FRP 합성보의 휨/전단거동해석에서 콘크리트손상소성모델의 여러 변수들의 영향

유승운,유준상 한국복합신소재구조학회 2019 복합신소재구조학회논문집 Vol.10 No.4

본 연구는 FRP-콘크리트 합성구조의 휨/전단에 대한 구조적 성능 및 거동 특성을 해석적으로 규명하고자 휨/전단 저항성능에 대해 외연적 유한요소해석을 이용하여 FRP 합성보의 휨/전단파괴거동 해석을 실시하여 기 수행한 실험과 비교분석 하고, 적용된 콘크리트손상소성모델의 각각의 인자들의 영향에 대해 매개분석하고 최적화된 안을 제시하고자 하였다. 기하학적 및 재료적 비선형성 큰 경우 유한요소해석 중 내연적 해석의 경우 수렴에 많은 문제점을 내포함으로 외연적 유한요소 접근법이 보다 합리적임을 수치해석을 통해 보였다. 본 연구의 경우 콘크리트손상소성모델의 여러 인자들에 대한 매개변수 해석을 수행한 결과, 다이레이션각의 경우는 26°, 파괴에너지 값으로 100Nm/m2, 인자 Kc의 값으로는 0.667 그리고 손상계수는 감안하는 것이 합리적이다. This paper is about flexure/shear behavior of FRP composite structure that can replace reinforced concrete structure. In order to investigate the flexure/shear behavior characteristic in analytical means, ABAQUS/Explicit was utilized for nonlinear analysis, and the various parameters and their influence were analyzed and compared with previous results to suggest values appropriated to this FRP composite structure. In case of implicit finite element analysis, the convergence is very ambiguous when geometrical and material non-linearity are large, so explicit FEA used in this study seems to be appropriate and it was proved by numerical analysis test. As the result of CDP(concrete damaged plasticity) model, it was recommended the result that 0.667 for Kc value, 100Nm/m2 for the value of fracture energy, 26° for the dilation angle and the consideration of damage parameter are believed to be appropriate.

비선형 유한요소해석을 이용한 조립식 교각의 성능 평가

정철헌(Chung Chul-Hun),윤연석(Yun Yeon-Suk),황은정(Whang Eun-Jung) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 A Vol.28 No.3A

교량의 하부구조에 프리캐스트 공법을 적용하기 위해 제안된 조립식 교각은 강관과 강봉을 연결구조로 활용하였으며, 강봉에 긴장력을 도입하여 교각의 일체화를 도모하였다. 제안된 조립식 교각 시스템을 적용하여 교각 실험체를 제작하였으며, 준정적 실험을 수행하였다. 실험결과, 교각 실험체의 파괴모드는 휨파괴로 나타났으며, 이음부에서의 손상은 발생하지 않았다. 또한 강봉에 도입된 긴장력으로 변형에 대한 복원능력이 우수하며, 교각의 연성능력이 내진설계기준을 만족하는 것을 확인하였다. 실험체를 대상으로 비선형 유한요소해석을 수행하였으며, 해석기법의 타당성을 검증하였다. 조립식 교각의 하중-변위 관계와 균열발생 위치에 대한 해석결과가 실험결과와 일치함을 확인함으로서 해석방법의 타당성을 확인하였다. 조립식 교각의 강재비, 강봉에 도입되는 긴장력, 콘크리트의 강도를 변수로 하여 비선형유한요소해석을 수행하였다. 해석결과를 통하여 제안된 조립식 교각 시스템의 적절한 수준의 강재비와 강봉에 도입되는 긴장력 등을 정성적으로 평가하였다. A Precast Prefabricated Bridge Column using steel tube and prestressing bar was proposed for the application of precast method on substructure. A column specimen designed by the proposed bridge column system was made and performed a quasi-static test. The failure mode appeared to be a flexural failure and there is no damage on column segment connection. And it is good use of the self-centering ability by prestressing force. Test results showed that a column specimen satisfy the earthquake specification, and the structural stability was verified. Nonlinear finite element analysis was performed and compared with the test results. Force-displacement relation and location of crack from the analysis results were compared with the test results and it agreed well. The quantitative analysis was also performed by a parametric study using this modeling technique.

