반복하중을 받는 철근콘크리트 전단벽의 비선형 유한요소 해석

곽효경,김도연 한국전산구조공학회 2003 한국전산구조공학회논문집 Vol.16 No.4

이 논문에서는 단조증가하중 하에서 철근콘크리트 전단벽의 수치해석을 위해 개발된 재료모델을 반복하중을 포함한 일반적인 하중 하에서의 구조 거동을 효과적으로 모사하기 위한 해석모델로 확장하여 제안하고 있다. 먼저 재료모델을 구성함에 있어 하중이력에 따라 인장과 압축이 교대로 작용하는 콘크리트는 기본적으로 회전균열모델을 따르는 직교이방성 재료로써 가정하였고, 직교하는 축에 대해 인장과 압축을 오가는 이력곡선을 중심으로 등가의 일축응력-변형률 관계를 정의하였다. 나아가 철근은 평균응력-변형률 개념을 통해 단조증가 상태의 응력-변형률 관계를 구성하였고, 역전된 반복하중으로 인해 발생하는 Bausc-hinger 효과를 고려하여 이력곡선을 정의하였으며, 전단 효과를 고려하기 위해 전단지간 비에 따라 기존에 제안된 이력곡선을 수정하였다. 특히 해석과정의 효율성을 도모하고 변형연화 거동특성 등 일반적인 하중-변위 평형경로를 갖는 철근콘크리트 구조물의 비선형 해석을 위해 arc-length 기법을 도입하였다. 또한 제안된 수치해석모델에 대한 효율성을 검증하기 위해 요소단위의 철근콘크리트 판넬 시험체와 대표적인 전단벽 시험체의 반복하중 이력에 따른 하중-변위 관계 등 전단에 의해 지배를 받는 구조체에 대한 해석 결과와의 비교가 이루어졌다. This paper describes the extension of the numerical model, which was developed to simulate the nonlinear behavior of reinforced concrete (RC) structures subjected to monotonic in plane shear and introduced in the companion paper, to simulate effectively the behavior of RE structures under cyclic loadings. While maintaining all the basic assumptions adopted in defining the constitutive relations of concrete under monotonic loadings, a hysteretic stress strain relation of concrete, which across the tension compression region, is defined. In addition, unlike previous simplified stress strain relations, curved unloading and reloading branches inferred from the stress strain relation of steel considering the Bauschinger effect we used. The modifications of the stress strain relation of steel are also introduced to reflect pinching effect depending on the shear span ratio and an average stress distribution in a cracked RC element. Finally, correlation studies between analytical results and experimental studies are conducted to establish the validity of the proposed model.

폭발해석을 위한 간략 폭발하중 제안식

전두진,한상을,Jeon, Doo-Jin,Han, Sang-Eul 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.1

본 논문에서는 폭발해석에서 주로 사용되는 폭발하중의 압력-시간 이력곡선과 폭발하중 산정식인 Conwep 모델을 소개하고, 이를 더욱 간편하게 계산할 수 있는 간략 폭발하중 산정식을 제안한다. 폭발해석에서 폭발하중은 일반적으로 압력-시간 이력곡선의 형태로 적용되며, 그에 대한 주요 값들은 폭발하중 산정식에 의해 계산된다. 대부분의 폭발해석에서 사용되는 폭발하중 산정식인 Conwep 모델은 환산거리(scaled distance)를 핵심변수로 하여 계산되는데, 그 계산 과정이 매우 복잡한 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 환산거리를 변수로 갖는 간략한 유리식을 사용하여 주요 값들을 계산하고, 단순화된 압력-시간 이력곡선으로 폭발하중을 산정할 수 있도록 제안하였다. 간략식을 찾는 과정에서 Conwep 모델의 계산 결과를 바탕으로 곡선 적합(curve fitting) 방식이 사용되었으며, 제안된 간략식에 의한 주요 값의 계산 결과는 Conwep 모델과 비교하여 1% 미만의 오차를 갖는다. 또한, 유한요소를 이용한 폭발해석에 적용하였으며 Conwep 모델을 적용한 결과와 비교를 통해 검증하였다. In this paper, a pressure-time history curve of blast load and Conwep model are presented, and a simplified blast load formula is suggested. Generally, a blast load are applied as a pressure-time history curve, and it is calculated by blast load formula such as Conwep model. The Conwep model which is used in most of the blast analysis is quiet difficult to calculate because of its complex process. Therefore, a simplified formula is proposed to calculate blast load by simple rational expressions and to make a simplified pressure-time history curve. In this process, a curve fitting method was used to find the simple rational expressions. The calculation results of the simplified formula have an error of less than 1% in comparison with the Conwep model. And, blast analyses using finite elements method are accomplished with the Conwep model and simplified formula for verification.

