中心軸力하의 高强度 鐵筋콘크리트 기둥의 非線型 解析 = Nonlinear analysis of high strength concrete column under concentric axial load

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, high-strength concrete(HSC) has been widely used building structure many countries. However, properties of HSC as a structural material are not sufficient, especially, for its confinement. monotonically, HSC columns under increasing concentric compression will show extremely brittle behavior unless confined with transverse reinforcement that can provide sufficiently high lateral confinement pressure.
Nevertheless, the confinement steel requirements for HSC columns in the current ACI building code are intended for normal strength concrete(NSC) and obtained through an arbitrary extension of the requirements for circular spirals. Hence, the arrangement and the resulting efficiency of confinement reinforcement are not considered as design parameters. Also, this code is considering that lateral confinement affects in an enhancement of ductility but still not considering that confinement affects in an enhancement of strength against experimental results of several researchers. Since high-strength concrete are often used in constructing projects now, more than ever, refined stress-strain models for confined high-strength concrete are required to perform analysis or design of structures.
Therefore, An study using FEM was conducted to investigate the effectiveness of transverse reinforcement in reinforced concrete tied columns subjected to monotonically increasing axial compression. 26 large-scale columns(260×260×1200mm) were analyzed to simulate similarly an actual structural members size. Effects of main variables such as the concrete compressive strength, the tie configuration, the transverse reinforcement ratio, the tie spacing, and the spalling of the concrete cover were studied in this research program.
Also, FEM results were compared with previous Test results, simpled FEM model,
- Test Variables
Compressive strength of concrete : 225 ～ 800 kgf/cm2
Volumetric ratio of transverse tie : 80%, 100%, 120% of ACI Code
Spacing of transverse tie : 40 ～ 150 mm
Tie configuration : A, B, C, D, E, F Type
Arrangement of longitudinal bar : 4, 8, 12 bars
Ratio of longitudinal bar : 2.25 ～ 2.36 %
- Test Variables
3D-Full Modeling
3D-Simple Modeling
With the above variables, this study consist of six chapters as following.
chapter 1. background, purpose and scope of study
chapter 2. investigation of previous study
chapter 3. FEA summary ; variables selection, Element character, FEA consideration
chapter 4. FEM Results and comparison of test results
chapter 5, conclusion
The conclusions obtained from analyzing FEA and comparison of test results and predicted analytical models are followed.
1. Stress-Strain Curve of Confined Concrete obtained FEA was similarly behaviored that of test results.
2. All specimens analyzed FEM shown that The strength and ductility of the confined concrete obtained the transverse reinforcement, compression Strength, tie arrangement, then study of effectiveness of lateral steel, Nonlinear FEM Analysis could used
3. Increasing Volumetric ratio of lateral steel directly or indirectly improved the strength and ductility of confined concrete. lateral steel having more effective arrangement, the strength of confined concrete was increased.
4. The higher the yield strength of lateral steel, the higher stress contributed. the same arrangement obtained that much having lateral steel much contributed strength of confined concrete.
5. AsNonlinear FEM analysis, the more complex arrangement, the much having lateral steel, very matched FEM analysis results. because of material properties of concrete. widely spacing of lateral steel could not predicted.
6. Nonlinear 3D-SM(Simple Method) FEM analysis was similarly behaviored by test results and Nonlinear 3D-Full FEM analysis.
7. H-Series shown that results of nonlinear FEM analysis was higher obtained by those of test. U-Series very matched. because of material properties of concrete. the Higher Volumetric ratio of Lateral steel of U-Series than H-Series, the more U-Series was very matched.

국문 초록 (Abstract)

국내외적으로 높은 압축강도와 탄성계수로 인한 철근 콘크리트 구조물 구조적 최적화, 그리고 부재단면축소 및 공기단축으로 인한 경제성 확보라는 측면에서 많은 이점을 가지고 있는 고강도 콘크리트에 대한 기술은 지난 10년에 걸쳐 많은 연구개발을 통해 발전되어 왔으며, 현재 실용화되고 있는 실정이지만, 여전히 매우 취성적이라는 고강도 콘크리트의 재료적 특성에서 기인되는 구조적인 문제점은 과제로 남아 있는 실정이다.
