비선형 해석 모델특성이 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 휨거동에 미치는 영향

최규천,이재석 한국풍공학회 2014 한국풍공학회지 Vol.18 No.4

A parametric study for the effects of nonlinear analysis model characteristics on the prediction of the static flexural behavior of the curved prestressed concrete(PSC) cable-stayed bridge under the wind load is presented. To account for the time-dependent effects of materials at each erection step of the PSC bridge, creep, shrinkage and aging of concrete and the relaxation of tendons and cables are considered. Various case analyses regarding not only the effects of material nonlinearities including nonlinear stress-strain relations of materials, tension crack and tension stiffening effects of concrete but also geometric nonlinearities including geometric stiffness matrix of frame elements and large defflection effect on the static flexural behavior of segmentally erected curved PSC cable-stayed bridge under the wind load are carried out. The numerical results on this bridge show that nonlinear analysis considering the effects of material and geometric nonlinearities is necessary in order to accurately predict the cracking of concrete of the girder section and the excessive deflection of the bridge deck under the static wind load. Tension stiffening effect of concrete and the effect of geometric stiffness matrix due to the axial forces of frame elements are found to have little effect in predicting the static wind load behavior of this bridge. Also the flexural behavior of this bridge under the static wind load is found to be the most disadvantageous just before the closure step of the deck. Finally, the effect of geometric nonlinearities due to large deflections and the change of the topology of the bridge on the flexural behavior of this bridge under the static wind load is found not to be negligible in the erection steps of the bridge decks. 이 논문에서는 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 횡방향 휨거동 해석에 비선형 해석 모델 특성들이 미치는 영향을 검토하여 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 휨거동을 정당하게 예측할 수 있는 해석방법을 제시하였다. 곡선 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 사장교의 시공단계별 풍하중에 의한 횡방향 휨거동 해석 시 재료의 비선형성은 물론 기하학적 비선형성을 모두 고려하였고 재료의 시간의존적 특성의 영향으로 콘크리트의 크리프, 건조수축, 강도증가와 프리스트레싱(PS) 강재와 케이블의 이완을 고려하였다. 곡선 PSC 사장교의 풍하중에 의한 휨거동을 다양한 비선형 해석 모델 특성들을 조합해서 고려하여 해석을 수행한 결과, 교량 상판의 인장균열 및 이에 따른 처짐의 증가를 정확히 예측하기 위해서는 재료의 비선형 응력-변형률 관계는 물론 콘크리트의 인장균열을 모두 포함한 재료 비선형성과 기하강성도 매트릭스는 물론 대변위에 의한 변형률의 비선형항 및 부재의 위상변화를 모두 포함하는 기하학적 비선형성을 고려한 해석이 반드시 필요함을 확인하였다. 부가적으로, 콘크리트의 인장증강효과 및 뼈대요소의 축력에 의한 기하강성도 매트릭스의 고려여부는 교량의 풍하중에 의한 정적 휨거동을 예측하는 데 영향을 크게 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 풍하중에 의한 곡선 PSC 사장교의 횡방향 휨거동은 상판의 횡방향 변위의 상당한 증가 및 거더 단면의 인장균열로 인해 상판이 폐합되기 직전단계가 폐합된 이후 단계보다 크게 불리함을 확인하였다.

외부강선으로 긴장된 PSC 거더의 비선형 해석

최규천,이재석,Choi, Kyu-Chon,Lee, Jae-Seok 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.3

이 논문에서는 외부강선으로 긴장된 PSC 거더의 비선형 해석방법에 대한 연구를 수행하였다. 외부강선은 정착부와 편향부에서만 부재와 일체로 거동을 하고 정착부-편향부, 편향부-편향부 사이에서 독립적인 거동을 보이는 특성으로 인해 구조물의 처짐이 증가할 경우 부재와 외부강선의 편심량이 감소하여 모멘트가 변화하는 2차 효과(secondary effect)가 발생한다. 또한 편향부에서 외부강선의 인장력 차이로 인해 슬립(slip)이 발생할 경우 외부강선의 인장력이 재분배되어 복잡한 비선형 거동을 보이게 된다. 이 논문에서는 정착부-편향부, 편향부-편향부 사이의 외부강선을 여러 개의 곡선요소로 모사하고, 편향부에서의 마찰력과 driving force(미끄러지는 힘)의 평형관계를 이용하여 외부강선의 인장력을 재분배함으로써 편향부에서의 슬립효과를 고려하였다. 이 논문에서 제시한 외부강선의 유한요소모델과 해석방법을 저자들이 개발한 시공단계를 고려한 PSC 뼈대의 비선형 해석 프로그램에 통합하고, 외부강선으로 긴장된 PSC 보의 해석에 적용하여 외부강선에 대한 유한요소모델 및 해석방법의 정당성과 적용성을 확인하였다. 또한 편향부의 수와 편향부에서의 마찰계수에 따른 극한거동을 검토해본 결과, 편향부의 수가 증가할수록 PSC 보의 항복하중과 극한하중은 증가하였으며, 편향부에서의 마찰계수에 따른 극한거동은 외부강선과 편향부 사이의 마찰력으로 인해 부재에 전달되는 모멘트의 영향에 따라 마찰계수가 적정한 값일 경우에 극한내력이 최대치를 보이는 것을 확인하였다. A study for the nonlinear analysis method of prestressed concrete(PSC) girders with external tendons is presented. The PSC girders with external tendons show the complex nonlinear behavior due to the slip of external tendons at deviator and the change of eccentricity between the girders and external tendons. The external tendon between anchorage-deviator or deviator-deviator is modeled as an assemblage of the curved elements. The slip effect of the external tendon at deviator is taken into account using the force equilibrium relationship between the friction force and the driving force at each deviator. The finite element model and analysis method of the external tendon suggested herein are integrated in the nonlinear analysis program of segmentally erected PSC frames developed by the authors. The proposed analysis method is verified through the comparison of the analysis and experimental results obtained from other investigators. From the ultimate analysis results of PSC beams with external tendons having different number of deviators, the yielding and ultimate loads of PSC beams found to be increased as the number of deviators are increased. In addition, the ultimate capacity of the PSC beam increases according to the increase of friction coefficient between deviator and external tendon, whereas found to decease over the certain value of friction due to the effect of the moment transmitted to the member by the friction force exerted from the external tendon.