시간이력 하중을 받는 콘크리트의 점증적 크리프 모델

박영성,신동훈,이용학,Park, Yeong-Seong,Shin, Dong-Hun,Lee, Yong-Hak 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.3

콘크리트의 크리프와 건조수축 변형에 대한 내적 혹은 외적 구속은 크리프 발생 응력조건을 변화시키며 이에 따라 크리프 변형의 발생은 응력변화에 종속적으로 변화한다. 시간이력 하중을 받는 크리프 거동문제로서 이해되는 이러한 크리프 거동현상의 수학적 모델링은 일반적으로 재하시의 콘크리트 재령과 물성값 및 하중이력을 기본 구성인자로 고려하여 시간적분 혹은 점증적 형태로 유도되었다. 본 논문에서는 시간이력하중을 받는 크리프 모델 가운데 단일 크리프 곡선을 사용하는 초기 크리프 모델인 평행 크리프 법의 단순성을 고려하여 이 방법이 갖는 단점과 한계성을 극복하고 성능을 개선한 평행 크리프 법을 유도하였다. 유도된 크리프 모델의 성질을 분석하고 예측 성능을 검증하기 위한 목적으로 원통형 콘크리트 공시체를 제작하고 시간이력 하중 하의 크리프 실험을 수행하였다. 끝으로, 콘크리트 공시체의 크리프 변형으로 인한 초기하중의 변화가 공시체의 재령에 따른 거동에 미치는 영향정도를 실험을 통해 분석하였으며, 크리프 시험기의 스프링계수를 측정하여 이로 인한 실험오차를 보정하였다. Internal or external restraint of concrete strain due to drying shrinkage and creep in concrete structures causes mechanical strain and becomes a source of persistent change in creep-causing stress conditions. Mathematical modeling to incorporate the persistent change of creep-inducing stress is generally achieved with consideration of the ages of concrete and concrete properties at the times of loadings, and stress history. This paper presents an incremental format of creep model based on parallel creep concept to depict the creep under time-varying stress history in developing creep strain. Laboratory experiments are carried out to validate the performance of the presented creep model. Typical creep phenomena are addressed through the comparisons between the measured and predicted creep strains.

반강접 접합부를 적용한 초대형 부유식 구조물 상부구조체에 대한 동적해석

송화철(Hwa-Cheol Song),김우년(Woo-Nyon Kim) 한국항해항만학회 2005 한국항해항만학회지 Vol.29 No.5

초대형 부유식 구조물의 경우 지진하중보다 파랑하중에 의한 영향이 크게 작용하기 때문에 파랑하중에 의한 하부부체의 변형이 상부구조물에 부가모멘트를 발생시키는 요인이 된다. 이러한 부가모멘트를 저감시키기 위해 본 연구에서는 강접합과 핀접합 사이의 거동을 하는 반강접 접합부를 적용하였다. 초대형 부유식 구조물의 상부구조체에 반강접 접합부를 적용할 경우 보의 부가모멘트를 감소시킬 수 있으며, 더욱 경제적인 설계가 가능하다. 본 논문에서는 4경간 3층 예제구조물에 대하여 파랑하중에 의한 영향을 분석하고, 구조물의 반강접 접합부 적용에 따른 효율성을 검토하였다. 접합부는 각형강관 외-다이아프램 접합부를 적용하였으며 파랑하중에 의한 동적 특성을 분석하기 위하여 시간 이력해석을 수행하였다. 초대형 부유식 구조물의 상부구조물의 경우 파랑하중에 의해서 정하중의 최대모멘트 응답이 강접 구조물에서는 33% 증가하였으며, 스프링 모델을 이용한 반강접 구조물에서는 26% 증가하였다. The additional moment occurs because the superstructures of VLFS are influenced by wave loads instead of earthquake loads. In order to reduce the additional moment, this study used the semi-rigid connections which lie between fully rigid and pinned. If the semi-rigid connections are used for superstructures of VLFS, the moment of beams can be reduced and more economical construction will be possible. This study aims to show the effect of wave loads on structure and the efficiency of the semi-rigid connections due to wave loads by analyzing the time history responses. The dynamic behaviors of the rigid frame are compared with those of the semi-rigid frame considering of static loads, wave loads and combination loads for a four-bay, three-story frames. The semi-rigid connection type is a steel tubular column with square external-diaphragm connections and the time history analysis is used for the dynamic responses. The additional moment responses due to wave loads increase 33% in the rigid frame, 26% in the semi-rigid frame with the spring model.

