폭발하중을 받는 RC 슬래브의 유한 요소 크기 및 종류를 고려한 수치모델 최적화 = Optimization for Numerical Model of RC Slab Subjected to Blast Load Considering Mesh Size and Combination of Element Types

국문 초록 (Abstract)

폭발하중은 짧은 시간 내에 큰 압력을 발생시켜 구조물에 급격한 변형과 복합적인 파괴를 초래하는 하중이다. 특히 철근콘크리트 구조물이 폭발하중에 노출될 경우 균열, 전단, 인장 등 다양한 형태의 파괴가 동시에 발생하며, 이러한 복잡한 거동을 예측하기 위해서는 정교한 유한요소 해석모델이 필요하다. 다만, 이 경우에는 해석 소요시간이 길어 실제 거동과 유사한 결과를 내면서 해석 시간을 단축하기 위해 해석 모델의 최적화가 필요하다. 본 연구에서는 요소 크기와 요소의 종류가 폭발하중을 받는 철근콘크리트 구조물에 대한 유한요소 해석의 효율성과 정확성에 미치는 영향을 분석하여 최적의 유한요소 모델을 도출하고자 하였다. 특히 폭발하중은 짧은 시간에 큰 압력을 발생시켜 철근콘크리트 구조물에 높은 변형률 속도에 의한 강도 증가 현상을 유발한다. 이러한 재료적 특성을 고려하여 구조적 거동을 모사하기 위해, 본 연구는 먼저 유한요소 종류를 비교 분석하여 해석의 효율성과 정확성을 동시에 만족시키는 최적의 요소 조합을 도출하였다. 이후, 요소 크기를 조절하여 실험 결과와 유사한 해석 결과를 도출할 수 있는 최적의 크기를 결정함으로써, 수치해석 모델의 정밀도와 신뢰성을 확보하였다. 이를 통해 폭발하중 하에서 철근콘크리트 구조물의 복합적 파괴 거동을 효과적으로 모사할 수 있는 최적화된 유한요소 모델을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A blast load generates enormous pressure within a short time, causing rapid deformations and complex failure in structures. When reinforced concrete structures are exposed to such a blast load, various failure mechanisms, including cracking, shear, and tension, occur simultaneously. To simulate this complex behavior, sophisticated finite element analysis (FEA) model is required. However, such models often require excessively long computational times. Therefore, it is essential to optimize the analysis model to obtain results that closely simulate actual behavior within a reasonable analysis time.
This study investigates the influence of mesh size and element types on the efficiency and accuracy of FEA for reinforced concrete structures subjected to a blast load. A blast load is generally known to induce high strain rate in structures, thereby enhancing the strength of materials. Considering this characteristics to material models, this study first compares the analyzes results by applied element types. Subsequently, by adjusting the mesh size, this study determines the optimal dimensions that give similar results to the experiments data, ensuring accuracy and efficiency in numerical models.
Through this approach, an optimized finite element model capable of effectively simulating the complex failure behavior of reinforced concrete structures under a blast load is proposed.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구의 배경 1
• 나. 관련 연구의 이해 3
• 다. 연구목적 및 연구범위 5
• 2. 이론적 배경 7
• 가. 폭발하중 7
• 1) 폭발하중의 이해 7
• 2) CONWEP 11
• 나. 재료모델 16
• 1) 콘크리트 재료 모델 16
• 2) 철근 재료 모델 19
• 3) Dynamic Increase Factor 21
• 다. 폭발하중에 따른 유한 요소 모델 24
• 1) 유한 요소 종류 비교 24
• 2) 유한 요소 크기 효과 26
• 3. 수치모델 구성 및 검증 31
• 가. 실험 조건 설정 31
• 나. 하중 모델 검증 36
• 다. 유한 요소 모델링 38
• 1) 슬래브 모델링 38
• 2) 철근 콘크리트 결합 방식 40
• 3) 경계조건 및 접촉조건 설정 41
• 라. 수치해석 결과 42
• 1) 파괴 형상 평가 42
• 2) 중앙부 변위 오차 평가 44
• 4. 수치모델 최적화 47
• 가. 요소 종류 조합 결정 47
• 1) 콘크리트 요소 종류 47
• 2) 철근 요소 종류 47
• 3) 요소 종류 조합 비교 48
• 나. 요소 크기 최적화 50
• 1) 요소 크기 기준 설정 50
• 5. 결론 및 고찰 60
• 참고문헌62
• ABSTRACT 67