestrian Bridges" Construction and Building Materials, vol. 24, pp. 552-558, 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.10.002
K. W. Kim, H. S. Jeong, H. G. Beom, "Transient Dynamic Analysis of a Patterned Tire Rolling over a Cleat with and Explicit Finite Element Program", Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 11, no. 6, pp. 164-170, 2003.
D. G. Ahn, D. W. Jung, D. Y. Yang, W. J. Jung, "Rigid-Plastic Explicit Finite Element Formulation for Two-Dimensional Analysis of Sheet Metal Forming Processes", Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 20, no. 1, pp. 88-99, 1996.
ABAQUS, User's manual 6.14, 2014.
C. H. Um, S. W. Yoo, "An Experimental Study for Flexural Failure Behavior of Composite Beam with Cast-in-place High Strength Concrete and GFRP Plank Using As a Permanent Formwork and Tensile Reinforcement", Joural of the Korean Society of Civil Engineers, vol. 35, no. 5, pp. 1015-1025, 2015. DOI: https://doi.org/10.12652/Ksce.2015.35.5.1015
J. Lubliner, J. Oliver, S. Oller, E. Onate, "A Plastic-Damage Model for Concrete", International Journal of Solids and Structures, vol. 25, no. 3, pp. 299-326, 1989. DOI: https://doi.org/10.1016/0020-7683(89)90050-4
J. Lee, G. L. Fenves, "Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures", Journal of Engineering Mechanics, vol. 124, no. 8, pp. 892-900, 1998. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(1998) 124:8(892)
P. Kmiecik and M. Kaminski, "Modelling of Reinforced Concrete Structures and Composite Structures with Concrete Strength Degradation Taken into Consideration", Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 11, no. 3, pp. 623-636, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/S1644-9665(12)60105-8
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