풍파랑 하중 샘플링 개수에 따른 플로팅 건물의 시간이력 응답 특성

이영욱,박태준 대한건축학회지회연합회 2016 대한건축학회연합논문집 Vol.18 No.1

플로팅 건물의 시간이력 해석을 위하여 필요한 최소한의 입력하중의 개수를 확인하기 위하여, 100개의 불규칙 풍파랑 하중에 대한 동수역학 해석을 수행하여 좌우동요와 횡동요를 고찰하고, 이 100개의 결과 중에서 30개를 건물의 밑면에 작용하는 입력하중으로 사용하여 부분골조 해석을 수행하였다. 30개의 해석결과 중 7와 15개의 샘플을 추출하여 평균과 표준편차를 비교하였다. 7개의 샘플링에 의한 지붕층의 변위값이나 가속도 및 모멘트의 값은 30개의 샘플의 평균값의 5% 이내의 오차가 발생하였으므로, 불규칙하중에 대한 해석 및 설계시 7개의 풍파랑 불규칙 하중에 대한 상부구조물의 평균값을 사용할 수 있음을 시사하였다. 그러나 표준편차의 경우는 샘플링의 개수에 따라 편차가 크게 발생하였으므로 확률적인 분포를 고려한 평가에서는 7개 하중의 평균값은 신뢰성이 떨어질 것으로 판단된다. 라틴하이퍼큐브에 의한 7개의 샘플링의 평균치와 표준편차는 30개 샘플링의 값과 근사하여, 상부구조물의 설계 및 확률분포의 추정시 안정적인 방법으로 사용될 수 있을 것임을 시사하였다. To study the effective sampling number of wind and wave loading on a floating building, 30 rolling and sway accelerations are selected from 100 hydrodynamic analysis samples, to find the historical response of the acceleration and displacement and the moment of beam and column of the building frame using substructure analysis. From 30 results, 7 and 15 are randomly sampled and the response of them are compared with that of 30 sampling. The average value of 7 random sampling shows good correspondence with the 30 sampling value but the standard deviation of 7 sampling is different from that of 30 sampling. But in case of 7 Latin Hypercube sampling, it shows good correspondence with 30 sampling result.

풍파랑 하중의 입력 방향이 플로팅 건물의 응답에 미치는 영향

이영욱,박태준,채지용 대한건축학회지회연합회 2018 대한건축학회연합논문집 Vol.20 No.1

To study the effect of direction of wind and wave load on the response of a floating building of which the plan is rectangular, the analyses are performed with the change of input load directions, 0°, 30°, 60°, 90°. Hydro dynamic time-history analysis was performed for the floating building with 7 cases of artificial wind and wave time-history loads generated from each spectrum. Building responses are calculated based on the substructure analysis of which base input accelerations ar calculated from the results of hydro dynamic analysis, assuming the rigid body motion of pontoon. It can be seen that the response of building is more directly related with the direction of wave load than that of wind. For the response of top story acceleration, the maximum value is obtained when wind and wave load direction is 90° and the second largest value is obtained when the input direction is 0°. The maximum value of beam and column moment is also obtained when wind and wave load direction is 90°. 장방향 평면의 플로팅 구조물의 풍파랑 하중 입사각에 따른 응답을 고려하고자 풍하중과 파랑하중의 입력 방향을 0°, 30°, 60°, 90°로 변화시키면서, 구조물의 동수역학 해석과 동적구조 해석을 수행하였다. 풍하중과 파랑하중 스펙트럼으로부터 산정된 7개의 인공 하중 시간이력 하중 조합을 이용하여 동적해석을 수행하였다. 건물의 동적해석 부분골조해석을 기반으로 수행하였으며, 그 입력으로 사용된 기반 가속도 하중은 함체가 강체거동을 가정하여 동수역학의 결과로부터 계산하였다. 상부골조의 가속도 응답은 풍파랑 하중의 입력방향에 따라 크게 변화하였으며 풍하중보다는 파랑하중의 입사각에 영향을 받음을 확인할 수 있었다. 상부 건물에 나타나는 가속도 응답은 단변방향에 작용하는 입사각에서 최대 응답을 보였으며, 그 다음의 최댓값은 장변방향의 값으로 나타났다. 상부골조의 1층 외부의 기둥과 보의 모멘트의 값도 단변방향 입사각에서 최대 응답을 보였으며, 그 다음의 최댓값은 장변방향의 값으로 나타났다. 이러한 모멘트 값은 상부골조의 가속도 값에 비례함을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구의 결과는 장방형이고 대칭의 평면을 가진 플로팅 건물의 경우에 장변 방향과 단변방향만의 해석을 통하여 구조물에 작용하는 모멘트 최댓값을 산정할 수 있음을 시사하였다.

