철근소성구간에서의 비선형 인장증강모델

Abstract

인구밀도의 증가, 사회적 환경 및 문화적 환경 변화를 반영한 건축구조물들은 초고층 및 대형화된 양상을 보이고 있다. 초고층 구조물의 경우 구조물의 안전성에 대한 설계 및 검증이 필수불가결하다. 이에 대한 효율적 방안으로 건축 산업에서는 오래 전부터 구조 설계의 전산화가 발전되어 왔다. 특히 유한요소법(Finite Element Method)은 선형, 탄성 뿐만 아니라 비선형 거동 및 큰 변형을 예측하고 손상을 평가하는 데 있어서 매우 중요한 도구로 자리잡게 되었다. 하지만 비선형 거동 해석에 있어서 자유도 증가에 따라 해를 찾기 위한 리소스 확보 및 효율성 측면에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 인장증강효과의 영향을 고려한 철근의 소성모델에 대한 해석학적 모델 기반의 RC 구조물의 유한요소 재료 모델을 구축하고, 이를 통해 효율적이고 신뢰도가 높은 재료 모델을 개발하고자 하였다. 본 논문은 총 7장으로 구성되어 있으며, 제 1장은 서론, 제 2장은 콘크리트 모델, 제 3장은 철근 모델, 제 4장은 철근의 인장증강효과 산정, 제 5장은 매개변수 와 의 결정, 제 6장은 소성범위에서의 인장증강모델의 검증 그리고 제 7장은 결론으로 기술하였으며, 각 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하여 연구의 방향을 제시하였다. 제 2장에서는 콘크리트 모델 중에서도 Meyer의 모델1)을 기술하였다. 제 3장에서는 순수 철근의 소성구간 모델을 기존의 연구를 개선하였으며, 인장증강 철근 모델에 적용하기 위한 매개변수를 통한 함수형태로 제시하였다. 제 4장에서는 인장증강효과 모델을 유도하기 위해 Kreller 부착모델2)을 단순화하였으며, 이를 통해 소성구간에서의 인장증강효과 모델을 구축하였다. 제 5장에서는 매개변수 와 를 결정하기 위해 수치해석 균열요소를 통해 48개의 실험체를 이용하였다. 제 6장에서는 본 연구에서 구축한 인장증강모델을 Alverez and Marti3)의 4개의 실험체를 통하여 검증을 하였다.

본 논문에서는 탄성구간에서 뿐만 아니라 소성구간까지 포함하는 인장증강 효과를 반영한 철근 재료 모델을 구축하였다. 이를 통해 얻은 결과를 요약하면 아래와 같다.

1) FEM에서 인장증강을 고려한 철근 모델에 대하여 복잡한 부착응력 모델을 사용함에 따른 반복계산 과정을 줄이고자 철근의 항복강도에 대한 단순화된 부착모델을 제시하였다. 이 부착모델은 철근의 항복강도를 중심으로 탄성구간에서는 , 그리고 소성구간에서는 으로 구성된다.

2) 단순화된 부착모델의 와 의 값을 결정하기 위하여 김 우4), Emplemann5)의 48개의 실험체를 강도별로 분류하여 수치해석 균열요소를 통해 시뮬레이션하였다. 이를 통해 결정된 의 값은 일반강도, 중간강도 그리고 고강도에 대하여 각각 0.3, 0.3, 0.25로 결정되었으며 의 값은 각각 0.1, 0.07, 0.07로 결정되었다.

3) 본 연구에서 구축한 인장증강 철근 모델은 탄성 구간에 대하여 MC90 모델6)의 를 수정한 Modified MC907)을 사용하였다. 또한, 소성 구간에 대하여 , 를 참조점으로 하는 순수 철근의 소성 구간 모델의 함수식을 이용하여 결정하였다.

4) 인장증강철근 모델을 검증하기 위하여 Alvarez and Marti3)실험체를 시뮬레이션하였다. 실험체를 통해 얻은 를 변수로 하여 본 연구의 모델을 통해 철근의 응력을 산정하였다. 이에 대한 실험치와 이론치의 오차는 5 ~ 7%로 나타났으며, 철근의 파괴응력에 대한 변형률인 에 대한 실험치와 이론치의 오차는 48 ~ 97%로 비교적 크게 나타났다. 이는 소성구간에 대하여 산정한 단순 부착응력 값인 이 값의 영향으로 사료되며, 이는 48개의 실험체를 통하여 결정된 값이 실제 적용하는데 있어서 안전율에 고려를 통하여 수정이 요구된다.