강성응축기법을 이용한 국부 비선형 정적 해석

신한섭,오민한,부승환 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1

본 연구에서는 국부 비선형 정적 해석을 효율적으로 수행하기 위하여 강성응축(Static condensation)을 활용한 해석기법을 제시하였다. 강성응축기법은 자유도 기반의 유한요소 모델 축소기법이며, 해석 모델을 관심 대상(Target) 부분과 응축되어 생략될(Omitted) 부분으 로 구분한다. 본 연구에서는, 관심 대상 부분에는 비선형 영역, 생략될 부분에는 선형 영역으로 지정하였고, 선형 영역에 대응되는 강성 행렬 및 하중 벡터를 비선형 영역, 즉 관심 대상 부분으로 모두 응축하였다. 모델 응축 후에는 비선형 영역에 대한 강성 행렬 및 하중 벡터만으로 이루어진 축소 모델을 구성하였으며, 이 축소 모델만을 뉴턴-랩슨 반복(Newton-Raphson iteration)을 통해 갱신하여 효율적으로 비선형 해석을 수행하였다. 끝으로, 제안된 기법을 다양한 수치 예제에 적용하여 해석기법의 효율성과 신뢰성을 제시하였다. In this study, an analysis technique using static condensation is proposed for an efficient local nonlinear static analysis. The static condensation method is a model reduction method based on the degrees of freedom, and the analysis model is divided into a target part and a condensed part to be omitted. In this study, the nonlinear and linear parts were designated to the target and the omitted parts, respectively, and both the stiffness matrix and load vector corresponding to the linear part were condensed into the nonlinear part. After model condensation, the reduced model comprising the stiffness matrix and the load vector for the nonlinear part is constructed, and only this reduced model was updated through the Newton-Raphson iteration for an efficient nonlinear analysis. Finally, the efficiency and reliability of the proposed analysis technique were presented by applying it to various numerical examples.

보강된 판 및 쉘구조의 좌굴 및 후좌굴해석

김문영,최명수,민병철 한국전산구조공학회 1998 전산구조공학 Vol.11 No.4

보강된 판 및 쉘구조의 안정성 및 후좌굴을 포함하는 기하학적 비선형 해석을 수행하기 위하여, total Lagrangian formulation에 근거한 연속체의 증분평형방정식으로부터 변형된 쉘요소인 유한요소이론을 제시하였다. 쉘구조의 곡률이 불연속적으로 변하거나 쉘부재들이 유한한 각도로 만나는 보강된 판 및 쉘구조의 비선형 해석이 가능하도록 주부재와 보강재 간의 연결점에 대한 일반적인 변환관계를 제시하였으며 좌굴해석 및 기하학적 비선형해석의 경우에 해의 정확성 및 수렴성을 개선시키기 위하여 접선강도행렬 산정시 회전각의 2차항을 포함시켰다. 또한, shear locking 현상을 극복하기 위하여 감차적분을 적용하였고 쉘구조의 좌굴해석에서는 power method를 적용하여 해석의 효율을 높였으며, 후좌굴해석에서는 변위 및 하중증분법을 적절히 결합시켜 보강된 쉘구조의 후좌굴 거동추적이 용이하였다. 또한, 입력자료를 손쉽게 준비하고 좌굴모드 및 후좌굴거동을 효율적으로 분석하기 위하여 전, 후 처리 프로그램을 개발하였고 다양한 해석예제를 통하여 다른 문헌의 해석결과를 비교함으로써 본 연구에서 개발된 유한요소 해석프로그램의 타당성 및 정확성을 입증하였다.

보강된 판 및 쉘구조의 좌굴 및 후좌굴해석

김문영,최명수,민병철 한국전산구조공학회 1998 한국전산구조공학회논문집 Vol.11 No.4

보강된 판 및 쉘구조의 안정성 및 후좌굴을 포함하는 기하학적 비선형 해석을 수행하기 위하여, total Lagrangian formulation에 근거한 연속체의 증분평형방정식으로부터 변형된 쉘요소인 유한요소이론을 제시하였다. 쉘구조의 곡률이 불연속적으로 변하거나 쉘부재들이 유한한 각도로 만나는 보강된 판 및 쉘구조의 비선형 해석이 가능하도록 주부재와 보강재 간의 연결점에 대한 일반적인 변환관계를 제시하였으며 좌굴해석 및 기하학적 비선형해석의 경우에 해의 정확성 및 수렴성을 개선시키기 위하여 접선강도행렬 산정시 회전각의 2차항을 포함시켰다. 또한, shear locking 현상을 극복하기 위하여 감차적분을 적용하였고 쉘구조의 좌굴해석에서는 power method를 적용하여 해석의 효율을 높였으며, 후좌굴해석에서는 변위 및 하중증분법을 적절히 결합시켜 보강된 쉘구조의 후좌굴 거동추적이 용이하였다. 또한, 입력자료를 손쉽게 준비하고 좌굴모드 및 후좌굴거동을 효율적으로 분석하기 위하여 전, 후 처리 프로그램을 개발하였고 다양한 해석예제를 통하여 다른 문헌의 해석결과를 비교함으로써 본 연구에서 개발된 유한요소 해석프로그램의 타당성 및 정확성을 입증하였다.