특히, 고강도 콘크리트의 장점을 최대한 활용할 수 있는 수직 압축구조부재의 경우, 변형능력의 확보측면에서 국내외적으로 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있지만, 현재 각 국의 규준에서 반영하고 있는 모델식에서 요구되는 계수들은 콘크리트강도 400 kgf/cm2미만의 보통강도 콘크리트가 사용된 구조부재의 실험으로부터 얻어진 결과이므로 고강도 콘크리트가 일반적으로 사용되어지고 있는 현 시점에서 보통강도 콘크리트에 대한 기존의 모델식을 그대로 반영하여 구조물을 해석 또는 설계할 경우 구조물의 안전성측면에서 많은 문제점을 야기할 수 있다.
따라서 횡구속에 의한 고강도 콘크리트의 응력-변형률 관계를 정확하게 예측할 수 있는 구속모델의 개발은 절실하다 하겠다. 물론 이에 대한 연구가 전혀 이루어지지 않은 것은 아니지만, 구속모델에 영향을 끼치는 모든 변수를 고려한 연구, 특히 고강도 콘크리트를 사용한 실제 구조부재에 가까운 Large Scale에 대한 실험은 국내에서는 전무하며, 국외에서도 많지 않다.
따라서 본 연구에서는 콘크리트 강도, 횡보강근의 체적비, 횡보강근의 배근형태 및 간격, 주근의 배열 등을 주요변수로하여 고강도 콘크리트를 사용한 Large-Scale의 기둥을 대상으로 FEA을 수행하였으며, 이를 바탕으로 고강도 콘크리트 기둥의 구속에 의한 강도와 연성증진 효과와 각각의 변수들이 구속된 콘크리트의 거동에 미치는 영향을 평가하고 실험결과와 비교, 분석을 통하여 구속된 콘크리트에 영향을 미치는 변수들의 상관성 규명 및 ACI의 띠철근 요구량에 대한 규준의 타당성을 검토하고 FEM 해석결과와 단순화된 FEM 모델들의 비교, 분석을 통해 단순화된 횡구속 모델의 타당성을 검토하여 보다 합리적인 FEA 구속모델을 제안하여 향후 수학적 모델과의 비교하는 기초 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서의 주요 변수들은 다음과 같다.
실험상의 변수
Large Scale의 실험체 : 260×260×1200mm
ㆍ콘크리트 강도 : 225～800 kgf/cm2
ㆍ횡보강근의 체적비 : ACI 규준의 80%, 100%, 120%
ㆍ횡보강근의 간격 : 40～150 mm
ㆍ횡보강근의 형태 : A, B, C, D, E, F 형태
ㆍ주근의 체적비 : 2.25～4.16%
ㆍ주근의 배열 : 4개, 8개, 12개
해석상의 변수
ㆍ3D Full 모델링
ㆍ3D 단순 모델링
본 논문의 구성은 다음과 같이 5장으로 구성되어 있다.
제 1장은 연구의 배경, 목적, 범위, 내용을 기술하였다.
제 2장은 규준식 및 기존연구에 대하여 기술하였다.
제 3장은 해석개요, 실험체 모델링 상황 및 콘크리트/철근 요소, 해석시 상황시 유의사항 등을 기술하였다.
제 4장은 FEM 해석의 결과 및 실험치와 비교 및 분석을 기술하였다.
제 5장은 중심축력하의 고강도콘크리트 기둥의 비선형해석에서 얻어진 결론을 기술하였다.
중심축력하의 고강도 철근콘크리트 기둥의 비선형해석에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
1. FEM해석으로 얻어진 구속된 콘크리트의 응력-변형률 곡선은 실험치와 유사한거동을 보였다.
2. FEM해석한 모든 실험체는 강도 및 연성증진에서 횡보강근의 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이는 기존 실험 논문에서도 증명되었다. 그러나 FEM해석으로 횡보강근의 영향을 증명한 것은 많이 없으며, FEM해석으로 횡보강근의 영향을 증명할 수 있다고 판단된다.