궤도-교량 상호작용 해석 시 하중이력 고려방법에 따른 비교연구

김명수(Myoung-Soo Kim),윤경민(Kyung-Min Yun),이진옥(Chin-Ok Lee),임남형(Nam-Hyoung Lim) 한국철도학회 2012 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2012 No.10

장대레일 궤도가 철도교량 상에 위치하는 경우, 교량과 궤도의 상호작용에 의해 장대레일에는 추가적인 축력이 발생된다. 한국, 유럽, UIC 기준과 같은 많은 설계기준에서는 3개의 중요한 하중(교량 상판의 온도변화, 통과 열차에 의한 시/제동하중 및 교량 상판의 휨)을 서로 독립적인 별개의 하중으로 취급하고 있다. 이 기존의 해석 방법은 하중이력의 영향을 무시하여 레일과 교량 상부구조물과의 사이에 발생되는 종방향 저항력의 비선형 거동으로 인한 오차를 포함한다. 본 연구에서는 비선형 하중이력과 하중 이력의 영향이 고려된 수정된 해석방법을 제안하였다. 또한, 기존의 해석방법과 수정된 해석방법의 결과를 비교하였다. In case of the continuous welded rail(CWR) track is supported by the railway bridge, the additional axial force is occurred in the CWR due to the track-bridge interaction. In the various design codes such as Korean code, European code, UIC code, etc, three important loads(temperature variation in the bridge-deck, braking/acceleration and the bending of the bridge-deck resulted from the passing train) are treated as the independent loading case. This conventional method completely neglects the influence of the loading history, and may have some error because of the behavior of the longitudinal resistance connecting the rail and the bridge-deck is under the highly nonlinear. In this study, the algorithm for the modified method considering the sequential nonlinear loading combination and the effect of the loading history is proposed. And the results from the application of the modified methods are compared with the results obtained from the conventional method.

궤도-교량 상호작용 해석기법의 개선안

성인모(In Mo Sung),배현웅(Hyun Ung Bae),정덕희(Duk-hee Jung),임남형(Nam Hyoung Lim) 한국철도학회 2014 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.5

장대레일 궤도가 토공구간이 아닌 철도교량상에 위치하는 경우 궤도와 교량의 상호작용에 의해 장대레일에는 추가적인 변위와 축력이 발생하게 된다. 국내의 궤도-교량 종방향 설계기준에서는 3개의 중요한 하중(교량의 온도변화, 열차에 의한 시/제동하중 및 열차의 수직하중)을 서로 독립적인 하중으로 취급하고 각각의 하중에 대한 응답을 단순히 더하는 해석방법을 사용하고 있다. 또한 하중에 대한 극댓값을 사용하여 하중이력의 영향을 무시하여 궤도와 교량 상부구조물 사이에 발생되는 종방향 하중의 비선형 거동으로 인한 오차를 포함한다. 본 연구에서는 하중이력의 영향이 고려된 수정된 해석방법을 제안하였다. In case of the continuous welded rail(CWR) track is supported by the railway bridge not earthwork section, the additional axial force and displacement are occurred in the CWR due to the trackbridge interaction. Three of important loads((temperature variation in the bridge-deck, braking/acceleration and the vertical load from the passing train) are considered as the independent loading case in the domestic design code, and the answer of each loads are simply added. Errors due to non-linear behavior of longitudinal load occurred between track and bridge-deck are also included ignoring the effects of loading history, and using the maximum value of load. In this study, the modified analysis method was proposed considering the effects of loading history.

