RC 구조물의 스트럿-타이 모델 설계를 위한 응력교란영역 분리 기법 = Separation Method of Stress-Disturbed Regions for Strut-and-Tie Model Design of Reinforced Concrete Structures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a numerical separation method to isolate stress-disturbed regions (D-regions) from global models and determine their boundary conditions using a penalty-based iterative algorithm. To enhance practicality, an integrated graphic program was developed to automate this process. The validity of the method was verified through 2D and 3D examples, confirming that the separated D-regions accurately replicate the global model's behavior. Notably, analyses demonstrated that the boundary forces of the separated D-regions strictly satisfy static equilibrium conditions. Furthermore, comparisons between plain (PC) and reinforced concrete (RC) global models revealed no significant differences in member forces within the linear elastic range, suggesting the potential for simplified modeling. In addition, a technique transforming 1D frame forces into equivalent solid boundary stresses was implemented, effectively linking macroscopic global analysis with detailed local design. In conclusion, this study provides a systematic methodology for the analysis of complex D-regions, contributing to improved accuracy and reliability in reinforced concrete structure design.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 4
• 제 2 장 응력교란영역의 분리 기법 7
• 2.1 개요 7
• 2.2 스트럿-타이 모델 방법 8
• 2.3 기존 응력교란영역 분리 기법 12
• 2.3.1 기존 D-영역 고체 유한요소 모델링 12
• 2.3.2 기존 D-영역 고체 유한요소 모델 하중 및 경계 조건 결정 14
• 2.3.3 기존 D-영역 스트럿-타이 모델 하중 및 경계 조건 결정 19
• 2.4 초기 전역 유한요소 모델의 종류 및 특징 21
• 2.5 2차원 응력교란영역의 분리 22
• 2.5.1 2차원 D-영역 유한요소 및 경계면 절점 판별 22
• 2.5.2 2차원 D-영역 유한요소 세분화 및 경계면 절점 하중의 산정 25
• 2.6 3차원으로 확장된 응력교란영역의 분리 27
• 2.6.1 3차원 D-영역 내부 유한요소 및 경계면 절점 판별 27
• 2.6.2 3차원 D-영역 유한요소 세분화 및 경계면 절점 하중의 산정 30
• 2.7 분리된 응력교란영역의 하중 및 경계 조건 결정 33
• 2.7.1 분리된 D-영역의 초기 하중 조건 결정 33
• 2.7.2 무근 콘크리트(PC) D-영역의 초기 하중 34
• 2.7.3 철근 콘크리트(RC) D-영역의 초기 하중 35
• 2.7.4 분리된 D-영역의 초기 경계 조건 결정 36
• 2.7.5 분리된 D-영역의 하중 및 경계 조건 보정 40
• 2.8 분리된 응력교란영역의 스트럿-타이 모델 43
• 2.8.1 분리된 D-영역 스트럿-타이 모델의 형상 결정 43
• 2.8.2 분리된 D-영역 스트럿-타이 모델의 하중 조건 결정 45
• 2.8.3 분리된 D-영역 스트럿-타이 모델의 경계 조건 결정 49
• 제 3 장 응력교란영역 분리 및 스트럿-타이 모델 설계를 위한 통합 프로그램 개발 51
• 3.1 개발 배경 및 목적 51
• 3.2 프로그램 전체 구성 52
• 3.2.1 시스템 흐름도 52
• 3.2.2 전처리기 55
• 3.2.3 해석 엔진 56
• 3.2.4 후처리기 57
• 3.3 주요 기능 58
• 3.3.1 D-영역 지정 기능 58
• 3.3.2 메시제너레이터를 이용한 고체 유한요소 모델 형성 기능 60
• 3.3.3 PARDISO 솔버 연동 기능 62
• 3.3.4 고체 유한요소 해석 결과 출력 기능 66
• 3.3.5 스트럿-타이 모델 형성 기능 68
• 3.3.6 스트럿-타이 모델 설계 결과 출력 기능 72
• 3.3.7 최대 단면적 결정 기능 75
• 제 4 장 분리된 응력교란영역 유한요소 모델의 적합성 검증 79
• 4.1 2차원 D-영역 유한요소 모델의 적합성 검증 80
• 4.1.1 2차원 구조 부재 및 D-영역 유한요소 모델 80
• 4.1.2 분리된 2차원 D-영역 절점 변위 비교 82
• 4.1.3 분리된 2차원 D-영역 응력 비교 87
• 4.2 2차원 D-영역 스트럿-타이 모델 단면력 검증 91
• 4.2.1 2차원 D-영역 스트럿-타이 모델 형상 결정 91
• 4.2.2 2차원 무근 콘크리트 스트럿-타이 모델의 단면력 검증 94
• 4.2.3 2차원 철근 콘크리트 스트럿-타이 모델의 단면력 검증 96
• 4.2.4 2차원 스트럿-타이 모델 필요단면적 및 최대단면적 99
• 4.3 3차원 D-영역 유한요소 모델의 적합성 검증 103
• 4.3.1 3차원 구조 부재 및 D-영역 유한요소 모델 103
• 4.3.2 분리된 3차원 D-영역 절점 변위 비교 106
• 4.3.3 분리된 3차원 D-영역 응력 비교 113
• 4.4 3차원 D-영역 스트럿-타이 모델 적용 120
• 4.4.1 3차원 일반 스트럿-타이 모델 형상 및 하중 조건 결정 121
• 4.4.2 3차원 일반 스트럿-타이 모델 필요단면적 및 최대단면적 검토 123
• 4.4.3 3차원 격자 스트럿-타이 모델 형상 및 하중 조건 결정 125
• 4.4.4 3차원 격자 스트럿-타이 모델 필요단면적 산정 126
• 제 5 장 뼈대 요소로 구성된 RC 구조물의 응력교란영역 분리기법 129
• 5.1 뼈대 요소 기반의 D-영역 고체 유한요소 모델 구축 기법 129
• 5.1.1 뼈대 요소의 고체 요소 확장 및 세분화 130
• 5.1.2 뼈대 요소 해석 결과를 이용한 고체 절점 목표 변위 산정 134
• 5.1.3 뼈대 요소 단면력의 응력 변환 및 하중 결정 138
• 5.1.4 뼈대-고체 모델 연계를 위한 경계 조건 결정 및 보정 143
• 5.2 뼈대 요소 기반의 2차원 스트럿-타이 모델 적용 145
• 5.2.1 2차원 D-영역 고체 유한요소 모델 형성 150
• 5.2.2 2차원 스트럿-타이 모델 형성 및 단면력 검증 152
• 5.2.3 2차원 스트럿-타이 모델 필요 단면적 및 최대 단면적 153
• 5.3 뼈대 요소 기반의 3차원 스트럿-타이 모델 적용 157
• 5.3.1 3차원 D-영역 고체 유한요소 모델 형성 157
• 5.3.2 3차원 스트럿-타이 모델 형상 및 단면력 검증 163
• 5.3.3 3차원 스트럿-타이 모델 필요 단면적 및 최대 단면적 168
• 제 6 장 결론 172
• 참고문헌 174
• 영문초록 180