구속효과를 고려한 사각형단면 내부구속 중공 철근콘크리트 부재의

직사각형 단면을 갖는 내부 구속 중공 철근 콘크리트 부재에서 콘크리트의 비선형 재료 모델 설정. 직사각형 단면의 내부 구속 중공 철근 콘크리트 기둥의 비선형 모델 설정.

연구개발 목표 및 필요성

연구개발 목표

연구개발 필요성(미래전망)

장경간 교량말뚝을 이용한 해외/해저터널 구조물. 해저터널의 차체구조로서 철근콘크리트 복합구조물을 제안하고 연구하였다.

[그림 1.2] ICH RC 구조의 적용

사각형 단면 ICH RC 콘크리트 비선형 재료모델

사각형 중실 RC

• 직사각 단면 중실 RC
• 정사각 단면 중실 RC
• 유효 구속 응력계수

14 감금 효과를 고려한 직사각형 ICH RC 부재의 비선형 모델 개발. 16 감금 효과를 고려한 직사각형 ICH RC 부재의 비선형 모델 개발.

[그림 2.2] 직사각 단면 중실RC 의 자유물체도

사각형 중공 RC

• 직사각 단면 중공 RC
• 정사각-정사각 중공 단면 RC
• 정사각-원형 중공 단면 RC

18 감금 효과를 고려한 직사각형 ICH RC 부재의 비선형 모델 개발.

[그림 2.6] 정사각-정사각 중공 단면 RC의 자유물체도

사각형 ICH RC

• 파괴모드
• 직사각 단면 ICH RC
• 정사각-정사각 중공 단면 ICH RC
• 정사각-원형 중공 단면 ICH RC

FM1에서 콘크리트는 강관이 파괴될 때까지 완전히 구속된다. 내부 강관의 파손 전후 구속응력은 다음 식으로 나타낼 수 있다. 이 공식을 사용하여 ICH RC 직사각형 기둥의 파괴 모드를 결정하려면 먼저 내부 강관의 항복 강도를 계산해야 합니다.

내강관의 항복파괴를 방지하기 위한 최소강두께이다. 내강관의 좌굴파괴를 방지하기 위한 최소강두께이다.

[그림 2.8] 직사각 단면 ICH RC의 자유물체도

사각형 단면 ICH RC의 콘크리트 비선형 재료모델

28 감금 효과를 고려한 직사각형 ICH RC 부재의 비선형 모델 개발. ICH RC 프리즘 기둥의 콘크리트 응력-변형률 관계를 그림 2.12의 흐름도에 따라 해석하였으며 해석 프로그램은 MATLAB 언어를 사용하여 작성하였다.

[그림 2.12] 사각형 단면 ICH RC 콘크리트의 응력-변형률 관계 해석 순서도

콘크리트 재료모델의 검증

30 감금 효과를 고려한 ICH RC 직사각형 부재의 비선형 모델 개발 단면.

매개변수를 통한 콘크리트의 거동 분석

• 직사각 단면 ICH RC
• 정사각-정사각 중공 단면 ICH RC
• 정사각-원형 중공 단면 ICH RC

사각단면 ICH RC의 경우와 마찬가지로 정방형 중공단면 ICH RC의 대표단면을 선정하여 내부 강관의 콘크리트 강도 및 두께 변화에 따른 구속콘크리트의 거동을 분석하였다. 사각 사각 중공 단면 ICH RC의 경우에도 그림 2.17과 같이 콘크리트의 구속 효과로 인해 콘크리트의 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 사용콘크리트의 강도가 증가함에 따라 구속콘크리트의 강도도 증가함을 확인할 수 있으며 내부강관의 파괴점에서의 변형률 이상의 변형률에서는 콘크리트는 3축 구속이 아닌 2축 구속 상태로 변화한다.

위와 같은 방법으로 사각 원형 중공부 ICH RC의 대표단면을 선정하여 콘크리트 강도 및 내부강관의 두께 변화에 따른 구속콘크리트의 거동을 분석하였다. 이 구간에서는 콘크리트의 결속력이 3축이 아닌 2축으로만 작용하여 콘크리트의 강도가 저하됨을 알 수 있다.