반강결 연결부를 고려한 파이프 프레임 비닐하우스 구조물의 비선형 유한요소해석 및 극한 한계상태 탐색

이상익 ( Sangik Lee ),서병훈 ( Byunghun Seo ),서예진 ( Yejin Seo ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

본 연구에서는 3차원 프레임 구조물의 점진적 비선형 거동을 분석하고 극한 한계상태를 탐색하기 위한 유한요소법 기반의 비선형 극한해석 모델을 개발하였다. 해당 모델은 두 가지의 해석 절차인 단계적 하중 재하와 불균형 하중 재분배로 구성되었다. 하중이 증가함에 따라 부재의 소성파괴로 인해 발생하는 불균형 하중을, 파괴되지 않은 다른 부재로 전달하여 비선형 해석을 진행하였다. 또한 하중 증가로 전체 시스템이 붕괴되는 상태를 탐색함으로써 안전성과 직결된 극한 한계상태를 나타내는 임계하중계수를 도출하였다. 개발된 알고리즘을 다양한 형태의 프레임 구조 예제에 적용하여 점진적 비선형 거동을 효과적으로 해석하고 복잡 시스템의 한계상태를 명확히 도출할 수 있음을 입증하였다. 뿐만 아니라, 길이가 0인 가상의 요소 zero-length element (ZLE)를 도입하여 클램프가 이용된 반강결 연결부를 모델링하고 비선형 극한해석에 적용하였다. 특히 많은 불확실성을 내포하고 있어 신뢰성 기반 설계가 요구되는 비닐하우스 파이프 프레임 구조물을 대상으로 하였다. ZLE의 각 자유도에 대한 변위와 힘 간의 물리적 관계를 통해 강성계수를 정의하고, 각 변형이 발생하도록 제작된 지그와 만능재료시험기를 이용해 강성계수와 극한한계값을 산정하였다. 이를 바탕으로 ZLE의 강성행렬을 구성하여 유한요소해석 프로그램에 적용하였으며, 규격 및 비규격 시설의 대칭형 적설하중과 비대칭형 풍하중에 따른 비선형 극한해석을 수행하였다. 그 결과, 반강결 연결부를 고려함으로써 보다 현실적인 비선형 거동을 분석할 수 있었으며, 더욱 합리적인 한계상태를 도출하였다. 이를 활용해 극한 한계상태를 고려한 신뢰성 해석을 수행하고, 농업토목 구조물에 관한 고도화된 한계상태설계를 가능케 할 것으로 사료된다.

철근콘크리트 격납건물의 비선형 해석을 위한 쉘 유한요소

전영선,이홍표,Choun Young-Sun,Lee Hong-Pyo 한국전산구조공학회 2006 한국전산구조공학회논문집 Vol.19 No.1

격납건물은 원자로 사고발생시 방사능물질의 외부 유출을 막는 최후의 방벽이므로 가동 중 원전의 격납건물에 대한 안전성평가는 반드시 수행되어야 된다. 이러한 맥락에서 이 논문은 원전 격납건물의 비선형해석을 위해 탄소성 모델을 바탕으로 개발된 8절점 가변형도 쉘 요소와 이를 이용한 구조물의 비선형해석에 대하여 기술하였다. 비선형해석을 위해 콘크리트의 압축거동에 Drucker-Prager 파괴기준을 적용하였고 파괴포락선의 형상을 결정짓는 재료매개변수는 이축응력 실험으로부터 도출하였다. 개발된 쉘 유한요소는 퇴화 고체기법과 횡 전단변형도를 고려하기 위하여 Reissner-Mindlin(RM)가정을 도입하였고 쉘의 두께가 얇거나, 즉 종횡비가 작거나, 균일하지 않은 유한요소망을 사용할 경우 구조물의 강성이 과대하게 평가되는 묶임현상(locking phenomenon)을 제거하기 위해 본 논문에서는 가변형도법을 도입하였다. 개발된 철근콘크리트 쉘 요소의 성능검증을 위해서 벤치마크 테스트를 수행하였고 그 결과 이 논문에서 도출한 유한요소해석 결과는 실험결과와 잘 일치 하였다 It is absolutely essential that safety assessment of the containment buildings during service life because containment buildings are last barrier to protect radioactive substance due to the accidents. Therefore, this study describes an enhanced degenerated shell finite element(FE) which has been developed for nonlinear FE analysis of reinforced concrete(RC) containment buildings with elasto-plastic material model. For the purpose of the material nonlinear analysis, Drucker-Prager failure criteria is adapted in compression region and material parameters which determine the shape of the failure envelop are derived from biaxial stress tests. Reissner-Mindlin(RM) assumptions are adopted to develop the degenerated shell FE so that transverse shear deformation effects is considered. However, it is found that there are serious defects such as locking phenomena in RM degenerated shell FE since the stiffness matrix has been overestimated in some situations. Therefore, shell formulation is provided in this paper with emphasis on the terms related to the stiffness matrix based on assumed strain method. Finally, the performance of the present shell element to analysis RC containment buildings is tested and demonstrated with several numerical examples. From the numerical tests, the present results show a good agreement with experimental data or other numerical results.