시계열하중을 이용한 PSC 박스 거더 고속철도교량의 동적성능 평가에 관한 연구

한성호(Han Sung Ho),방명석(Bang Myung Seok),이우상(Lee Woo Sang) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.3A

고속철도교량의 설계개념은 정적하중에 따른 충격계수를 고려하여 기존 교량 구조물의 강성을 증가시키기 위한 방안을 적용하고 있으며, 전반적인 구조설계 과정은 선진 외국기술에 의존하고 있는 실정이다. 그러나 고속철도(Korea Train eXpress: KTX)의 긴 연장(380 m)과 고속(300 ㎞/h) 주행은 공진현상에 상당한 영향을 미치기 때문에 고속철도교량의 동적증폭계수 (DAF) 및 동적성능 평가는 상세한 검토가 필수적으로 수행되어야 할 것이다. 따라서 이 연구에서는 전형적인 PSC 박스 거더 고속철도교량을 대상으로 동적성능을 효율적으로 검토하고자 하며, 합리적인 구조설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다. 이를 위해, 기존문헌을 토대로 KTX의 하중선도를 고려하여 정적해석을 수행하였다. 또한 다양한 해석변수를 고려하여 KTX의 이동하중을 시계열하중으로 변환하였으며, 변환된 시계열하중을 이용하여 시간이력해석을 합리적으로 평가하였다. 이때, 시계열하중을 산정하기 위한 변수는 KTX의 하중재하 절점간격, 시간증분 및 속도변화를 고려하였다. FE해석 결과를 바탕으로 PSC 박스 거더 고속철도교량의 동적성능을 체계적으로 검토하였으며, 국내외 관련규정에 따라 구조안전성을 정량적으로 평가하였다. The design concept of high speed railway bridges is applied to a method for increasing the stiffness of existing bridge structures considering the impact factor by a static load. Generally, the process of structural design would be relied upon an advanced foreign technology. However, the dynamic amplification factor (DAF) and dynamic capacity assessment of high speed railway bridges may be conducted essentially a detailed estimation because the resonance phenomenon is affected by the long length (380 m) and high speed (300 ㎞/h) moving of a high speed railway (Korea Train eXpress: KTX). Therefore, this study will be examined the dynamic capacity of the typical PSC Box Girder high speed railway bridge efficiently, and offered the basic information for the reasonable structural design. For this, the static analysis is conducted considering the load line diagram of KTX based upon existing references. In addition, the KTX moving load is transformed into the time series load considering various analytical variables. The time history analysis is assessed reasonable using the transformed time series load. At that time, analytical variables for calculating the time series load are considered loading node distance, time increment and KTX velocity variation etc. The dynamic capacity of the PSC Box Girder high speed railway bridge is examined based upon the FE analysis result systematically. The structural safety is assessed quantitatively in accordance with the related regulation of the inside and outside of the country.

반복온도하중이 교량상 궤도에 미치는 영향

김종중(Jong-Jung Kim),윤경민(Kyung-Min Yun),최진유,신정상(Jeong-Sang Shin),임남형(Nam-Hyoung Lim) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

교량상 장대레일이 부설 시 궤도-교량 종뱡향 상호작용에 의하여 부가축력이 발생한다. 이에 대한 강도한계의 검토를 위하여 KR C-08080 설계기준을 따른다. KR code에서 궤도-교량 상호작용 해석 시 온도하중과 차량하중을 고려하도록 하고 있으며, 각 하중의 극댓값을 적용하도록 되어있다. 이것은 지속적으로 작용하는 온도의 변동성, 반복주행을 고려하지 못한 해석으로, 도상의 탄소성 거동으로 인한 이력효과가 발생 할 수 있다. 이에 본 논문에서는 유한요소 해석을 통한 궤도-교량 상호작용 해석 시 반복온도하중을 고려함에 따른 영향을 살펴보았다. In case of the continuous welded rail(CWR) track is supported by the railway bridge, the additional axial force is occurred in the CWR due to the track-bridge interaction. And the strength criteria for checking follows design code (KR C-08080). KR code has temperature and vehicle loads consider when analyzing the track-bridge interaction, and each load apply its maximum magnitude. This analysis method may ignores the characteristics of continuous variation of temeperature and repaeated vehicle loads, and there is also the possibility of hysteresis track behavior due to the elasto-plastic behavior of the longitudinal ballast resistance. In this paper, track-bridge interaction characteristics due to cyclic temperature loads are investigated using by the FE analysis.