하중반전을 고려한 철근콘크리트 뼈대의 비선형 비틀림 해석

이재석 ( Lee Jae Seok ) 충북대학교 건설기술연구소 2016 建設技術論文集 Vol.35 No.2

이 논문에서는 철근콘크리트 뼈대의 비선형 비틀림 거동에 대한 해석에 유용한 비틀림 모델이 제시되었다. 철근콘크리트 뼈대의 비틀림 거동은 휨 거동에 비해 복잡한 공간적 거동을 보이므로 정확한 해석 모델의 구현이 어렵다. 해석적으로 구현이 가능하며 실용적으로 철근 콘크리트 뼈대의 비선형 비틀림 거동을 모사하기 위한 방안으로서 삼중 직선 모델을 제시하였다. 제시된 비선형 모델은 철근 콘크리트 뼈대의 비틀림모멘트-비틀림각에 대한 거동을 콘크리트의 균열 전 구간, 콘크리트의 균열 후 폐쇄스터럽(closed stirrup)철근의 항복 전 구간, 콘크리트의 균열 진전과 폐쇄스터럽 철근의 전체 항복 구간 등 세 구간을 각각 직선으로 이상화하는 삼중 직선 모델을 기반으로 하였고 하중반전 효과를 해석적으로 구현하기 위해 두 개의 탄성완전 소성 모델을 더한 중첩(overlay)모델을 사용하였다. 제시된 비선형 비틀림모멘트-비틀림각의 관계를 해석 프로그램으로 구현하고 전형적인 철근콘크리트 부재의 하중 재하, 하중 제거, 하중 재재하 상태에서의 비틀림 거동을 해석함으로써 제시한 모델의 적용성을 검토한 결과 하중반전 효과를 고려한 철근콘크리트 뼈대의 비선형 비틀림 거동을 이론적 모델대로 잘 추적할 수 있음을 확인하였다. An analytical study for the torsional behavior of the reinforced concrete frame is presented. A tri-linear torque-twist relationship is utilized to model the response of reinforced concrete beams subjected to torsion alone. In this model, it is assumed that the bending and torsional actions are completely uncoupled which has been widely accepted to simplify the nonlinear torsional behavour of the reinforced concrete beams maintaining the required analytical accuracy in the practical design of them, to consider the load reversal in simlified manner, the tri-linear torque-twist relationship is idealized by overlay model which means overlaying two components, each exhibiting elasto-perfectly plastic behavior. In order to investigate the effectiveness of the tri-linear torque-twist model, a simple L-shaped reinforced concrete frame under the loading, unloading and reloading conditions is analyzed. The numerical results show that the tri-linear torque-twist model is shown to be able to trace the torsional behavior of the reinforced concrete frame in various loading stages including load reversals.

곡선 사장교의 풍하중을 고려한 횡방향 거동 해석

이재석,최규천 한국풍공학회 2005 한국풍공학회지 Vol.9 No.1

A study for the transverse behavior of the curved steel cable-stayed bridge and PSC cable-stayed bridge under the static wind load as well as dead load and cable forces is presented. To account for the nonlinear behaviors of the curved cable-stayed bridge, material and geometric nonlinearity and time-dependent properties of materials are considered. A cable-stayed bridge is modeled as an assemblage of frame elements consisting of concrete and steel fibers, prestressing tendon segments and three-dimensional curved cable elements. In order to investigate the effectiveness of auxiliary cables on the transverse behavior of the curved cable-stayed bridge, nonlinear analyses on the curved steel and PSC cable-stayed bridge erected with or without the auxiliary cables are carried out. In addition, nonlinear analyses on the transverse behavior of the bridge for the static wind load are carried out at each erection step of the bridge. The numerical results show that the transverse deflections and bending moments of the bridge deck during construction stages can be greater than those of the bridge after completion. Moreover, the auxiliary cables are found to be effective to reduce the transverse deflections and moments of the bridge deck whether the wind load is considered or not. 이 논문에서는 3차원 케이블 지지 프레임의 비선형 해석 프로그램을 이용하여 곡선 강사장교와 곡선 PSC 사장교를 대상으로 시공의 진행에 따른 사하중과 케이블 긴장력에 의한 횡방향 거동은 물론 시공 중의 각 단계에서 발생할 수 있는 풍하중에 의한 상판의 횡방향 거동과 임시 보조 케이블이 풍하중 거동에 미치는 영향을 검토하였다. 곡선 사장교의 비선형 거동을 정확히 예측하기 위하여 각 시공단계마다 재료의 비선형성과 기학적 비선형성은 물론 재료의 시간의존적 특성의 영향을 모두 고려한 비선형 해석을 하였다. 정적풍하중이 작용하는 곡선 사장교의 시공단계를 고려한 비선형 해석을 수행한 결과, 두 가지 형태의 사장교에서 시공 중에 풍하중에 의한 횡방향 거동이 시공이 완료된 후보다 불리한 경우가 있음을 확인하였으며 보조 케이블이 곡선 사장교의 횡방향 거동에 미치는 영향이 작지 않음을 알 수 있었다. 또한 풍하중을 고려할 경우에 과다한 횡방향 거동을 제어하기 위해서는 추가적인 보조 케이블의 설치가 필요할 수 있음을 확인하였다.

