상용구조해석 프로그램을 사용한 철근콘크리트 벽체의 전단강도 평가

엄태성,박은진,노지은,이상현,Eom, Tae-Seong,Park, Eun-Jin,No, Ji-Eun,Lee, Sang-Hyeon 한국전산구조공학회 2017 전산구조공학 Vol.30 No.3

주기하중을 받는 세장한 이중강판합성벽의 비선형해석

엄태성,박홍근,Eom, Tae Sung,Park, Hong Gun 한국강구조학회 2008 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.20 No.4

A numerical analysis method was studied to predict the nonlinear behavior of slender double skin composite walls. For convenience in numerical analysis, the model for the double skin composite wall was developed as a macroscopic model that can predict nonlinear behavior with relatively simplified models. For the wall showing flexure-dominant behavior, a multiple layer model was used. Each layer was modeled with composite elements of concrete and steel plate. An X-type truss model was used for coupling beams showing shear-dominant behavior. To describe the cyclic behavior of concrete and steel elements, simplified cyclic models for the materials were proposed. The proposed analysis model was applied to isolated walls and coupled walls with rectangular or T-shaped cross-sections. The analytical results were compared with existing test results. 휨지배 거동을 나타내는 세장한 이중강판합성벽의 비탄성 거동을 예측하기 위하여 비선형 수치해석 모델이 연구되었다. 수치해석의 편리를 위하여, 제안된 모델은 비교적 단순한 모델을 가지고 비탄성 거동을 근사적으로 예측할 수 있는 거시적 모델로 개발되었다. 휨지배 거동을 나타내는 벽체에 대해서는 다중평행요소 모델이 사용되었으며, 깊은 연결보의 전단거동을 위하여 X형 대각요소 모델이 사용되었다. 각 요소의 주기거동을 예측하기 위하여 콘크리트 및 강판 요소에 대한 간략화된 일축의 주기모델을 제안하였다. 제안된 해석모델은 1자형 및 T형 단일벽과 병렬벽에 적용하였으며, 그 결과는 기존의 실험결과와 비교되었다.

주기하중을 받는 이중강판합성벽의 실험연구

엄태성,박홍근,김진호,장인화,Eom, Tae Sung,Park, Hong Gun,Kim, Jin Ho,Chang, In Hwa 한국강구조학회 2008 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.20 No.2

이중강판합성벽은 타이바로 연결된 강판외피 사이에 콘크리트를 충전시킨 구조벽으로서, 벽체의 구조성능을 향상시키고, 벽체의 두께를 줄이며, 별도의 거푸집 및 배근 공사없이 시공성을 향상시키기 위하여 개발되었다. 본 연구에서는 주기하중을 받는 이중강판합성벽의 비탄성거동특성 및 내진성능을 평가하기 위하여, 직사각형 및 T형 단면형상을 갖는 단일벽 및 병렬벽 실험체에 대하여 실험 연구를 수행하였다. 실험 결과, 이중강판합성벽은 주기하중에 대하여 핀칭이 없이 우수한 에너지소산능력을 나타냈다. 벽체하단부 기초의 접합상세와 단면형상에 따라 파괴모드 및 변형능력의 차이를 보였으며, 주로 벽체기초 또는 연결보 용접부의 파단과 강판국부좌굴에 의하여 파괴되었다. 적절한 용접 및 보강 상세를 갖는 실험체들은 2.0~3.7% 층간변형각의 변형능력을 보였다. 또한 벽체와 연결보의 비탄성강도를 고려하여 단일벽 및 병렬벽 실험체의 하중재하능력을 평가하였으며, 이를 실험결과와 비교하였다. Double skin composite (DSC) wall is a structural wall that is filed with concrete between two steel plate skins connected by tie bars. This type of wall was developed to enhance the structural performance of wall, to reduce wall thickness, and to enhance constructibility, eliminating the use of formwork and re-bars. In this study, cyclic tests were performed to investigate the inelastic behavior and earthquake resistance of isolated and coupled DSC walls with rectangular and T-shapedcross-sections. The DSC walls showed stable cyclic behaviors, exhibiting excellent energy dissipation capacity. The te st specimens failed by the tensile fracture of welded joints at the wall base and coupling beam and by the severe local buckling of the steel plate. The deformation capacity of the walls varied with the connection details at the wall base and their cross-sectional shapes. The specimens with well-detailed connections at the wall base showed relatively god deformation capacity ranging from 2.0% to 3.7% drift ratio. The load-carrying capacities of the isolated and coupled wall specimens were evaluated considering their inelastic behavior. The results were compared with the test results.

