초록 ▼

대형구조물의 해석 및 설계기술개발에 관련하여, 본 연구에서는 대형구조물의 동적거동 및 비선형거동분석을 위한 이론적 및 실험적 연구가 수행되었다. 4개의 세부과제로 나누어 진행되었으며, 각 세부과제로 부터 얻은 주요결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 제1세부과제 (구조물의 동특성 및 비선형 특성추정을 위한 실험적 연구) : 기존의 대형구조물의 안전성 평가를 위하여 구조특성을 추정하는 방법을 연구하였다. 선형구조계에 대하여는 시간영역과 주파수영역으로 나누어 각각에 대하여 연구되었고, 비선형구조계에 대하여는 Extended Kal

대형구조물의 해석 및 설계기술개발에 관련하여, 본 연구에서는 대형구조물의 동적거동 및 비선형거동분석을 위한 이론적 및 실험적 연구가 수행되었다. 4개의 세부과제로 나누어 진행되었으며, 각 세부과제로 부터 얻은 주요결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 제1세부과제 (구조물의 동특성 및 비선형 특성추정을 위한 실험적 연구) : 기존의 대형구조물의 안전성 평가를 위하여 구조특성을 추정하는 방법을 연구하였다. 선형구조계에 대하여는 시간영역과 주파수영역으로 나누어 각각에 대하여 연구되었고, 비선형구조계에 대하여는 Extended Kalman Filter를 사용하였다. 본 연구에서 개발된 방법의 검증을 위하여 모의수치해석과 모형실험을 수행하였다. 주된 연구결과는 다음과 같다. (1) 시간영역에서의 동특성추정에는, Exponential Data Weighting 과 Adaptation Gain 행렬의 Square Root Estimation을 사용한 순차적예측오차 방법의 효율성이 입증되었다. (2) 주파수영역에서는, 효율적인 새로운 주파수응답회수를 제안하였다. 또한 작은 감쇠비를 갖는 구조물의 경우에는 Exponential Windowing 기법이 유효함을 알 수 있었다. (3) EKF를 이용한 비선형특성추정은 예제해석을 통하여 어느정도의 가능성을 확인했다. 그러나, 미지계수가 많은 대형구조계의 적용을 위해서는 많은 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다. 제2세부과제 (대형구조물의 내진성능향상을 위한 실험적 연구) : (1) 부분구조기법을 이용한 유사동적실험알고리즘을 개발하였다. 개발된 실험알고리즘은 구조물의 동적실험을 통하여 그 적용성과 효율성이 검증되었다. 유사동적실험에 부분구조기법을 적용함으로서 대형 구조물에 대한 동적실험이 가능하게 되었다. 실험의 제한요소들이 적어지게 되므로, 이 실험알고리즘을 이용하여 다양한 구조물에 대한 진동실험이 가능하게 되었다. 또한 유사동적실험은 효과적으로 구조물의 비탄성거동을 예측할 수 있는 실험방법으므로 본 연구를 통하여 개발된 부분구조를 이용한 유사동적실험기법은 구조물의 내진성능 평가와 내진설계 기술의 향상에 기여할 것이다. (2) 적층고무받침방식의 기초분리장치를 적용한 철골구조물에 대한 유사동적실험기법을 개발하였다. 여기에 구조분할 기법을 도입하여 경제적으로 동적실험을 수행할 수 있었다. 