동적거동에 기초한 약진지역 철골뼈대구조물의 내진설계

국승규 한국지진공학회 2001 한국지진공학회논문집 Vol.5 No.2

구조물 내진설계의 개념은 기존요구조건이라는 조항으로 시방서에 규정되어 있으며 구조물이 지진발생시에 안전성과 경제성을 최대한 확보할 수 있으며 비선형시간 이력해석을 수행하여 자진시의 동적거동을 기술함으로써 확인할 수 있다. 내진설계에 보편적으로 적용하는 응답스펙트럼해석법은 선형해석법으로 구조물의 비선형동적거동의 영향을 거동계수로 반영하므로 파괴메카니즘 및 기본 요구조건의 만족여부를 거동계수를 구하는 과정으로 결정할 수 있다. 이 연구에서는 내진설계방식에 의해 설계된 약진지역에 의한 화학공장건물의 모델인 3차원 철골뼈대구조물을 선정하고 거동계수를 결정하는 과정을 수행하여 지진시의 동적거동을 확인하였다. 이 연구의 결과, 현 시방서의 응답스펙트럼해석법에 적용되는 거동계수는 강진지역의 구조물의 경우 기능성 및 안정성 한계를 제시하지만 약진지역 구조물의 경우는 실제 동적거동과 무관하다는것과 약진 지역에 위치한 구조물의 내진설계에는 시방서가 제시한 내진설계방식을 적용하는 것이 주요한 사항임을 확인하였다.

반복하중을 받는 스테인리스강의 이력거동 해석모델 개발

전준태 한국재난정보학회 2019 한국재난정보학회 논문집 Vol.15 No.2

연구목적: 본 연구에서는 대변형 효과를 구현할 수 있는 유한요소 해석기법을 기반으로 반복하중에 의 한 스테인리스강의 이력거동을 정확하게 평가할 수 있는 비선형 반복소성 손상모델을 개발하였다. 연 구방법: 개선된 운동경화 모델과 등방경화 법칙을 연계하여 반복하중 하에서의 재료의 거동을 모사하 는데 필요한 반복소성 모델을 개발하였으며, 이를 비선형 손상모델과 결합하였다. 연구결과 및 결론: 제안된 비선형 손상모델을 검증하기 위하여 변형률 제어 단조 및 반복하중 시험을 모사하였으며, 이를 통한 해석결과를 시험결과와 비교하였다. 비교 결과, 본 연구에서 제안한 비선형 손상모델은 스테인리 스강의 반복하중 하에서의 이력거동을 정확하게 모사할 수 있음을 확인하였다. Purpose: This study intends to develop a nonlinear cyclic plasticity damage model in the framework of finite element formulation, which is capable of taking large deformation effects into account, in order to accurately predict the hysteretic behavior of stainless steel structures. Method: The new cyclic constitutive equations that utilize the combined isotropic-kinematic hardening rule for plastic deformation is incorporated into the damage mechanic model in conjunction with the large strain formulation. The damage growth law is based on the experimental observations that the evolution of microvoids yields nonlinear damage accumulation with plastic deformation. The damage model parameters and the procedure for their identification are presented. Results and Conclusion: The proposed nonlinear damage model has been verified by simulating uniaxial strain-controlled monotonic and cyclic loading tests, and successfully applied to a thin-walled stainless steel pipe subjected to constant and alternating strain-controlled cyclic loadings.