강구조를 위한 직접비탄성설계법

엄태성,박홍근,Eom, Tae Sung,Park, Hong Gun 한국강구조학회 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.2

본 연구소에서는 할선강성을 사용하여 비탄성 해석 및 설계를 수행하는 새로운 설계방법을 개발하였다. 개발한 설계법은 선형해석을 수행하므로 수치해석이 안정성과 용이성을 갖추고 있으며, 동시에 반복계산으로 구조물의 비탄성 거동을 해석하므로 각 부재의 비탄성 강도 및 연성 요구량을 정확히 예측할 수 있다. 본 연구에서는 제안된 설계법의 절차를 성립하였고, 이를 고려한 컴퓨터 해석/설계 프로그램을 개발하였다. 또한, 제안된 설계법을 사용한 설계예제를 제시하였으며, 기존의 탄성 및 소성설계법과의 비교를 통하여 그 우수성을 입증하였다. 기존의 비선형설계방법은 일반적으로 초기 설계를 수행하고 비선형해석을 이용하여 초기설계안을 검증하는데 비하여, 제안된 방법은 반복계산을 통하여 비탄성해석과 설계를 동시에 수행하므로 각 부재의 비탄성 강도 및 연성 요구량을 직접적으로 계산할 수 있다. 또한 설계자의 의도에 따라 부재 강도 및 연성능력의 제한, 강기둥-약보 등의 비선형 설계전략을 효과적으로 구현하므로, 경제적이고 안전한 설계가 가능하다. A new inelastic design method performing iterative calculations using secant stiffness was developed. Since the proposed design method uses linear analysis, it is convenient and stable in numerical analysis. At the same time, the proposed design method can accurately estimate the inelastic strength and ductility demands of the members by performing iterative calculation. In the present study, the procedure of the proposed design method was established. Design examples using the proposed method were presented, and its advantages were highlighted by comparisons with existing design methods using elastic or plastic analysis. Unlike the existing inelastic design methods performing the preliminary design on the structure and checking its validity using nonlinear analysis, the proposed integrated analysis-design method can directly calculate the strength and ductility demands of each member. In addition, the proposed design method can address the inelastic design strategy intended by the engineer, such as strength and ductility limits of members and the design concept of strong-column and weak-beam. As a result, economical and safe design can be achieved.

철골조를 위한 직접비탄성설계법의 적용

엄태성,박홍근,Eom, Tae Sung,Park, Hong Gun 한국강구조학회 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.1

본 연구에서는 선행 연구에서 개발된 강구조물에 대한 직접비탄성설계 방법을 설계실무의 활용성을 확대할 수 있도록 개선하였다. 그룹부재에 대한 설계, 불연속적인 단면 성능, 축력에 따른 휨재하능력의 변화, 접합방식에 따른 거동특성, 다중하중조건 및 성능기준 등 강구조물 설계실무의 제한조건을 고려하여 비탄성설계를 수행할 수 있는 방법을 개발하였다. 본 연구에서는 제안된 방법의 해석 및 설계절차를 정립하였고, 이를 적용한 컴퓨터 해석/설계 프로그램을 개발하였다. 전통적인 탄성설계와 제안된 직접비탄성설계법을 사용한 설계결과를 비교하였으며, 기존의 비선형해석프로그램을 이용하여 설계결과를 검증하였다. 비탄성 변형을 고려할 수 있는 제안된 설계법은 전통적인 탄성해석을 사용한 한계상태설계에 비하여 강재량을 절감하고, 구조물의 변형능력을 향상하였다. 제안된 설계방법은 비탄성 거동을 구조물의 설계에 직접 반영할 수 있으므로 설계에 편리하고 각 소성힌지의 변형을 제어함으로써 구조안전성을 확보하고 동시에 변형능력을 최대로 활용하는 설계를 수행할 수 있다. In the present study, the Direct Inelastic Design (DID) for steel structures developed in the previous study was improved to expand it applicability. The proposed design method can perform inelastic designs that address the design characteristics of steel structures: Group member design, discrete member sizes, variation of moment-carrying capacity according to axial force, connection types, and multiple design criteria and load conditions. The design procedure for the proposed method was established, and a computer program incorporating the design procedure was developed. The design results from the conventional elastic method and the DID were compared and verified by the existing computer program for nonlinear analysis. Compared with the conventional elastic design, the DID addressing the inelastic behavior reduced the total weight of steel members and enhanced the deformability of the structure. The proposed design method is convenient because it can directly perform inelastic design by using linear analysis for secant stiffness. Also, it can achieve structural safety and economical design by controlling deformations of the plastic hinges.