기초분리된 시스템의 진동감소 효과는 기초분리장치의 유효주기를 적절히 조정함으로써 얻을 수 있었다. (3) 보의 비탄성거동을 조사하기 이하여 준정적실험을 수행하였다. 중력하중에 의해 보에 작용되는 모멘트를 하중으로 제어하였고 보의 단부 모멘트의 변화율을 고려하기 위하여 변위제어기법을 이용하였다. 이러한 방법은 보의 비탄성거동을 예측하기 위하여 매우 효과적이고 경제적인 실험방법이다. 층상화모델에 의한 수치해석결과를 실험결과와 비교함으로써 층상화모델이 실제 거동을 매우 잘 나타낼 수 있음을 알 수 있었다. 제3세부과제 (박스형 기둥-H형 강보의 접합부의 내진성능에 관한 실험적 연구) : 박스형 기둥-H형 강보 접합부의 거동에 대하여 실험적 연구를 수행하였다. UBC 내진설계규준에 따라 설계된 7층 철골 실물구조물의 접합부를 나타내도록 5개의 박스형기둥-H형강보 접합부 시험체를 0.6축소모델로 제작하였다. 접합부에 작용하는 부재력을 나타내도록 일정한 하중과 반복하중을 준정적인 방법으로 제하하였다. 접합부 판넬존의 내진에 관한 역학적 특성에 초점을 두고 그 거동에 영향을 주는 사항을 고려하였다. : (1) H형 강보-기둥 접합부의 거동과 비교 (2) 모살용접에 의한 기둥의 제작이 주는 영향 (3) 지진방향과 직각방향으로 연결된 보의 휨모멘트와 전단력의 영향 (4) 압축력의 크기에 따른 전단강도의 변화. 실험결과로서 시험체의 하중-변위의 이력관계, 판넬존의 전단력-전단변형 이력관계, 판넬존의 전단력-전단변형률 이력관계, 판넬존의 전단변형이 골조의 층간변위에 미치는 영향 등을 그림과 표로서 제시하였다. 시험체의 거동과 실험결과에?? 나타내는 수치해석용 모델과 내진설계강도의 식이 제시되었다. 박스형기둥-H형강보 접합부는 우수한 내진성능을 보였다. 그러나 UBC 내진설계규준에 의해 설계를 하는 경우 판넬존에 큰 전단변형이 발생하여 골조의 전체거동을 지배할 수 있으며, von Mises 이론을 이용하여 산정된 압축력에 의한 전단강도의 감소는 구조물의 불안전한 설계를 유발할 수 있다. 시험체의 파괴형태로서 접합부 판넬존의 매우 큰 전단변형, 용접부의 균열, 전단력에 의한 판넬존의 좌굴, 보 플랜지의 휨모멘트에 의한 왕복 그리고 기둥 플랜지의 국부좌굴이 발생했다. 제4세부과제 (강구조 시스템의 선형/비선형 동적거동의 수치해석모델의 개발) : 철골구조물의 해석 및 설계시에 접합부의 휨변형을 올바르게 고려할 수 있도록, 단부평판 접합부를 대상으로 하여 유한요소로 모델링하고 해석함으로써 국부적인 휨거동의 특성을 파악하였다. 단부평판 접합부의 특성에 근거하여 기존의 유한요소 모델링에 대한 문제점을 검토하고 개선된 모델링을 제시하였다. 유한요소모델이 실제거동을 적합하게 표현할 수 있도록 기존의 삼차원요소에 대한 문제점을 보완하여 개선된 입체 변이요소를 사용하고, 철골재료의 비선형 거동을 표현하기 위하여 von Mises의 항복이론을 도입하였다. 단부평판과 기둥플랜지간의 접촉문제를 해결하기 위하여, 기존 gap 요소의 개념을 수정하여 제안함으로써 접촉면의 거동을 간단하면서도 효율적으로 구현할 수 있는 접촉 알고리즘을 개발하였다. 해석결과를 기존의 실험결과와 비교함으로써, 본 연구에서 제시한 해석 알고리즘 및 유한요소모델링의 타당성을 검토하였다.