한국형 원전 격납건물의 비선형해석에 관한 연구

이홍표,전영선,이상진,Lee, Hong-Pyo,Choun, Young-Sun,Lee, Sang-Jin 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.3

이 논문에서는 원전 격납건물의 극한내압능력 및 파괴모드 평가를 위해 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램 NUCAS 코드에 대하여 기술하였다. NUCAS는 미시적인 재료모델을 도입한 퇴화 쉘 요소와 탄소성 재료모델을 도입한 저차고체요소로 구성되어 있고, 퇴화 쉘 요소와 저차고체요소는 유한요소에서 발생할 수 있는 강성과대(overstiffness) 및 묶임현상(locking phenomenon)을 방지하기 위해서 각각 가변형도법(assumed strain method)과 개선된 가변형도법(enhanced assumed strain method)을 적용하였다. 개발된 NUCAS코드의 성능을 검증하기 위해서 다양한 철근콘크리트 구조물의 벤치마크 테스트를 수행하였고, 그 결과로부터 이 논문에서 개발한 유한요소해석 프로그램의 해석결과는 실험결과와 잘 일치하였다. In this paper, a nonlinear finite element analysis program NUCAS, which has been developed for assessment of ultimate pressure capacity and failure mode for nuclear containment building is described. Degenerated shell element with assumed strain method and low-order solid element with enhanced assumed strain method is adapted to microscopic material and elasto-plastic material model, respectively. Finally, the performance of the developed program is tested and demonstrated with several examples. From the numerical tests, the present results show a good agreement with experimental data or other numerical results.

단부 철근콘크리트와 중앙부 철골로 구성된 RC-S보 연결부의 비선형 유한요소 해석

박천석,김영찬,안재혁,백인성 대한건축학회지회연합회 2011 대한건축학회연합논문집 Vol.13 No.2

본 연구에서는 단부는 철근콘크리트구조로, 중앙부는 철골구조로 구성된 RC-S보에 대해 기존 연구의 실험체들을 대상으로 범용 비선형 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 구조해석을 수행한다. 또한 구조해석에 의한 하중-변위 곡선과 기존연구의 실험에 의한 하중-변위 곡선을 비교하여 RC-S보 연결부의 구조적 성능 및 거동을 검토한다. 그리고 기존연구의 실험체들 중에서 철근콘크리트 단부에 설치하는 밴드플레이트 유?무에 따른 실험체를 대상으로 밴드플레이트 유?무가 RC-S보 연결부의 내력에 미치는 영향과 RC-S보 연결부의 철골 매입 길이를 변수로 한 실험체들 대상으로 하여 RC-S보 연결부에서 철골 매입 길이가 RC-S보 연결부 내력에 미치는 영향을 검토해 본다. 이상과 같이 기존연구의 실험체들에 대해 구조해석을 통해 RC-S보 연결부의 내력평가를 위한 자료를 제시하고자 한다.

스트럿-타이 모델을 이용한 파일캡의 해석 및 설계

박찬수,이용원 대한건축학회지회연합회 2011 대한건축학회연합논문집 Vol.13 No.2

현재 대부분의 파일캡의 해석 및 설계에 보이론을 적용한다. 그러나 파일캡은 응력이 집중되고 전단경간 깊이비가 작아 보이론 적용에 논리적 모순이 있다. 현행 구조 기준에서는 파일캡과 같은 부재 설계를 할 때, 스트럿-타이모델(STM) 또는 비선형해석 방법을 적용하도록 하고 있으나 실제 적용된 사례는 거의 없다. 본 연구에서는 파일캡과 같이 응력교란영역(D-영역)에 적용 가능한 STM의 활용도를 높이고자 보이론 해석 결과에 만족하는 단면 및 철근량을 갖는 파일캡에 STM을 적용하여 서로 비교하였다. 그 결과 STM이 보이론 대비 약 0.74~0.82의 내력을 나타내었다. 그러나 보이론을 적용하여 설계된 기존 파일캡 중 구조적 문제가 발생된 예는 거의 없다. 따라서 연구 대상 파일캡에 비선형유한요소해석을 수행하여. 스트럿 및 절점영역 유효강도에 영향을 주는 계수(, )의 적정성을 검토하였다. 결론적으로 전반적인 요소의 응력은 스트럿 및 절점영역 유효압축강도에 0.47~0.55, 0.41~0.61에 각각 분포하는 것으로 나타났다.