[논문]LS-DYNA를 이용한 철근 콘크리트 보의 파괴 거동 해석

박건; 홍기남; 한상훈; 권용길

LS-DYNA를 이용한 철근 콘크리트 보의 파괴 거동 해석
Failure Behavior Analysis of R.C Beams using LS-DYNA 원문보기

박건 (충북 대학교, 구조공학 연구실) , 홍기남 (충북 대학교, 토목공학과) , 한상훈 (충북 대학교, 토목공학과) , 권용길 (충북 대학교, 건설기술연구소)

본 연구는 철근 콘크리트 보의 파괴 거동을 예측하는데 있어 외연적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA의 적용성을 검증하는데 주안점을 두었다. 해석 대상 철근 콘크리트 부재의 변수는 인장 철근비, 전단 철근비, 그리고 전단 스팬비를 고려하였다. 해석 결과는 본 연구에서 고려한 모든 변수의 l파괴 거동을 적절하게 예측하는 것으로 나타나 LS-DYNA는 철근콘크리트 구조물의 파괴해석을 수행 하는데 매우 유용한 것으로 평가되었다.

This study focuses on the evaluation of efficiency of the explicit FEM program LS-DYNA to predict the failure behavior of reinforced concrete. Analysis variables of reinforced concrete beams were longitudinal bar ratio, shear steel ratio and span-depth ratio. Failure behavior of reinforced concrete beams was approximately simulated by LS-DYNA.

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문제 정의

그러나 내연적 유한요소법은 그 정확도가 요소 크기와 형태 및 재료 비선형성에 크게 의존하는 특징을 가지고 있기 때문에 내연적 유한요소법을 이용하여 비선형 문제 및 점진적 손상 모델링을 수행하기가 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 충격 및 폭파해석 분야로 국내외에서 많이 사용되는, 범용 유한요소 프로그램인 LS-DYNA을 이용하여 철근 콘크리트 보의 파괴해석을 실시하고, 해석 결과를 검토하여 철근 콘크리트 부재 파괴해석에 대한 LS-DYNA의 적용성을 검토하였다.

가설 설정

콘크리트는 8절점 솔리드 요소로 모델링 하였다. 요소 분할은 콘크리트와 철근이 절점을 공유할 수 있도록 하여 콘크리트와 철근이 완전부착인 것으로 가정하였다. 인장철근과 스터럽은 2절점 Hughes-Liu 보요소로, 지점조건과 재하점은 솔리드 요소로 만들어진 강체판으로 모델링하였다.

제안 방법

요소 분할은 콘크리트와 철근이 절점을 공유할 수 있도록 하여 콘크리트와 철근이 완전부착인 것으로 가정하였다. 인장철근과 스터럽은 2절점 Hughes-Liu 보요소로, 지점조건과 재하점은 솔리드 요소로 만들어진 강체판으로 모델링하였다. 재하조건은 일반적으로 소성 및 비선형 거동에 대한 제어방법으로 사용되는 변위제어를 이용하였다 즉, 변위는 보의 중앙점 상면에 설치된 재하판에 대한 변위 이력을 미리 정의하여 고려하였다.
86%로 설정하였다. 전단철근비를 변화시킨 시험체는 그림 5에 나타낸 것과 같이 전단철근비를 0.0%, 0.2%, 0.4%로 변화시켰다. 전단 스팬비를 변화시킨 시험체는 그림 6에 나타낸 것과 같이 a/d를 2.
해석모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 기존 문헌2)에 제시된 철근 콘크리트 보 실험체에 대한 재현해석을 실시하였다. 검증 시험체의 제원은 그림 1과 같으며, 콘크리트 압축강도 21.

대상 데이터

해석모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 기존 문헌2)에 제시된 철근 콘크리트 보 실험체에 대한 재현해석을 실시하였다. 검증 시험체의 제원은 그림 1과 같으며, 콘크리트 압축강도 21.2MPa, 철근은 항복강도 350MPa 이다.그림 2와 3에서 확인할 수 있는 것과 같이 파괴 형상이 문헌에 제시된 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
콘크리트는 8절점 솔리드 요소로 모델링 하였다. 요소 분할은 콘크리트와 철근이 절점을 공유할 수 있도록 하여 콘크리트와 철근이 완전부착인 것으로 가정하였다.

성능/효과

1) 외연적 유한요소 해석 프로그램 LS-DYNA를 이용하여 철근 콘크리트 보의 인장철근비, 전단철근비, 전단스팬비 영향을 매우 정확하게 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
2) 외연적 유한요소해석 프로그램 LS-DYNA를 이용하여 철근 콘크리트 보의 손상을 정확하게 예측할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
3) 이번 연구를 통하여 LS-DYNA를 이용한 해석이 토목 분야 적용시에도 타당한 결과를 도출할 수 있음을 확인 할 수 있었다.

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