Abstract ▼

As for the development of the analysis and design methodologies for the large-scale civil engineering structures, thoretical and experimental studies are carried out. It consists of foursub-projects. Major results obtained from each sub-projects are summarized as follow : (Sub-project No.1) As for

As for the development of the analysis and design methodologies for the large-scale civil engineering structures, thoretical and experimental studies are carried out. It consists of foursub-projects. Major results obtained from each sub-projects are summarized as follow : (Sub-project No.1) As for the safety evaluation ofexisting large-scale sturctures, method for estimation of the structuraland dynamic properties of structures are studied. For the linear properties, the time domain and the frequency domain methods are studied. Verifications of the methods developed in this study are carried out through the numerical simulation studies and the experimental tests on scale structural models. The major findings are as follow : (1) For thetime domain estimation of the structural properties, the sequential prediction error method incorporating the exponential Data Weighting andthe square root estimation of the adaptation gain matrix is efficient.(2) For the frequency domain estimation, a new and efficient estimator for the frequency response function is proposed. The exponential Windowing technique is found to be useful for the structures with small damping. (3) For the estimation of the nonlinear properties, the extended Kalman filtering technique seems to be useful. However, its applicability shall be further investigated for the systems with large number of unknown parameters. (Sub-project No.2) (1) Pseudo-dynamic test algorithm with substructuring technique has been developed. Theapplicability and the efficiency of the developed test algorithm have been proven through dynamic test of structures. Applying the substructuring technique to the pseudo-dynamic test, dynamic tests for large structures could be performed effectively. As the restructions tothe experiment have been reduced, vibration tests for various types of structure could be preformed using the algorithm developed in this study.Since the pseudo-dynamic test is an experimental method which is used forthe prediction of inelastic behavior of structures, introduction of the substructuring technique can contribute to the advancement of the earthquake resistence assessment for structures and the earthquake resistence design. (2) Pseudo-dynamic test method for steel framed structures with laminated rubber bearings has been developed. Introduction of the substurcturing technique resulted in practical and efficient pseudo-dynamic test and it provide significant economies in the experimental investigation of structural systems. Vibration of isolatedstructures could be controlled tuning the effective period of isolation system. (3) Quasi-static tests have been performed to investigate theinelastic behavior of steel beams. The moments developed at both ends of the beams due to the gravity loads are simulated by applying corresponding loads. Prediction of the inelastic behavior of steel beamswas preformed effectively using the displacement control method. Theresults of the numerical analysis using the layer model were in excellentcomparison to those of the quasi-test on steel layer model were in excellent comparison to those of the quasi-test on steel beams. (Sub-project No.3) Experimental study was performed on the behavior of box column-H beam Joints. Five 0.6-scale test joint specimens, representing the joints of the 7-story steel building prototype structurewhich satisfies the UBC requirements for strong earthquake, were fabricated. Constant loads and cyclic loads were applied to specimens inquasi-static manner to simulate the forces acting on the joints. Withemphasis on the earthquake resistance of panel zones, the following aspects were studied : (1) comparison with the behavior of H beam-column joints, (2) the behavior of fillet-welded box column (3) effect of the bending moment and shear force of the transverse beam and (4) effect ofthe column axial forces. Experimantal results are presented in figuresand tables, such as : load-displacement cyclic curves of joints, shearforce-shear distortion cyclic curves of panel zones, shear force-shear strain cyclic curves of panel zones, and effect of the panel zone sheardistortion on the story drift. Observed and recorded experimental datawere analyzed and compared with the design specifications. An analyticalmodel and a design formula for the panel zone were proposed. Box column-H beam joints showed very good earthquake resistance. But when joints are designed according to UBC, panel zone may experience large shear distortion which controls the overall behavior of structures under earthquake. Also, decrease in the shear strength of panel zone due to column axial force may cause the unsafe design of structures. Form the experiment, the most probable failure modes were identified as large distortion in panel zone, weld cracks, plate buckling of panel zone, yielding of beam flange, and local buckling of column flange. (Sub-project No.4) Finite element modeling and analysis of end-plate connections are carried out and the behavioral characteristics are reviewed, so that the flexural deformation of connection be considered inthe analysis and design of steel structures. Finite element modeling isaccomplished by updating the previous modeling based on the characteristics of the end-plate connection. In order to account for theactual behavior through finite element model, the newly developed solidtransition element is used, and yield theory by von Mises is employed for the nonlinear state of steel material. A simple and efficient contact algorithm is developed modifying the concept of gap element, to solve the contact problem between end-plate and column flange. The finite element modeling and the various algorithms proposedin this study are verified based on the experimental data.

목차 Contents

• 제1 세부목차...52
• 1. 서 론...54
• 2. 연구방법...55
• 3. 연구내용 및 결과...56
• 제 1 장 시간영역에서의 동특성 추정법...56
• 제 2 장 주파수영역에서의 동특성 추정법...79
• 제 3 장 비선형구조계의 비선형특성 추정법...104
• 제 4 장 노후구조의 동특성 추정과 이용방안 연구...117
• 4. 고 찰...120
• 5. 결 론...122
• 6. 참고문헌...123
• 부록(발표된 논문의 초록)...127
• 제 1 장 서론...139
• 제 2 장 유사동적 기법...142
• 제 3 장 부분구조기법을 이용한 유사동적실험...164
• 제 4 장 기초분리된 침골구조물의 유사동적실험...179
• 제 5 장 보의 비탄성학동 분석을 위한 준정적실험...194
• 참고문헌...212
• 제3 세부목차...219
• 1. 서론...224
• 2. 설계요구사항...232
• 3. 실험적 연구...239
• 4. 실험 결과...245
• 5. 실험결과의 분석...250
• 5. 연구결과의 요약 및 결론...260
• 참고문헌...262
• 제4 세부목차...316
• 제 1 장 서 론...318
• 제 2 장 연구방법...327
• 제 3 장 결 과...351
• 제 4 장 고 찰...370
• 제 5 장 결 론...374
• 제 6 장 참고문헌...376