곡선 PSC 사장교의 극한해석을 위한 개선된 하중제어법

최규천,이재석,Choi, Kyu-Chon,Lee, Jae-Seok 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.1

이 논문에서는 복잡한 기하학적 형상과 비선형 특성들을 보이는 곡선 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 사장교의 극한거동을 안정적으로 예측하기 위한 비선형 해법을 제시하였다. PSC 교량 구조물의 비선형 거동 및 극한거동을 예측하기 위한 해법으로서 하중제어법(load control strategy)과 변위제어법(displacement control strategy)을 적용하였다. 콘크리트의 과다한 균열과 재료상태 및 케이블 장력의 급격한 변화로 인해 불평형력(unbalanced load)이 크게 변화하여 이들 두 해법으로 해를 구할 수 없는 경우에 대한 대안으로서 불평형력을 적정한 비율로 감소시키면서 하중제어 법을 적용하여 해를 안정적으로 구해 나가는 불평형력 감쇠(scale-down of the unbalanced load)를 적용한 하중제어법을 제시하였다. PSC 거더교의 극한해석을 수행하여 불평형력 감쇠를 적용한 하중제어법의 정당성을 평가하였다. 또한 곡선 PSC 사장교의 극한해석에 이 논문에서 제시한 비선형 해법을 적용하여 복잡한 비선형성으로 인해 해가 수렴하기 어려운 해석에도 이 해법이 유용함을 확인하였다. A study for the nonlinear solution strategies to predict the ultimate behavior of a curved PSC cable-stayed bridge with complex geometry and highly nonlinear characteristics is presented. The load and displacement control strategies are used and found to be stable for the nonlinear solution of the PSC bridge up to the moderately excessive load. The ultimate analysis of curved PSC cable-stayed bridge using these solution strategies is not converged due to the propagation of the cracks in the wide range of the concrete elements and excessive variation of the stresses in the concrete elements and cables according to the complex geometry. The load control strategy using scale-down of the unbalanced loads is proposed as an alternative method for the case that the solution is not converged due to the severe nonlinearities involved in the PSC structures like a curved PSC cable-stayed bridge. Through the ultimate analysis of the PSC girder, the accuracy and the stability of the proposed solution strategies are evaluated. Finally, the numerical results for the ultimate analysis of the curved PSC cable-stayed bridge using scale-down of the unbalanced loads are compared with those obtained from other investigator. The validity of the proposed nonlinear solution strategy is demonstrated fairly well.

CFRP 판과 콘크리트 사이의 마찰력을 고려한 비부착 CFRP 판으로 긴장된 콘크리트 보의 비선형 해석

최규천(Choi Kyu Chon),이재석(Lee Jae Seok),박영하(Park Young Ha) 대한토목학회 2008 대한토목학회 학술대회 Vol.2008 No.10

힘 센서 기반의 ZMP를 이용한 이족 보행 로봇의 퍼지 자세 제어

최규천(K.C. Choi),이민철(M.C. Lee) 제어로봇시스템학회 2005 제어로봇시스템학회 합동학술대회 논문집 Vol.2005 No.12

외부강선으로 긴장된 곡선 콘크리트 거더교의 해석

최규천(Choi Kyu Chon),이재석(Lee Jae Seok),박영하(Park Young Ha) 대한토목학회 2009 대한토목학회 학술대회 Vol.2009 No.10

PSC Ⅰ 거더의 정착부 파열거동 평가

최규천(Choi Kyu Chon),박영하(Park Young Ha),백인열(Paik In Yeol) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.3A