광산란층을 이용한 염료감응형 태양전지의 특성

엄태성,최형욱,Eom, Tae-Sung,Choi, Hyung-Wook 한국전기전자재료학회 2012 전기전자재료학회논문지 Vol.25 No.7

As an alternative energy, Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have received much attention due to low cost manufacturing procedure and high energy consumption rate. Incorporating scattering centers in the nanocrystalline photoanode or additional scattering layers on the nanocrystalline photoanode is an effective way to enhance the light harvest efficiency of the photoanode and the performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs). The light scattering abilities of these scattering layers also depend on the relative sizes and phase of the particles in the layers. A higher surface area is normally obtained using large particle sizes. Therefore, transparent high surface area $TiO_2$ layers and an additional scattering layer consisting of $TiO_2$-Rutile 500 nm paste with relatively larger particles are attractive. In this work, we investigates the applicability of a hybrid $TiO_2$ electrode (or a working electrode with a light scattering layer) in a DSSCs. We fabrication various thin film using $TiO_2$ paste 20 nm and $TiO_2$ paste 500 nm. As a result, the efficiency of the a single structure thin film was 3.35% and the efficiency as scattering layer of hybrid structure thin film was 4.36%, 4.73%.

초고층 건물의 시공 중 구조적 안정성 검토를 위한 시공단계해석의 적용

엄태성,김재요,Eom, Tae-Sung,Kim, Jae-Yo 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.3

극초고층성, 비정형 형상, 공기단축을 위한 구획 시공 등 최근 초고층 건물의 경향을 고려할 때, 설계 및 시공 계획의 단계에서 시공 중 건물의 구조적 안정성 문제가 핵심 사항으로 부각되고 있다. 시공 중 초고층 건물의 안정성을 확보하기 위해서는 횡력저항시스템이 완전히 형성되기 전 구조체 자중의 불균형 분포에 의해 발생하는 수직부재의 불균등 축소, 골조의 기울어짐 혹은 횡변위, 기초의 부등 침하 등이 시공단계해석에 의하여 검토되어야 하며, 시공단계해석은 구조건전성모니터링, 시공 보정 프로그램, 시공계획 수립 등과 체계적으로 결합되어 진행되어야 한다. 이 논문은 시공 중 초고층 건물의 구조 안정성 검토를 위하여 기존의 범용구조해석프로그램을 활용한 구역 기반 시공단계해석 기법을 제시하고 있으며, 이를 실제 초고층 프로젝트의 3차원 구조해석에 적용하였다. 정밀한 해석을 위하여 시간 의존적 재료 성질 및 실제 시공 일정이 적용되었으며, 시공 일정 변화나 계측 결과와의 비교에 따른 재료 물성 변화 등을 지속적으로 변경하며 해석이 진행되었다. 이러한 실제 프로젝트에 대한 시공단계해석 적용을 통하여, 시공 중 초고층 건물의 안정성 확보를 위한 주요 검토 항목 및 방법을 제시하였다. With recent trends of super-tallness, atypical plan shapes and zoning constructions in high-rise buildings, a structural stability of the building under construction is arising as a key issue for design and construction plan. To ensure the structural stability under construction, the differential column shortening of vertical members, the lateral displacement of tower frames, and differential settlement of raft foundation by unbalanced distributions of a tower self-weight before the completion of a lateral load resisting system should be checked by construction sequence analysis, which should be performed by systematic combinations with structural health monitoring, construction compensation program, and construction panning. This paper presents the scheme of zone-based construction sequence analysis by using the existing commercial analysis program, to check the stability of high-rise building under construction. This scheme is applied to 3-dimensional structural analysis for a real high-rise building under construction. The analysis includes real construction zoning plans and schedules as well as creep and shrinkage effects and time-dependent properties of concrete. The simplified construction sequence and assumed material properties were continuously updated with the change on construction schedule and correlations with in-situ measurement data.

