본 연구에서는 기 개발된 비탄성 시간종속요소(이도형과 전정문, 2006)와 단순화된 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 재료모델을 개발하여 CFRP로 보수된 철근콘크리트 교량 교각에 대한 보수효과가 교량의 응답거동에 미치는 영향을 검토하였다. 정적시간이력해석의 경우, CFRP로 보수된 교각에 대한 해석결과는 실험결과와 비교적 좋은 상관관계를 나타내었다. 또한, 동적시간이력해석의 경우, 전단을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우를 비교하여 보수효과에 대한 전단의 영향을 검토하였다. 비교해석결과, 보수의 효과는 부재에 대한 특성증진효과와 함께 구조물 전체의 응답거동에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 알 수 있었고, 전단을 포함한 경우와 전단을 포함하지 않은 경우 강도와 강성, 변위응답에서의 차이를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발된 해석모델 및 기법은 손상된 부재 및 구조물의 보수 후에 요구되어지는 강도, 강성 및 연성능력에 관한 평가를 가능하게 해줄 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 기 개발된 비탄성 시간종속요소(이도형과 전정문, 2006)와 단순화된 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 재료모델을 개발하여 CFRP로 보수된 철근콘크리트 교량 교각에 대한 보수효과가 교량의 응답거동에 미치는 영향을 검토하였다. 정적시간이력해석의 경우, CFRP로 보수된 교각에 대한 해석결과는 실험결과와 비교적 좋은 상관관계를 나타내었다. 또한, 동적시간이력해석의 경우, 전단을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우를 비교하여 보수효과에 대한 전단의 영향을 검토하였다. 비교해석결과, 보수의 효과는 부재에 대한 특성증진효과와 함께 구조물 전체의 응답거동에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 알 수 있었고, 전단을 포함한 경우와 전단을 포함하지 않은 경우 강도와 강성, 변위응답에서의 차이를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발된 해석모델 및 기법은 손상된 부재 및 구조물의 보수 후에 요구되어지는 강도, 강성 및 연성능력에 관한 평가를 가능하게 해줄 수 있을 것으로 사료된다.
Performance evaluation of RC bridge piers repaired by CFRP has been investigated. For this purpose, simplified CFRP stress-strain relationship has been proposed and use is made of inelastic time-dependent element developed by authors. Static time-history analysis has been carried out for a RC bridge...
Performance evaluation of RC bridge piers repaired by CFRP has been investigated. For this purpose, simplified CFRP stress-strain relationship has been proposed and use is made of inelastic time-dependent element developed by authors. Static time-history analysis has been carried out for a RC bridge pier repaired with CFRP. Analytical predictions shows a relatively good correlation with experimental results. In addition, in case of dynamic time-history analysis, effect of the CFRP repair intervention on shear has been evaluated. Comparative analysis reveals that a repaired member produces increased characteristics due to the repair intervention and may affect the overall response of a whole structure. Moreover, effect of shear significantly affect strength, stiffness and displacement response of the pier. In all, It is believed that the present analytical model and scheme enable a healthy evaluation of strength, stiffness and displacement capacities of a RC bridge pier being damaged and repaired.
Performance evaluation of RC bridge piers repaired by CFRP has been investigated. For this purpose, simplified CFRP stress-strain relationship has been proposed and use is made of inelastic time-dependent element developed by authors. Static time-history analysis has been carried out for a RC bridge pier repaired with CFRP. Analytical predictions shows a relatively good correlation with experimental results. In addition, in case of dynamic time-history analysis, effect of the CFRP repair intervention on shear has been evaluated. Comparative analysis reveals that a repaired member produces increased characteristics due to the repair intervention and may affect the overall response of a whole structure. Moreover, effect of shear significantly affect strength, stiffness and displacement response of the pier. In all, It is believed that the present analytical model and scheme enable a healthy evaluation of strength, stiffness and displacement capacities of a RC bridge pier being damaged and repaired.
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문제 정의
또한, 해석적인 연구에서도 휨 거동만을 고려한 응답에 기초하고 있어 보수된 부재의 전단응답에 관한 효과 또한 검토되어야 할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 최근에 기 개발된 비탄성 시간 종속요소(이도형과 전정문, 2006)와 CFRP 재료모델을 개발하여 철근콘크리트교량의 보수 전 및 후의 내진응답거동 대해 검토하였다.
제안 방법
CFRP 재료모델은 주로 인장영역에서만 거동하는 것으로 가정하여 초기강성, 인장강도, 인장강도에 도달한 후 감소강성, 그리고 잔류강도를 고려하여 tri-linear 곡선으로 단조증가상태의 응력-변형률 관계식을 구성하였다. 주기하중 하에서의 거동은 인장강도에 도달한 후, 초기강성과 같은 강성으로 loading과 unloading이 반복되도록 구성하였다.
보수된 철근콘크리트교량의 지진응답거동을 검토하기 위해서, 지진하중을 한번 경험한 교량 교각에 예측되어 지는 소성힌지 구간을 CFRP를 이용하여 가상적으로 보수한 교량에 대해 연속적인 지진하중을 작용시켜 비탄성 시간이력해석을 수행하였다. 교각에서 가상적으로 보수한 구간은 기 개발된 시간종속요소로 모델링하여 두 번째 지진하중부터 활성화되도록 하였다. 해석모델은 전단 비 고려 시 보수를 하지 않은 경우(bare_without shear)와 보수를 한 경우(repair_without shear), 전단 고려 시 보수를 하지 않은 경우(bare_without shear)와 보수를 한 경우(repair_without shear)의 4 경우로 구분하였다.