이 논문에서는 경간장이 30 m인 표준 PSC I 거더의 정착부 거동을 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 현재 사용되고 있는 표준 PSC I 거더의 정착부 파열보강철근은 텐던 긴장으로 인한 단부 콘크리트의 응력흐름을 정확히 반영하지 못 한 채 설계되었고, 과대보강으로 인해 콘크리트 타설 시 작업성이 크게 떨어지고 있는 실정이다. 따라서 이 논문에서는 표준 PSC I 거더와 동일한 단면을 갖는 실험체 3개를 제작하여 인장실험을 수행하였다. 각 실험체의 파열보강철근은 100 ㎜, 200 ㎜, 300 ㎜ 간격의 격자형으로 배근되었다. 실험결과, 파열균열 긴장력은 모든 실험체에서 설계 긴장력의 1.6배 내외로 나타났고, 파열균열은 정착단부 내부에서 수직방향으로 발생하였다. 또한 설계 긴장력의 2.7배까지 긴장력을 도입한 결과, 파열보강철근 간격이 300 ㎜인 실험체의 일부 수평방향 파열보강철근만 항복되었다. 따라서 표준 PSC I 거더의 정착부 파열보강철근은 도로교설계기준에서 제한하고 있는 최대 간격 300 ㎜를 만족시키는 것만으로도 파열력에 대한 안전성을 충분히 확보할 수 있음을 확인하였다. An experimental study to evaluate bursting behavior in anchorage zone of the standard PSC I girders (span length: 30 m) has been carried out. The arrangement of bursting reinforcement in anchorage zone of the standard PSC I girders is considered to be designed without accurately reflecting the stress flows in the end zone of the PSC I girders caused by presstressing forces of the tendons. Also, due to excessive arrangement of the bursting bars, the workability of the girder is decreased greatly. In this study, three specimens with the same dimensions as the end zone of the standard PSC I girder are prepared and the experiment is carried out by applying PS forces. The bursting reinforcement of each specimen consists of 100 ㎜, 200 ㎜, and 300㎜ spacings, respectively. The experimental results show that the range of the PS forces to cause crack in the anchorage zone of the specimen are more than 1.6 times of the design PS forces. The bursting cracks occur in the vertical direction on the inside of all specimens. After applying 2.7 times of the design PS force, some of the transverse bursting reinforcements only in the specimen reinforced by 300 ㎜ spacing yielded. The experimental results show that the anchorage zone of the standard PSC I girders arranged by 300 ㎜ spacing of the bursting reinforcements which is the maximum spacing allowed in the road bridge design specifications, can be considered safe enough.

비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 거더의 비선형 해석

최규천(Choi Kyu-Chon),이재석(Lee Jae Seok) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.6A

이 논문에서는 비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 거더의 비선형 휨거동에 대한 해석방법을 제시하였다. 비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 거더는 CFRP 판의 슬립(slip)으로 인해 인장력이 재분배되어 CFRP 판이 콘크리트에 부착된 경우에 비해 복잡한 비선형 거동을 보이게 된다. 따라서 이 논문에서는 비부착 프리스트레스트 CFRP 판을 여러 개의 곡선 요소로 모사하고, 화이버 뼈대요소의 각 절점에서 힘의 평형 관계를 이용하여 CFRP 판의 인장력을 재분배함으로써 슬립효과를 고려하였다. 이 논문에서 제시한 해석방법을 비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 보의 해석에 적용하여 해석방법의 정당성을 확인하였다. 또한 비부착 CFRP 판의 보강시점과 보강 전후에 발생한 콘크리트의 시간의존적 변형은 보의 처짐 거동에는 영향을 미치나 극한내력에는 영향을미치지 않음을 확인하였고, 비부착 CFRP 판으로 보강하기 전에 발생한 콘크리트의 균열유무도 비부착 CFRP 판으로 보강한 후의 보의 극한거동에는 거의 영향을 미치지 않음을 확인하였다. A study for the nonlinear analysis method of flexural behavior of concrete girders strengthened with unbonded prestressed CFRP plates is presented. The concrete girders strengthened with un bonded prestressed CFRP plates exhibit more complex nonlinear behavior due to the slip between the concrete girder and the CFRP plates than the case of bonded CFRP plates. The unbonded CFRP plate is modeled as an assemblage of the curved elements both ends of which are rigidly linked to the nodes of fibered frame elements. The slip effect of the unbonded CFRP plate is taken into account using the force equilibrium relationship at each node. To evaluate the validity and the capability of the proposed analysis method, the ultimate analysis results of the concrete beams strengthened with unbonded prestressed CFRP plate are compared with the experimental results obtained from other investigators. The proposed analysis method is found to predict ultimate behaviors of these beams fairly well. Additionally the time-dependent deformations of the concrete beam seems to have little influence on the ultimate behaviors of concrete beams strengthened with un bonded prestressed CFRP plate, and the cracks of the concrete beam which occurred before strengthening it with CFRP plate are found to have almost no influence on the ultimate capacity of the beam.

Fiber 모델에 근거한 PSC 합성형 거더 비선형 해석 방법의 검증

이재석, 최규천 충북대학교 건설기술연구소 2013 建設技術論文集 Vol.32 No.2

본문참조

단계별로 가설되는 곡선 PSC 사장교의 종방향 거동 해석

이재석, 최규천 충북대학교 건설기술연구소 2005 충북대학교 건설기술연구소 논문집 Vol.24 No.2

-본문참고-