3. 체적비의 증가는 구속된 콘크리트에 직접적으로 강도와 연성을 모두 향상시킬 수 있으며, 더 효과적인 횡보강근의 배근형태를 가질 경우, 강도증진에 더 우수한 것으로 판단된다.
4. 횡보강근의 항복강도가 높을수록 더 많은 응력을 받는 것으로 나타났으며, 동일한 Type에서 횡보강근량이 많을수록 더 많은 횡보강근의 응력을 받는 것으로 나타났다.
5. FEM해석은 타입이 복잡할수록, 횡보강근량이 많을수록 다시말해서, A-Type보다는 E, F-Type으로 갈수록 더 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이는 FEM해석상 횡보강근의 간격이 넓으면 콘크리트의 재료적 성질이 강해 FEM해석으로 예측하기가 곤란한 것으로 판단된다.
6. 단순FEM-해석치는 실험치와 유사하나, 향후 사용시 값을 수정하여 사용하여야 된다고 판단된다. 왜냐하면, 주근의 영향으로 약간의 지연이 일어나는 것으로 판단된다. 그러나, 값은 실험치와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
7. H-Series는 강도 및 연성증진에서 실험치보다 다 높은 값을 보였다, 그러나 U-Series는 강도 및 연성 증진에서 실험치와 거의 유사하였다. 왜냐하면, H-Series는 횡보강근의 철근량이 적어 콘크리트의 재료적인 성질에 많이 좌우되고 그러나 U-Series는 H-Series와 달리 횡보강근량이 많아 콘크리트의 재료적인 성질에 그렇게 크게 좌우되지 않은 것을 나타났다.
8. 지진발생 시 기둥의 소성힌지 구역에서 콘크리트가 횡보강근에 의해 구속될 경우 부재의 강도와 연성이 증가되어 기둥의 거동에 상당한 영향을 주는 것으로 알려졌다. 그러나 이러한 거동을 정확히 예측할 수 있는 구속 콘크리트의 모델은 많지 않으며, 고강도 콘크리트 대한 모델은 거의 없는 실정이다. 따라서 구속된 고강도 콘크리트의 거동을 정확히 예측하여 설계에 반영될 수 있는 합리적이면서 실용적인 모델의 개발이 요구된다 하겠다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구의 목적 2
• 1.3 연구내용 및 방법 3
• 제 2 장 기존 연구 및 해석적 고찰 5
• 2.1 규준식 고찰 5
• 2.1.1 ACI 규준 5
• 2.1.2 HSC Columns: State of Art(ACI 441R-96) 10
• 2.1.3 CSA (캐나다 규준) 13
• 2.1.4 NZS 3101:1995(뉴질랜드 규준) 13
• 2.2 기존 연구 고찰 15
• 2.2.1 Kent - Park의 연구 15
• 2.2.2 Seikh-Uzumeri 연구 18
• 2.2.3 Cusson Paultre 연구 21
• 2.2.4 Jing Liu et al 연구 26
• 2.2.5 Danial Cusson et al 연구 27
• 2.2.6 Abdel-Halim et al 연구 29
• 2.2.7 기타 연구 30
• 제3장 비선형해석 34
• 3.1 해석개요 34
• 3.2 재료의 성질 34
• 3.2.1 콘크리트 34
• 3.2.2 철근 36
• 3.3 실험체 계획 37
• 3.3.1 실험변수 37
• 3.4 해석 Design 42
• 3.4.1 해석 개요 42
• 3.4.2 요소 42
• 3.4.3 재료 모델링 43
• 3.4.4 실험체 모델링 46
• 3.4.5 해석상의 변수 49
• 3.4.6 해석 제어 50
• 제4장 해석 결과 51
• 4.1 일반사항 51
• 4.2 최종상황 51
• 4.3 실험값과 해석값 비교 52
• 4.3.1 H-Series (500 kgf/cm2) 52
• 4.3.2 U-Series (800kgf/cm2) 55
• 4.4 FEA에서 횡보강근의 기여도 58
• 4.4.1 횡보강근의 역할 58
• 4.4.2 횡보강근의 강도 60
• 4.5 이론치를 이용한 FEA(3D-FEM 해석) 62
• 4.5.1 이론-해석 62
• 제6장 결 론 66
• 참고문헌 68