보수된 철근콘크리트교량의 지진응답거동을 검토하기 위해서, 지진하중을 한번 경험한 교량 교각에 예측되어 지는 소성힌지 구간을 CFRP를 이용하여 가상적으로 보수한 교량에 대해 연속적인 지진하중을 작용시켜 비탄성 시간이력해석을 수행하였다. 교각에서 가상적으로 보수한 구간은 기 개발된 시간종속요소로 모델링하여 두 번째 지진하중부터 활성화되도록 하였다.
CFRP 재료모델은 주로 인장영역에서만 거동하는 것으로 가정하여 초기강성, 인장강도, 인장강도에 도달한 후 감소강성, 그리고 잔류강도를 고려하여 tri-linear 곡선으로 단조증가상태의 응력-변형률 관계식을 구성하였다. 주기하중 하에서의 거동은 인장강도에 도달한 후, 초기강성과 같은 강성으로 loading과 unloading이 반복되도록 구성하였다. 본 연구에서 개발된 CFRP의 응력-변형률 관계식은 그림 1에 나타나 있다.
교각에서 가상적으로 보수한 구간은 기 개발된 시간종속요소로 모델링하여 두 번째 지진하중부터 활성화되도록 하였다. 해석모델은 전단 비 고려 시 보수를 하지 않은 경우(bare_without shear)와 보수를 한 경우(repair_without shear), 전단 고려 시 보수를 하지 않은 경우(bare_without shear)와 보수를 한 경우(repair_without shear)의 4 경우로 구분하였다. 본 해석에서 사용된 입력지진파의 경우, 연속지진의 효과를 직접적으로 반영하고자, 같은 station에서 시간차이를 두고 기록된 지진파를 선택하였고, 최대지반가속도는 표 1에 정리되어 있다.
대상 데이터
그림 1에서 나타나 있는 CFRP 재료모델의 검증을 위하여 염광수 등(2005)에 의해서 실험된, 지름이 300mm인 원형단면을 갖는 높이 2200mm의 RC 교각에 대해 CFRP로 내진 보수된 시편을 이용하였다. 해석모델링의 구성은 이도형 등(2008)에서 찾아볼 수 있다.
해석모델은 전단 비 고려 시 보수를 하지 않은 경우(bare_without shear)와 보수를 한 경우(repair_without shear), 전단 고려 시 보수를 하지 않은 경우(bare_without shear)와 보수를 한 경우(repair_without shear)의 4 경우로 구분하였다. 본 해석에서 사용된 입력지진파의 경우, 연속지진의 효과를 직접적으로 반영하고자, 같은 station에서 시간차이를 두고 기록된 지진파를 선택하였고, 최대지반가속도는 표 1에 정리되어 있다.
성능/효과
개발된 CFRP 재료모델을 이용한 정적시간이력 해석결과는 실험결과와 비교적 만족할 만 한 상관관계를 나타내었다. 또한 연속지진하중을 작용시켜 수행한 동적시간이력해석의 경우, 전단을 고려하지 않은 경우에는 보수의 효과를 확인할 수 있었지만 전단을 고려한 경우에는 보수의 효과가 거의 없음을 알 수 있었다.
그림 3(a)는 전단 비 고려시 보수를 한 경우와 하지 않은 경우, Set 2 입력지진파에 의한 교각 6번의 하중-변위 이력곡선을 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있는 것처럼, 보수된 경우의 하중-변위 이력곡선은 강도 및 강성에 있어서 증진의 효과를 확인할 수 있었다. 하지만, 그림 3(b)에서와 같이 전단을 고려한 경우, 보수에 의한 영향이 거의 없음을 확인할 수 있었고, 전단을 고려하지 않은 경우(그림3(a))와 비교하여 강도 및 강성의 감소 그리고 변위의 증가를 확인할 수 있었다.
개발된 CFRP 재료모델을 이용한 정적시간이력 해석결과는 실험결과와 비교적 만족할 만 한 상관관계를 나타내었다. 또한 연속지진하중을 작용시켜 수행한 동적시간이력해석의 경우, 전단을 고려하지 않은 경우에는 보수의 효과를 확인할 수 있었지만 전단을 고려한 경우에는 보수의 효과가 거의 없음을 알 수 있었다. 이는 곧, 손상된 부재의 보수공법 선택에 있어서 상당한 주의가 요구된다는 것을 의미한다.
후속연구
하지만, 아직 CFRP에 대한 확실한 규준이 정립되어 있지 않고, 대부분의 연구가 실험에만 집중되어 왔으며 해석적인 연구는 미비한 실정이다. 또한, 해석적인 연구에서도 휨 거동만을 고려한 응답에 기초하고 있어 보수된 부재의 전단응답에 관한 효과 또한 검토되어야 할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 최근에 기 개발된 비탄성 시간 종속요소(이도형과 전정문, 2006)와 CFRP 재료모델을 개발하여 철근콘크리트교량의 보수 전 및 후의 내진응답거동 대해 검토하였다.
이는 곧, 손상된 부재의 보수공법 선택에 있어서 상당한 주의가 요구된다는 것을 의미한다. 물론 많은 변수연구 및 비교해석이 수행되어져야 하지만, 본 연구에서 사용된 해석모델 및 기법은 향후, 손상된 부재의 보수에 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
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