앵글과 철근을 조립한 PSRC 합성기둥의 휨 실험

엄태성,황현종,박홍근,이창남,김형섭,Eom, Tae-Sung,Hwang, Hyeon-Jong,Park, Hong-Gun,Lee, Chang-Nam,Kim, Hyoung-Seop 한국강구조학회 2012 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.24 No.5

PSRC 기둥은 앵글을 콘크리트에 매입시킨 기둥으로, 단면의 외곽 코너에 배치되는 앵글이 기둥의 휨-압축에 저항하고, 횡철근은 기둥의 전단과 앵글-콘크리트 사이의 부착에 저항한다. 본 연구에서는 KBC 2009에 따라 PSRC 합성기둥의 휨, 전단, 부착 설계방법을 정립하고, 단순지지된 2/3 스케일의 PSRC 보와 SRC 보의 2점 가력 휨실험을 통하여 제안된 설계법을 검증하고 PSRC 합성기둥의 파괴특성을 분석하였다. 단면의 강재비와 횡철근 간격을 실험 변수로 고려하였다. 실험결과, KBC 2009으로 예측한 PSRC 합성기둥의 휨, 전단, 부착 강도는 실험결과와 잘 일치하였다. 고강도 앵글이 기둥 단면의 외곽에 배치되므로 PSRC 합성기둥은 동일한 강재비를 갖는 일반 SRC 합성기둥 단면에 비하여 매우 우수한 휨저항 성능을 나타냈다. 그러나 앵글과 콘크리트 사이의 부착강도가 충분히 학보되지 못한 경우 합성기둥 단면의 휨항복강도를 발휘하기 이전에 앵글의 부착파괴, 피복콘크리트 파괴, 횡철근의 파단 등이 발생하였다. 또한 앵글 용접성 및 인성이 부족할 경우 앵글-횡철근 용접부에서 앵글의 파단에 의해 실험체가 파괴되었다. PSRC column is a concrete encased steel angle column. In the PSRC column, the steel angles placed at the corner of the cross-section resists bending moment and compression load. The lateral re-bars welded to steel angles resist the column shear and the bond between the steel angle and concrete. In the present study, current design procedures in KBC 2009 were applied to the flexure-compression, shear, and bond design of the PSRC composite column. To verify the validity of the design method and failure mode, simply supported 2/3 scaled PSRC and correlated SRC beams were tested under two point loading. The test parameters were the steel angle ratio and lateral bar spacing. The test results showed that the bending, shear, and bond strengths predicted by KBC 2009 correlated well with the test results. The flexural strength of the PSRC specimens was much greater than that of the SRC specimen with the same steel ratio because the steel angles were placed at the corner of the column section. However, when the bond resistance between the steel angle and concrete was not sufficient, brittle failures such as bond failure of the angle, spalling of cover concrete, and the tensile fracture of lateral re-bar occurred before the development of the yield strength of PSRC composite section. Further, if the weldability and toughness of the steel angle were insufficient, the specimen was failed by the fracture of the steel angle at the weld joint between the angle and lateral bars.

PS강선으로 보강한 콘크리트 벨트월의 전단설계

엄태성,김주연,김지영,김재요,김대영,Eom. Tae-Sung,Kim. Ju-Yeon,Kim. Ji-Young,Kim. Jae-Yo,Kim. Dae-Young 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.1