완성계 강사장교의 극한 거동의 해석적 연구

김승준(Kim Seungjun),임석빈(Im Seok-Been),이기세(Lee Kee-Sei),강영종(Kang Young-Jong) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 A Vol.32 No.2A

논문은 비선형 해석을 통한 완성계 강사장교의 극한 거동에 대해 다룬다. 사장교는 재료적 비선형성과 함께 다양한 기하학적 비선형성을 나타내므로 극한 거동을 명확히 규명하려면 반드시 합리적인 비선형해석이 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 합리적인 극한 해석기법을 통해 활하중에 대한 강사장교의 주요한 극한거동을 규명하고자 하였다. 강사장교의 비선형 해석을 위하여 비선형 트러스 요소 및 비선형 프레임요소를 이용하였고, 강재의 재료적 비선형성을 효율적으로 고려하기 위해 개선소성힌지법을 이용하였다. 활하중에 대한 극한 거동을 합리적으 분석하기 위해 본 연구에서는 초기형상해석활하중 해석으로 이어지는 2단계 해석 기법을 통해 극한 해석을 수행하였다. 해석 모델은 총 지간장이 920.0 m 사장교를 이용하였고, 방사형 및 팬 형 사장교를 해석에 이용하였다. 극한 해석결과를 통해 얻은 하중-변위 곡선, 구조물 변형형상, 소성단면, 휨모멘트분포도 등을 분석하여 활하중에 대한 완성계 사장교의 주요한 극한 거동을 규명하였다. This paper presents an investigation on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges using nonlinear finite element analysis method. Cable-stayed bridges exhibit various geometric nonlinearities as well as material nonlinearities, so rational nonlinear finite element analysis should be performed for investigation of the ultimate behavior. In this study, ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was studied using rational ultimate analysis method. Nonlinear equivalent truss element and nonlinear frame element were used for modeling the cable, girder and mast. Moreover, refined plastic hinge method was adopted for considering the material nonlinearity of steel members. In this study, the 2-step analysis method was used. Before live load analysis, initial shape analysis was performed in order to consider the dead load condition. For investigation of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges, analysis models which span length is 920.0 m were used. Radiation type and fan type were considered as the cable-arrangement types. With various quantitative evidences such as load-displacement curves, deformed shapes, locations of the yield point or region, bending moment distribution and so on, the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was investigated and described in this paper.

Fiber 모델 요소를 이용한 곡선 강사장교의 극한 해석

이재석 ( Jae Seok Lee ),최규천 ( Kyu Chon Choi ) 충북대학교 건설기술연구소 2014 建設技術論文集 Vol.33 No.1

이 논문에서는 화이버(fiber) 모델 요소를 사용하여 곡선 강사장교의 비선형 거동 및 극한 거동을 해석하였다.곡선 강사장교는 곡선 형상으로 인하여 축력에 의한 기하학적 비선형 효과가 커지고 과재하될 경우 재료의 항복으로 인해 복잡한 거동을 보이면 따라서 이반 공간보 모덜에 근거한 상용 유한요서해석 프로그램으로 과화중에 따른 비선형 거동 해석을 정확히 수행하는 데는 한계가 있다. 이 논문에서는 강재 박스거더의 단면을 충분한 수의 화이버로 나누고 각 화이버에는 다른 재료성질을 정의할 수 있는 화이버 모덜에 근거한 비선형 해석 방법을 적용하였다. 실제 설계된 강사장교를 대상으로 이 논문에서 제시한 해석방법을 적용하면 해석한 결과와 타연구자의 해석 결과와 비교하였고 화이버 모덜에 근거한 비선형 해석 방법이 곡선 강사장교의 비선형 거동 및 극한거동을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. An adaptedness of the nonlinear analysis method based on fibered element to curved steel cable-stayed bridge is presented. The curved steel cable-stayed bridge exhibit very complex nonlinear behavior due to the geometric nonlineariry by large axial forces in the deck and nonlinear stress-strain relations of steel deck and cables. The usual 3D-beam elements in commercial structural analysis progreams have been known to be inefficient because they can not model varying material properties through the element sections under overload stages. In the proposed nethod, to trace varying material properties through the deck sections, steel deck sections are divided into fibers which can havedifferent material properties. To evaluate the applicability and exatness of the proposed analysis method, an actually designed curved steel cable-stayed bridge is analyzed and the results are compared with other analytical results. It is found that the fibered element-based nonlinear analysis method can trace the ultimate behavior as well as the nonlinear behavior of the curved steel cable-stayed bridge fairly well.

