전단벽 해석을 위해 사용가능한 유한요소의 거동 특성 고찰 = Investigation on the behavioral characteristics of finite elements available for the analysis of shear wall

국문 초록 (Abstract)

일반적인 유한요소해석을 통해 건물구조해석을 수행하는 경우, 유한요소망으로 모형화하여 건물구조의 해석모형이 복잡해진다. 따라서 건축구조설계 실무에서는 일반적인 유한요소해석과 다르게 건물의 구조체를 단순한 해석모형으로 모형화하며, 이러한 단순해석모형을 작성하기 위한 다양한 기법 중 전단벽은 다양한 유한요소를 이용하여 하나의 전단벽을 두 기둥열 및 슬래브 사이에 있는 하나의 유한요소로 모형화하고, 슬래브를 강체격막으로 모형화하는 경향을 보인다. 하지만 해당 모형화 기법을 이용하는 경우, 해석결과의 신뢰성을 담보하기 위한 전단벽의 합리적인 모형화 방법에 관한 연구가 필요하다.
따라서, 본 연구에서는 실무적 상황을 고려한 전단벽의 모형화 방법을 모색하기 위해 전단벽 해석을 위한 유한요소의 공식화 이론의 발전과정과 공식화 방법을 고찰하고, 이를 근거로 면내회전강성을 갖지 않고 적합모드 평면응력요소와 면내회전강성을 갖지 않고 비적합모드를 고려하는 평면응력요소 및 면내회전강성을 갖는 평면요소로 나누어 구분한다. 여기서, 면내회전자유도를 가지는 평면응력요소의 경우에는 Allman-type의 면내회전자유도를 포함하는 적합모드 평면응력요소의 형상함수를 기본으로 비적합모드 또는 추가변형률 고려 여부, 비적합모드(또는 추가변형률)의 함수 차이, 회전에 대한 G 행렬 수정 여부, 페널티 함수 고려 여부에 따라 공식화 방법을 구분한다.
이후, 해당 공식화 방법들의 적용 가능성 검토를 위해 캔틸레버보의 해석을 수행하고 이론해와 SAP2000, MIDAS의 해석결과와 비교한다. 이를 통해 도출된 멤브레인요소 공식화 방법의 실무 적용 가능성을 검토하기 위해 CSI(2022)에서 제시하고 있는 ETABS 프로그램의 검증 해석 예제를 이용하여 일반적 전단벽 해석을 수행한다.
그 결과, 모든 프로그램별 해석결과가 다르게 나타나며, 비적합모드를 고려하지 않는 멤브레인요소의 공식화 방법은 다른 프로그램들과 유사한 변위와 부재력을 출력하므로 실무에서 적용가능한 것으로 판단된다. 하지만, Wilson, Ibrahimbegovic의 비적합모드를 고려하는 멤브레인요소의 공식화 방법은 다른 프로그램들과 다른 양상을 보이므로 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
전체적으로 6층인 해석모형의 경우 모든 프로그램의 횡변위가 5% 이하의 오차율이 나타나며, 층수가 증가할수록 변위와 부재력의 오차율이 감소하므로 6층 이하의 전단벽 모형화 시 주의가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 멤브레인요소 사용 시 가장 작은 오차율을 보이므로 전단벽 해석을 위한 모형화 시 멤브레인요소를 사용하여 모형화하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구내용 및 범위 3
• 제 2 장 전단벽 해석을 위한 유한요소 4
• 2.1 선행연구고찰 4
• 2.2 이론적 배경 5
• 2.3 컴퓨터 프로그램 분석 13
• 제 3 장 캔틸레버보 해석 16
• 3.1 캔틸레버보의 해석모형 16
• 3.2 캔틸레버보 해석결과 17
• 제 4 장 일반적 전단벽 해석 25
• 4.1 일반적 전단벽의 해석모형 25
• 4.2 일반적 전단벽의 해석결과 30
• 4.2.1 이차원 전단벽의 해석결과 30
• 4.2.2 C-형 단면 전단벽의 해석결과 31
• 4.2.3 E-형 단면 전단벽의 해석결과 37
• 제 5 장 결론 43
• 참고문헌 44
• < 국문요약 > 45
• < 부록 > 46