본 연구에서는 대각 및 수직수평으로 배치된 PS강선으로 보강된 벨트월의 전단설계 방법을 개발하였다. 대각으로 배치한 PS강선으로 보강한 벨트월의 경우 변형적합조건에 기반한 스트럿-타이모델을 사용하여 벨트월의 극한전단강도 및 파괴변형을 평가하였다. 수직수평으로 배치한 PS강선으로 보강된 벨트월은 압축응력장이론을 사용한 PS벨트월의 전단설계법을 제안하고, 균열 및 극한한계상태의 강도 및 변형을 평가하였다. 제안된 방법을 사용하여 PS강선 보강 벨트월의 전단설계 예제를 제시하고, PS벨트월의 하중전달 특성과 구조설계 고려사항에 대하여 논하였다. 연구 결과, 대각 보강된 PS벨트월은 PS강선 항복 이전에 대각방향 콘크리트 압괴에 의한 전단취성파괴가 발생하였다. 또한 콘크리트 스트럿 주변의 응력집중이 발생하므로, 벽체 모서리 및 슬래브 경계면에 대한 상세설계가 필요한 것으로 나타났다. 반면, PS강선을 수직수평으로 배치한 벨트월은 응력집중이 완화되고 콘크리트의 압괴 이전에 PS강선의 항복으로 파괴되지만, 동일한 전단저항에 소요되는 PS강선 개수가 증가하였고 구조설계시 PS강선 항복에 따른 강성저하를 고려하는 것이 필요한 것으로 나타났다. In the present study, shear design methods for concrete belt walls reinforced with pre-stressing steel bars (PS belt walls) were developed. For diagonally reinforced PS belt walls, a strut-and-tie model based on strain-compatibility was proposed to evaluate the shear strength and maximum deformation. For vertically and horizontally reinforced PS belt walls, on the other hand, shear strengths and deformations at concrete cracking and ultimate state were evaluated based on the Compression Field Theory. Design examples for PS belt walls were illustrated and the aspects of the load-transfer and design considerations were discussed. The results showed that diagonally reinforced PS belt walls exhibited brittle shear failure due to concrete crushing before yielding of PS bars. In addition, since the concrete strut rather than PS bars carries significant shear, attention should be paid on the detailing of the nodal zone. On the other hand, vertically and horizontally reinforced PS belt walls failed due to the yielding of PS bars before concrete crushing. However, the number of PS bars for shear design was increased and the reduction in the stiffness after shear cracking was significant.

강구조 특수모멘트골조의 보 소성변형요구량 평가

엄태성,Eom, Tae-Sung 한국강구조학회 2011 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.23 No.4

건축물의 안전한 내진설계를 위해서는 층간변위비 뿐만 아니라 부재에 요구되는 소성변형을 평가하여야 한다. 본 연구에서는 복잡한 비선형해석 없이 탄성해석을 사용하여 강기둥-약보로 설계된 철골 특수모멘트골조의 보에 요구되는 소성변형을 평가하는 간편한 방법을 개발하였다. 개발한 방법은 탄성해석 결과를 근거로 모멘트 재분배, 기둥 단면치수 및 보 소성힌지 이동, 패널존 변형, 중력하중, 변형경화 거동 등을 고려하여 보의 소성변형각을 직접적으로 예측한다. 또한 가새골조 또는 코어벽 등 횡력 저항구조와 모멘트골조의 상호 작용인 로킹 효과 고려한다. 검증을 위하여 강기둥-약보로 설계된 6층 특수모멘트골조에 제안된 방법을 적용하여 보의 소성변형각을 예측하고, 그 결과를 비선형 해석 결과와 비교하였다. 검증 결과, 제안된 방법은 설계 변수에 따른 보의 소성변형각을 합리적으로 예측하는 것으로 나타났다. For the safe seismic design of buildings, it is necessary to predict the plastic deformation demands of the members as well as the story drift ratio. In the present study, a simple method of estimating the beam plastic rotation was developed for special-moment-resisting steel frame structures designed with strong column-weak beam behavior. The proposed method uses elastic analysis rather than nonlinear analysis, which is difficult to use in practice. The beam plastic rotation was directly calculated based on the results of the elastic analysis, addressing the moment redistribution, the column and joint dimensions, the movement of the plastic hinge, the panel zone deformation, the gravity load, and the strain-hardening behavior. In addition, the rocking effect of the braced frame or core wall on the beam plastic rotation was addressed. For verification, the proposed method was applied to a six-story special-moment frame designed with strong column-weak beam behavior. The predicted plastic rotations of the beams were compared with those that were determined via nonlinear analysis. The beam plastic rotations that were predicted using the proposed method correlated well with those that were determined from the nonlinear pushover analysis.