비선형 단면해석을 통한 합성지하벽의 휨 거동 분석 및 설계

서수연,김현우 대한건축학회 2020 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.36 No.2

본 연구의 목적은 지하벽과 소일시멘트내의 H-Pile이 합성됨에 따른 구조적 영향을 연구하는 것이다. 합성지하벽의 휨거동에 대한 기존 실험연구의 결과를 재분석하고 합성지하벽에 대한 비선형 단면해석을 수행하여 비선형 휨거동을 규명하였다. 연구를 통하여, H-Pile과 RC 벽체 사이의 벌어짐 변형이 지하 합성벽의 휨설계에서 고려되어야 하는 지를 파악하였다. 비선형 단면해석으로부터, 합성지하벽 실험체들의 하중-변위 곡선은 완전합성과 비합성인 경우의 해석결과 사이에 존재하는 것으로 나타났다. 합성지하벽의 비선형단면 해석을 통하여 휨거동을 예측할 때, 전단연결재에 작용하는 인장응력에 의한 합성율 저감을 고려할 경우 적절한 휨거동이 예측될 수 있는 것으로 나타났다. The purpose of this study is to investigate the effects of composition of underground structural wall and H-pile in soil cement. The resultsof previous experimental studies are re-analyzed and the nonlinear cross-sectional analyses of composite basement walls are performed toverify their nonlinear flexural behavior. Based on the study, it is explained how the gap deformation between H-Pile and RC wall should beconsidered in the design of flexure of composite underground walls. The nonlinear cross-sectional analysis shows that the load-displacementcurves of composite basement wall specimens exhibiting flexural behavior exist between the results of the analysis of the complete andnon-composite cases. When predicting the behavior of the composite basement wall by nonlinear cross-sectional analysis, the flexural behaviorof the composite basement wall could be suitably predicted by considering the reduction of the composite ratio due to tensile stress actingon shear connectors.

섭동법을 사용한 사각형 유체저장 탱크의 비선형 유동해석

전영선,윤정방 한국지진공학회 2002 한국지진공학회논문집 Vol.6 No.6

사각형 유체저장 탱크내에 저장되어 있는 유체의 비선형 유동거동을 섭동법을 사용하여 해석하였다. 제시된 방법에 의한 비선형 해석결과는 기존의 연구결과와 잘 일치하였다. 지반특성과 탱크형상에 따른 유체 표면의 비선형 거동 특성을 분석하여 비선형 해석의 중요성을 입증하였다. 유체의 비선형 거동은 토사지반에서 크게 나타나며 특히 Broad Tank에서의 응답은 대단히 크게 나타났다. 일반적으로 유체표면 유동의 비선형 해석결과는 선형해석결과 보다 크게 나타났다. 유체저장탱크의 설계시 선형해석 만으로는 최대응답을 과소평가할 수 있으므로 비선형 해석을 반드시 수행할 필요가 있다. For nonlinear analysis of sloshing of fluid in rectangular tanks, a new method using the perturbation approach is presented. The results by presented method show good agreement with results in previous study. The importance of nonlinear sloshing analysis is demonstrated by comparing nonlinear behaviors of sloshing in broad and tall tanks with different site conditions. In general, the results by nonlinear analysis are greater than those by linear analysis. Specially, the nonlinear behavior is significant in softer soil site and broad tank. Therefore, nonlinear behavior analysis has to be considered in the design of large liquid storage tanks.