[그림 2.15] 내부강관 두께변화에 따른 콘크리트 거동분석 (직사각 단면 ICH RC)

사각형 단면 ICH RC 기둥의 비선형 해석모델

축력-모멘트 상관관계

• 종철근
• 콘크리트 커버
• 기둥 내부 콘크리트
• 내부 강관

콘크리트 피복의 경우 축력과 모멘트는 그 면적을 각각의 미시적 면적으로 나누어 계산할 수 있다. 축력과 모멘트는 기둥의 횡철근 내 구속콘크리트 면적을 각각의 미세한 면적으로 나누어 계산할 수 있다. 여기서 는 내부 콘크리트 미세면적의 수이다.

기둥의 콘크리트 부분과 마찬가지로 내부 강관의 면적을 각각의 미세한 면적으로 나누어 축력과 모멘트를 계산할 수 있다. 여기서 는 내부 강관의 작은 부분의 수입니다.

[그림 3.3] 변형률 분포도

횡하중-횡변위 해석

• 모멘트-곡률 해석
• 횡력-횡변위 해석

기둥 곡률이 증가함에 따라 각 기둥 섹션의 변형률은 중립 축을 기준으로 인장 및 압축이 변경됩니다. 특정 중립축을 이용하여 기둥 단면의 변형률 분포를 결정할 수 있으며, 이를 통해 모멘트를 계산하여 모멘트-곡률비를 정의할 수 있다. 기둥의 모멘트는 위의 PM 상관도와 같은 방법으로 기둥의 각 단면 위치에서의 변형률을 이용하여 계산할 수 있다.

기둥에 작용하는 횡력과 변위는 각 단에서의 변형률 분포로부터 계산된 모멘트와 곡률의 결과로 계산된다. 위에 제시된 공식을 사용한 직사각형 ICH RC 기둥의 모멘트-곡률 및 횡력-횡방향 변위.

그림 3.9는 단계에서의 변형률 분포를 나타내었다. 오른쪽과 왼쪽 끝에서의 변형률은 각각 단계에서의 최대 압축 변형률, 최대 인장 변형률이다

기둥해석 모델의 검증

행동 분석 프로그램은 MATLAB 언어로 작성되었으며 그 흐름도는 그림 3.13과 같습니다. 56 감금 효과를 고려한 직사각형 ICH RC 부재의 비선형 모델 개발 단면도. 58 구속 효과가 있는 직사각형 ICH RC 부재의 비선형 모델 개발.

[표 3.1] 기둥해석 모델검증에 사용된 사각형 중실 ICH RC 기둥정보

매개변수를 통한 사각형 ICH RC 기둥의 거동분석

• 직사각 단면 ICH RC 기둥
• 정사각-정사각 중공 단면 ICH RC 기둥
• 정사각-원형 중공 단면 ICH RC 기둥

또한 콘크리트의 강도가 증가할수록 사각단면 ICH RC 기둥의 최대 축력과 최대 휨모멘트가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 사각단면 ICH RC기둥의 최대 횡력은 콘크리트의 강도가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트의 강도가 증가함에 따라 횡력이 증가하는 것으로 나타났다.

또한 콘크리트 강도가 증가함에 따라 최대 축력과 최대 휨모멘트가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트 강도가 증가함에 따라 횡강도가 증가하는 것으로 나타났다.

[그림 3.15] 콘크리트 강도변화에 따른 축력-모멘트 해석결과 (직사각 단면)

성과요약 및 활용방안

성과요약

연구개발 결과의 활용방안

72 구속 효과를 고려한 직사각형 ICH RC 부재에 대한 비선형 모델 개발. 또한 제안된 신형의 적용을 촉진하여 국내 건설기술의 수준을 한 단계 높일 수 있다. 개발된 모델이론 및 해석도구는 기업, 대학, 연구기관에서 사용할 수 있는 독립된 해석도구로서 범용 유한요소해석 프로그램과 함께 운용할 수 있다.

참고문헌