시공단계를 고려한 PSC 사장교의 풍하중 거동 해석

이재석,최규천 한국풍공학회 2004 한국풍공학회지 Vol.8 No.2

A study for the transverse behavior of segmentally erected PSC cable-stayed bridge under static wind loads is presented. To account for the nonlinear behavior of PSC cable-stayed bridge under static wind load, the geometric nonlinearity such as the cable sag and the change of the configuration of the structure, the material nonlinearity and the time-dependent properties of materials are considered. For the time-dependent properties of materials, creep, shrinkage, aging of concrete and relaxation of prestressing steel and cable are considered. A cable-stayed bridge is modeled as an assemblage of the frame elements consisting of concrete and reinforcing steel fibers, prestressing tendon segments and three-dimensional curved cable elements. At each erection step of the PSC cable-stayed bridge, time-dependent nonlinear analysis on the transverse behavior of the bridge under static wind load is carried out. The numerical results show that the transverse deflections and bending moments of the deck and the tower of the bridge under construction can be greater than those of the bridge after completion. And the time-dependent properties of material are found not to be negligible in considering the transverse behavior of PSC cable-stayed bridge under wind load. 이 논문에서는 PSC(Prestressed concrete) 사장교의 시공단계를 고려한 비선형 해석을 통하여 PSC 사장교의 시공 중과 시공 후에 발생할 수 있는 풍하중에 의한 주탑과 상판의 횡방향 거동을 검토하였다. PSC 사장교의 시간의존적 비선형 거동을 해석하기 위해 재료의 비선형성과 기하학적 비선형성은 물론 재료의 시간의존적 특성으로서 콘크리트의 크리프(creep), 강도증가(aging), 건조수축(shrinkage)과 PS 강재(Prestressing Steel)와 케이블의 이완(relaxation)을 고려하였다. PSC 사장교의 상판과 주탑은 콘크리트와 철근 화이버로 이상화한 화이버 모델 뼈대요소와 뼈대요소에 연결된 PS 강재요소로 이상화하였고, 케이블은 곡선 케이블요소로 이상화하였다. 정적 풍하중이 작용하는 PSC 사장교를 대상으로 시공단계를 고려한 비선형 해석을 수행한 결과, 시공 중에 발생하는 풍하중에 의한 PSC 사장교의 횡방향 거동이 시공이 완료된 후보다 큰 경우가 있으므로 각 시공단계마다 풍하중에 의한 PSC 사장교의 정적 거동에 대한 검토가 필요함을 확인하였다. 또한 풍하중이 작용하는 PSC 사장교의 횡방향 거동을 정확히 예측하기 위해서는 재료의 시간의존적 특성의 영향이 고려되어야 함을 알 수 있었다.

타이어의 접지 면적과 비선형 접지압력을 고려한 연성포장내의 거동 분석

조명환(Jo Myoung-Hwan),김낙석(Kim Nakseok),정진훈(Jeong Jin-Hoon),서영국(Seo Youngguk) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 D Vol.26 No.4D

포장을 설계하고 설계 수명을 산정하거나 현재 공용중인 포장의 유지ㆍ관리를 위한 상태 평가를 수행해야하는 경우 포장의 거동 분석은 중요한 입력 변수로 작용하게 된다. 포장의 거동을 예측하기 위해서는 정확한 타이어의 접지면적과 타이어의 압력이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 측정된 타이어의 형상을 측정하여 PCA에서 제안한 타이어의 형상과 비교하고, 측정된 타이어의 접지면적과 타이어의 종류에 대한 타이어 압력분포를 사용하여 3차원 유한요소해석을 통하여 포장의 거동을 예측하고 예측된 포장의 거동과 실제 포장의 거동을 비교ㆍ분석하였다. 해석 결과 표층의 경우 타이어의 형상과 비선형 압력분포의 영향을 크게 받으며, 이러한 타이어의 특성을 고려함으로써 현장 거동을 보다 잘 설명할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 중간층의 경우 타이어의 영향이 크지 않은 것으로 나타났으며, 실제 현장 거동과 비교했을 때 타이어 하부 에서는 큰 차이를 보여주어 실제 포장의 거동을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 이 부분을 보다 명확하게 설명을 할 수 있어야 할 것으로 나타났다. The important elements in pavement design criteria are the stress and strain distributions. To obtain reasonable stress and strain distribution, tire contact area and tire pressures are very important. In this study, finite element analysis was used to identify the three-dimension states using nonlinear tire contact pressure and measured tire contact area. Measured tire contact area was quite different from the assumed tire contact area, and it resulted in different strain states under the tire. At the surface course, considering tire rib and nonlinear tire pressure, the pavement response presented accurate data compared to the predicted one. However, at the binder course, tire effects were generally negligible and it showed that the predicted pavement response was different compared to the measured one.